автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Синтез помехоустойчивых логических и цифровых устройств инверторов напряжения электроприводов

На правах рукописи

□03456530

Белицкая Лилия Анатольевна

СИНТЕЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 ДЕК 2008

Томск-2008

003456590

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственный центр «Полюс» (г. Томск) и в Томском политехническом университете

Научный руководитель - Малышенко Александр Максимович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Воевода Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор (Новосибирский государственный технический университет)

Замятин Николай Владимирович, доктор технических наук, профессор (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие

«Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н. А. Семихатова», г. Екатеринбург

Защита состоится 18 декабря 2008 года в 15.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.268.03 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, Томск-50, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиэлектроники.

Автореферат разослан «_» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. доцент

Мещеряков Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время необходимыми свойствами электроприводов является их ысоконадежная, бесперебойная работа. При создании и эксплуатации цифровых стройств систем управления сложными и дорогостоящими автономными объек-ами (космическими аппаратами, подводными лодками, ракетными комплексами т.п.) быстродействие, помехоустойчивость и надежность являются необходимой редпосылкой для выполнения заданий, а малейшие сбои или отказы в работе мо-ут привести к непоправимым последствиям.

В современной технике можно выделить различные варианты построения ифровых электроприводов. В частности, реализовать их системы управления ожно либо на микропроцессорах, либо на интегральных микросхемах средней и алой степени интеграции. Имеется класс электроприводов, в которых системы фавления выполнены на комбинационных схемах. Существование электропри-одов специального назначения с подобной структурой управляющей части бусловлено рядом причин. Главная из них - отсутствие цифровых процессоров с «буемыми характеристиками в ограничительных перечнях электрорадио-лементов.

В системе управления электропривода при обработке цифровых сигналов, ередаче и хранении информации могут происходить сбои (возникать ошибки), аиболее естественный способ борьбы с такими ошибками состоит в улучшении анала передачи и среды, в которой эти сигналы хранятся или преобразуются.

Существует много способов обеспечения помехоустойчивости и надежности ифровых систем управления.

Известно, что надежность логических и цифровых устройств можно повы-ить без резервирования их элементов. Для достижения этой цели необходимо рименять элементы и схемы с большим запасом надежности. При их изготов-ении требуются новейшие технологии и точность сборки. Однако это не может беспечить многолетнюю длительную эксплуатацию систем без сопровождения годей.

Другой путь - это введение избыточности, т.е. введение в систему дополни-ельных средств и возможностей сверх минимально необходимого их числа с це-ью повышения надежности системы. Например, при тройной модульной избы-очности параллельно разворачиваются три составляющие, причем все выполнят одну и ту же функцию.

Нередко используется резервирование со схемой голосования. Такой путь ыл предложен Дж. фон Нейманом, который разработал и проанализировал схему ройшли резервирования элеменшв с мажоршарной функцией голосования. При озникновении независимого отказа одного из элементов он не проявляется, и ыходные данные остаются правильными, но при прохождении помех на выходе нформация искажается.

Избыточность это не только двух- или трехкратное резервирование, но и ключение лишних символов в сигналы, вырабатываемые устройствами, с целью отравления ошибок и подавления помех.

Хотя различные схемы кодирования очень непохожи друг на друга и основа ны на различных математических теориях, всем им присуще общее свойство -информационная избыточность. Например, двоичный код с одним дополнитель ным проверочным разрядом четности, доводящим количество единиц в кодовом слове до четного числа, позволяет обнаруживать одну ошибку. Однако, код с од ной проверкой на четность - простейший и его возможности очень малы. Для ре шения этой задачи более подходит код Хемминга, в который добавлены разряды каждый из которых контролирует свою группу. Существуют также коды, которы позволяют обнаруживать и исправлять ошибки на основе особой физическоГ структуры. Например, код Грея, обладает тем свойством, что при последователь ном переходе одной кодовой комбинации к другой изменяется лишь один разряд что дает возможность предотвратить ошибки. Многофазный код на основе особо Г физической структуры позволяет создавать гибкие системы контроля, имеющи высокие возможности обнаружения и исправления ошибок. Это возможно из-зс сохранения в нем непрерывности множеств логических нулей и единиц. При это появляется возможность исправления не только одиночных ошибок, но и двой ных, тройных и т.д. ошибок, а также различных пачек таких ошибок. Возможно сти этого исправления возрастают с увеличением числа фаз кода.

Существуют также систематические коды для исправления ошибок в цифро вых узлах электропривода, которые исследовались В.И. Кочергиным методам теории цифро-векторных множеств. Это новый, универсальный метод синтез комбинационных схем, в основу которого положена классическая теория мно жеств, где нумерованное множество чисел натурального расширенного ряда рас полагается в ячейках физического пространства, идея построения которого был предложена в 19-м веке русским академиком Е.С. Федоровым. Достоинства дан ного метода заключаются в его эффективности, наглядности (графическом пред ставлении логических функций), отсутствии ограничений на способ кодировани и разрядность входных и выходных сигналов синтезируемых устройств.

Все вышеизложенное и обусловливает актуальность задачи создания поме хоустойчивых, надежных и быстродействующих цифровых и логических уст ройств систем управления электроприводов на основе теории цифро-векторны множеств.

Цель диссертационной работы - решение научно-технической задач синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств систем управлени электроприводов на основе теории цифро-векторных множеств.

Для реализации поставленной цели определены следующие направлени исследований:

1. Решение задач синтеза помехоустойчивых логических и цифровых уст ройств многофазного и двоичного кодирования и представление их с помощы геометрических образов в многомерном цифровом пространстве. Разработка н этой основе электрических схем логических и цифровых устройств для электро приводов.

