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关键词:可靠性仿真技术;课改要求;任务驱动;电路设计
1基于可靠性仿真技术的电路设计需求分析
基于可靠性仿真技术的电路设计主要是以虚拟仪器设备替代现实电子元器件,从而为电子电路的实践教学提供有效支撑,从而更好了践行“理实一体化”的教学理念,促进学生实践技能的提升,促使课程回归教学的本质。1.1实践性教学开展的内在需求。基于可靠性仿真技术的电路设计,学生可以参与拟订设计方案、仿真模拟等环节,从电路的设计方案、仿真模拟等环节,能够将晦涩难懂的理论知识与实践知识相结合,帮助学生提升实践技能。1.2实现层次化和差异化教学的必然选择。关涉电路设计的技术型教学内容涉及的元器件较为繁杂,且不同元器件性能、参数、封装形式、价格、功耗等存在较大区别,在教学过程中需要反复的实验、测试,这增加了设备投资成本,而且因为学生个性化差异,学习、接受能力各不相同,加之电子元器件复杂程度的不同,应该据此分层次设定目标,以贴近生活、学生所喜爱的教学内容,以“任务驱动”的形式引导学生进入知识和技能的学习,但这势必增加电子元器件的投入,而仿真模拟电路的设计可以利用仿真软件呈现电子电路的操作面板和功能,并通过交互式操作完成相应测试任务,不仅满足了教学需求,而且控制了教学成本。
2基于可靠性仿真技术的电路设计方案
2.1电路设计的整体流程。可靠性仿真技术可以检验电路存在的故障并发现设计的薄弱环节,从而有针对性的进行改进,为了遵循由简入繁的原则,以有效调动学生学习热情和积极性,本文以典型电路电源模块设计为例,设计过程中首先应该进行可靠性仿真实验,其具体的流程如图1所示。2.2电路设计的具体步骤。2.2.1设计信息采集。为了实现电源电路的优化设计,应详细搜集其应用环境和使用方法等信息,具体包含所采用的元器件、原材料特性2.2.2数字样机建模。电路设计中数字样机建模须采用专业软件实现,但因为学生学习、接受能力存在差异,应该目标层次,将设计过程进行分解,并以“任务驱动”的形式,将不同设计知识分配到各个任务之中,让学生通过分步设计完成理论知识的实践应用,由此才能确保电路设计学习的效果,通常存在热设计信息和振动设计信息两类建模方式,具体的建模步骤为:首先根据将所获取的电路信息进行简化,完成CAD数字样机模型的构建,并依据热设计信息建立CFD数字样机模型,而后依据振动设计信息建立FEA数字样机模型。其次,为确保CFD数字样机与物理样机的一致性,须对其进行修正与验证,利用对电源模块工作状态热测量的方式,获取其关键元器件点温度测试数据,并根据所得结果修正电源模块CFD数字样机的边界条件、期间参数,由此实现对CFD数字样机的修正。再次,同理,也须采用相同的方法对FED数字样机进行修正,且测试过程中,应该在约束条件下对电源模块重点部位,关键元器件进行模态分析,并依据结果完成修正。2.2.3应力分析。温度应力分析选用MentorGraphics公司的FloTherMV90分析计算电源模块CFD数字样机模型,经过分析可知,电源模块设计中如元器件排布不合理,则会导致电路设计存在热分布过度集中的缺陷。分析中,平台环境温度70℃设定为第一参考温度条件,电源模块表层军温度72℃设为第二参考温度条件,经过分析,为电源模块所在分级提供5V工作电源的功率器区域,是热分布较集中的部位,需要修正电路设计方案。而对于振动应力分析,则选用ANSYS公司的ANSYSWorkbench12.1分析计算电源模块FEA数字样机模型,分析结果显示,电源模块中元器件数量和重量排布、安装方式设计不合理,使得电源模块产生局部共振的设计问题,应该据此进行及时修正,以优化电路设计。
3结束语
本文将可靠性仿真技术引入电路设计之中,将电路细化分类,并根据学生个体差异由简入繁、逐步引导,实现了教学目标的分层实现,也将培养学生的实践技能真正落实到实处。
作者:宋月丽 刘立军 单位:辽宁机电职业技术学院
参考文献
[1]王朝新,任斌,陈洁,董绪.基于虚拟实验平台的模拟电子技术课程设计开发与仿真[J].电子设计工程,2012,14:44-47.
