Актуальность проблемы.
В настоящее время необходимыми свойствами электроприводов является их бесперебойная работа. При создании и эксплуатации цифровых устройств систем управления сложными и дорогостоящими объектами космическими аппаратами, подводными лодками, ракетными комплексами и j т.п.) быстродействие, помехоустойчивость и надежность являются необходимой предпосылкой для выполнения заданий, а малейшие сбои или отказы в работе могут привести к непоправимым последствиям.
В современной технике можно выделить различные пути построения цифровых электроприводов. В частности, реализовать системы управления можно либо на микропроцессорах, либо на интегральных микросхемах средней и малой степени интеграции. Примеры систем цифрового управления, где управление осуществляется только на микропроцессорной основе, встречаются во многих работах, в частности, в [15, 16, 43, 44, 59, 71, 73]. Имеется класс электроприводов, где системы управления выполнены на комбинационных схемах [57, 58]. Существование электроприводов специального назначения с подобной структурой управляющей части обусловлено рядом причин. Главный из них — отсутствие цифровых процессоров с требуемыми характеристиками в ограничительных перечнях электрорадиоэлементов [53].
В системах управления электропривода при обработке цифровых сигналов, передаче и хранении информации могут происходить сбои (возникать ошибки). Наиболее естественный способ борьбы с такими ошибками состоит в улучшении канала передачи и среды, в которой эти сигналы хранятся или преобразуются.
Анализ показал, что наиболее эффективным методом повышения помехоустойчивости и надежности является кодирование с обнаружением и исправлением ошибок, которое широко используется в системах цифровой связи [12, 80]. Методам помехоустойчивого кодирования посвящена обширная литература, в частности [11, 22, 29, 52, 62 и др.], в которых детально изложены отдельные разделы теории помехоустойчивого кодирования.
Для обнаружения и исправления ошибок в электроприводах могут быть применены общие методы теории кодирования [5]. Хотя различные схемы кодирования очень непохожи друг на друга и основаны на различных математических теориях, всем им присуще общее свойство — информационная избыточность. Например, двоичный код с одним дополнительным проверочным разрядом четности, доводящим количество единиц в кодовом слове до четного числа, позволяет обнаруживать одну ошибку. Однако, код с одной проверкой на четность — простейший и его возможности очень малы [12]. Для решения этой задачи более подходит код Хемминга, в который добавлены разряды, каждый из которых контролирует свою группу [45]. Существуют также коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки на основе особой физической структуры. Например, код Грея, обладает тем свойством, что при последовательном переходе одной кодовой комбинации к другой изменяется лишь один разряд, что дает возможность предотвратить ошибки [72].
Существуют систематические коды для исправления ошибок в электроприводах, которые исследовались методами теории цифро-векторных множеств [41]. При этом следует отметить, что наиболее эффективно использование специальных методов кодирования, базирующихся на этой теории [30].
Настоящая работа посвящена применению нового метода при создании помехоустойчивых, надежных цифровых и логических устройств систем управления электроприводов автономных объектов на основе теории цифро-векторных множеств и включает в себя синтез основных устройств, моделирование и оценку их надежности, анализ помехоустойчивости, разработку конверторов и инверторов напряжения электроприводов постоянного и переменного тока с многофазной структурой.
Цель и задачи диссертационного исследования.
Цель работы — решение научно-технической задачи синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств систем управления электроприводов на основе теории цифро-векторных множеств.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследований:
1. Решение задач синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств многофазного и двоичного кодирования и представление их с помощью геометрических образов в многомерном цифровом пространстве. Разработка на этой основе электрических схем логических и цифровых устройств для электроприводов.
2. Моделирование предложенных устройств и экспериментальное их исследование с целью оценки их помехоустойчивости и надежности.
3. Разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматизированного синтеза цифровых и логических устройств на комбинационных схемах с заданными параметрами контролеспособности.
4. Разработка многофазных конверторов и инверторов напряжения с цифровой организацией управления.
Методы исследования.
