Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электрохимические технологии. общие вопросы построения цифровых электротехнических систем для исследования электрохимических процессов. цель и задачи исследования
1.1. Применение электрохимических технологий в различных отраслях промышленности .12
1.2. Химические источники тока и их характеристики .14
1.3. Обзор и анализ технических средств, применяемых для исследования электрохимических процессов .22
1.4. Общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов для исследования электрохимических процессов:
1.4.1. Порядок преобразования входных сигналов датчиков и построение структурной схемы системы 30
1.4.2. Основные требования к элементам системы 33
1.4.3. Вопросы построения алгоритмов управляющих программ, определение частоты дискретизации и оценка погрешности 43
1.5. Цель и задачи исследования 61
Выводы .62
ГЛАВА 2. Аналого-цифровой принцип импульсного интегрирования текущего значения сигнала. преобразователя тока с программным управлением для.контроля текущего значения количества электричества
2.1. Принцип квантования по вольт-секундной площади аналогового сигнала с микроконтроллерным управлением. Структурная схема импульсного интегратора с программным управлением .63
2.2. Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров и оценка погрешности :
2.2.1. Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров 71
2.2.2. Оценка предельной относительной погрешности аналогово-цифрового квантования количества электричества 75
2.3. Алгоритм управляющей программы 81
Выводы 83
ГЛАВА 3. Дозирование количества электричества в условиях реверсирования тока при заряд-разрядных режимах работы хит
3.1. Эффективность использования режима деполяризации при заряде 83
3.2. Программное управление режимом заряда ХИТ в условиях реверсирования тока .86
3.3. Цифровой контроль и дозирование количества электричества в условиях реверсирования тока .92
4. Предельная относительная погрешность определения текущего значения количества электричества при реверсировании тока 103
Выводы 104
ГЛАВА 4. Вопросы контроля баланса количества электричества при эксплуатации хит в системе энергообеспечения транспортного средства
4.1. Режимы работы ХИТ системы энергообеспечения транспортного средства 105
4.2. Моделирование процесса разряда ХИТ при электростартерном пуске двигателя внутреннего сгорания 108
4.3. Построение системы контроля текущего баланса количества электричества при эксплуатации ХИТ на транспортном объекте 122
4.4. Алгоритм управляющей программы микроконтроллера и его верификация .133
4.5. Определение предельной относительной погрешности при контроле баланса количества электричества 137
Выводы .139
Заключение 140
Библиографический список
- Химические источники тока и их характеристики
- Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров и оценка погрешности
- Программное управление режимом заряда ХИТ в условиях реверсирования тока
- Моделирование процесса разряда ХИТ при электростартерном пуске двигателя внутреннего сгорания
Введение к работе
Актуальность работы. Широкое применение электрохимических технологии в различных отраслях промышленности обуславливает необходимость непрерывного контроля широкого спектра параметров при протекании технологических процессов, что позволяет обеспечить необходимый для них режим работы, а так же оказывать влияние на экономическую эффективность производства. Например, в гальванотехнике для получения плотных мелкозернистых и равномерных по толщине покрытий необходимо применять специальные условия протекания электролиза. В этом случае контролю подвергаются характеристики, имеющие как электрическую, так и неэлектрическую природу.
При соблюдении технологии электрохимического процесса важную роль приобретает контроль электрических характеристик. Так, например, при электрохимическом производстве металлов или газов, а так же в гальваностегии, при осаждении материала на металлические поверхности гальванических покрытий, для управления процессами электролиза возникает потребность в современных автоматических программируемых средствах контроля количества электричества, отданного в нагрузку.
Важнейшим разделом применения электрохимических технологии является производство и эксплуатация химических источников тока. В настоящее время широко распространены технические устройства и приборы различного назначения, которые требуют для своей работы применения химических источников тока (ХИТ). При этом следует отметить, что в реальных условиях практически невозможно обеспечить оптимальные эксплуатационные режимы ХИТ, влияющие на их долговечность. В связи с этим становится весьма актуальным обеспечение надежности устройств и приборов с автономными источниками питания, которыми являются ХИТ, что в свою очередь требует создания специализированных средств цифрового контроля электрических характеристик ХИТ, имеющих важное значение для критических условий эксплуатации.