2. Моделирование предложенных устройств и экспериментальное их иссле дование с целью оценки их помехоустойчивости и надежности.

3. Разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматизирован-ого синтеза цифровых и логических устройств на комбинационных схемах с за-анными параметрами контролеспособности.

4. Разработка многофазных конверторов и инверторов напряжения с цифро-ой организацией управления.

Методы исследования

Теоретические исследования по синтезу помехоустойчивых логических и ифровых устройств базируются на теории многомерных цифро-векторных мно-еств, булевой алгебре, теории надежности, на методах математического модели-ования с выбором соответствующих программных средств. Результаты теорети-еских исследований иллюстрируются примерами реализации конкретных ком-инационных схем, получивших практическое применение в разработках ОАО ПП «Полюс».

Научная новизна

1. Впервые определено и обосновано минимальное количество контрольных игналов (равное трем) для исправления одиночных ошибок в многофазных кодах юбой фазности.

2. Разработана методика совмещения специализированной арифметики уст-ойств двоичного и недвоичного кодирования с исправлением ошибок, отличи-ельной особенностью которой является добавление контрольных разрядов одно-ременно для всех входных операндов.

3. Разработаны базирующиеся на теории цифро-векторных множеств модели омехоустойчивых цифровых устройств систем управления электроприводов: бы-тродействующих устройств исправления одиночных и двойных ошибок двойного кода; устройств суммирования и вычитания; многовходового сумматора; ногофазного регистра, которые отличаются использованием систематических одов.

4. Предложен алгоритм автоматизированного синтеза с использованием тео-ии цифро-векторных множеств, позволяющий получать геометрические образы стройств, которые представляют комбинационные схемы в двухуровневом ис-олнении и могут быть представлены в двоичном и многофазном коде.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование систематических кодов при проектировании цифровых и югических устройств позволяет исправлять ошибки в выходных сигналах много-

азного кода и повысить помехозащищенность схемы, работающей в данных ко-ах.

2. Проектирование помехоустойчивых устройств на основе теории цифро-екторных множеств, позволяет получать области допустимых неисправностей, а а их основе - геометрические образы исправленных сигналов, результатом кото-ых являются логические функции, записанные в дизъюнктивной нормальной орме и реализуемые на любой элементной базе.

3. Развитие концепции многофазного преобразования при разработке конвер торов и инверторов на основе цифровой организации схемы управления. Отрабо танные цифровые узлы сигнальной части, позволяют добиться стабильной работы ключей, высокой выходной мощности и увеличить результирующую частоту пе реключения.

Личный вклад автора

1. Выведена зависимость контрольных сигналов от информационных, вы полненных в многофазных кодах.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированног синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств.

3. Исследованы модели и проведен расчет надежности помехоустойчивых устройств.

4. Разработаны принципиальные схемы устройств управления для электро приводов, в состав которых входят помехоустойчивые устройства, схемы конвер торов и инверторов напряжения электроприводов постоянного и переменного то ка, а также проведены их испытания.

Практическая значимость

1. На основе теории цифро-векторных множеств разработаны помехоустой чивые устройства (их структурные и электрические схемы), используемые в циф ровых системах управления инверторами и конверторами напряжения.

2. Модели помехоустойчивых устройств позволяют имитировать нештатны ситуации в процессе эксплуатации устройств, что ускоряет выявление причи возможных неисправностей и пути их устранения.

3. Оценены вероятности безотказной работы разработанных помехоустойчи вых устройств и их преимущество в сравнении с устройствами без резервирова ния.

4. Предложено и конструктивно проработано техническое решение по реали зации многофазного резервированного КБ-триггера, обеспечивающего высоку надежность, новизна и полезность которого подтверждены патентом РФ.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, существенн упрощающее исследование и проектирование помехоустойчивых логических цифровых устройств.

6. Получены технические решения по реализации структур многофазны конверторов и инверторов напряжения электроприводов постоянного и перемен ного тока, обеспечивающих стабильность работы за счет использования цифрово го формирования управляющих сигналов.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы используются при разработке электро приводов специального назначения, а именно:

- разработанный многофазный конвертор напряжения используется для то коограничения при пуске двигателя постоянного тока ДП-130 (заказчик - НО «Машиностроение», г. Реутов), разработан опытно-промышленный образец мно гофазного конвертора (конструкторская документация ЕИЖА.206797,

ИЖА.435331.003);

- разработанные многофазный резервированный делитель-счетчик и помехо-стойчивый сумматор используются в ОАО НПЦ «Полюс» в стендовом оборудо-ании для испытаний и настройки мощных электроприводов по заказам ОАО ПО «Гидромаш» (г. Москва) и ООО НТК «Криогенная техника» (г. Омск).

Подтверждением реализации результатов диссертационных исследований вляются включенные в диссертацию два акта о внедрении.

Достоверность результатов работы подтверждается экспериментальными сследованиями предложенных устройств и внедрением их в успешно реали-уемые промышленные разработки ОАО НПЦ «Полюс».

