CC BY
97
Фетисов В. С. Fetisov V. S.
доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа.
Мельничук О. В. Melnichuk О. V.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа.
УДК 621.38
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ КОНТАКТНОЙ МАТРИЦЫ
В статье описываются условия и результаты моделирования электрических цепей, составляющих управляющую часть так называемой интеллектуальной контактной матрицы, которая может быть использована в качестве средства подзарядки аккумуляторных батарей различных устройств.
Интеллектуальная контактная матрица - это распределенный по определенной площади набор плоских открытых контактных площадок, на которые в цикле зарядки накладывается 2 плоских длинных электрода заряжаемого аккумулятора, подключение которых к полюсам зарядного источника производится адаптивно, в зависимости от полярности наложенного электрода.
Преимуществом контактной матрицы по сравнению с традиционными штепсельными разъемами является возможность произвольного расположения заряжаемого объекта на зарядной станции, следовательно, резко снижаются требования к точности его позиционирования, что особенно важно для мобильных устройств - воздушных и наземных роботов, электрокаров и т.п., которые не всегда могут совершить точную посадку (заезд) на зарядную станцию.
Управление подключением отдельной контактной площадки может быть осуществлено с помощью предложенного простого аналогового устройства, состоящего из операционного усилителя, пары комплементарных транзисторов и электронного ключа сброса текущего состояния. Питание такой схемы производится от двух источников разных полярностей, которые, по сути, являются зарядными источниками, к одному из которых подключается контактная площадка.
Моделирование управляющего узла было произведено в среде Micro-Cap 9 в режиме Transient, который позволяет выполнить развертку во времени характерных напряжений и токов схемы и оценить характер переходных процессов.
Наибольший интерес представляло функционирование не отдельного узла управления одной контактной площадкой, а результат включения сразу нескольких таких узлов. Поэтому для удобства моделирования схема узла управления была оформлена в виде макромодели. Несколько таких макромоделей было использовано в качестве элементов для построения общей схемы управления контактной матрицей на более высоком иерархическом уровне.
Выявлено, что глубокая положительная обратная связь, которой охвачены каскады узла управления, может быть причиной неправильной коммутации зарядных источников на контактные площадки. Предложены
соответствующие корректирующие изменения в схеме, которые по результатам повторного моделирования подтвердили свою эффективность.
Ключевые слова: контактная матрица, моделирование, Micro-Cap, макромодель, аккумуляторная батарея, зарядка, открытая контактная площадка, электрод, операционный усилитель, комплементарные транзисторы.
ELECTRIC CIRCUIT SIMULATION FOR SMART CONTACT MATRIX
The paper describes conditions and results of electric circuit simulation for controlling part of so called smart contact matrix that may be used as a facility for charging accumulator batteries of various objects.
Smart contact matrix includes a set of open contact pads distributed on a fixed surface. Two flat long electrodes from the accumulator being charged put on the open contact pads, and the switching of charging source to each pad is adaptive depending on applied electrode polarity.
The advantage of the smart contact matrix in compare with common plug contacts is the free object location on the charging station. Therefore, object positioning accuracy requirements may be rather low, that is especially important for mobile objects, such as aerial and terrestrial robots, electric cars and others those could not sit on the charging station very accurately.
Switching control for single contact pad may be implemented by means of the proposed simple analog control module, that consists of operational amplifier, complementary pair of transistors and slave reset key. Powering for this scheme is arranged with two sources of different polarities, those are charging sources, and each contact pad touching one of the two applied electrodes has to switch to one of the two sources.
Modelling for the control module was done with simulation program Micro-Cap 9 in Transient mode that provides time sweep of any voltage or current and transient process estimation.
It was not so interesting behavior of a single control module as operation of a set of contact pads and corresponding control modules. So the scheme of the control module was arranged as a macromodel, and many such macromodels were used as elements in the scheme of higher level of hierarchy.
