Выбираем датчик серии CSNT651 фирмы Honeywell[12]. С параметрами:

- напряжение питания: ± 12 В;

- измерение тока: от 0 до 150 А.

Схема подключения датчика приведена на рисунке 3.7.

С выхода датчика тока, напряжение поступает на вход АЦП микроконтроллера.

3.3.2 Расчет цепи управления силовыми ключами

Для управления ключами кроме формирователя сигнала управления, которым является микроконтроллер, требуется также усилитель этого сигнала. Для усиления управляющего сигнала обычно применяются интегральные микросхемы - драйверы. Существуют драйверы верхнего ключа, драйверы нижнего ключа, драйверы верхнего и нижнего ключа и полумостовые. Для управления транзисторами VT и VT было применено схемное решение, которое заключается в использовании двух не инвертирующих драйверов. Один из которых IR2127 выполняет защиту по току, а другой UCC37322 реализует открытие транзистора[13,14]. С параметрами:

- напряжение питания драйверов: 10-20 В;

- выходной ток микросхемы UCC37322: 9 А;

- входное напряжение: совместимо с 3.3 В и 5 В логикой.

Напряжение питания драйверов выберем равным 15 В. Схема подключения драйверов изображена на рисунке 3.8.

Для ограничения тока затвора транзисторов VT2 и VT9 используем резисторы, номинал которых рассчитываем по формуле:

Выбираем чип резисторы RC0805 номиналом 2.2 Ом.

Защита по току реализована на делители напряжения R2 и R3 и срабатывает при токе равном 250 мА.

3.3.3 Расчет датчика температуры

Датчик температуры выполнен как резистивный делитель напряжения, изображенный на рисунке 3.9. Один из элементов этого делителя – терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом R1. Терморезистор должен располагаться непосредственно на радиаторе для измерения его температуры вблизи транзисторов. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, а напряжение на резисторе R2 увеличивается. Заложим температуру срабатывания защиты равной 60°С. Используем терморезистор B57045-K фирмы Epcos[15]. Его сопротивление при 25°С составляет 6.8 кОм. Максимальное напряжение на входе микроконтроллера должно составлять 2.5 В. Исходя из этого выбираем сопротивление R2 равным 2 кОм. Используем чип резистор RC0805 2 кОм.

3.4 Расчет и выбор радиатора

Тепловые процессы в преобразователе можно достаточно точно описать с помощью электрической схемы. Каждый компонент имеет тепловое сопротивление, разность температур эквивалентна разности напряжений между двумя точками, а мощность, рассеиваемую данным компонентом можно представить как ток. На рисунке 3.10 приведена электрическая схема, отражающая процесс передачи тепла в преобразователе. На схеме отображены только элементы, которые будут охлаждаться с помощью радиатора: выходные диоды VD16, VD17, транзисторы VT4, VT5. Однако корпус транзистора является одновременно стоком, поэтому между корпусом транзистора и радиатором следует разместить диэлектрическую прокладку с достаточно малым температурным сопротивлением. Для изоляции используем оксид алюминиевые прокладки. Все тепловые сопротивления, кроме сопротивления радиатора, даны в справочной информации. Требуется определить тепловое сопротивление радиатора.

R_JC₍_VT_4,_VT₅₎ = 0.34 К/Вт – тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого транзистора;

R_JC₍_VD_16,_VD₁₇₎ = 0.7 К/Вт – тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого диода;

R_ПОДЛ = 0.08 К/Вт – тепловое сопротивление подложки;

P_VD_16,_VD₁₇ = 149 Вт – мощность, рассеиваемая выходными диодами;

P_VT_4,_VT₅= 76.3 Вт – мощность, рассеиваемая всеми транзисторами.

Максимальная рабочая температура кристалла составляет 150 ^оС, а максимальная температура окружающей среды из технического задания 40 ^оС. Значит в системе кристалл-корпус-радиатор разность температур равна 110^оС. Общее тепловое сопротивление этой системы определим из соотношения:

, (3.27)

где ΔT_jhs = 110 ^oC – разность температур кристалл-среда;

P_jhs – общая мощность, рассеиваемая радиатором.