Теоретические исследования по синтезу помехоустойчивых логических и цифровых устройств базируются на теории многомерных цифро-векторных множеств [30], булевой алгебре, теории надежности, на методах математического моделирования с выбором соответствующих программных средств [56]. Результаты теоретических исследований иллюстрируются примерами реализации конкретных комбинационных схем, получивших практическое применение в разработках ОАО НПП «Полюс».
Научная новизна.
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Впервые определено и обосновано минимальное количество контрольных сигналов (равное трем) для исправления одиночных ошибок в многофазных кодах любой фазности.
2. Разработана методика совмещения специализированной арифметики устройств двоичного и недвоичного кодирования с исправлением ошибок, отличительной особенностью которой является добавление контрольных разрядов одновременно для всех входных операндов.
3. Разработаны базирующиеся на теории цифро-векторных множеств модели помехоустойчивых цифровых устройств систем управления электроприводов: быстродействующих устройств исправления одиночных и двойных ошибок двоичного кодаустройств суммирования и вычитаниямноговходового сумматорамногофазного регистра, которые отличаются использованием систематических кодов.
4. Предложен алгоритм автоматизированного синтеза с использованием теории цифро-векторных множеств, позволяющий получать геометрические образы устройств, которые представляют комбинационные схемы в двухуровневом исполнении и могут быть представлены в двоичном и многофазном коде.
На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы):
1. Использование систематических кодов при проектировании цифровых и логических устройств позволяет исправлять ошибки в выходных сигналах многофазного кода и повысить помехозащищенность схемы, работающей в данных кодах.
2. Проектирование помехоустойчивых устройств на основе теории цифро-векторных множеств, позволяет получать области допустимых неисправностей, а на их основе — геометрические образы исправленных сигналов, результатом которых являются логические функции, записанные в дизъюнктивной нормальной форме и реализуемые на любой элементной базе.
3. Развитие концепции многофазного преобразования при разработке конверторов и инверторов на основе цифровой организации схемы управления. Отработанные цифровые узлы сигнальной части, позволяют добиться стабильной работы ключей, высокой выходной мощности и увеличить результирующую частоту переключения.
Личный вклад автора.
1. Выведена зависимость контрольных сигналов от информационных, выполненных в многофазных кодах.
2. Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированного синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств.
3. Исследованы модели и проведен расчет надежностей помехоустойчивых устройств.
4. Разработаны принципиальные схемы устройств управления, в состав которых входят помехоустойчивые устройства, схемы конверторов и инверторов напряжения электроприводов постоянного и переменного тока и проведены их испытания.
Практическая значимость работы.
1. На основе теории цифро-векторных множеств разработаны помехоустойчивые устройства (их структурные и электрические схемы), используемые в цифровых системах управления инверторами и конверторами напряжения.
2. Модели помехоустойчивых устройств позволяют имитировать нештатные ситуации в процессе эксплуатации устройств, что ускоряет выявление причин возможных неисправностей и пути их устранения.
3. Оценены вероятности безотказной работы разработанных помехоустойчивых устройств и их преимущество в сравнении с устройствами без резервирования.
4. Предложено и конструктивно проработано техническое решение по реализации многофазного резервированного RS-триггера, обеспечивающего высокую надежность, новизна и полезность которого подтверждены патентом РФ.
5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, существенно упрощающее исследование и проектирование помехоустойчивых логических и цифровых устройств.
6. Получены технические решения по реализации структур многофазных конверторов и инверторов напряжения электроприводов постоянного и переменного тока, обеспечивающих стабильность работы за счет использования цифрового формирования управляющих сигналов.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность результатов работы подтверждается экспериментальными исследованиями предложенных устройств и внедрением их в успешно реализуемые промышленные разработки ОАО НПЦ «Полюс».
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы используются при разработке электроприводов специального назначения, а именно:
— разработанный многофазный конвертор напряжения используется для токоограничения при пуске двигателя постоянного тока ДП130 (НПО «Машиностроения», г. Реутов), разработан опытно-промышленный образец многофазного конвертора (конструкторская документация ЕИЖА.206 797, ЕИЖА.435 331.003);
— разработанные многофазный резервированный делитель-счетчик и помехоустойчивый сумматор используются в ОАО «НПЦ «Полюс» в стендовом оборудовании для испытаний и настройки мощных электроприводов по заказам ОАО НПО «Гидромаш» (г. Москва) и ООО НТК «Криогенная техника» (г. Омск).