It was found out that strong positive feedback in the control module may be the cause of wrong commutation of charging sources to contact pads. So adequate scheme correction was proposed, and it proved its efficiency by results of repeated simulation.
Keywords: contact matrix, simulation, Micro-Cap, macromodel, accumulator battery, charging, open contact pad, electrode, operational amplifier, complementary transistors.
Введение
Во всем мире очень быстрыми темпами растет количество устройств с батарейным питанием. Причем большую часть источников автономного питания составляют перезаряжаемые аккумуляторные батареи. К ним относятся не только широко используемые бытовые приборы, портативная компьютерная техника, но и мобильные средства: электрокары, автономные мобильные воздушные и наземные роботы и т.д. Естественно, для каждого такого устройства требуется периодическая подзарядка. Причем далеко не всегда можно обеспечить точную фиксацию заряжаемого устройства в зарядном контактном терминале, в котором могло бы выполняться жесткое соединение контактов аккумуляторной батареи с контактами зарядного источника (например, посредством штепсельного разъема) [1]. Возможным решением во многих таких случаях могло бы быть применение плоских платформ с открытыми контактными площадками [2].
В одной из наших предыдущих публикаций [3] рассматривались некоторые технические решения,
касающиеся зарядных платформ с открытыми контактными площадками. Они ориентированы в первую очередь на подзарядку беспилотных летательных аппаратов, но могут быть применимы и для других устройств. Есть сведения о том, что такой подход именно применительно к воздушным роботам уже находит свое реальное воплощение на практике: немецкая фирма SkySense объявила о начале серийного выпуска зарядных платформ с открытыми контактными площадками, рассчитанных на посадку мультикоптеров различных размеров [4].
Наиболее универсальной схемой организации открытых контактных площадок является такая, в которой отдаленные друг от друга металлические площадки распределены по зарядной платформе в виде матрицы, а контактирующие с ними электроды заряжаемого аккумулятора (бортовые электроды) представляют собой две металлические полосы, ширина которых, а также зазор между ними должны быть выполнены с соблюдением определенных геометрических соотношений для избежания замыкания бортовых электродов между собой. Пример
зарядной контактной матрицы с наложенными на нее бортовыми электродами приведен на рис.1.
Рис.1. Контактная матрица зарядной платформы: 1 - контактные площадки; 2 - бортовые электроды;
GB1 - заряжаемая аккумуляторная батарея; Е - зарядный источник; РУ - распределительное устройство
Контактная площадка матрицы должна подключаться к соответствующему полюсу зарядного источника только при наличии на ней одного из бортовых электродов. Такое адаптивное поведение контактной площадки возможно только при наличии связанного с ней электронного узла, определяющего полярность приложенного к ней бортового электрода и подключающего затем к этой площадке
зарядный источник в нужной полярности. В совокупности эти электронные узлы образуют распределительное устройство (РУ). Контактная матрица обладает адаптивным свойством и способна работать при самых разных вариантах расположения бортовых электродов, поэтому авторы сочли, что название «интеллектуальная контактная матрица» для такого устройства будет вполне уместным.
Схема достаточно простого электронного узла, управляющего подключением контактной площадки, выполненного исключительно на аналоговых компонентах, была предложена ранее [2]. Здесь рассмотрим особенности функционирования этого узла и совокупностей таких узлов с применением схемотехнического моделирования.
1. Исследуемая схема и инструментарий для моделирования
Исследуемая схема для управляющего узла представлена на рис.2. Моделирование осуществляется в среде Micro-Cap 9.0.7 фирмы Specrtum Software [5]. Условные графические обозначения элементов на схеме не везде соответствуют нормам ЕСКД - они оставлены в их оригинальном изображении. Целью моделирования была проверка устойчивости работы схемы и правильности подключения полюсов зарядного источника к контактным площадкам.