Работы в направлении исследования информационно-измерительной техники велись отечественными и зарубежными учеными: академиком П.П. Орнатским, А.П. Альтгаузеном, М.Д. Бершицким, Б.Д. Орловым, А.А. Чакалевым, Л.В. Глебовым, M. Greitmann, A. Kessler. Большой вклад в исследование электрохимических процессов внесли академик РАН Якоби Б.С., Федотьев Н.П., Алабышев А.Ф., Ротинян А.Л., Вячеславов П.М., Животинский П.Б. В направлении развития теории и практики построения средств цифрового дозирования внесли определенный вклад профессор А.П. Попов, А.Ю. Власов.
Целью работы является построение цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества в составе систем энергообеспечения с электрохимическими устройствами, позволяющие улучшить их эксплуатационные параметры.
Объект исследования - цифровой электротехнический комплекс контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах.
Предмет исследования - схемотехника структурных схем, алгоритмы функционирования и программное обеспечение цифровых электротехнических комплексов, моделирование и исследование их работы.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Провести анализ существующих средств контроля количества электричества при различных электротехнических технологиях с целью определения возможности их усовершенствования. Рассмотреть общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах.
2. Обосновать схемотехнику и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока.
3. Обосновать схемотехнику и алгоритмы функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока.
4. Сформировать принципы построения цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии.
5. Провести математическое моделирование и исследование режимов работы цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы компьютерного моделирования процессов, базирующихся на теории электрических и магнитных цепей, магнитного поля, компьютерного моделирования функционирования цифровых систем. Основу методологии составляют положения цифровой обработки сигналов, а так же экспериментальных исследований.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием математического аппарата теории электрических и магнитных цепей, современного программного обеспечения (среда разработки CodeVisionAVR), программ симулирования электромагнитных процессов и функционирования цифровых систем (MATLAB, PROTEUS), позволяющих устанавливать работоспособность разрабатываемых управляющих алгоритмов, предлагаемых в работе цифровых комплексов, а так же совпадением результатов компьютерного моделирования и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
1. обоснована возможность построения цифрового комплекса с программным управлением, позволяющего осуществлять контроль баланса количества электричества в цепи ХИТ при его эксплуатации на транспортном объекте в реальном времени, для поддержания оптимального режима эксплуатации;
2. предложен принцип цифрового интегрирования двуполярного аналогового сигнала методом алгебраического суммирования вольт-секундных площадей сигнала при использовании однополярного АЦП;
3. предложен принцип аналогово-цифрового интегрирования текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока с программным управлением импульсным интегратором для измерения количества электричества.
Практическая значимость работы:
1. предложены структурная схема, алгоритм функционирования и управляющая программа на языке программирования Си цифрового комплекса, которые могут быть использованы при проектировании различных устройств, осуществляющих контроль баланса количества электричества, проходящего через ХИТ, установленных на транспортных и специальных объектах;
2. предложены структурная и принципиальная схемы аналогово-цифрового интегратора, алгоритм его функционирования и управляющая программа на языке Си, которые могут быть использованы при проекти-ровании различных устройств учета и дозирования количества электриче-ства;
3. предложены структурная и принципиальная схемы, алгоритм функционирования и управляющая программа на языке программирования Си комплекса управления электрохимическими процессами и осуществления дозирования количества электричества в условиях реверсирования тока, которые могут быть использованы при проектировании различного технологического, учебного или научного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока.
2. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока.
3. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии с применением принципа цифрового интегрирования двуполярного аналогового сигнала датчика тока при использовании однополярного АЦП.
Реализация результатов работы. На предприятии ООО «ОМИКС» (г. Омск) (сфера деятельности: разработка диагностического оборудования для объектов железнодорожного транспорта) при разработке цифрового комплекса контроля баланса количества электричества в системах электроснабжения потребителей для транспортных объектов с аккумуляторными накопителями энергии были использованы предложенные автором структурная схема и управляющая программа.