Подтверждением реализации результатов диссертационных исследований являются включенные в диссертацию два акта о внедрении.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: на десятой, одиннадцатой и тринадцатой международных научно-практических конференциях «Современная техника и технологии СТТ», ТПУ, г. Томск, 2004, 2005 и 2008 гг.- на восьмой и девятой всероссийских научных конференциях с международным участием «Решетневские чтения», СибГАУ, г. Красноярск, 2004 и 2005 гг.- на второй международной конференции «Автоматизация, управление и информационные технологии», г. Новосибирск, Академгородок, 2005 г.- на научно-практической конференции молодых специалистов и молодых ученых предприятий ракетно-космической промышленности «Судьба российской космонавтики», ИПК «Машприбор», г. Королев, 2005 г.- на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», ТПУ, г. Томск, 2005 г.- на третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», ТУ СУР, г. Томск, 2005 г.- на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, 2005 г.- на научно-технических конференциях аспирантов, соискателей и молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП «НПЦ «Полюс», г. Томск, 2004 и 2006 гг.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 17 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 15 — в материалах конференций. Получен один патент на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат синтез помехоустойчивых устройств, моделирование и оценка их надежности [31, 32, 36−40, 42], моделирование и анализ помехоустойчивости резервированного делителя-счетчика [51]- анализ структур многофазных конверторов и инверторов напряжения, макетирование и отработка основных схемных решений [33−35].
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 157 страниц и содержит 115 рисунков и 8 таблиц.
Список литературы
изложен на 7 страницах и содержит 84 наименования.
Основные результаты диссертационной работы представляют решение важной научно-технической задачи синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств для электроприводов постоянного и переменного тока и заключаются в следующем:
1. На основе теории многомерных цифро-векторных множеств выполнен синтез основных устройств цифровых систем управления электроприводов: схем исправления одиночных и двойных ошибок двоичного кода, счетчика, регистра, сумматора, многовходового сумматора, отличающихся помехозащищенностью за счет добавления информационной избыточности. Разработаны их структурные и электрические схемы.
2. К многофазному коду, естественным образом присутствующему в цифровых каналах электропривода, добавлены контрольные разряды. Исследование процедуры исправления ошибок кодов с такой структурой сигналов показало, что устройство исправления для каждой фазы носит регулярный характер, не зависит от количества фаз при их числе кратном трем, корректирующие узлы в устройствах многофазного кода синтезируются путем простого наращивания числа унифицированных узлов.
3. Создано и защищено патентом новое построение резервированного RS-триггера, позволяющее существенно поднять эффективность использования многофазного делителя-счетчика, обеспечивающего высокую надежность (0,9999 за 60 т.ч.).
4. Выполнено моделирование и экспериментальное исследование логических и цифровых устройств. Разработанные модели позволили провести качественный анализ помехоустойчивости. Найдены вероятности безотказной работы устройств, построенных на 533 серии, подтверждающие эффективность помехоустойчивого кодирования на основе теории цифро-векторных множеств.
5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, реализующие синтез цифровых устройств на основе теории цифро-векторных множеств, результатом которого является логическая функция, записанная в дизъюнктивной нормальной форме, которая может быть реализована на любой элементной базе. Программное обеспечение позволяет работать с систематическими кодами и менять параметры на входе с автоматическим изменением геометрического образа устройства. Программа формирует геометрические образы сигналов в ручном или автоматическом режиме в виде цифровых множеств, демонстрируя наглядность используемого метода синтеза.
5. Разработаны и выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке многофазных инверторов и конверторов напряжения, обеспечивающие высокие КПД, надежность, энергетические показатели, отличающиеся тем, что стабильность работы обеспечивается использованием цифрового управления при формировании сигналов.
Результаты исследований целесообразно использовать в космической и военной технике, в промышленности и во всех других отраслях, где применяются цифровые и логические системы управления, работающие в режиме реального времени, в которых необходимо обеспечить бесперебойную работу, высокую помехозащищенность.
148 Заключение.
