Теоретическое обоснование алгоритма управления микропроцессорным устройством измерения электрической энергии при аккумуляторном пуске двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

УДК 621.317

А. П. ПОПОВ В. Ю. СЫСОЛЯТИН

Омский государственный технический университет

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ АККУМУЛЯТОРНОМ ПУСКЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рассматривается обоснование алгоритма управляющей программы цифрового микропроцессорного измерительного устройства, предназначенного для контроля значения энергии, затраченной химическим источником тока при запуске двигателя внутреннего сгорания, с использованием датчика тока, основанного на эффекте Холла. В статье рассматриваются электрическая схема прибора и алгоритм функционирования программы.

Ключевые слова: электростартерный пуск двигателя, электрическая энергия пуска, алгоритм вычисления энергии.

При выборе расчетных соотношений для численного расчета энергии, потребляемой при аккумуляторном пуске двигателя, будем полагать, что электрическая схема измерения имеет вид, показанный на рис. 1.

Текущее значение электрической энергии, потребляемой в рассматриваемом случае, определяется выражением:

(1)

Как видим из (1), необходимо одновременно получать мгновенные значения напряжения и тока, потребляемого обмотками стартера. С учетом дискретизации измерений, когда время дискретизации (ДI) между отсчетами мгновенных значений достаточно мало (что в рассматриваемом случае выполняется), выражение (1) представим в виде суммы :

(2)

роллера. Наименьшее различаемое значение входного напряжения АЦП зависит от опорного напряжения микроконтроллера иоп и числа разрядов АЦП и определяется выражением [1]:

л _ и оп

2п -1

где Д — напряжение квантования по уровню;п-разрядность АЦП.

Пусть г-тое значение напряжения и2., получаемого АЦП в процессе преобразования и2г, соответствует десятичному числу N.. Тогда значение напряжения и21 можно записать следующим образом:

Ші = N 2І ' А = N 2)

и о,

2П -1

Напряжение, подаваемое на обмотку стартера (с учетом значений сопротивлений делителя Я1, Л2), будет равно:

и оп іїі + ^2

2Л -1

Я2

(3)

ии — мгновенное значение напряжения на стартере; Істі — мгновенное значение пускового тока.

Энергия Шп в рассматриваемом случае должна вычисляться до тех пор, пока не произойдет запуск двигателя, после которого ток стартера изменит направление, так как в работу вступит генератор. То есть алгоритм вычисления энергии Ша должен обеспечивать окончание процесса вычисления энергии в момент времени, когда Іст станет равным нулю. Как видно из электрической схемы, показанной на рис. 1, напряжение на выходе из датчика тока и3 и напряжение на выходе делителя напряжения и2, пропорциональное напряжению подаваемому на стартер, поступают на входы 7, 8 АЦП микроконт-

Запишем теперь г-тое дискретное значение выходного напряжения датчика тока изг через десятичное число N,:

изі = N з

. и оп 2п -1

(4)

Поскольку при вычислении энергии пуска, потребляемой стартером, необходимо иметь в памяти микроконтроллера дискретное значение тока стартера 1ст1. Выразим мгновенное значение тока стартера через изг, используя (4), а также учитывая постоянную составляющую выходного напряжения датчика Холла их0 и значения чувствительности 5дх, величина

где пп — число отсчетов за время пуска

Рис. І. Электрическая схема для измерения электрической энергии при аккумуляторном пуске двигателя внутреннего сгорания:

І — блок пускового реле; 2 — стартер; З — датчик тока; 4 — резистивный делитель напряжения;

5 — микроконтроллер; б — жидкокристаллический индикатор; 7, 8 — входы АЦП микроконтроллера; Ui — напряжение, действующее на стартере при пуске;

U2 — мгновенное значение напряжения на выходе резистивного делителя;

U3=SJcr+Ust> — мгновенное значение напряжения датчика тока, основанного на эффекте Холла (датчик фирмы Honeywell), пропорциональное току стартера; icT — мгновенное значение пускового тока стартера;

Uxo — постоянная составляющая напряжения на выходе датчика Холла приі =0;

S^ — чувствительность по току датчика Холла;

9 — генератор, обеспечивающий заряд аккумулятора после пуска

которой предварительно измеряется. Для измерения 5дх используется амперметр и вольтметр постоянного тока соответствующего класса точности.

Тогда выходное напряжение датчика Холла определим следующим образом

u3i = Ux0 + icmi ■ Sдх .

Используя (4) и (5), получаем :

:---------(u3i-U x0)=

S дх S ai

N зі-^-Ux0 2n-1

(5)

(б)

С учетом (2), (3), (6) получаем выражение для вычисления энергии пуска двигателя:

W = Uon (r + R) YN

vvn - t n \ Zj 2

S3x (2n - 1)R2 1

Uo

2n -1

At . (7)

Входящее в (7) значение их0 представим также через десятичное число М^, получаемое предварительно в результате преобразования выходного напряжения датчика тока Холла при гст = 0:

U x 0 N x'

U о,

2n -1 '

Тогда (7) окончательно примет вид:

Wn = | -^1 (R1 + R2) Y (N3,. - Nx0 )M2IAt =

2n -1

S8xR2

- kWn A t Y(Nз, -Nx0)N2,

где k

W

константа, имеющая размерность мощ-

ности (ватт): kw

U on \ (R1 + R2)

2П-1 0 Sдх R2

Дt — время дискретизации, определяется частотой отсчетов АЦП за единицу времени, задается программным способом.