关键词:开关电源 降压输出 升压输出
中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)10-0189-02
1 引言
随着电子产品的进步和发展,各种电子产品逐渐进入了人们的生活,而生活中形形的电子产品免不了供电系统的支持,而本产品就是为了电子元器件的各种应用而设计完成。
2 系统应用支撑
LM3481是一款输入电压在2.96V~48V,输出电压在1.275V~300V,最大电流为20A的高性能控制器。被广泛应用于汽车启动―停止、笔记本电脑、机顶盒等电路中。所以此系统可以用于DC 5V供电电源。
3 系统方案
使用LM3481芯片实现在不同电压输入条件下的电压稳定输出。该LM3481器件是开关稳压器通用的低端N-FET高性能控制器。该设备适用于拓扑结构需要一个低边场效应管,如升压,反激式,SEPIC等使用。LM3481装置可在非常高开关频率下工作,LM3481可以通过使用一个外部电阻或通过将其同步至外部时钟被调整到100kHz至1MHz之间的任何值。其输入电压范围在2.97V~48V左右,具有较宽的输入范围,同时其最大输出电流为20A,可满足大部分电子元器件的需求。
4 系统硬件设计
本作品是利用WEBENCH进行的电源设计,设计过程如下:
(1)在WEBENCH Designer 页面输入设计电源的供电要求、输入电压最小值和最大值、输出电压、输出电流和环境温度,然后点击“开始设计”。
(2)之后WEBENCH会给出设计方案,在给出的各个设计方案中根据各个参数选择最符合自己要求的核心芯片,其中可以利用WEBENCH工具的x型、仿真和优化工具帮助自己选择合适的芯片,经过自己的比较分析,我所选用的芯片是LM3481。
(3)选定LM3481,点击“开始设计”, WEBENCH会给出基于芯片LM3481的相关设计,例如:图表、原理图、工作数值、元件清单等等。据此进行自己的电路设计和制作。如图1所示。
(4)已知电源的原理图,在Altium Designer10软件中画出设计电路的原理图和PCB图,如图2、图3所示。
5 仿真结果分析
根据WEBENCH自身的功能,我们进行了对本设计的效率等的仿真如图4~图5所示。
6 实验总结与体会
本次项目,通过WEBENCH网络设计软件设计了一款基于LM3481芯片的DC-DC开关电源。通过在线软件WEBENCH的帮助,成功实现了LM3481电路图,仿真等一系列功能。同时设计的基于LM3481的DC―DC开关电源电路设计简单,性价比高,可靠性好,因此具有较好的应用前景。
参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2003.
[2]王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3]普利斯曼,比德斯,莫瑞.王志强 译.开关电源设计[M].电子工业出版社,2010.
收稿日期:2016-08-12
关键词:液压支架;监测;电路设计
1液压支架监测系统模型的建立
1.1无线通信技术
液压支架工作环境比较复杂,通信频率、巷道的倾斜程度和井下的导体等多种因素都会影响无线通信信号。因此在设计矿井液压支架压力监测系统时必须要考虑到井下的特殊环境,考虑数据传输的可靠性。通过对目前市场上常用的无线通信技术比较,本文将ZigBee短距离无线通信技术应用于矿井环境监测中。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率的双向无线通信技术,有自己的标准协议,可以在很多传感器间进行通信,具有很强的自适应性,主要应用于自动控制领域,同时可以实现系统定位,具有低功耗、近距离、短延迟、低速率、低成本、网络容量大、高安全性、工作频段灵活的特点。
1.2液压支架监测系统组网模型
液压支架会随着煤矿开采工作的推进而移动,但移动的距离很短。液压支架的排列呈直线型,针对液压支架的这种物理排布情况,节点的分布也应是带状的。采用星形与网状的混合网,网络中的路由节点与协调器组成网状结构,结构简洁、节点功耗减少,每个星形网络内的通信采用单跳通信,网状结构中的路由节点采用多跳通信。在实际工作环境中,每个液压支架上放置一个采集节点,每隔3个液压支架放置一个路由节点。在矿井实际环境中,液压支架的排列呈直线型,节点的分布是带状的,整体网络组成簇型线状网络拓扑结构。