Апробация результатов

Основные результаты диссертационной работы были представлены и бсуждались на следующих 12-ти научно-технических конференциях: на десятой, диннадцатой и тринадцатой международных научно-практических конферен-иях «Современная техника и технологии» (г. Томск, Томский политехнический [иверситет (ТПУ), 2004, 2005 и 2008 гг.); на восьмой и девятой всероссийских мучных конференциях с международным участием «Решетневские чтения» (г. расноярск, СибГАУ, 2004 и 2005 гг.); на второй международной конференции (Автоматизация, управление и информационные технологии» (г. Новосибирск, кадемгородок, 2005 г.); на научно-практической конференции молодых специа-истов и молодых ученых предприятий ракетнокосмической промышленности <Судьба российской космонавтики» (г. Королев, ИПК «Машприбор», 2005 г.); на еждународной научно-технической конференции «Электромеханические преоб-азователи энергии» (г. Томск, ТПУ, 2005 г.); на третьей международной научно-рактической конференции «Электронные средства и системы управления» (г. омск, ТУСУР, 2005 г.); на всероссийской научной конференции молодых ученых <Наука. Технологии. Инновации», (г. Новосибирск, НГТУ, 2005 г.); на научно-ехнических конференциях аспирантов, соискателей и молодых специалистов (Электронные и электромеханические системы и устройства» (г. Томск, ФГУП (НПЦ «Полюс», 2004 и 2006 гг.).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 17 научных работ, из них 2 ста-ьи в журналах, рекомендованных ВАК, 15 - в материалах конференций. Получен дин патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка исполь-ованной литературы и трех приложений. Общий объем работы (без приложений) оставляет 157 страниц и содержит 115 рисунков и 8 таблиц. Список использо-анной литературы оформлен на 7 страницах и содержит 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цели работы, опре делены основные направления исследований, их научная новизна и практическа ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы проблема проектирования цифровых уст ройств электроприводов и методы синтеза комбинационных схем, отмечены дос тоинства и недостатки последних. Показаны различные подходы, обеспечиваю щие достижение высокой надежности и помехоустойчивости цифровых систем.

Развитие современной техники и технологий обусловливает все боле жесткие требования к электроприводам специального назначения: от ни требуется повышенные надежность, быстродействие и помехозащищенность большой ресурс работы (до 120 тыс.ч.); высокий КПД, хорошие виброшумовы характеристики; устойчивость к импульсным коммутационным помехам, низкт уровень вносимых приводом искажений в сетевое напряжение. Это в сво очередь требует применения как «новых» двигателей (вентильных, вентильно индукторных, бесколлекторных), так и новых, более сложных реализаций схе управления электроприводом, что влечет за собой применение современно элементной базы (силовой и управляющей), позволяющей реализовать данны схемы, новых методов синтеза средств и систем управления электроприводов.

Подробные обзоры методов синтеза комбинационных схем имеются, частности, в работах Поспелова Д.А., Голдсуорта Б., Закревского А.Д., Соловьев В.В., Шалыто A.A., Буля Е.С., В.П., Шеннона К.А. Существующие методь синтеза при создании цифровых устройств электроприводов не всегда даю удовлетворительный результат. Кроме того, их нельзя использовать дл недвоичных контролеспособных систем счисления, которые применяются например, при построении систем управления многофазными инверторам напряжения.

В диссертационном исследовании используется метод синтеза комбина ционных схем, в основу которого положена концепция геометрического синтез на основе теории цифро-векторных множеств1. Сущность метода состоит в отоб ражении таблицы истинности комбинационной схемы на упорядоченное мно жество цифр - цифровую ось. Тогда входные и выходные сигналы синтезируе мого устройства могут быть представлены графически в виде множества эквива лентных цифр на оси, каждой из которых однозначно соответствует конкретна комбинация входных сигналов. В общем случае возможен любой способ коди рования эквивалентных цифр (например, многофазный или код Грея).

Для создания надежного цифрового электропривода необходима разработк специализированных помехозащищенных устройств. Главной особенностью ло гических комбинационных схем цифровых устройств является максимальное бы стродействие как при выполнении основной функции, так и при исправлени ошибочных ситуаций (по сути, синтезируемые устройства должны быть единым функционально-корректирующими блоками). Другая особенность - недвоично кодирование цифровой информации.

Кочергин В. И. Теория многомерных цифровых множеств приложениях электроприводам и системам электропитания. - Томск: ТПУ, 2002. - 444 с.

Вторая глава посвящена синтезу основных устройств систем управления лектроприводов. Здесь рассмотрены вопросы применения систематических ко-ов, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки при проектировании сис-ем управления инверторами напряжения в электроприводах.

Показано, что структуры электроприводов, несмотря на большое количество азличных вариантов их построения, имеют в своем составе функциональные локи одинакового назначения. В цифровую систему управления входят следую-ие функциональные устройства, предназначенные для выполнения логических и рифметических операций (сумматоры, счетчики, умножители, преобразователи одов, регистры и т.п.); цифро-аналоговые устройства - для преобразования ифровых сигналов в аналоговые, частотных сигналов в напряжения и наоборот; огласующие устройства - для организации связей с гальванической развязкой ежду устройствами обработки информации и входными/выходными сигналами.

Представленные в этой главе блоки сложения и вычитания, счетчик, регистр, ноговходовой сумматор, устройство исправления одиночных и двойных ошибок редставляются как в двоичном, так и многофазном коде. Разработаны их лектрические схемы. Поведение каждого объекта экспериментально моде-ировалось и исследовалось. Приведены результаты анализа помехоустойчивости надежности устройств, синтезированных на основе теории многомерных цифро-екторных множеств.

Многофазный код применяется в инверторах напряжения электроприводов временного тока, стабилизаторах напряжения и других устройствах преобразо-ательной техники, в преобразователях угла в код и в пересчетных схемах. Недос-аток многофазного кода заключается в том, что ошибки, возникающие на грани-е единиц и нулей многофазного кода, не исправляются, но кодовая комбинация ереходит в другую, сохраняя при этом принцип многофазности.

Автором предложено для исправления всех одиночных ошибок много-азного кода добавлять три контрольных сигнала. Это позволяет получить одовое расстояние не менее 3 между любыми кодовыми комбинациями, что вляется достаточным для исправления всех одиночных ошибок. Исправление шибок в систематическом коде, где есть информационные и контрольные игналы, означает, что когда все цифровое пространство рабочее, т.е. в нем • 0:1;2:3-4-5:6:7:8;9' 10 11: исправляются все ошибки и система является , резервированной - обрыв или короткое

замыкание в каждом разряде кода не влияют на работоспособность ситемы.

