CC BY
15
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Научная статья УДК 621.313
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-4-63-69
Способ валидации схемотехнических моделей электронных узлов электротехнических устройств
В.В. Гречихин, Д.А. Крюков, М.В. Ланкин
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Предложен способ валидации схемотехнических моделей электронных узлов электротехнических устройств, по которому требуется получить вольт-амперные характеристики (ВАХ) в ряде пар контрольных точек электронного узла и его схемотехнической модели. Полученные ВАХ проецируются в пространство главных компонент, где производится определение расстояния между проекциями ВАХ, на основе которого оценивается соответствие характеристик электронного узла и его схемотехнической модели. При несоответствии характеристик производится изменение параметров схемотехнической модели до тех пор, пока валидация не будет пройдена. Приведена практическая реализация способа на примере валидации схемотехнической модели электронного узла блока питания электротехнического устройства.
Ключевые слова: валидация, электронный узел, схемотехническая модель, вольт-амперная характеристика, пространство главных компонент
Для цитирования: Гречихин В.В., Крюков Д.А., Ланкин М.В. Способ валидации схемотехнических моделей электронных узлов электротехнических устройств // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 4. С. 63-69. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-4-63-69.
Original article
Method of validation of circuit models of electronic components of electrical devices
V.V. Grechikhin, D.A. Kryukov, M.V. Lankin
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The article proposes a method for validating circuit models of electronic components of electrical devices. According to the method, it is required to obtain volt-ampere characteristics in a number of pairs of control points of an electronic node and its circuit model. The obtained volt-ampere characteristics are projected into the space of the main components, where the distance between the projections of the volt-ampere characteristics is determined, on the basis of which the conformity assessment of the characteristics of the electronic node and the circuit model is performed. If the characteristics do not match, the parameters of the circuit model are changed until validation is completed. The practical implementation of the method is given by the example of validation of the circuit model of the electronic node of the power supply unit of an electrical device.
Keywords: validation, electronic node, circuit model, volt-ampere characteristic, space of principal components
For citation: Grechikhin V.V., Kryukov D.A., Lankin M.V. Method of validation of circuit models of electronic components of electrical devices. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(4):63-69. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-4-63-69.
© ЮРГПУ (НПИ), 2023
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Введение
При выполнении контроля качества сборки электронных узлов электротехнических устройств с целью определения места и характера дефектов применяют технологии, при которых на объект контроля производится воздействие тестовым сигналом, затем осуществляется регистрация отклика объекта контроля, который сравнивается с эталоном [1 - 3]. Для реализации такого подхода используются аналоговые сигнатурные анализаторы, регистрирующие вольт-амперные характеристики (ВАХ) (аналоговые сигнатуры) участков цепи электронного узла. В качестве тестового сигнала используют ограниченное по току синусоидальное напряжение, прикладываемое поочередно ко всем доступным для подключения парам контрольных точек проверяемого электронного узла, а в роли откликов выступают ВАХ, полученные на этих парах контрольных точек эталонов. В качестве эталонов берут ВАХ заведомо исправных электронных узлов. Существует большое количество программных пакетов, позволяющих построить схемотехнические модели электронных узлов электротехнических устройств [4, 5]. Такие модели могут быть использованы в качестве эталонов.
В аналоговых сигнатурных анализаторах сравнение измеренных и эталонных ВАХ производят визуально, и это трудоемкий процесс с высокой вероятностью возникновения субъективных ошибок оператора. Кроме того, результатом такого контроля является определение наличия дефекта на участке цепи между парами контрольных точек проверяемого электронного узла.
Предлагается способ устранения указанных недостатков, позволяющий автоматизировать процесс контроля и определить как место, так и характер дефектов в электронных узлах электротехнических устройств. В основу этого технического решения положено построение схемотехнической модели контролируемого электронного узла. Определение места и характера дефекта производится в процессе валида-ции схемотехнической модели до получения цифрового двойника.