2电路详细设计方案
监测系统的硬件设计方案分为2部分,一是终端采集节点,二是路由节点。终端采集节点包括电源管理模块、传感器、信号调理电路。终端节点采用定时唤醒模式,降低功耗,提高监测系统的使用寿命。终端采集节点与路由节点通过线缆连接。每个路由节点最大可以连接3个传感器节点,即相邻的三个液压支架需要采用同一个路由节点。每个路由节点配备一个5V的电池供路由节点与传感器节点使用。路由节点将从终端节点获得的模拟信号经过ADC芯片转换为数字信号,并通过ZigBee射频口传送给井下汇聚节点。路由节点也带有显示功能与按键,可以任何时候被唤醒查看3个终端节点的压力数值。终端采集节点的作用如下:将压力传感器转换的微弱模拟信号进行放大并通过线缆传输给路由节点;每个终端采集节点带有一片数据记录芯片,对由于传感器及放大电路带来的误差进行偏差校准。路由节点的作用主要如下:每个路由节点需要有一个5V电池供电路板使用;每个路由节点可以连接3个终端采集节点,对终端采集节点的模拟信号进行处理并通过RF模块传送给井下汇聚节点;路由节点带有简单的显示模块,便于工人就近查看支架压力;路由节点需要有相应的按键,以便在屏幕关闭情况下唤醒屏幕;路由节点电路板能对每个功能模块进行电源管理,便于降低整个系统功耗;路由节点单片机必须采用低功耗单片机;路由节点的电压输入需要适应较宽的电压范围。终端节点电路板设计能使用目前市场上绝大部分的压力传感器,且内部带有数字校准芯片,可以对每一套终端节点由于分离元器件带来的偏差进行校准。煤矿中的电磁干扰较大,为了调高测量精度,此方案设计必须把压力传感器与信号放大电路就近放置。且此方法可以把由传感器与放大校准电路组成的模块变为一个液压监测的一个标准化变送器。
2.1放大电路部分设计
为了能更好的调配放大电路的带宽、放大倍率,放大器没有选择专用的仪表放大器而选择了四个独立的高性能放大器TI公司的OP4376,相对于普通的仪表放大器一般偏置电流在几十pA以上,输入偏置电压在几十微伏级别,OP4376有较低的输入偏置电流典型值0.2pA与输入偏置电压典型值5uV,可以对uV级的信号变动进行采集。且此运放的价格TI官网公布为1.4$,并不贵。经过实测此电路设计的输入采样精度能达到5uV。2.2电源部分设计电源芯片采用的是MCP1252,为目前市场上用量较大的一款电源芯片,输入电压范围相对较宽,且属于无感式开关电源芯片,可以缩小终端节点的体积。效率相对也比较高。而且带有电源管理控制引脚,可以对终端节点的功耗进行有效管理进而降低整个系统的功耗。
2.3校准电路设计
本文建议校准芯片采用一线制的数字EEPROM芯片,具体型号不再指导。2.4路由节点电路设计:2.4.1电源模块设计整个系统输入电源由电池供电,电压比较稳定,考虑到电池在满电与低电压两种情况下压差较大,本文采用了宽范围的输入电源芯片TPS63060(输入电压范围2.5-12V),此电压范围能使用大量的本安电源。且此电源芯片的电流高达2.25A足够整个系统使用,即使是输入的电压降到2.5V级别。本设计还采用了3个mos开关管对系统的不同终端节点的电源进行管理,在电源功率方面采用了信号控制与电源切断双重保护的方式来降低功耗。2.4.2接口电路接口电路中有3个连接终端节点接插件,包括插头输入检测(插头第6引脚与第5引脚通过在插头上短路,进行判断终端节点的接通),对输入信号做了RC滤波与SMBD7000钳位保护处理。在与ZigBee模块通信上采用了串口通信,此处不再做介绍。整个系统的单片机采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC输入引脚。可以利用此引脚直接对终端节点传来的信号进行模数转换。为了现场方便查看设置了两个按键开关(KEY1KEY2)与6位8段数码管,可以通过软件编写实现现场的液压支柱压力检测、电池电压检测、RF通信连接等功能。整个电路在设计中严格按照矿用本安电路设计,属于本安型电路,若再配本安型电池为系统供电后,本系统就可以变为本安型矿用液压支柱监测系统。此系统电路经过实际测试正常情况下整个系统功耗在mW级别,且经过15个月的测试未发现任何不良现象,完全能够使用到实际现场。