В качестве примера приведен синтез устройства исправления одиночных ошибок в

шаотм^юттл» * 1'Л ТТЛ ттмтг т»г»тт/-ч ТТТ плпптчгч тч» /-»-»г

;_ контрольных сигналов, где многофазные

-; сигналы кода (0 - &) связаны с эквивалентными цифрами контрольной части кода ис. 1. Зависимость шести- хг, х3, зависимостью, показанной на рис.1,

фазных сигналов Распределение цифр 0-11 при одиночных

с контрольной частью ошибках в многофазных и контрольных

разрядах кода представлено на рис. 2.

а- °

а_

й_

_

....0 1-2 3 х, О

*2 [Г 2

4

Т'*

±:[7.

е2

4 5 6 7 8 9 10 11 12.13 14 15.16 17 18 192021 2223

24 25

26

27 28 2930 31:

0 0 0 0 9 0 8 0 6

0 11 10 8 8 8 8 8 2 8

0 10 8

10 10 10 10 10 10 4 7

0 11 9 9 9 9 9 3

11 11 11 11 9 11 8 11 5 7

9 7

1 11 10 7 7 7 7 7 7

е2

а=1

вг

О*

__________

32 33'34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47-48 49 50 51 52 53 54 55

56 57

58.59 60 61 62 63

дг, О

П.

V. Ь?.

4

::п!

0 6 2 6 3 6 8 6 6

2 8 2 2 2 2 2 4 6

4 6

1 10 4 2 4 4 4 4 4

9 3 3 3 3 3 3 5 6

1 11 5 2 5 3 5 5 5 5

1 3

1 1 1 1 1 1 4 5 7

Рис. 2. Одиночные ошибки в ячейках 9-мерного пространства Сигнал б,есть множество цифр = {1, ..., 6}, геометрический образ ис правленного сигнала (З^ представлен на рис. 3. На основании этого геометриче ского образа записаны логические выражения для сигнала ^':

1 = 0605040302*1*2*3 12= 06050401*1*2*3 23= 060504030201*1*3

2=0605040302*1*2*3 13= 0605040301*1*2*3 24= 0604030201*1*2

3= 0605040302*1*2*3 14= 0605040301*1*2*3 25= 0504030201*1*2*3

4=0605040302*1*2*3 15=0605040301*1*2*3 26=060з020,*2*3

5= 0605040302*1*2*3 1^= 0605040301*1*2*3 27= 0504030201*1*2*3

6= 0605040302*1*2*3 17= 0605040201*3 28=0605040201*1*2*3

7=0605040301*1 18=0605030201*3 29= 0605030201*3

8=0605040301*2*3 19=04030201*1*2*3 30= 0605030201*1*3

9=0504030201*1*2*3 20= 06050201*1*2*3 31 = 0605040201*2

Ю=0604030201*1*2*3 21= 04030201*1*2*3 32=0605030201*1

11=0605030201*1*2*3 22=05040з020] *2 33= 0605030201*1

и

' = ¡1,2,3,4,5,6} в2

а-о ез

» 04

05

^6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17:18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3031

*2 х, 0 2 *

*

*

4

|5 *

6

*

02

а=. с,

04_'

05_: : :__ : ^ . I :__ : ! _. : . ;

32 33 34-35 36 37 38 39 40 41 42 43.44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55-56 57 58 59 60 61 62 63:

0 н * * * * * я * * *

* * * * я * * * я *

Я я * *

* * * * * * * *

4 * * * # * * * *

Н * * * * ♦ * * * *

6 * я * я

1 IV * * * * * * я * *

Рис. 3. Геометрический образ сигнала Ql'

Показано, что синтез устройства обнаружения и исправления ошибок, в итуациях, когда одиночные ошибки возникают только на границе шестифазного ода, возможен, исходя из того, что остальные ошибки уже исправлены по мажо-итарному принципу (рис. 4).

е6

е, •

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 0 0 2 3 6 6 6 8 9 0

1 0 2 2 2 4 5 6 8 8 8 10 11

... 1 2 0 4 6 10

* 1 2 4 4 4 7 8 10 10 10

4 0 3 3 3 5 6 9 9 9 11

5 11 1 2 3 5 5 5 7 8 9 11 11

6 1 3 7 9

V 1 1 1 4 5 7 7 7 10 11

Рис. 4. Одиночные ошибки, возникающие на границе шестифазного кода

Геометрический образ исправленного сигнала Q¡' представлен на рис. 5.

ß,'={ 1,2,3,4, 5, 6}

0 12 3 4

7 8 9 10 11

0

1 1

2

М

4

I*

6

* * R * ♦ *

* * * * * *

R R R * R *

* * * ♦ * R

R * * * * *

* * * * * *

R * R * R R

* * * Я * #

Рис. 5. Геометрический образ исправленного сигнала

Логическая функция исправления ошибок в первой фазе имеет вид:

Öl'=Ö2*l*2*3v 6¡ x¡x2 x3vQ¡ x¡x2 x3vQ¡ x¡x2x3v Q, x¡x2 X3V vßi x,x2x3v Q6x¡x2x3.

Определено, что набор схем, реализующих операцию исправления, являете универсальным для исправления многофазного кода с любым количеством фа кратным трем. Отмечено, что метод повышения помехоустойчивости на основ теории цифро-векторных множеств позволяет совместить специализированну арифметику с исправлением ошибок.