Описанная выше процедура вычисления энергии на пуск двигателя,положена в основу алгоритма управляющей программы микроконтроллера, рассматриваемого устройства.

Блок-схема программы изображена на рис. 2. В инициализационной части программы происходит включение АЦП, который производит преобразования в непрерывном режиме. После очередного преобразования с помощьюмультиплексора происходит переключение входа АЦП, на который подается обрабатываемый сигнал. Алгоритм работы АЦП изображен на рис. 3. При отсутствии тока в цепи определяется ЭДС аккумулятора. В момент появления тока в цепи (/>0) программа переходит в режим вычисления. При этом происходит инициализация таймера_0, который используется для контроля временных интервалов Д^ Поступающие на входы сигналы поочередно оцифровываются. Оцифрованные мгновенные значения тока и напряжения за интервал времени Дt суммируются. Количество преобразований фиксируется счетчиками, для вычисления средних величин тока 1Ср и напряжения иСср на интервале времени Дt.

По истечении каждого интервала времени Дt в основной части программы происходит вычисление средних величин тока и напряжения на этом интервале времени Дti путем вычисления отношения сумм мгновенных значений к количеству слагаемых (количеству произведенных оцифрований). Полученные значения., и и. перемножаются, таким образом

гср гср ± ' *

определяется мощность ДР., отдаваемая аккумулятором за промежуток времени Дti. Произведение ДРД. определяет энергию ДWІ на отрезке времени Дti, отдаваемую в нагрузку. Полная энергия, выделенная аккумулятором, будет определяться как сумма эле-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

247

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

248

Рис. 2. Блок-схема программы вычисления электрической энергии, затраченной на пуск двигателя

Рис. 3. Обработчик результатов преобразования АЦП

ментарных значении энергии за все время разряда Ш .

При отключении стартера, как известно, ток аккумулятора изменяет направление (ток разряда переходит в ток заряда, обусловленный началом работы генератора), и программа переходит в режим вывода значения энергии и времени на жидкокристаллический индикатор.

Заключение.

1. Изложенная в данной статье методика вычислений энергии пуска может быть использована для реализации цифрового микропроцессорного измерительного прибора.

2. Применение датчика Холла в качестве первичного преобразователя больших по величине однополярных импульсов тока позволяет исключить потери энергии аккумулятора по сравнению с резистивными измерительными преобразователями.

3. Предлагаемый измеритель энергии может быть использован также для исследования различных электрохимических процессов.

4. Предлагаемый принцип построения цифрового измерителя энергии электростартерного пуска дви-

гателя позволяет исключить влияние на процесс измерения зарядного тока аккумулятора, возникающего после аккумуляторного запуска.

Библиографический список

1. Браммер, Ю. А. Импульсные цифровые устройства / Ю. А. Браммер. — М. : Высш шк., 2006. — 351 с.

2. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85). Схемы алгоритмов программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. — М. : Издательство стандартов, 1991. — 3 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». СЫСОЛЯТИН Виктор Юрьевич, преподаватель Учебного военного центра при ОмГТУ, аспирант кафедры «Теоретическая и общая электротехника». Адрес для переписки: 979161@mail.ru

Статья поступила в редакцию 15.01.2013 г.

© А. П. Попов, В. Ю. Сысолятин

УДК 621.313.3 А. в. САПСАЛЕВ

С. А. ХАРИТОНОВ Е. И. АЛГАЗИН

Новосибирский государственный технический университет

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ_________________________________________________

Рассмотрены возможности системы электроснабжения летательных аппаратов и автономных транспортных объектов. Предложена система стабилизации напряжения переменного тока в широком диапазоне изменения скорости вращения вала первичного двигателя синхронного магнитоэлектрического генератора.

Ключевые слова: система электроснабжения, магнитоэлектрический генератор, инвертор напряжения, электрический привод.

Задачи авиационной электротехники. В настоящее время, в связи с повышением технического уровня производства, авиационная электротехника должна решать важные задачи:

— по дальнейшему повышению надежности, высотности и живучести всего электрооборудования;

— по снижению веса, уменьшению габаритов и повышению энергетических показателей (КПД и совф) электрических машин, аппаратов, приборов;

— по разработке мероприятий по дальнейшему повышению высотных и скоростных характеристик электрооборудования;

— по комплексной автоматизации и электромеханизации управления самолетов; по широкому внедрению переменного тока постоянной частоты;

— по разработке автоматически управляемых и регулируемых электроприводов переменного тока;

— по разработке новых типов авиационных генераторов, трансформаторов, двигателей, регуляторов и т. д.;

— по повышению точности и стабильности регулирования напряжения и частоты;

— по изучению переходных, несимметричных и аварийных режимов в авиационных электрических машинах и усовершенствованию схем защиты;

— по разработке мероприятий по повышению электрической безопасности на самолетах;

— по развитию теории авиационных электрических машин и усовершенствованию методов их проектирования.

Данные задачи сформулированы А. И. Бертино-вым в учебном пособии «Авиационные электрические генераторы», изданном в 1959 г. [1]. Авторы статьи убеждены, что и в настоящее время практически все эти задачи сохранили свою актуальность для систем электроснабжения автономных транспортных объектов.

Источники питания, применяемые в системах электроснабжения летательных аппаратов, судов, других транспортных средств и автономных объ-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА