НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет радиотехники, электроники и физики
Кафедра «Промышленная электроника»
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан РЭФ, д. т.н., проф.
________________
"_____”____________________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Микропроцессорные системы силовой электроники
ООП по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника» магистерская подготовка, степень (квалификация) – магистр техники и технологии
Факультет радиотехники, электроники и физики
Курс 1, семестр 1
Лекции 38 часов.
Практические работы 0 час.
Лабораторные работы 19 час.
Курсовой проект 9 семестр
Самостоятельная работа 93 часа
Экзамен 1 семестр
Всего 150 часов
Новосибирск
2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника», специализация 550717 «Промышленная электроника и микропроцессорная техника».
Регистрационный номер 22 тех/маг, дата утверждения 21.03.02.
Шифр дисциплины в ГОС – ОПД. В.00, вузовский компонент
Шифр дисциплины по учебному плану – ДНМ. В.02
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры промышленной электроники, протокол № 14 от 01.12.06.
Программу разработал
доц., к. т.н.
Заведующий кафедрой
проф., д. т.н.
Ответственный за основную
проф., д. т.н.
1. Внешние требования
Общие требования к образованности:
1.3.4. Обобщенные задачи профессиональной деятельности. Магистр по направлению «Электроника и микроэлектроника должен быть подготовлен к решению следующих типовых задач:
· анализ состояния научно-технической проблемы, формирования технического задания, постановка цели и задачи исследования объекта на основе подбора и изучения литературных и патентных источников;
· выбор оптимального метода и программы исследования;
· измерения или экспериментального исследования объектов электроники с целью их модернизации;
· математическое моделирование разрабатываемых структур, приборов.
1.3.5. Квалификационные требования. Для решения профессиональных задач магистр
· формулирует и решает задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской и педагогической деятельности и требующие углубленных профессиональных знаний;
· проводит экспериментальные исследования объектов электроники с целью их модернизации;
· разрабатывает физические и математические модели процессов и явлений, относящихся к исследуемому объекту;
· участвует в проектировании, конструировании и модернизации объектов электронной техники. Магистр должен знать
· специальную научно-техническую и патентную литературу по тематике исследования и разработок;
· методы исследования и проведения экспериментальных работ;
· методы анализа и обработки экспериментальных данных;
· физические и математические модели основных процессов и явлений, относящихся к исследуемым объектам;
· современные средства вычислительной техники, коммуникации и связи;
· технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных разработок в области электронного материаловедения, элементной базы электронной техники и электронного приборостроения.
3. Общие требования к основной образовательной программе магистра по направлению «Электроника и микроэлектроника».
4. Требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки магистра по направлению «Электроника и микроэлектроника».
6. Требования к разработке и условиям реализации основной образовательной программы подготовки магистра по направлению «Электроника и микроэлектроника».
7. Требования к уровню подготовки магистра по направлению «Электроника и микроэлектроника».
7.1. Требования к профессиональной подготовке магистра.
7.1.2. Требования, обусловленные специализированной подготовкой магистра, включают владение
· навыками самостоятельной научно-исследовательской и педагогической деятельности;
· методами исследования, проектирования и конструирования объектов электронной техники;
· методами и средствами компьютерного моделирования физических процессов и явлений в устройствах электроники;
умение
· формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской и педагогической деятельности и требующие углубленных профессиональных знаний;
· выбрать необходимые методы исследования, расчета и конструирования объектов электроники, исходя из конкретных задач;
· использовать математический аппарат и численные методы, физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия приборов и устройств электроники и микроэлектроники.
При подготовке данной учебной дисциплины использованы требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки магистра по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника».
2. Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.
Таблица 2
Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенность (принцип) | Содержание |
Основание для введения курса | Решение Ученого Совета факультета радиотехники, электроники и физики |
Адресат курса | Магистранты 1 курса магистратуры, обучающиеся по направлению 210100 "Электроника и микроэлектроника" (специальность "Промышленная электроника") |
Главная цель | Основной целью курса является изучение особенностей построения микропроцессорных систем управления устройствами силовой электроники и принципов микропроцессорной реализации их алгоритмов управления. |
Ядро курса | Общие понятия и требования, предъявляемые к микропроцессорным системам управления; микропроцессорные системы управления управляемыми выпрямителями, микропроцессорные системы управления автономными инверторами напряжения. |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения дисциплины | Работа устройств силовой электроники, основы построения микропроцессорных систем, однокристальные микро-ЭВМ, основы электропривода и систем автоматического регулирования. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Соответствует |
Объём курса в часах | Всего - 150 часов. В том числе: лекции - 38 часов, лабораторные работы - 19 часов, самостоятельная работа - 93 часа. |
Основные понятия курса | Информационно-управляющие микропроцессорные системы; устройство сопряжения с объектом; дискретность работы вентильного преобразователя; время задержки алгоритма расчета; программные, аппаратные средства МПСУ; функции мониторинга, регулятора, модулятора, алгоритмического распределения; управляемый выпрямитель; синхронизация с сетью, слово состояния фаз, слово состояния вентилей; прерывание от программируемого таймера; синхронные, асинхронные, многоканальные, одноканальные МПСУ; автономный инвертор напряжения; широтно-импульсная модуляция; кратность частот, глубина модуляции; табличный метод расчета. |
Направленность курса на развитие общепредметных, общеинтеллектуальных умений, обладающих свойством переноса | Процесс обучения направлен на формировании у студентов навыков обобщения, синтеза, общих подходов к проектированию МПСУ вентильными преобразователями с естественной и искусственной коммутацией.. |
Обеспечение последующих дисциплин | Материал, изучаемый в данном курсе, может использоваться в последующей работе над магистерской диссертацией. |
Практическая часть курса | На лабораторных работах, при выполнении курсового проекта студенты закрепляют теоретический материал, приобретают навыки алгоритмического проектирования МПСУ вентильными преобразователями различного типа, отрабатывают методы практической программной реализации разработанных алгоритмов и визуального контроля правильности решения поставленной задачи. |
Учёт индивидуальных особенностей студентов | Степень готовности, базовые знания студентов учитываются при выдаче задания на КП. |
Особая технология организации учебного процесса | Отсутствует |
Области применений полученных знаний и умений | Проектирование и эксплуатация МПСУ ВП и электроприводами. |
Описание основных "точек" | По учебному плану предусмотрены: две контрольные работы, защита КП (9 семестр), экзамен (9 семестр), который проводится в устной форме. |
Дисциплина и современные информационные технологии | Лабораторные работы по данному курсу проводятся с использованием персонального компьютера, на котором должно быть установлено программное обеспечение программно-отладочного комплекса ICS08MRZ, обеспечивающее реализацию всех необходимых этапов разработки, отладки и записи в МК прикладной программы. |
3. Цели учебной дисциплины
Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.
Таблица 3
После изучения дисциплины студент будет
Номер цели | Содержание цели |
иметь представление | |
1 | О типовых требованиях, предъявляемых к микропроцессорным системам управления, в частности, устройствами силовой электроники. |
знать | |
2 | Классификацию и особенности построения микропроцессорных систем управления устройствами силовой электроники и принципы микропроцессорной реализации их алгоритмов управления. |
уметь | |
3 | Разрабатывать оптимальные, для заданных требований, структуры аппаратных и программных средств МПСУ ВП. |
иметь опыт | |
4 | Разработки и отладки программ МПСУ, реализующих алгоритмы управления устройствами силовой электроники с естественной и искусственной коммутацией. |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра, в котором организуется обучение по данной дисциплине.