В связи с этим разработка эффективного способа валидации схемотехнических моделей электронных узлов электротехнических устройств является актуальной задачей. Авторами предлагается способ валидации, использующий метод
главных компонент (МГК) для снижения размерности задачи. Такой подход вызван высокой адекватностью таких моделей, обусловленной использованием современных систем схемотехнического моделирования электронных узлов [4, 5] и успешной реализацией МГК для подобных задач [6 - 8].
Способ валидации схемотехнической модели электронного узла
На рис. 1 изображена блок-схема алгоритма реализации предложенного способа. Выполняется анализ электронного узла, определяются контрольные точки и построение его схемотехнической модели. Затем проводится вычислительный и натурный эксперименты, в ходе которых определяются ВАХ между парами контрольных точек электронного узла (п - количество пар контрольных точек) и соответствующими им точками его схемотехнической модели [9, 10]. Для измерения ВАХ в ходе натурного эксперимента на пары контрольных точек узла подаётся тестовый сигнал и осуществляется регистрация отклика.
Рис. 1. Блок схема алгоритма работы способа валидации Fig. 1. Block diagram of the algorithm of the validation method
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
В качестве тестового сигнала используется ограниченное по току синусоидальное напряжение U. Откликами являются измеренные значения тока I, протекающего между контрольными точками узла в результате подачи тестового сигнала и разности потенциалов между этими точками.
Результат измерения каждой ВАХ, состоящей из n пар измерения значений тока I и напряжения U, формируются в виде табл. 1.
Таблица 1 Table 1
Результат измерения ВАХ Result of measuring the current-voltage characteristic
Номер измеренной точки на ВАХ 1 2 3 n
Измеренное значение напряжения Ui U2 U3 Un
Измеренное значение тока Ii I2 I3 In
Аналогичным образом определяются ВАХ схемотехнической модели с тех же пар контрольных точек.
Все полученные ВАХ нормируются по напряжению с целью приведения их к диапазону изменения от -1 до 1. Нормирование выполняется согласно выражению
М'
и
и i =->
V < 0;
(1)
U =
Un
U > 0,
где иI - измеренное значение напряжения в г-й точке ВАХ, г = 1, 2, ..., п; 1)1 - нормированное значение напряжения в г-й точке ВАХ.
К полученному множеству нормированных ВАХ, определенных в контрольных точках электронного узла, добавляются ВАХ, построенные с учетом предельной погрешности измерения. Для получения таких ВАХ к каждому измеренному значению добавляется или вычитается значение погрешности измерения напряжения Д в соответствии с выражением:
UД = U; "Д,
UA = U:
Д,
л ■ n
1 <г <— ;
2
n
— < г < n.
2
(2)
Из ВАХ, определенных на парах контрольных точек электронного узла и его схемотехнической модели, а также из ВАХ, полученной с учетом погрешности измерения, формируется исходная матрица размерности 3т х п,
транслируемая в /-мерное пространство главных компонент (ГК) (/ - количество учитываемых ГК). В результате этого преобразования ВАХ превращаются в точки в новой системе координат [11]. Местоположение каждой точки определяется координатами, заданными значениями ГК.
Затем находят расстояния между одноимёнными точками электронного узла и его схемотехнической модели в пространстве ГК по формуле
/22 2 й(к) = >/0?1 - Р) + (?2 - Р2) + ••• + (Я - Р1) ' С3)
где к) - расстояние между к-ми точками в пространстве ГК (к изменяется от 1 до т); Р1,р2, ..., р/ - координаты в пространстве ГК к-й точки, полученной с электронного узла; Р1, р2, ..., р/ - координаты в пространстве ГК к-й точки, полученной со схемотехнической модели.
Проекция в пространство ГК погрешности измерения ВАХ к-й пары контрольных точек электронного узла определяется по формуле
Д(к) = 7(bi - pi)2 + (¿2 - Р2)2 +... + (b " Pi)
,(4)
где Д(к) - проекция в пространство ГК погрешности измерения ВАХ к-й пары контрольных точек электронного узла; ¿1, 62, ..., Ь/ - проекция в пространство ГК погрешности измерения ВАХ к-й пары контрольных точек электронного узла.