Рис.2 Исследуемая схема для управляющего узла
Единственным исследуемым режимом был во времени характерных напряжений и токов схемы и режим моделирования переходных процессов оценить характер переходных процессов. (Transient), который позволяет осуществить развертку
Сама контактная площадка электрически связана с узлом 10 (рис.2). Основу схемы составляет операционный усилитель DA 1, к которому не предъявляются какие-либо особые требования. Его назначение - усиление в несколько десятков раз (до насыщения) входного напряжения, которое приложено к узлу 10 через резистор R8 (последний имитирует сопротивление контактирования электрода с контактной площадкой).
Питание схемы - двуполярное, ±12В. Источники питания схемы ЕС3, ЕС4 являются, по сути, зарядными источниками, от которых через транзисторы VT1. VT2 отбирается энергия для заряда бортового аккумулятора. Заряженный аккумулятор имитирует элемент EV.n. Предположительно, это литий-полимерный аккумулятор емкостью 1-2 А ч. Его максимальная ЭДС (в полностью заряженном состоянии) составляет 4,2 В, а минимально допустимая - 3 В. Нормальным начальным зарядным током будем считать ток в диапазоне 200.. .1000 мА.
Для изменения полярности подключения EV.n достаточно изменить его номинал с +3 В на -3 В. Транзисторы VT1, VT 2 - составные, выполненные по схеме Дарлингтона. Они имеют высокий коэффициент передачи базового тока и максимальный ток коллектора порядка 10 А.
Управляемый напряжением ключ 51 служит для имитации «посадки» заряжаемого аккумулятора EV.n на площадку матрицы. Когда он замкнут, через EV in протекает зарядный ток. Периодичность замыкания-размыкания обеспечивает источник импульсного напряжения EV1.
Особое значение имеет резистор R3. Посредством него контактная площадка связана с землей. Его сопротивление нельзя делать слишком высоким. Практически, его номинал не рекомендуется выбирать более 100 Ом.
Когда аккумулятор EV.n подключается к контактной площадке (узел 10), его остаточное напряжение усиливается усилителем DA1 (коэффициент усиления (R6/R5)>30, поэтому сигнал усиливается до насыщения). Выходное напряжение усилителя DA1 «отпирает» один из транзисторов VT1, VT2 и «запирает» другой («плюсом» открывается VT1, «минусом» - VT2). Таким образом, транзисторный ключ VT1 (VT2) подключает к узлу 10 через ограничительный резистор R2 источник ЕС3 (ЕС4), т.е. источник той же полярности, которая и вызвала открывание ключа.
Так как через резистор R2 на вход усилителя заведена положительная обратная связь, то после отключения EV in усилитель DA1 и ключи VT1, VT2 останутся в прежнем состоянии.
Для размыкания ключей VT1, VT2 после удаления EV.n и приведения схемы в нейтральное состояние служит ключ S2, который замыкается посредством короткого импульса сброса от источника импульсов EV2.
2. Обсуждение результатов моделирования
Результаты моделирования схемы по рис.2 в режиме Transient представлены на рис.3.
Рис.3. Результаты моделирования в режиме Transient
После подключения аккумулятора EV.n (момент времени t1) усилитель DAI входит в насыщение и на выходе устройства (узел 11) устанавливается напряжение порядка 9 В. Причем оно почти не меняется и после отключения EV.n (момент времени t2) вследствие действия положительной обратной связи через резистор R2. сброс этого напряжения в ноль происходит только после действия импулься сброса (см. v(14) - нижний график на рис.3).
Напряжение на самой контактной площадке (v(10)) от момента отключения EV.n (t2) до начала импульса сброса имеет даже небольшой выброс, который по амплитуде как раз соответствует напряжению насыщения каскада «9 В.
При изменении полярности EV.n графики напряжений v(10), v(11) и зарядного тока /(2,0) выглядят аналогично, разница лишь в том, что названные величины имеют отрицательный значения.