Таблица 4
Темы лекционных занятий | Часы | Ссылки на цели |
Семестр 1 | ||
Классификация МПС. Общие требования, предъявляемые к МПСУ ВП и МП. Особенности ВП как объекта и МП как средства управления. | 4 | 1 |
Структура электропривода постоянного тока, особенности МПСУ управляемым выпрямителем. | 2 | 1 |
Построение и реализация микропроцессорных фазосдвигающих устройств (ФСУ). Реализация ФСУ на базе МК типа МС689НС908MR32. | 8 | 2, 3, 4 |
Структура программного обеспечения МПСУ электроприводом постоянного тока с УВ. | 4 | 2, 3 |
Структура электропривода переменного тока, особенности МПСУ инвертором напряжения. | 2 | 2 |
Формирование синусоидальных функций в МПСУ. | 4 | 2 |
Реализация классических и векторных алгоритмов программного управления АИН с ШИМ. Реализация МПСУ АИН с ШИМ на базе МК типа МС689НС908MR32. | 14 | 2, 3, 4 |
Описание лабораторных работ размещается в табл. 6 с указанием семестра, в котором организуется обучение по дисциплине.
Таблица 6
Темы практических занятий | Учебная деятельность | Часы | Ссылки на цели |
Семестр 1 | |||
Микропроцессорное управление трехфазным мостовым УВ. | - ввод в текстовый редактор и проверка в симуляторе разработанной дома программы реализации одноканальной синхронной разомкнутой МПСУ трехфазным мостовым УВ с углом управления, равным нулю; - запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе; - разработка программы, аналогичной предыдущей, но с регулируемым по входу АЦП углом управления в пределах 0 - 60 градусов, проверка программы в симуляторе, запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе; - выявление "краевых эффектов", установление их причины и разработка способов, устраняющих сбои в работ МПСУ на краях диапазона регулирования; - внесение изменений в программу и выполнение всех необходимых действий для их оценки их правильности на лабораторном стенде; - оформление отчета по проделанной работе; - защита работы. | 4 | 2, 3, 4 |
Микропроцессорное управление трехфазным АИН с ШИР | - ввод в текстовый редактор и проверка в симуляторе разработанной дома программы реализации разомкнутой МПСУ трехфазным мостовым АИН со 180-градусным управлением (ШИР) и регулированием выходного напряжения по частоте; - запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе, снятие осциллограмм токов и напряжений; - определение относительного диапазона изменения выходной частоты АИН, управляемого разработанной программой; - разработка программы, аналогичной предыдущей, но с выходным напряжением, постоянным по частоте и регулируемым ( с помощью АЦП) по напряжению; - проверка программы в симуляторе, запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе, снятие осциллограмм токов и напряжений; - определение относительного диапазона изменения первой гармоники выходного напряжения АИН, управляемого разработанной программой; - оформление отчета по проделанной работе; - защита работы. | 4 | 2, 3, 4 |
Микропроцессорная реализация классической ШИМ в АИН. | - разработка программы, реализующей регулирование амплитуды выходного напряжения АИН, управляемого методом классической синусоидальной ШИМ с параметрами, заданными в предложенном варианте; - ввод программы в текстовый редактор, проверка ее в симуляторе; - запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе, снятие осциллограмм токов и напряжений; - в случае выявления несимметрии в форме выходного тока или напряжения, вернуться в текстовый редактор, выявить причину ошибки и устранить ее; - оформление отчета по проделанной работе; - защита работы. | 4 | 2, 3, 4 |
Микропроцессорная реализация векторной ШИМ в АИН. | - разработка программы, реализующей регулирование амплитуды выходного напряжения АИН, управляемого методом векторной ШИМ с параметрами, заданными в предложенном варианте; - ввод программы в текстовый редактор, проверка ее в симуляторе; - запись отработанной программы в память МК и просмотр ее работы на осциллографе, снятие осциллограмм токов и напряжений; - в случае выявления несимметрии в форме выходного тока или напряжения, вернуться в текстовый редактор, выявить причину ошибки и ус транить ее; - оформление отчета по проделанной работе; - защита работы. | 4 | 2, 3, 4 |
Отладка на лабораторных стендах программ, составленных в рамках курсового проекта. | - ввод и компиляция всей или части программы, написанной в рамках КП, в текстовый редактор; - проверка ее работы в симуляторе; - запись программы в память МК и проверка правильности ее работы по осциллографу. | 3 | 2, 3, 4 |
5. Учебная деятельность
Курсовой проект выполняется в 9-ом семестре. Он имеет общую тему: "Разработка программного обеспечения МПСУ "вентильным преобразователем" на базе МК типа МС68НС908MR32".
Тип вентильного преобразователя (управляемый выпрямитель или инвертор напряжения) студент выбирает самостоятельно, а преподаватель выдает ему конкретный вариант задания.
Цель выполняемой студентом работы: уметь изученный в лекционном курсе теоретический материал использовать при решении конкретной технической задачи.
В ходе выполнения курсового проекта студент:
· представляет краткую характеристику разрабатываемого устройства;
· распределяет решение задач между аппаратными и программными средствами микропроцессорной системы;
· распределяет входные и выходные сигналы по периферийным устройствам микроконтроллера;
· при нехватке исходных данных вводит самостоятельно вводит и обосновывает свои дополнительные параметры или допущения;
· разрабатывает общий алгоритм работы устройства;
· рассчитывает при необходимости параметры программного обеспечения (ПО) и периферийных устройств;
· описывает режимы работы используемых периферийных устройств и составляет управляющие слова для их инициализации;
· составляет блок схему ПО с описанием;
· разрабатывает программу на языке ассемблера;
· составляет расчетно-пояснительную записку объемом 7-10 страниц.
Примерное содержание пояснительной записки.
1. Текст задания.
2. Анализ задания, дополнения к нему, принятые допущения.
3. Описание используемых аппаратных средств МК и режимы их работы.
4. Расчет параметров ПО.
5. Описание алгоритма работы МПС по блок-схеме ПО. При необходимости описание дополнить рисунками.
6. Текст программы с комментариями.
7. Перечень используемой литературы.
Срок защиты - 15-16 недели.
Образцы стандартных курсовых проектов.
1. Разработать программное обеспечение МПСУ трехфазным мостовым управляемым выпрямителем. Исходные данные:
· тип ФСУ - синхронное двухканальное;
· угол управления должен меняться с помощью АЦП от нуля до 120 градусов;
· частота сети 400 Гц;
· погрешность формирования угла управления не более 1 градуса;
· из внешнего блока синхронизации с сетью в МПСУ приходят три селекторных 180-градусных импульса, фронты которых совпадают с точками естественной коммутацией.
2. Разработать программное обеспечение разомкнутой МПСУ однофазным мостовым АИН. Исходные данные:
· способ управления - синусоидальная двусторонняя ШИМ;
· тип управления стойками АИН - несимметричный;
· выходная частота - 50 Гц;
· формирование амплитуды выходного напряжения автоматическое: время нарастания напряжения от нуля до максимума - 2 сек;
· кратность частот опорного и модулирующего напряжений - 20;
· количество ступенек на периоде модулирующего сигнала -10.
Примеры вариантов задания на контрольную работу
1. Контрольная по МПСУ УВ
· Назовите области рационального применения асинхронных МП ФСУ.
· Назовите назначение блока синхронизации с сетью в МПСУ УВ.
· Каково назначение устройства сопряжения с объектом в МПСУ ВП?
· Что такое режим работы в "реальном времени" применительно к МПСУ ВП?
· Расшифруйте понятие "функция регулятора".
2. Контрольная по МПСУ АИН.
· Сравните особенности типовых структур электроприводов постоянного и переменного тока и определите в это связи требования к микропроцессору МПСУ электропривода переменного тока.
· Выведите формулу для ступенчатой аппроксимации синусоидального сигнала.
· Дайте понятие термину "задатчик интенсивности" и опишите процедуру его программной реализации в МПСУ.