Она равна сумме мощностей, рассеиваемых всеми компонентами, расположенными на радиаторе:

. (3.28)

Определим общее тепловое сопротивление:

Это сопротивление складывается из двух составляющих: общего сопротивления полупроводниковых приборов и сопротивления радиатора. Определим общее сопротивление полупроводниковых приборов:

, (3.29)

Определим тепловое сопротивление радиатора:

(3.30)

Для того, чтобы температура кристалла не превысила предельно допустимое значение тепловое сопротивление выбранного радиатора не должно превышать R_РАД. Выбираем радиатор АВ95. Тепловое сопротивление радиатора без обдува 0,12 К/Вт. Из графика, приведенного в документации видно, что при обдуве воздухом со скоростью 5 м/с тепловое сопротивление уменьшается до 0,08 К/Вт.

4. Разработка алгоритма работы микроконтроллера системы управления

Для запуска преобразователя и для установки заданного тока используются синхронный и асинхронный последовательные интерфейсы. Асинхронный последовательный интерфейс используется для связи с компьютером, а Синхронный используется для связи с панелью индикации. Управление инвертором осуществляется модулем ШИМ DSP-контроллера.

Исходя из этого, можно построить структуру программы, которая представлена на рисунке 4.1.

Блок измерений предназначен для считывания данных с датчиков тока и температуры, а так же производит запись в соответствующие переменные Блока глобальных переменных.

Блок связи с панелью индикации предназначен для приема управляющих команд от управляющего контроллера панели индикации, таких как: команда старт, команда стоп преобразователя, а также передачи данных о токе, температуре и коде сигнала ошибки из блока глобальных переменных для отображение на лицевой панели источника питания

Блок глобальных переменных предназначен для хранения прочитанных и рассчитанных данных, а также необходимых для расчетов констант и массивов. Также в блоке содержится информация о текущем режиме работы каждого блока.

Блок логики работы силовой части. Этот блок реализует работу силовой части по заданному алгоритму, стабилизируя согласно переменной задатчика ток на выходе источника. Алгоритм управления ключами приведен на рисунке 4.2. Также отслеживает аварийные режимы источника и, при возникновении их, в блок глобальных переменных записывается соответствующий код ошибки.

Блок связи с ЭВМ. Предусмотрена возможность связи источника с ЭВМ, но в данной работе не реализовано.

Для реализации программного обеспечения устройства управления преобразователем необходимо использовать следующие аппаратные модули DSP-контроллера: PWM, SPI, UART, ADC.

4.1 Разработка диаграммы прецедентов

Визуальное моделирование с использованием нотации UML можно представить как некоторый процесс поуровневого спуска от наиболее абстрактной модели исходной системы к логической, а затем и к физической модели соответствующей программной системы [16]. На этапе построения абстрактной модели строится диаграмма прецедентов, которая описывает функциональное назначение системы. Для системы управления преобразователем диаграмма прецедентов представлена на рисунке 4.3.

Иногда очень удобно описывать прецеденты в виде таблицы.

Таблица 4.1 - Таблица прецедентов программного обеспечения устройства управления преобразователем

Действие пользователя	Ответ системы
Включение питания	Индикация предустановленного значения тока
Нажатие кнопки увеличить	Отображение на индикаторе увеличенного значения тока задатчика
Нажатие кнопки уменьшить	Отображение на индикаторе уменьшенного значения тока задатчика
Нажата кнопка старт	1. Индикация текущего значения выходного тока
Продолжение таблицы 4.1 - Таблица прецедентов программного обеспечения устройства управления преобразователем
Действие пользователя	Ответ системы
Нажата кнопка старт	2. Зажигается светодиод «старт»3. Возможно зажигание светодиода «ошибка»
Нажата кнопка больше/меньше после старта	1. Индикация текущей температуры радиатора2. Загорается светодиод температуры
Нажата кнопка «стоп»	Индикация значения тока задатчика и гашение всех светодиодов

Таблица прецедентов показывает, какие действия может осуществить пользователь и реакция система на эти действия.

4.2 Разработка диаграммы состояний модуля PWM

Для того чтобы смоделировать поведение системы на логическом уровне в языке UML используется диаграмма состояний. Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний системы при реализации всех прецедентов. При этом изменение состояния системы вызвано какими-либо внешними событиями.