В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет» (г. Омск) были использованы разработанные автором алгоритмы управляющих программ при выполнении дипломных проектов. Также для проведения исследований по теме диссертации были разработаны и изготовлены:
- опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при разряде ХИТ до определенного уровня напряжения;
- опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при работе ХИТ в режиме: заряда-пауза-разряд-пауза, позволяющий задавать требуемые временные интервалы каждой из фаз;
- опытный образец цифрового электротехнического комплекса, позволяющего контролировать количество электричества, энергию, пиковое значения тока и минимального значения напряжения в условиях экстремального режима разряда.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» – Омск, 2011 г., общероссийской научно-технической конференции «Броня 2012» – Омск, 2012 г., а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК, получен 1 патент на полезную модель, получены 4 свидетельства о регистрации электронного ресурса.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 154 наименования, приложений. Основной текст изложен на 156 машинописных страницах, поясняется 39 рисунками и 3 таблицами.
Химические источники тока и их характеристики
Эффективность электрохимических технологий оценивается рядом характеристик, с помощью которых происходит управление технологическим процессом, с целью обеспечения качества и избегания дефектов получаемого продукта. Одной из важных электрических характеристик электрохимического процесса является количество электричества, прошедшего через электрохимическую систему.
Согласно закону Фарадея [5] перенесенная масса выделившегося вещества пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электрохимическую систему. Измерение количества электричества и применение закона Фарадея позволяет определить геометрические размеры изделий, в частности толщину осаждаемых покрытий. Для определения емкости ХИТ измеряют количество электричества, выделенное им при разряде.
В связи с этим возникает необходимость в контроле текущего значения количества электричества Q(t), необходимого для осуществления той или иной химической реакции.
Для измерения количества электричества в настоящее время используются различные приборы, такие как: кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов [1,47,106,133].
Кулонометры - это приборы, предназначенные для измерения количества электричества, прошедшего через электрохимическую систему. Они представляют собой электролизеры, на рабочих электродах которых, идут электрохимические реакции с образованием определенных продуктов. Принцип действия данных приборов основан на использовании закона электролиза Фарадея.
По способу определения количества вещества, образующегося на рабочих электродах, различают весовые, объемные и титрационные кулонометры. В качестве примера можно привести весовой серебряный кулонометр. Катод кулонометра представляет собой платиновую чашку, а анод-серебряную пластину или проволоку, помещенную в пористый керамический сосуд или мешок из ткани для предотвращения попадания анодного шлама в катодный осадок. В ходе реакции на катоде происходит выделение серебра, массу которого определяют взвешиванием по завершении реакции. Расчет количества электричества проводится согласно выражению[1]:
Точность объемных кулонометров снижается ввиду возможной утечки газов. Преимуществом кулонометров данного типа является возможность контроля текущего значения Q(t).
Существуют также титрационные кулонометры [47]. Примером служит йодный титрационный кулонометр. Он представляет собой Н-образный стеклянный сосуд, с разделенными катодной и анодной камерами, наполненными раствором иодида калия. Оба электрода выполнены из платины. В ходе реакции образуются молекулы йода, которые выделяются в электролит. Для определения количества электричества после завершения реакции электролит титрируется тиосульфатом натрия. При этом в качестве индикатора используется раствор крахмала. Количество электричества определяется согласно выражению:
Недостатками кулонометров этого типа являются: низкая чувствительность, трудоемкость расчетов, необходимость использования дополнительного оборудования. Кроме того, в качестве информационного параметра об измеряемой величине количества электричества выступает неэлектрическая величина (масса вещества), которая не может быть представлена в качестве электрического сигнала для последующей обработки.
Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров и оценка погрешности
Кроме того, архитектурой микроконтроллеров AVR предусмотрен регистровый файл быстрого доступа. Он представляет собой 32 регистра длиной 1 байт, имеющие общее назначения, которые непосредственно связаны с АЛУ процессора. В сочетании с конвейерной обработкой это позволяет выполнять одну операцию в АЛУ за один машинный цикл.
Система команд AVR достаточно развита и насчитывает до 133 различных инструкции, что делает их похожими на CISC процессоры [120]. Например, у PIC контроллеров система команд насчитывает 75 различных инструкции, а у MCS51 она составляет 111. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (1 байт). Это позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде код операции и операнды. Также реализована функция аппаратного умножения.
Прогрессивная RISC архитектура в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет создавать работоспособные программы с эффективным кодом, как по компактности, так и по скорости выполнения [121].