作者:马晓兰 单位:西安思坦仪器股份有限公司
参考文献
1整车系统设计思路
智能小车控制系统采用MK60DN512作为核心控制单元,由安装在车身支架上的OV7620数字摄像头负责采集道路信号;智能小车后轮安装有光电测速传感器,用来采集车轮的转速数据,并将信号传到核心控制单元进行分析处理,处理完毕后反馈到相应的驱动模块,驱动舵机和电机运转,从而完成智能小车的转向、前进及制动[1]。智能小车控制系统包括以下模块:MK60DN512最小系统、转向舵机模块、电机及其驱动模块、速度反馈模块、摄像头视频信号处理模块和电源管理模块[2]。
2智能小车机械结构设计
在智能小车机械结构的设计与安装调试时,需要考虑以下几个方面:
1)智能小车在安装过程中的可靠性与行驶过程中的稳定性。
2)智能小车在安装过程中的轻便简洁性。
3)是否能够方便准确地进行数字摄像头OV7620的检测与调试。
4)车体保证较低的重心以确保智能小车顺利转弯、加速。
经过不断地调试、摸索、对比之后,完成了对智能小车机械结构的初步设计,主要内容有以下几个方面:
1)为了减少转向舵机的力臂滞后时间,将舵机直立架在车前,并使用专业的金属框架牢牢固定住,以防松动,避免影响舵机转向角度的准确性。
2)数字摄像头OV7620及其支架安装在车身中部,减少车前数据采集盲区,将车身重心略微前移,防止智能小车转弯时侧滑,增加智能小车的弯道通过性。
3)为了减少车身质量,采用了强度高、质量轻的碳纤维管。
4)在底盘设计上,底盘是支承、安装各部件的总成,是形成智能小车整体造型结构的基础;可以接受电机传递的驱动动力,带动智能小车行进,以保证智能小车在跑道上的快速行驶。由于合适的重心对于小车过弯性能和小车速度这两个方面起了很大的作用,适当地调整前后底盘高度,使得智能小车车模整体重心下降到合理位置,既可以顺利过坡,又不会与跑道摩擦接触。
3智能小车硬件电路系统设计
3.1智能小车总体电路设计
通过简化总体硬件电路设计方案,采用模块化设计方案,减少不必要的电子元件的使用,就可以有效地减轻PCB板的使用质量及其占用智能小车的有效空间,从而达到轻量化的目的。硬件电路总体结构设计如图2所示。
3.2电源分配板的电路设计
采用比较节能的线性稳压电路设计方案。电源分配如图3所示。TPS7350是一款差线性电源稳压芯片,它具有功率消耗低、额定电压小等特点,而且只需极少的元件就能够构建满足智能小车硬件电路设计要求的稳压电路,该芯片还拥有过流、过压及电压反接等电压保护设计,能够有效地保护智能小车的硬件电路,避免电压过大或电流反接而导致的硬件电路烧毁事件的发生。
3.3电机驱动板的电路设计
采用由BTN7970B驱动芯片搭建的H桥电路设计方案,减小驱动电路的内阻,增大额定承载电流,可以让智能小车获得更大的加减速度及提高在直道上行驶的极限速度。H桥电路原理如图4所示。
4智能小车的软件系统设计
智能小车系统软件设计部分主要有:图像采集及处理、道路判断、舵机打角、电机控制以及速度信息反馈处理等。
4.1图像采集及处理算法
OV7620能够提供的三种数据制式中,采用YUV16位数据制式来提取Y信号亮度信息,生成黑白图像,同时采用HREF-行同步信号、VSYNC-场同步信号来作为图像数据采集的控制信号[4]。为了提高智能小车控制系统的实时性,视频图像信号采集采用外部中断触发的方式进行。采样系统的程序流
4.2路径优化
1)增加智能小车摄像头视场的长度和宽度。根据实验调试的观察,当智能小车采集到的图像能够覆盖比较完整的S弯道时,通过微处理器计算出来的中心就会处于实际道路中央附近,此时智能小车会以一个比较好的路径快速通过S弯道;反之智能小车容易误处理为普通的单向弯道,这样导致智能小车的行驶速度大大减慢。因此,尽量增大摄像头视场的长度和宽度就很有必要了。由于视场的长度与单片机处理的图像行数成正比,所以采用由运算放大器制作的模拟比较器进行图像二值化,可以令单片机的处理速度大大提高,增加了单片机处理的图像行数,达到的视场长度为200cm以上;为了增加视场宽度,除了增加每行采集的图像点数之外,采用了广角镜头,有效地增加了摄像头视场的宽度。