Одноразрядный сумматор С = (А+В) с основанием системы счисления и = 4 где систематический код АВХ содержит информационные разряды операндо A(a¡, а2), B(b¡, b2) и контрольные разряды X(x¡, х2, х3), общие для этих дв; операндов. Для синтеза сумматора используется систематический код (рис. б)2. аг

а\

0 6 5 3

7 1 2 4

3 5 6 0

4 2 1 7

0.1:2:3

X .—¡

5.6:7:8.9 .10.11:12 13.14.15:

Рис. 6. Зависимость информационных сигналов с контрольной частью

Таблица суммирования одноразрядного устройства представлена на рис. 7 Геометрические образы выходных сигналов сумматора - рис. 8.

Операнд суммирования В\А 0 1 i 2 3

0 0 1 2 3

1 1 2 3 1.0

2 2 3 1.0 1.1

3 3 1.0 1.1 1.2

Рис. 7. Таблица суммирования

Кочергин В. И. Теория многомерных цифро-векторных множеств. - Томск: Изд-во Том ского ун-та, 2006. - 380 с.

а,— —

Ьг

* *

* *

* *

* *

С1

С 2

Рис. 8. Геометрические образы выходных сигналов сумматора

Из рис. 8 следует, что выходные сигналы сумматора являются множествами цифр основания системы счисления п = 16: С1 = 1 V 3 V 4 V 6 V 9 V 1IV 12 V 14, с2 = 2 V 3 V 5 V 6 V 8 V 9v 12 V 15, р = 7у 10у 11 V 13 V 14 V 15.

Распределение эквивалентных цифр (0 - 15) информационной части кода, а также этих же цифр при одиночных ошибках в информационных и контрольных разрядах кода определяются рис. 9.

¿2_

АВ Ь,

0 0 0 И 0 5 6 7 0 11 11 11 12 13 14 11

0 5 2 3 5 5 14 5 8 9 14 11 14 5 14 14

0 1 6 3 6 13 6 6 8 13 10 11 13 13 6 13

8 3 3 3 4 5 6 3 8 8 8 3 8 13 14 15

0 1 2 7 12 7 7 7 12 9 10 11 12 12 12 7

2 9 2 2 4 5 2 7 9 9 2 9 12 9 14 15

1 1 10 1 4 1 6 7 10 1 10 10 12 13 10 15

4 1 2 3 4 4 4 15 8 9 10 15 4 15 15 15

Рис. 9. Одиночные ошибки в ячейках пространства

Геометрические образы результата суммирования с исправлением ошибок, представлены на рис. 10.

Покрытие цифровых множеств этих геометрических образов в пространстве координат А(а1} Ь\, Ь2)Х(хь х2, х3) либо координат Ъ\Ъ2х3 определяет логическую функцию, исправляющую все одиночные ошибки:

с[ =116162^3 ^2хЬхЬ2хъ чЪхЬ^Щ V 4]¿1^2X3 V 516]Й2Х3 ^ v

1\Ь\Ь2Хт, V81^62X3,

Г-'. — 1 - А. Г- V / Т - А. й- -- \ , 1 - Ч , Л . и. и. -р. ,, с.. и Г „ .,

11\Ъ1хъ\/%2ЪхЪ1хъ,

Р = 1зV гЪЬ\Ь2*Ъ V ЬЬЬ^Ъ V 43^62^3 V 53^62^3 V 6361^2*3 V

АВ

0123456789 101112131415

0 *2 |1 хз 1 |3 1$ * * * * * * * *

* * * * * * * * 0,02*3

* * * * * * * * C'l h 2, 3, 4,

* * * * * * * *

* * * * * * * * 5t 61 7i 8,

* * * * * * ♦ *

* * * * * * * ♦

* * * * * * * *

* * *

* * * * * * * * * Ох 02*3

* * * * * * с\ ь 22 З2 42

* * * * * * * * * * * * *

* * * * * * * 52 62 Ь 82

* * * * * * * * * * * *

* * *

* * * * * * * * *

¿,¿>2*3

1з 23 Зз 43

5з 63 7з 83

Рис. 10. Геометрические образы исправленных выходных сигналов

Подмножества (11-8]) состоят из более мелких подмножеств и имеют логические функции следующего вида (аналогично и для (12-82), (13-83)):

* * * = * V V

* — * 2{ * *

* * * * * * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * * * * * * *

* * * = * V * * V * * 4i * * * = * V * * V * *

* * * * * * * * * * * * * * * *

* * * *

* * * *

* = * V V 61 * = * V V

* * * *

* * * * * * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * »1 * * * * *

* * * = * V * * V * * 8, * * * = * V * * V * *

* * * * * * * * * * * * * * * *

* * * *

* * * *

Здесь li= v ala2x2 v а2х2 v alx2>2i=a\a2x2 v Ща2х2 v а2х2 v ^lx2 >

3i= а\02х2 v a\Ci2X2 v 02*2 v «i^2'4'=^lfl2x2 v^la2x2 v a2x2 v a\X2,

5]= a{a2x2 v «1^2 x2 v ^2X2 v > (~>\=а\^2х2 v «l«2x2 v ^2*2 v ^lx2 >

7i= f[a2-T2 v «1«2X2 v ^2X2 v alx2' 81=0^2X2 v tfja^^ v v • Модель устройства суммирования приведена на рис. 11. Исследования выполнялись с использованием моделирующей программы Micro-Cap. Результаты моделирования подтверждают помехоустойчивость устройств.

^ ^^

——ЭзЗ—1

1М

Рис. 11. Модель устройства суммирования

В третьей главе приведено описание разработаных алгоритма и программного обеспечения для автоматизированного синтеза цифровых и логических устройств электроприводов с использованием теории многомерных цифро-векторных множеств.