Фирма Atmel предлагает достаточно широкую номенклатуру различных микроконтроллеров, обладающих разнообразной периферией. В качестве управляющего блока выбран микроконтроллер AVR AT Mega 16 [41]. Некоторые функциональные возможности микроконтроллера:
Для данной платформы имеется большое количество источников литературы по применению, а так же программных продуктов, таких как IAR Code Vision AVR удобных для написания и отладки программ.
Программное обеспечение позволяет создавать программы, как на Ассемблере, так и на языке Си.
Одним из важных свойств, которое повлияло на выбор этого микроконтроллера, является наличие в составе его периферии 10-ти разрядного АЦП. Для построения алгоритма управляющей программы необходимо рассмотреть порядок работы АЦП.
Аналого-цифровой преобразователь построен по классической схеме последовательного приближения с устройством выборки/хранения (УВХ). Каждый из восьми аналоговых входов может быть соединен со входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет свой собственный усилитель, обеспечивающий стабильность сигнала в течение всего времени преобразования.
АЦП может работать в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и циклический опрос всех каналов. Время преобразования устанавливается программно с помощью установки коэффициента деления частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП, и его значение лежит в диапазоне от13 до 260 мкс.
В качестве внутреннего опорного напряжения может выступать напряжение от внутреннего источника на 2,56 В или внешний источник опорного напряжения, который подключается подключенный к выводу AREF.
Канал аналогового ввода выбирается путем записи бит MUX в регистр ADMUX. В качестве однополярного аналогового входа АЦП может быть выбран один из входов ADC0…ADC7.
АЦП генерирует 10-разрядный результат, который помещается в пару регистров данных АЦП ADCH и ADCL. По умолчанию результат преобразования размещается в младших 10-ти разрядах 16-разрядного слова (выравнивание справа), но может быть опционально размещен в старших 10-ти разрядах (выравнивание слева) путем установки бита ADLAR в регистре ADMUX.
АЦП генерирует собственный запрос на прерывание по завершении преобразования. Непрерывное преобразование запускается путем записи ЛОГ.1 в бит запуска преобразования АЦП ADSC.
Абсолютная погрешность рассматриваемого, которая является
результатом действия нескольких эффектов: смещения, погрешности усиления, дифференциальной погрешности, нелинейности и погрешности квантования, составляет величину ± 0,5 младшего разряда [41].
АЦП оптимизирован под аналоговые сигналы от источников с выходным сопротивлением не более 10 кОм, при этом время выборки незначительно. Если же используется источник с более высоким выходным сопротивлением, то время выборки будет определяться временем заряда конденсатора выборки-хранения источником аналогового сигнала.
Программное управление режимом заряда ХИТ в условиях реверсирования тока
При достижении выходного сигнала инвертора пороговых значений, программным способом происходит увеличение значения суммы квантов на единицу. C момента подачи питания микроконтроллер генерирует управляющий сигнал низкого уровня, в результате чего канал SW2 переводится в замкнутое состояние, тем самым, обеспечивая подачу на вход интегратора сигнала с выхода сумматора -Цд(т) (момент времени t0, рис.2.3,а). Напряжение на выходе интегратора (рис. 2.3,б) в режиме заряда конденсатора будет изменяться согласно выражению: где tiз - момент времени начала заряда на і-том участке времени; tiр - момент времени начала разряда на і-том участке времени.
При достижении выходного сигнала интегратора значения равного Uоп (рис. 2.3.б, момент времени її), микроконтроллер увеличивает значение счетчика квантов на 1, вместе с этим, вырабатывает управляющий сигнал, переключающий контакты ключа 4 (рис.2.3,вДі), в результате чего контакт SW2 размыкается, а SW1 становится замкнутым. В этом случае на вход интегратора подается сигнал с выхода инвертора, обратной полярности, с помощью чего обеспечивается разряд интегрирующей емкости (рис.2.3,б, участок ti2). В режиме разряда напряжение на выходе интегратора в режиме разряда конденсатора изменяется согласно выражению:
При достижении напряжения на выходе интегратора нулевого уровня uвых(t)=0, происходит увеличение значения числа квантов и переключение аналоговых ключей, обеспечивая тем самым режим зарядки конденсатора.
Как видно из рассмотренного выше, для выполнения функции непрерывного интегрирования сигнала датчика тока, а так же других функций, расширяющих возможности рассматриваемого устройства, алгоритм управляющей программы микроконтроллера должен обеспечивать: непрерывное получение дискретных значений выходного напряжения интегратора uвыхi ; - сравнение текущего значения uвыхi с пороговыми значениями, задающими величину кванта q0; достижении uвых(t) пороговых значений; -управление контактами аналогового ключа путем выработки управляющего сигнала низкого и высокого уровня на интервалах времени, требуемых для попеременного заряда и разряда интегрирующего конденсатора до пороговых уровней напряжения;
Ниже приведен вариант импульсного интегратора на базе интегрирующего усилителя с микроконтроллерным управлением.
Вариант принципиальной схемы микроконтроллерной системы аналогово-цифрового преобразования текущего значения количества электричества Q(t) в число дискретных квантов вольт-секундной площади (или квантов количества электричества), с использованием принципа квантования по вольт-секундной площади представлена на рис.2.4.
Для преобразования тока в пропорциональный электрический сигнал используется датчик тока 1 фирмы «Honeywell»марки CSLA 2EJ. Датчик тока установлен на силовой провод, который проходит через внутреннее окно кольцевого магнитного сердечника датчика. Питание датчика осуществляется от стабилизированного источника постоянного напряжения трансформаторного типа 3. Блок переключения сигнала 2 состоит из инвертирующего усилителя DA2, выполненного на базе операционного усилителя типа К544Д2 и аналогового ключа DA3 типа К590КН4 [33].
Для обеспечения необходимой точности работы инвертора необходимо использовать достаточно точные и температуростабильные резисторы. В данном случае используются резисторы С2-29В с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКСR = 510-6 1/C [108].
Выбор аналоговых ключей основан из условий быстродействия, способности пропускать сигнал любой полярности, при минимальном влиянии на входной сигнал (малое сопротивление в открытом состоянии и достаточно большое сопротивление в закрытом). Наиболее близко предъявляемым требованиям отвечают ключи, выполненные на базе полевых транзисторов [65,69].
Интегратор выполнен на базе прецизионного операционного усилителя отечественного производства К544Д2.
Управление работой интегратора, обработка входных сигналов датчика, вывод информации о текущем значении количества электричества осуществляется с помощью микроконтроллера Atmega 16.
Выходной сигнал интегратора подается на вывод PA0 микроконтроллера. Микроконтроллер генерирует управляющий сигнал, действующий на выводе PB0, переключающий каналы аналогового ключа DA3, в соответствии с алгоритмом управляющей программы в зависимости от режима работы интегрирующего конденсатора.
Моделирование процесса разряда ХИТ при электростартерном пуске двигателя внутреннего сгорания
Упрощенная структурная схема, поясняющая работу ХИТ в процессе эксплуатации на транспортном объекте, устройство предлагаемой системы контроля количества электричества и определения электрических характеристик ХИТ при пуске ДВС, а так же порядок ее подключения к исследуемой системе, изображена на рис.4.11.
Система контроля баланса количества электричества при эксплуатации ХИТ на транспортном объекте включает в себя следующие основные блоки: микроконтроллер, в состав периферии которого входят аналогово-цифровой преобразователь и таймер; Дх- датчик тока, контролирующий ток разряда в стартерном режиме; Д2- датчик тока, контролирующий ток в режиме заряда ХИТ и разряда на потребители бортовой сети; Г- генератор; М- стартер; Р обгонная муфта стартера; Б- потребители бортовой сети; БПОС-блок предварительной подготовки сигнала; ЖКИ- жидкокристаллический индикатор;К1- реле стартера; К2- реле-регулятор генератора.
Рассмотрим работу системы. Для получения дискретных значений напряжения на клеммах ХИТ сигнал u(t) подается на вход 1 порта А микроконтроллера.
Изменение тока ХИТ в широких пределах с учетом пускового режима при эксплуатации транспортного объекта делает необходимым применение двухканальной системы контроля тока с использованием двух датчиков тока Дх и Д2 с различными коэффициентами преобразования для обеспечения необходимой точности измерения.
Для контроля тока в стартерном режиме используется датчик Дх, принцип действия которого основан на эффекте Холла. Выходной сигнал Дх подается на вход 2 порта А. Структурная схема, поясняющая устройство и работу системы контроля баланса количества электричества при эксплуатации ХИТ на транспортном объекте: u1(t)-выходной сигнал датчика Холла Дх ; u2(t)-сигнал датчика Д2; iз(t)-ток заряда; iр(t)-ток разряда;1,2,3,4- входы АЦП устройства; 5-измерительная часть рассматриваемой системы.
Для контроля тока в режимах заряда и разряда используется датчикД2. Выходной сигнал датчика Д2 подается на вход блока предварительной подготовки сигнала, назначение и устройство которого приведено ниже.
В режиме пуска ДВС (режим С) происходит замыкание ключа К1. Ток разряда iст протекает через обмотку якоря электродвигателя стартера М. Ток разряда в этом режиме достигает величины порядка тысячи ампер. После запуска двигателя происходит механическое отключение вала электродвигателя стартера от маховика ДВС с помощью обгонной муфты Р и размыкание ключа К1. При достижении оборотов ДВС числа равного или большего частоты отдачи n1 происходит замыкание ключа К2 и осуществляется заряд ХИТ (режим А). Генератор обеспечивает энергией потребители бортсети Б, а также заряд аккумуляторной батареи. Сигналu2(t) датчика Д2, пропорциональный току заряда iз(t).
При снижении оборотов двигателя до величины ниже значения частоты отдачи, происходит размыкание ключа К2 и питание потребителей бортовой сети объекта Б осуществляется за счет энергии, накопленной в ХИТ (режим Б) током разряда iр. При этом выходной сигнал датчика Д2u2(t)= kд2iр(t) имеет обратную полярность, по отношению к сигналу датчика в режиме заряда.
После пуска двигателя режим работы ХИТ непрерывно изменяется в зависимости от частоты оборотов двигателя, то есть происходит, как было указано ранее, попеременный заряд или разряд ХИТ.
При использовании в качестве Д2 датчика тока резистивного типа, его выходной сигнал u2(t), в зависимости от режима работы ХИТ, будет иметь как прямую так и обратную полярности по отношению к опорному напряжению АЦП.
В рассматриваемом случае применяется микроконтроллер, в состав которого включен АЦП, предназначенный для работы с однополярным входным сигналом. Для обеспечения возможности обработки АЦП выходного сигнала датчика токаu2(t) в обоих режимах необходимо провести его предварительную подготовку.
Структурная схема, поясняющая работу блока предварительной подготовки сигнала: а-выходной сигнал датчика Д2; б- инвертированный сигнал датчика; в-выходной сигнал БПОС, пропорциональный току разряда; г-выходной сигнал БПОС, пропорциональный току заряда; 1-активный детектор канала А; 2 –инвертор; 3-активный детектор канала Б; 4-блок предварительной подготовки разнополярного сигнала; 5-микроконтроллер
В результате подготовки составляющая сигнала, имеющая обратную полярностьна интервалах времени разряда, по отношению к опорному напряжению АЦП, инвертируется с помощью точного детектора [118].
В дальнейшем при вычислении балансного значения количества электричества величина приращения количества электричества Q на интервалах времени разряда приобретает отрицательный знак, то есть программным способом вычитается из значения количества электричества, поступившего в ХИТ при заряде.
Блок предварительной подготовки сигнала датчика Д2 выполнен по двухканальной схеме. Канал А предназначен для подготовки отрицательной составляющей входного сигнала к подаче ее на вход АЦП, канал Б – для подготовки положительной.
Выходной сигнал датчика тока uд2(t) одновременно подается на вход точного детектора 1 канала А и вход инвертора 2.
Точный детектор, выполненный на базе операционного усилителя DA1, работает, как инвертор с единичным коэффициентом.
При положительном напряжении Uвх диод D2ограничивает выходное напряжение ОУ по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде. Так как диод D1смещен в обратном направлении, то Uвых становится равным потенциалу земли, что позволяет уменьшить время переключения детектора при смене полярности сигнала.
Сигнал, пропорциональный току разряда, поступает на вход 4 порта А с выхода точного детектора 1канала А.
Составляющая сигнала датчика тока, пропорциональная току заряда предварительно поступает на вход инвертора 2, после инвертирования поступает на вход точного детектора 3 канала Б, с выхода которого подается на вход 3 порта А.