2)进行加权算法的相关优化。采用对整场有效行的中心加以求加权平均值的算法,在低速情况下可以有效地优化智能小车的行进路径,但在智能小车速度提高到一定程度之后,由于过弯时轮胎的侧滑,路径不是很好找,而且由于数字摄像头采集图像分布不均,基本上2/3的行分布于车体前方40cm左右的范围内,所求出的加权平均值容易受车体近处的图像影响,因此整场图像求加权的算法对于高速情况下智能小车的路径选择优化效果不太明显。考虑减小车体前部一定范围内的图像参与加权的行数和权重,同时增大摄像头视场前部图像的权重,最后经过调试得到了一套较为合适的数据,使其能够有效优化高速情况下的智能小车的路径算法。
5结论
关键词:仿真;课程设计;效果;效率
Comprehensive application for the simulation software in the course design and the measures for some problems
Xu Junyun
South China of agriculture university, Guangzhou, 441052, China
Abstract: Introduced a method for conducting students to apply the simulation software comprehensively to do course design about the power electronics system. Through analyzing the characteristics for two kinds of simulation softwares, guided students to use Matlab/Simulink to do power electronic main circuit design, and to use Orcad/Pspice to do the power electronic control circuit design, and give a useful measure for convergence problem in the simulation. The practices show that the comprehensive application of simulation softwares can effectively help students improve the effect and efficiency of the power electronics circuit design.
Key words: emulation; course design; effect; efficiency
高校实践教学是一项需要不断创新的工作,实践课教师有必要探索新的实践教学方法,改进实践教学效果。因此,笔者在本校电气工程及其自动化专业的专业课―电力电子技术的实践教学的指导方法上做了改进,引导学生采用一种综合应用仿真软件辅助电力电子电路课程设计的方法。
1 电力电子电路常用仿真软件特点分析
目前在电力电子电路设计和分析上主要采用Matlab/Simulink和Orcad/Pspice这两种仿真软件。在Matlab/Simulink仿真平台,电力电子器件模型使用的是简化宏模型,它只要求元器件的外特性与实际元器件特性基本相符,而不考虑元器件的内部细微结构,属于系统级模型。 Orcad/Pspice是不同于Matlab/Simulink的仿真平台,它构建的元器件模型除了要求元器件的外特性与实际元器件特性相符,还要考虑元器件内部的细微结构,相比Matlab/Simulink的宏模型更详细,更复杂,是属于器件级的模型,用Pspice仿真可以细致地反映元器件的工作情况。虽然Matlab/Simulink的电力电子器件模型较为简单,但是它占用的系统资源较少,因而在仿真时出现不收敛的几率相比Orcad/Pspice要少。鉴于此,可以考虑将这两种仿真软件有机结合起来,取长补短,以提高仿真的效率。
下面以一种基于TL494控制的开关电源的设计为例,介绍在电力电子技术课程设计实践教学中建议学生采用的综合性设计方法。
2 基于TL494控制的开关电源设计举例