Блок-схема алгоритма синтеза помехоустойчивых устройств приведена на рис. 12. В блоке входной информации 1 осуществляется ввод размерности информационных и контрольных сигналов, необходимых для исправления одиночных ошибок или загрузка данных из файла с расширением *.5гП.

Оператор 2 определяет кодовую последовательность, т.е. зависимость контрольных сигналов от информационных, образующих систематический код.

Логический оператор 3 проверяет условие - совершен ли поворот, если нет, то определяется кодовая последовательность, в противном случае пользователю

предоставляется возможность выбрать систематический код.

Оператор 4 определяет в многомерном цифровом пространстве в соответствии с кодовой последовательностью распределение эквивалентных цифр информационной части кода, а также этих же цифр при одиночных ошибках.

Оператор 5 выполняет построение геометрических образов выходных сигналов устройства.

Оператор 6 осуществляет покрытие и формирует эквивалентные логические функции в дизъюктивно нормальной форме.

В блоках выходной информации 7 и 8 осуществляется сохранение результата синтеза с расширением *.rez и выход из программы, либо возврат к любому этапу синтеза.

Программа автоматизированного синтеза логических и цифровых устройств реализована с помощью визуальной среды разработки Borland С++.

В четвертой главе приведены результаты анализа работы многофазного конвертора для двигателя постоянного тока с низковольтным напряжением питания; конвертора с высоковольтным напряжением питания; силовой стойки на основе многофазного ключа, входящих в электроприводы переменного и постоянного тока, а также схема управления для испытательного стенда с рекуперацией энергии нагрузки, где применены устройства повышенной помехоустойчивости и надежностью.

Особенностью таких схем является использование цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с многофазными выходными сигналами управления, которые обеспечивают фазовый сдвиг этих сигналов во времени с равным интервалом.

Структурная схема такого ЦАП приведена на рис. 13. Делитель-счетчик и сумматор реализуются в резервированном исполнении.

На рис. 14 представлена схема конвертора, состоящая из многофазной силовой части с параллельным соединением полностью управляемых полупроводниковых ключей VTi, VT2,..., VTm и разделительными дросселями в фазах Dpi... Dpra, ЦАП с многофазными выходными сигналами управления. Двигатель постоянного тока (ДПТ) является нагрузкой.

Рис. 12. Алгоритм синтеза

Данные о токе и напряжении на входе и выходе ключа, мощности, коэффициенте полезного действия (КПД) при работе двигателя с шестнадцатифазным ключом при напряжении питания 27,5 В приведены в табл. 1. Внешний вид данного конвертора приведен на рис. 15.

¿1..Х16

Рис. 13. Структурная схема ЦАП с многофазным выходом

ипит

,ДПТ

Рис. 14. Схема многофазного конвертора

Таблица 1

^Лштэ Лютр сети* преобр) Лфеобр р * сети. ■^преоб? кпд Мн, п,

в А в /цВ, А Вт Вт Н-м об/мин

ч зч 4,6 51 256 57 ТЗ/1 Л 0 914 1 1 л 1,1-Т ОПГ1 о /

35,33 8,5 106 971,57 901,0 0,927 2,5 1830

43,33 9,0 122 1191,57 1098,0 0,921 3,0 2100

27,5 56,0 10,1 141 1540,0 1424,1 0,924 3,5 2490

71,33 11,4 160 1961,57 1824,0 0,929 4,0 2880

94,0 12,6 180 2475,0 2304,0 0,930 4,5 3240

117,33 14,4 205 3226,57 2952,0 0,914 5,1 3660

Рис. 15. Внешний вид низковольтного конвертора

Высоковольтный многофазный конвертор имеет структуру (рис. 14), в качестве ключевых элементов применяются ЮВТ транзисторы - работающие на частоте 10 кГц. Внешний вид приведен на рис. 16.

Рис. 16. Внешний вид высоковольтного конвертора

В табл. 2 приведены значения входной и выходной мощности, КПД физической модели шестнадцатифазного конвертора при номинальном напряжении питания 242 В.

_____Таблица 2

I А 2потр.сети) /„, А £/„, В Р Вт 1 сетиэ 1'1 Л„ Вт КПД

8,04 27 70 1944,0 1890 0,972

14,00 37 86 3382,0 3182 0,939

21,82 44 112 5280,4 4928 0,933

242 32,00 54 140 7744,0 7560 0,976

43,64 62 160 10560,8 9920 0,939

53,30 70 180 13119,9 12600 0,960

64,00 75,5 196 15487,8 14798 0,955

На рис. 17 показан внешний вид силовой 16-фазной стойки на основе многофазных верхних и нижних силовых ключей. Управление верхним и нижним ключом силовой стойки осуществляется в противофазе.

Рис. 17. Внешний вид стойки

В табл. 3, 4 приведены результаты испытаний макетного образца. При этом нагрузка подключается то к шине + 1/„ит, то к общей шине питания, нагружая то нижний, то верхний ключ, соответственно.

Таблица 3

У,% 20 40 60

Цтит, В 268 265 266

Атотр.? 9 35 81

^нагр? В 52 106 165

/в, А 39,5 79,5 122,7

Р Вт 2412,0 9275,0 21568,5

Р«ш, Вт 2073,7 8427,0 20245,0

кпд 0,86 0,91 0,94

Таблица 4

У,% 20 40 60

и„ИТ, В 271 267 260

Лтотсм А 10,5 36 78

^нагр> В 57 107,5 159

/„,А 43 81 119,5

Р Вт 1 потр> и 1 2850,7 9612,0 20280,0

.Рвых, Вт 2451,0 8707,5 19000,5

кпд 0,86 0,91 0,94

Технические решения, реализованные в цифровых системах управления с использованием устройств с кодовой избыточностью, обеспечивают требуемую помехоустойчивость и надежность многофазных инверторов и конверторов напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

ЗЛС'СТрИЧССКИС Ч/ХСГу!1Л1.

