CC BY
5
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
УДК 519.876.5
РАЗРАБОТКА СИМУЛЯТОРА ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А.В. Пучков*, А. С. Максютин Научный руководитель - Г. М. Гринберг
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Рассматривается структура систем управления электродвигателями в космических аппаратах и описываются проблемы, возникающие при тестировании таких систем. Осуществляется обзор построения программно-аппаратного симулятора реального времени. Приведены особенности выбора аппаратных средств, обеспечивающих решение уравнений математических моделей сложных электротехнических комплексов и систем в «реальном времени», которые могут эффективно использоваться для тестирования алгоритмов управления без реального объекта управления.
Ключевые слова: встраиваемые системы, программное обеспечение, программно-аппаратный симулятор, тестирование, системы управления электродвигателями.
DEVELOPMENT OF A SIMULATOR FOR TESTING SPACECRAFT ELECTRIC MOTOR CONTROL SYSTEM
А.У. Puchkov*, A.S. Maksyutin Scientific supervisor - G. M. Grinberg
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The structure of spacecraft electric motor control system is considered and problems are described when such systems are being tested. Review building of hardware-software simulators of real time is implemented. The features of the choice of hardware are given that provide a solution of mathematical models of complex electrical systems in «real time» that can be effectivelyused for testing of control algorithm without a real control object.
Keywords: embedded systems, software, hardware-software simulator, testing, electric motor control system
Введение. В настоящее время в разные сферы жизни и производства внедряется множество цифровых технологий. Одной из таких областей, является разработка встраиваемых систем бортовых приборов космических аппаратов. Встраиваемые системы -цифровые вычислительные системы, предназначенные для управления в реальном времени, сбора данных и обмена информацией.
Современные требования, предъявляемые к точности, быстродействию, надежности космической бортовой аппаратуры достаточно жёсткие, так как возложенные на неё задачи должны бесперебойно выполняться в течение 15 лет активного существования на орбите.
Секция «Автоматика и электроника»
Одним из наиболее сложных и ответственных моментов разработки встраиваемых систем является тестирование и испытания, так как возникает необходимость отлаживать сложные алгоритмы управления, которые реализуются специальным программным обеспечением. Существующие комплексы для испытаний таких систем устаревают, поэтому поиск и внедрение новых решений для осуществления тестирования является актуальной проблемой.
Структура построения систем управления электродвигателем. В качестве объекта исследования встраиваемых систем рассматриваются системы управления электродвигателями космических аппаратов. Они широко применяются во многих бортовых системах и выполняют ответственные функции по наведению антенн, солнечных батарей, двигателей коррекции т. п. На рис. 1 приведена типовая структура построения систем управления электродвигателем.
Рис. 1. Структурная схема построения систем управления электродвигателями
От внешних блоков управления по мультиплексному каналу обмена (МКО) на микроконтроллер (МК) поступают команды управления. На основании полученной информации МК выдает управляющие сигналы и уставки тока в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), в которую входит регулятор тока и коммутатор фаз электродвигателя (ЭД), формирующие необходимый ток в обмотках двигателя на основании установленного в обратной связи датчика тока (ДТ) и показаний аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В результате на выходном валу электродвигателя создается момент и скорость вращения, зависящие от амплитуды и частоты тока. Для отслеживания и установки текущего положения вала электродвигателя используется датчик угла (ДУ).
Алгоритмы управления реализуются программным обеспечением (ПО). Внутреннее ПО разрабатывается в соответствии с техническим заданием на этапе проектирования.
Проблемы тестирования и испытаний таких систем возникают на этапе разработки программного обеспечения, когда аппаратная часть еще изготавливается. Отсутствие реального объекта не позволяет в должном объеме провести процесс отладки. В связи с этим при первом включении изготовленного прибора обычно возникает много проблем, вплоть до полного отказа прибора, что приводит к увеличению сроков выпуска готового изделия.
Решением изложенных проблем является разработка программно-аппаратных симуляторов реального времени, применение которых обосновывается системным подходом к проектированию, изготовлению и вводу в эксплуатацию оборудования на основе современных цифровых технологий [1]. Это обусловлено тем, что цифровые средства являются гибким инструментом с возможностью относительно быстрого
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Тома 1
перепрограммирования. Данный подход существенно ускоряет испытания, снижая затраты, а также предотвращая возможное повреждение реального оборудования.
Моделирование в реальном времени включает в себя три задачи: приём сигналов из внешней среды, обработка полученных сигналов и выдача сигналов во внешнюю среду. Процессы, происходящие в электродвигателе, описываются дифференциальными уравнениями (ДУ). Основным элементом модели является ПЛИС, которая способна выполнять параллельные вычисления с минимальными задержками, что является необходимым условием для моделирования в реальном времени [2].
Весьма важным для моделирования в реальном времени является выбор численного метода решения ДУ, поскольку именно от этого зависит время их решения и точность. В табл. 1 приведено сравнение методов численного решения ДУ на основании данных, приведенных в [3].
Таблица 1
Сравнение методов численного решения дифференциальных уравнений_
Метод Достоинства Недостатки
Метод Гира 1) Гарантированно устойчивое решение ДУ. 2) Относительно простой алгоритм. 1) Предназачен для медленно изменяющихся процессов. 2) Многоитерационный метод.
Метод Рунге-Кутты 4-го порядка 1) Приспособлен для практического применения на цифровых вычислительных средствах. 2) Не требует вычисления начальных значений. 1) Требует решать уравнения, последовательно используя переменные одного уравнения, полученные на предыдущем шаге для решения второго. 2) Трудно оценить точность.
Методы Аддамса-Бэшфорта 1) Позволяют реализовать решение каждого из уравнений системы ДУ параллельно. 2) Имеет высокую точность. 1) Необходимо знать решения в первых к точках. 2) Ограниченная область устойчивости решений.
Вывод. В работе рассмотрены основные особенности построения программно-аппаратных симуляторов систем управления электродвигателей и проведен анализ методов численного решения ДУ для реализации модели реального времени на ПЛИС. Полученные результаты позволят разработать экспериментальную базу для дальнейших исследований. Задачей симулятора будет являться не только моделирование работы систем управления электропривода, но и оценка возможности локализации дефектов после изготовления готового изделия.
Библиографические ссылки
1. Аппаратно-программные симуляторы электротехнических комплексов / Зюзев А. М., Мудров М. В., Нестеров К. Е. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2016. — № 2. — С. 58—62.
2. An FPGA-based real-time simulator for HIL testing of modular multilevel converter controller / W. Li [и др.] // 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2014. — 2014.
3. Старченко А.В., Берцун В.Н. Методы параллельных вычислений: Учебник. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2013. - 223 с.
© Пучков А.В., Максютин А.С., 2022