本示例要求设计出一种以TL494为控制器件的开关电源,电源电压范围为0~12 V。要求该开关电源性能可靠,纹波电压小,控制精度高。
2.1 设计步骤1―主电路的原理电路设计
主电路的原理电路设计方案利用所学知识,学生容易确定。如本设计中的主电路可采用常规的非隔离式Buck电路,开关管采用P沟道MOSFET,驱动采用“图腾柱”电路,输出电压反馈电路由一个比例运放电路构成(如图1所示)。
图1 主电路、驱动电路及电压反馈原理电路
2.2 设计步骤2―控制电路原理电路设计
控制电路原理电路方案参照相关资料,并利用所学自动控制理论知识,学生也较容易确定。本部分要求以TL494作为控制芯片。
TL494控制原理电路(如图2所示),1和2脚前接上两相同阻值的电阻,起到限流阻隔的作用,其中1脚接主电路输出反馈电压Vo,2脚接设定电压Vset,当改变Vset的值时,Vo和Vset经误差比较后控制PWM信号的输出;3脚经一个PI比例积分回路串上2脚,起到反馈的作用;4脚接地;5脚经一个电容接地,6脚经一个电阻接地,5,6脚共同构成振荡回路;8,11脚与12脚共同接工作电压;13脚接地,使9,10脚以并联工作方式输出。
图2 TL494控制原理电路
2.3 设计步骤3―开关电源系统仿真预设计
这个环节是整个设计的重点和难点。对学生而言,设计原理电路并不难,难的就在于如何确定原理电路中具体的元器件参数,在这方面学生缺乏经验。
2.3.1 仿真软件使用方案及问题对策
按常规设计方法,直接将Orcad/Pspice仿真软件用于电力电子电路设计,对初学者特别是学生来说,往往困难较大。学生在使用该软件的时候,很容易碰到仿真不收敛的问题,从而一筹莫展。
因此,在教学实践中,引导学生首先利用Matlab中Simulink仿真平台仿真快而不易出现收敛问题的优势进行主电路的仿真设计,较高效地确定出主电路中的电感、电容和电阻的最佳参数值。然后再利用Orcad/Pspice仿真软件进行控制电路的仿真设计。控制电路部分设计的难点在于PI参数的选择,因此要引导学生采用Orcad/Pspice仿真软件来进行。因为Orcad/Pspice是器件级仿真软件,仿真精度高,辅助控制电路参数的确定最佳。
对Orcad/Pspice在电力电子电路整体仿真中容易遇到的收敛性问题,笔者通过和学生一起分析研究、查找资料,积累了一些解决问题的经验。实践表明,这些经验对开关电源系统电路的仿真设计是有用的。下面给出一个对此问题有用的对策。
在用Orcad/Pspice进行仿真调试的时候,经常出现ERROR -- Convergence problem in transient analysis at Time =? Time step =?, minimum allowable step size =?这个问题。一个有效的解决方法就是修改参数。系统默认参数及参数修改的方法如图3和图4所示。
图3 PSpice系统默认参数
图4 参数修改图
2.3.2 系统仿真输出波形图示例
通过对不同参数条件下仿真结果的比较,按照开关电源纹波电压小,控制精度高等要求可确定原理电路参数。下面是利用仿真平台方便的参数比较功能得出的主电路最佳仿真输出波形图及控制电路采用最佳PI参数值时系统的输出电压仿真波形(如图5,图6所示)。
图5 主电路负载电压仿真输出波形(Simulink)
图6 总电路负载电压仿真输出波形3(Pspice)
图5是在开环状态下选择出的相对最优电感、电容和电阻参数值下的负载电压波形;图6是在控制电路选用相对最优比例系数和积分电容参数时的负载电压波形。
2.4 设计步骤4―实际开关电源系统测试
依据仿真预定元器件参数构建出具体的电路。在实验室调试中,要求学生利用示波器等检测仪器分析电路中的问题,帮助进一步确定最佳元器件参数。下面是对系统进行实际测试的一些数据(见表1,表2)。
表1 输入设定电压和输出实际电压
表2 输入设定电压和输出实际电压
实验测试结果表明:本电路系统可以稳定地输出0~12 V的直流电压。
实践表明,引导学生将不同仿真软件综合应用于电力电子电路的设计,不仅能有效地帮助学生提高电路设计的效率,而且对开拓学生思维,培养学生的创新能力也是有益的。
参考文献
[1] 许俊云.实验设备的改进与使用[J].实验室研究与探索,2010,8:337-339.