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 ЯБ-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.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белицкая Л.А. Синтез устройства исправления одиночных и двойных ошибок двоичной системы счисления основания N = 16 // Наука. Технологии. Инновации: Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Ч. 1. - С. 196.

2. Белицкая Л.А. Способы обнаружения и исправления ошибок в электроприводах // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф. молодых специалистов ФГУП НПЦ «Полюс». - Томск: ФГУП НПЦ «Полюс», 2004. - С. 10.

3. Белицкая Л.А. Пути повышения надежности робастных цифровых систем управления // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Томск: ФГУП НПЦ «Полюс», 2006. - С. 281.

4. Белицкая Л.А. Исправление одиночных ошибок в многофазных кодах // Известия Томского политехнического университета, 2006, № 2. - С. 212

5. Белицкая Л.А. Многофазный конвертор мощного двигателя постоянного тока // Известия Томского политехнического университета, 2006, № 7. - С. 181

6. Белицая JI.A. Алгоритм синтеза помехоустойчивых логических и цифровых устройств на основе теории цифро-векторных множеств // Современная техника и технологии: Труды XIII международной науч.-прак. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых в 2-х т.- Томск: Изд-во ТПУ, 2008. Т. 2. - С. 242.

7. Кочергин В.И., Белицкая Л.А. Синтез одноразрядного сумматора с исправлением одиночных ошибок // Электронные средства и системы управления: Доклады Международной науч.-прак. конф. - Томск: Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. В 2-х частях. Ч. 2. - С. 20.

8. Кочергин В.И., Белицкая Л.А., Гоголин В.А. Синтез контролеспособных устройств суммирования и вычитания систем управления электроприводов // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной науч.-техн. конф. Томск: ТПУ, 2005. - С. 374.

9. Кочергин В.И., Гейнц Э.Р., Гоголин В.А., Белицкая Л.А., Латыпов Е.В. Синтез унифицированного ряда электроприводов для управления электродвигателями переменного тока корабельных систем // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч.тр. - Новосибирск: Наука, 2007.-С. 182.

10. Кочергин В.И., Белицкая Л.А., Гоголин В.А. Интеллектуальные силовые ключи с цифровым многофазным принципом управления // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч.тр. - Новосибирск: Наука, 2007.-С. 198.

11. Кочергин В.И., Морозов С.Д., Гоголин В.А., Белицкая Л.А. Преобразователи DC/DC для собственных нужд электроприводов корабельных систем // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Томск: ФГУП НПЦ «Полюс», 2006. - С. 143.

12. Кочергин В.И., Белицая Л.А. Синтез суммирующих устройств в нетрадиционных двоичных кодах // Современная техника и технологии: Труды X международной науч.-прак. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых в 2-х т.- Томск: Изд-во ТПУ, 2004. Т. 2. - С. 116.

13. Кочергин В. И., Белицкая Л.А. Решение задачи повышения надежности логических и цифровых устройств в режиме реального времени // Решетневские чтения: материалы VIII Всерос. науч. конф. с междунар. участием. - Красноярск: СибГАУ, 2004.-С. 156.

14. Кочергин В.И., Белицкая Л. А. Синтез одноразрядного сумматора, не реагирующего на одиночные ошибки во входных сигналах операндов// Решетневские чтения: материалы IX Всерос. науч. конф. с междунар. участием. - Красноярск: СибГАУ, 2005. - С. 254.

15. Kocherpin V Т Belitskeva L. A__ Svnthcsis of mu!tin!e in™ut adder-substractcrs in which carry signal and borrow are shaped according to input and output constituents of the signals // Modern techniques and technologies: The eleventh International scientific and practical conference of students, postgraduates and young scientists. -Tomsk: TPU, 2005.-P. 146.

16. Kochergin V.I., Belitskaya L.A. and Gogolin V. A. Synthesis of the multi-input adder with the maximal operating speed// Automation, Control, and Information Technology: Proceedings of the second IASTED International multi-conference. Novosibirsk,2005.-P. 83.

17. Кочергин В.И., Белицкая JI.А. Синтез цифровых устройств электроприводов и энергоснабжения космических комплексов повышенной надежности и быстродействия // Судьба российской космонавтики: тез. науч.-прак. конф. молодых специалистов и молодых ученых предприятий ракетно-космической промышленности. - Королев: ИПК «Машприбор», 2005. - С. 98.

18. Патент РФ № 2308147. Резервированный RS-триггер / В.И. Кочергин, Л.А. Белицкая, В.А. Гоголин, Е.В. Латыпов.

Подписано к печати 10.11.2008. Формат 60x84/16. Бумага «Классика». Печать RISO. Усл.печ.л. 1,28. Уч.-изд.л. 1,16.

_Заказ 1056. Тираж 100 экз._

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000

H34ATEAbCTBoVîny. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

Введение

Глава 1. Анализ основных свойств электроприводов

1.1. Цифровые электроприводы. Тенденции развития электроприводов и их основные подсистемы

1.2. Методы синтеза комбинационных схем 18 Выводы по главе

Глава 2. Коды, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки при проектировании систем управления инверторами напряжения в электроприводах

2.1. Систематический код для исправления одиночных ошибок в многофазных инверторах напряжения

2.1.1. Синтез устройства исправления одиночных ошибок многофазных кодов

2.1.2. Синтез устройства исправления одиночных ошибок двоичной системы счисления основания п =

2.1.3. Синтез устройства исправления одиночных и двойных ошибок двоичной системы счисления основания п =

2.2. Синтез помехоустойчивых логических и цифровых устройств систем управления

2.2.1. Одноразрядные устройства суммирования и вычитания, не реагирующие на одиночные ошибки во входных сигналах операндов основания системы счисления п =

2.2.2. Устройства суммирования и вычитания, не реагирующие на одиночные и двойные ошибки во входных сигналах операндов основания системы счисления п

2.2.3. Одноразрядный сумматор с основанием системы счисления п = 4 с исправлением одиночных ошибок

2.2.4. Одноразрядный многовходовой помехоустойчивый сумматор

2.2.5. Резервированный делитель-счетчик

2.2.6. Многофазный помехоустойчивый регистр 99 Выводы по главе

Глава 3. Автоматизированный синтез помехоустойчивых устройств на основе теории цифро-векторных множеств

3.1. Алгоритм синтеза цифровых и логических устройств в систематических кодах с исправлением одиночных ошибок

3.2. Автоматизированный синтез цифровых и логических устройств с заданными параметрами контролеспособности

Выводы по главе

Глава 4. Силовые ключи с цифровым многофазным принципом управления

4.1. Многофазный конвертор для двигателя постоянного тока с низковольтным напряжением питания

4.2. Многофазный конвертор, работающий на инвертор с высоковольтным напряжением питания

4.3. Силовая стойка на основе многофазного ключа

4.4. Схема управления с повышенной помехозащищенностью для испытательного стенда с рекуперацией энергии нагрузки

Выводы по главе

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 кода; устройств суммирования и вычитания; многовходового сумматора; многофазного 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.206797, ЕИЖА.435331.003);

- 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.

150

148 Заключение

1. А. с. 1356225 СССР. Цифро-аналоговый преобразователь с многофазным выходом / В. И. Кочергин // Открытия. Изобретения. 1987. № 44.

2. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. Том 1, 2. М.: Мир, 1974.-555 с.

3. Белецкий В. В. Теория и практические методы резервирования радиоэлектронной аппаратуры. -М.: Машиностроение, 1988. 360 с.

4. Белицкая JI. А. Способы обнаружения и исправления ошибок в электроприводах // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф. молодых специалистов ФГУП НПЦ «Полюс». Томск: ФГУП НПЦ «Полюс», 2004. - 72 с.

5. Белицкая JI. А. Пути повышения надежности робастных цифровых систем управления // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. науч.-техн. конф. Томск: ФГУП НПЦ «Полюс», 2006. - 348 с.

6. Белицкая JI. А. Исправление одиночных ошибок в многофазных кодах // Известия ТПУ, 2006, № 2.

7. Белицкая JI. А. Многофазный конвертор мощного двигателя постоянного тока // Известия ТПУ, 2006, № 7.

8. Бибило П. Н. Синтез комбинационных ПЛМ-структур для СБИС. -Минск: Наука и техника, 1992. 232 с.

9. Бибило П. Н., Есин С. И. Синтез комбинационных схем методами функциональной декомпозиции. — Минск: Наука и техника, 1987. 189 с.

10. Бояринов И. М. Помехоустойчивое кодирование числовой информации. М.: Наука, 1983. - 196 с.

11. Бойко В. И., Гуржий А. Н., Жуйков В. Я., Зори А. А., Спивак В. М., Багрий В. В. Схемотехника электронных схем. Цифровые устройства. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 512 с.

12. Буль Е.С., Чапенко В.П. Декомпозиция булевых функций посредством решения логического уравнения // Автоматика и вычислительная техника, 1996, № 4.

13. Букреев И. Н. и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. — М.: Советское радио, 1975. 264 с.

14. Вентильный двигатель с аналоговыми и цифровыми системами регулирования, управления для электроприводов автономных объектов // Константинов В. Г., Крылов В. С./ Электротехника, № 3, 2004, с. 32.

15. Водовозов А. М. Микропроцессорные средства в электроприводах. Методическое пособие по проектированию. Вологда: ВоГТУ, 2002.

16. Герман-Галкин С. Г., Лебедев В. Д., Марков Н. И., Чичерин Н. И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 248 с.

17. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. — Л.: Энергия, 1973. 304 с.

18. Голдсуорт Б. Проектирование цифровых логических устройств. — М.: Машиностроение, 1985. -288 с.

19. Гоголин В. А. Программа диалогового синтеза цифровых устройств. Сборник научных трудов. Том 2. Проектирование и технология электрических машин и приборов. Томск: ТПУ , 1992. 170 с.

20. Горшков В. Н. Надежность оперативных запоминающих устройств ЭВМ. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 168 с.

21. Дадаев Ю. Г. Теория арифметических кодов. — М.: Радио и связь, 1981.- 272 с.

22. Дилон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем.-М.: Мир, 1984.-318 с.

23. Закревский А. Д. Логический синтез каскадных схем. — М.: Наука, 1981.-416 с.

24. Ильинский Н. Ф., Юньков М. Г. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 544 с.

25. Интеллектуальная силовая электроника: вчера, сегодня, завтра / В. Ланцов, С. Эраносян // Силовая электроника, 2006, № 1.

26. Кадацкий А. Ф. Электрические процессы в многофазных импульсных преобразователях постоянного напряжения при разрывных токах дросселей / Электронная техника в автоматике. Сб. статей под ред. Ю. И. Конева. Выпуск 16. М.: Радио и связь, 1985.

27. Карпов Ю. Г. Теория автоматов. СПб.: Питер, 2002. - 224 с.

28. Кларк Дж, Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987. — 392 с.

29. Кочергин В. И. Теория многомерных цифровых множеств