Далее проводится оценка соответствия характеристик электронного узла и его схемотехнической модели путём сравнения расстояния между одноимёнными парами точек согласно неравенству
с!(к) < Д(к). (5)
Если неравенство (5) для всех т пар точек проверяемого электронного узла и схемотехнической модели выполняется, то валидация считается завершённой. В случае невыполнения неравенства (5) хотя бы для одной пары точек в пространстве ГК производится изменение параметров схемотехнической модели до тех пор, пока неравенство (5) не будет выполнено для всех пар точек.
Практическое применение способа
Для иллюстрации выполнялась валидация схематической модели электронного узла блока питания электротехнического устройства (рис. 2).
2
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Рис. 2. Принципиальная схема электронного узла Fig. 2. Circuit diagram of the electronic node
Для получения схемотехнической модели, изображённой на рис. 3, использован пакет схемотехнического моделирования Multisim [5]. В схемотехнической модели отсутствуют электронные элементы - плавкая вставка FU1 и аккумулятор B1, так как они устанавливаются в электронный узел при окончательной сборке электронного узла.
Рис. 3. Схемотехническая модель электронного узла в пакете Multisim
Fig. 3. Schematic model of an electronic node in the Multisim package
Получены ВАХ, измеренные между четырьмя парами контрольных точек электронного узла (1-2, 1-6, 4-6, 6-8) и его схемотехнической модели. Эти ВАХ нормированы по напряжению в соответствии с выражением (1). К ним добавлены ВАХ, учитывающие погрешность измерения (1 %), согласно выражению (2) (рис. 4).
На рис. 4 показаны: ВАХ/ - нормированная ВАХ, полученная со схемотехнической модели; ВАХ/ def - нормированная ВАХ, полученная с электронного узла; А ВАХ/ - нормированная ВАХ, полученная с учётом погрешности измерения.
Нормированные ВАХ проецировались в l-мерное пространство ГК с использованием программного пакета Statistica [12]. Местоположение каждой точки определяется координатами, которые заданы значениями ГК.
0 0,5 1
Д ВАХ1 —•— ВАХ1 def а
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
-0,02 -0,04 -0,06 -0,08 -0,1
I А
ur it
У Ъ M
ft X'
Mf^n-K—n--1
I—»«—Ж" J
-0,5 -ВАХ2 ■
0
■ ДВАХ2
б
0,5
1
— ВАХ2 def
Рис. 4. Нормированные ВАХ, полученные в парах контрольных точек 1-2 (а); 1-6 (б); 4-6 (е); 6-8 (г) Fig. 4. Normalized current-voltage characteristics obtained in pairs of control points 1-2 (a); 1-6 (б); 4-6 (е); 6-8 (г)
г
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Анализ значимости ГК показал, что достаточно двух главных компонент PC1 и PC2 (рис. 5).
Рис. 5. Результат проецирования ВАХ в пространство ГК Fig. 5. The result of projecting the current-voltage characteristic into the space of principal components
Определяются расстояния d(k) между одноимёнными точками ВАХ электронного узла и его схемотехнической модели в пространстве ГК согласно выражению (3), а также проекция в пространство ГК погрешности измерения Д ВАХ k-й пары контрольных точек электронного узла по формуле (4). Результаты расчётов представлены в табл. 2.
Таблица 2 Table 2
Значения расстояния между точками Distance values between points
затем нормированы по напряжению в соответствии с выражением (1) с учётом изменения схемотехнической модели. Добавлены ВАХ, учитывающие погрешность измерения (1 %), согласно выражению (2). Полученные характеристики проецировались в /-мерное пространство ГК (рис. 6).
РС2
п ■
о
Ж
« •
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
PC1|---- 0,0
-0,2 -0,4 -0,6
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4
• ВАХ1 ЖВАХ2 х ВАХ3 "ВАХ4 ОВАХ1 de\ - ВАХ2 de\ о ВАХ3 de\ □ ВАХ4 de\ Д ВАХ1 Д ВАХ2 Д ВАХ3 Д ВАХ4
Рис. 6. Результат проецирования ВАХ в пространство ГК с учётом изменений
Fig. 6. The result of projecting the current-voltage characteristic into the space of principal components taking into account changes
Заново определялись расстояния d(k) и проекция в пространство ГК погрешности измерения Д (табл. 3).
Таблица 3 Table 3
Значения расстояния между точками с учетом изменений Distance values between points taking into account changes
Номер пары контрольных точек к Расстояние d между одноимёнными точками в пространстве ГК Проекция в пространство ГК погрешности измерения А
1 1,326053 0,594382
2 0,598234 0,168227
3 0,016404 0,186085
4 0,00499 0,303374
Номер пары контрольных точек к Расстояние d между одноимёнными точками в пространстве ГК Проекция в пространство ГК погрешности измерения А
1 0,627911 0,627916
2 0,135490 0,237709
3 0,151726 0,262485
4 0,182177 0,290793
На основе данных, представленных в табл. 2, получены следующие неравенства:
й (1) > Д(1); й (2) > Д(2);
й (3) < Д(3); й (4) < Д(4),
из которых следует, что неравенство (5) не выполняется в 1 и 2 парах точек.
Для валидации схемотехнической модели вносились изменения в схему (рис. 3). Производилась замена диода У02 на короткое замыкание. Вновь получены ВАХ, измеренные между четырьмя парами контрольных точек электронного узла и его схемотехнической модели, а
На основе данных, представленных в табл. 3, следует, что неравенство (5) выполняется для всех пар точек. Таким образом, валида-ция схемотехнической модели электронного узла считается завершённой.
Заключение
Предложенный способ валидации схемотехнических моделей электронных узлов электротехнических устройств основан на получении ВАХ с последующим проецированием их в пространство ГК. Валидация производится путём сравнения расстояний между одноимёнными
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
проекциями ВАХ электронного узла и его схемотехнической модели, и между проекциями погрешности измерения ВАХ в пространстве ГК. Использование предложенного способа позволит своевременно обнаруживать дефекты в электронных узлах, возникающие в процессе их создания, что позволит повысить качество электротехнических устройств.
Список источников
1. Патент № 2133479. Способ экспресс-диагностики многоканальных цифровых блоков: № 97109971/09: заявл. 13.06.1997: опубл. 20.07.1997 / Э.И. Капля; заявитель, патентобладатель Научно-исследовательский институт измерительных систем - 7 с.
2. Патент № 2433418. Способ определения места и характера дефекта в цифровом блоке: № 2009141640: заявл. 10.11.2009: опубл. 10.11.2011 / С.А. Скачков, А.В. Клюев, Н.В. Силаев, Ю.И. Есин, В.А. Костен-ков, Д.Л. Бондаренко; заявитель, патентобладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации». 7 с.
3. Патент № 2299445. Способ определения места и характера дефекта в цифровом блоке: № 2005136048: заявл. 21.11.2005: опубл. 20.05.2007 / О.А. Данилов, А.С. Ребров, С.А. Скачков Ю.И. Есин; заявитель, патентобладатель Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных сил Российской Федерации. 6 с.
4. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Смоленск: Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012. 617 с.
5. Марк Е. Хернитер. Электронное моделирование в Multisim. М.: ДМК Пресс, 2010. 502 с.
6. Ланкин М.В. Универсальный подход к построению моделей изменения магнитных характеристик // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 4. С. 69-75.
7. Оганян Р.Г., Горбатенко Н.И., Ланкин М.В. Исследование метода мониторинга и прогнозирования параметров мультифизических процессов электротехнических устройств (на примере силового трансформатора) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. № 2 (210). С. 34-40.
8. Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д. Применение метода главных компонент для классификации изделий из магнитотвердых материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. № 5 (153). С. 14-22.