Таким образом, никаких проблем при моделировании работы отдельно взятой схемы управления не обнаружено. Гораздо сложнее дело обстоит тогда, когда в работу включается сразу несколько контактных площадок. В этом случае аккумулятор EVn подключается не между контактной площадкой и землей, как в рассмотренном случае, а между двумя контактными площадками, - непосредственно к земле он не подключается.
Для подключенного аккумулятора входные резисторы, аналогичные R3 по рис.2, выполняют роль делителя его остаточного напряжения. Для простоты рассмотрения пока будем считать, что аккумулятор подключается к двум контактным площадкам (каждый из бортовых электродов - к своей контактной площадке). При наличии жесткой положительной обратной связи, а также с учетом возможного дребезга контактов, очень вероятна конкуренция сигналов с выходов усилителей по их времени установления на контактных площадках. Это может привести к тому, что сразу после подключения аккумулятора полярности напряжения на обеих контактных площадках будут одинаковыми. Для пояснения этого момента на рис.4 приведена упрощенная эквивалентная схема подключения аккумулятора (EV1, 3 В) к контактным площадкам (узлы 4, 5). Резисторы R1, R2 имитируют входные сопротивления схем управления, резистор R5 - резистор положительной обратной связи. Подключение зарядных источников EV2, EV3 не является строго одномоментным, поэтому сначала подключается только один из них, например, EV2. Для этого момента произведен расчет узловых потенциалов. Для узла 4 потенциал оказался равным +10,3 В, а для узла 5 он составил +7,1 В, т.е. они оба находятся в одной полярности. Это значит, что и на выходах усилителей полярность будет одной и той же, что совершенно неприемлемо.
Рис.4 Упрощенная эквивалентная схема подключения аккумулятора к контактным площадкам Для исключения такой ситуации предложено замедлить действие положительной обратной связи, для чего в схему управления (рис.2) введен конденсатор С1 емкостью порядка 1 мкФ. Это сразу сделало работу рассматриваемых узлов более надежной.
Для удобства моделирования матрицы контактов с их схемами управления основная часть схемы по рис.2 (исключая импульсные источники и ключ 51) была оформлена в виде макромодели.
Затем испытывались различные комбинации подключения аккумулятора к контактным площадкам (п площадок подключаются «плюсу» аккумулятора, т площадок - к «минусу», п, т = 1..5).
Простейший вариант, когда одна контактная площадка подключена к «минусу» аккумулятора и одна - к «плюсу», показан на рис.5, а соответствующие временные диаграммы - на рис.6. На графиках показаны: у(4,3) - напряжение между контактными площадками, /(2,3) - зарядный ток, v(5) - импульс сброса.
Рис.5 Простейший вариант подключения контактной площадки к аккумулятору
На рис.7 показаны те же диаграммы при смене полярности аккумулятора. Как видно по графикам зарядного тока (/(2,3)), схема правильно отрабатывает это изменение. Заметим, что зарядный ток составляет ~ 630 мА, а не 450 мА как для схемы по рис.2, поскольку зарядка осуществляется от двух источников разных полярностей.
Аналогичный анализ других комбинаций подключений не выявил каких-либо сбоев в распределении полярностей напряжений, прикладываемых к контактным площадкам от зарядных источников.
Степпинг (пошаговое изменение номинала) резистора R3 по схеме рис.2 показал, что при превышении значения «100 Ом положительная обратная связь становится слишком глубокой, и импульс сброса не оказывает должного воздействия, т.е. усилитель продолжает оставаться в насыщении. Поэтому было рекомендовано при сохранении других указанных параметров схемы номинал этого резистора оставить на уровне 100 Ом.
Рис.6. Временные диаграммы простейшего варианта подключения контактной площадки к аккумулятору
0250 0.440
Т
Рис.7 Временные диаграммы простейшего варианта подключения контактной площадки к аккумулятору при смене его полярности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ предложенной схемы управления контактами интеллектуальной матрицы в среде Micro-Cap 9 подтвердил ее работоспособность. Она вполне может быть реализована на относительно недорогих аналоговых компонентах.
Выявленные в ходе моделирования возможные сбои в правильном подключении зарядных источников позволили оперативно внести корректирующие изменения в схему.
Рассмотренная схема была реализована на макете, предназначенном для управления 16-контактной интеллектуальной матрицей (рис.8). Макетный образец представлял собой четыре платы, каждая из которых управляла одним рядом контактов. Для минимизации количества элементов использовались микросхемы счетверенных операционных усилителей. Апробация макета полностью подтвердила результаты, полученные при моделировании.
Рис.8. Макет схемы управления для 16-контактной матрицы
С целью повышения эффективности схемы биполярные транзисторы предложено в дальнейшем заменить на мощные КМОП-транзисторы.
Список литературы
1. Fetisov V. Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters [Text] / V. Fetisov, O. Dmitriyev, L. Neugodnikova, S. Berse-nyov, I. Sakayev // Proceedings of XX IMEKO World Congress "Metrology for Green Grouth", 9-14 Sept. 2012, Busan, Republic of Korea. - P.86. - URL: http:// vositef.url.ph/index.files/ PUBL/Fetisov_Dmitriyev_ multicopters_final.pdf.
2. Kemper P., Suzuki K., Morrison J. UAV Consumable Replenishment: Design Concepts for Automated
Service Stations [Text] / P. Kemper, K. Suzuki, J. Morrison // Journal of Intelligent and Robotic Systems.
- 2011. - Vol. 61. - № 1. - Pp. 369-397. - URL: http:// www. rese archgate. net/publication/22006223 9_UAV_ Consumable_Replenishment _ Design _ Concepts_for_ Automated_Service_Stations
3. Фетисов В. С. Наземные станции подзарядки электрических беспилотных летательных аппаратов на основе открытых контактных площадок [Текст] / ВС. Фетисов, Ш.Р. Ахмеров, Р.В. Сизоненко, Р.А. Красноперов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - № 2. - С. 44-53.
4. Deploying Drones for the Enterprise: официальный сайт компании SkySense. - URL: http:// skysense.co
5. Амелина М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10[Текст] / М.А. Амелина, С.А. Амелин. - Смоленск: НИУ МЭИ. - 2012. - 617 с.
References
1. Fetisov V. Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters [Text] / V. Fetisov, O. Dmitriyev, L. Neugodnikova, S. Bersenyov, I. Sakayev // Proceedings of XX IMEKO World Congress "Metrology for Green Grouth", 9-14 Sept. 2012, Busan, Republic of Korea. - P.86. -URL: http://vositef.url.ph/index.files/ PUBL/Fetisov_ Dmitriyev_multicopters_final.pdf.
2. Kemper P., Suzuki K., Morrison J. UAV Consumable Replenishment: Design Concepts for Automated Service Stations [Text] / P. Kemper, K. Suzuki, J. Morrison // Journal of Intelligent and Robotic Systems. - 2011. - Vol. 61. - № 1. - Pp. 369-397. - URL: http://www.researchgate.net/publication/220062239_ UAV_Consumable_Replenishment_Design_ Concepts_ for_Automated_Service_Stations.
3. Fetisov V. S. Nazemnye stancii podzaijadki jelektricheskih bespilotnyh letatel'nyh apparatov na osnove otkrytyh kontaktnyh ploshhadok [Text] / V.S. Fetisov, Sh.R. Ahmerov, R.V. Sizonenko, R.A. Krasnoperov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2014. - № 2. - S. 44-53.
4. Deploying Drones for the Enterprise: oficial'nyj sajt kompanii SkySense. - URL: http://skysense.co
5. Amelina M. A. Programma shemotehnicheskogo modelirovanija Micro-Cap. Versii 9, 10[Text] / M.A. Amelina, S.A. Amelin. - Smolensk: NIU MJel. - 2012.
- 617 s.