9. Воронов Д.С., Кривошеин А.И. Измерение вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов методом аналогового сигнатурного анализа // Аллея науки. 2017. Т. 1, № 10. С. 723-728.
10. Крюков Д.А., Ланкин М.В., Ланкин А.М., Блаж-кова Е.Н., Гороховатенко Е.С., Огородников И.А. Разработка метода аналогового сигнатурного анализа // Инженерный вестн. Дона. 2021. № 8 (80). С. 474-485.
11. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных. Избранные главы / пер. с англ. С.В. Кучерявского; под ред. О.Е. Родионовой. Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та, 2003. 157 с.
12. Стукач О.В. Программный комплекс Statistica в решении задач управления качеством: учебное пособие / Томский политехн. ун-т. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2011. 163 с.
References
1. Kaplya E.I. Method for express diagnostics of multi-channel digital blocks: No. 97109971/09: application. Patent RF, no. 2133479. 1997.
2. Skachkov S.A., Klyuev A.V., Silaev N.V., Esin Yu.I., Kostenkov V.A., Bondarenko D.L. Method for determining the location and nature of a defect in a digital block: No. 2009141640: application. Patent RF, no. 2433418.2011.
3. Danilov O. A., Rebrov A. S., Skachkov S. A., Esin Y. I. Method for defining the place and character of a defect in a digital block: № 2005136048: avv. Patent RF, no. 2299445. 2007.
4. Amelina M.A., Amelin S.A. Micro-Cap program of Schematic modeling. Smolensk: Smolensk branch of the National Research University MPEI, 2012. 617 p. (In Russ.)
5. Mark E. Herniter. Electronic modeling in Multisim. DMK Press. 2010. 502 p. (In Russ.)
6. Lankin M.V. Universal approach to the construction of models of changes in magnetic characteristics. Izvestiya Vysshihkh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics. 2002;(4): 69-75. (In Russ.)
7. Oganyan R.G., Gorbatenko N.I., Lankin M.V. Study of the method of monitoring and predicting the parameters of multiphysical processes of electrical devices (using the example of a power transformer). Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki= Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2021;(2):34-40. (In Russ.)
8. Lankin M.V., Narakidze N.D. Application of the principal component method for the classification of products made of hard magnetic materials. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region.Technical Sciences. 2009;(5):14-22. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
9. Voronov D.S., Krivoshein A.I. Measurement of current-voltage characteristics of semiconductor devices using analog signature analysis. Science Alley. 2017;(10):723-728. (In Russ.)
10. Kryukov D.A., Lankin M.V., Lankin A.M., Blazhkova E.N., Gorohovatenko E.S., Ogorodnikov I.A. Development of a method for analog signature analysis. Engineering Bulletin of the Don. 2021;(8):474-485. (In Russ.)
11. Esbensen K. Analysis of multidimensional data. Selected chapters. Barnaul: Publishing house of Alt. un. 2003. 157 p. (In Russ.)
12. Stukach O.V. Statistica software package in solving quality management problems: textbook. Tomsk Polytechnic University. Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University. 2011. 163 p. (In Russ.)
Сведения об авторах
Гречихин Валерий Викторовичв- д-р техн. наук, профессор, кафедра «Информационные и измерительные системы и технологии», vgrech@mail.ru
Крюков Дмитрий Алексеевич - аспирант, кафедра «Информационные и измерительные системы и технологии», dimon.k639@gmail.com
Ланкин Михаил Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Информационные и измерительные системы и технологии», delete60@rambler.ru
Information about the authors
Valéry V. Grechikhin - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Information and Measuring Systems and Technologies», vgrech@mail.ru
Dmitry A. Kryukov - Graduate Student, Department «Information and Measuring Systems and Technologies», dimon.k639@gmail.com
Mikhail V. Lankin - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Information and Measuring Systems and Technologies», delete60@rambler.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 17.11.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 29.11.2023; принята к публикации / accepted for publication 30.11.2023.