· Напишите и прокомментируйте формулу определения кода модуляции для синусоидальной двусторонней ШИМ.
· Опишите принцип разворачивания во времени модулирующего сигнала в случае некратных частот опорного и модулирующего сигналов.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
По дисциплине предусмотрен экзамен (9 семестр). Допуском к экзамену являются успешное выполнение и защита лабораторных работ и КП.
Экзамен проводится в устной форме по билетам, включающим 2 вопроса, а его резуль-татом являются оценки «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно».
Примеры вопросов, включенных в экзаменационные билеты.
Билет № 1
1) ИУМПС: структура, отличительные признаки, решаемые задачи.
2) Развертывание модулирующего сигнала во времени: 6 кратность частот целочисленная и постоянная.
Билет №3
1) МП СИФУ: способы организации момента отсчета временного интервала.
2) Реализация пропорционального регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения АИН.
Примеры вопросов для проверки уровня «уметь»:
1. Рассчитайте параметры программного задатчика интенсивности кода модуляции ШИМ при следующих условиях:
· время нарастания - 2 сек;
· частота опорного сигнала 1 кГц;
· число дискрет в диапазоне изменения коэффициента заполнения не менее 100;
· разрядность кода коэффициента заполнения - 8.
2. Рассчитайте коды амплитуды ступенек синусоидального сигнала при следующих условиях:
· число ступенек на периоде - 30;
· разрядность счетчика опорного сигнала - 10;
· тип ШИМ - классическая.
3. Разработайте на базе микроконтроллера MC68HC908MR32 блок синхронизации с сетью для МПСУ трехфазным мостовым УВ. Селекторные импульсы, фронты которых совпада-ют с точками естественной коммутации, поступают извне.
Примеры контрольных вопросов, задаваемых при защите лабораторных работ
Лабораторная работа "Программная МПСУ трехфазным мостовым УВ".
· Назовите основные и сервисные функции МПСУ ВП.
· Сравните аппаратный и программный способы реализации ФМ.
· Каково назначение БСС в МПСУ УВ?
· Как в данной лабораторной работе реализован БСС?
· Чем определяется число каналов ФСУ?
· Назовите достоинства и недостатки 1-канальных синхронных ФСУ?
· Объясните принцип реализации 1-канальных синхронных ФСУ при α ≥ b0.
· Какие возможности имеются у модуля TIM08 для реализации БСС и ФСУ?
· Изобразите эпюры работы таймерных модулей по разработанной программе.
7. Список литературы
Основной список
Ремизевич для встраиваемых применений: от общих подходов - к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola./ Под ред. - М.: ДОДЭКА, 2000. Зиновьев силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Баховцев системы управления устройствами силовой электроники Ч.1. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.Дополнительный список
, Файнштейн системы управления тиристорными электроприводами /Под ред. . - М.: Энергоатоиздат, 1986. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы. /Под ред. . - М.: ВШ,1986. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ. /, и др. - М.: Машиностроение, 1990. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: учеб. пособие/ , и др.; под ред. . - М.: ВШ, 1991. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: справочник/ , , под общей редакцией . - Л.: Машиностроение, 1987. Шевкопляс структуры. Инженерные решения. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. Журнал “Chip news: Новости о микросхемах”, с 1995 г. Журнал “Электронные компоненты”, с 1995 г.8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине
Контролирующие материалы, используемые в процессе обучения и аттестации студентов, включают в себя:
1) Контролирующие вопросы к каждому теоретическому разделу дисциплины. Например, раздел «Структура программного обеспечения МПСУ электроприводом постоянного тока с УВ.» содержит следующие вопросы:
· Что такое интервал повторения и каково его назначение в синхронных МПСУ УВ?
· Что входит в структуру программного обеспечения МПСУ?
· Каково назначение пусковой программы в ПО МПСУ ВП?
· Что происходит в блоке "Диагностика" ПО МПСУ ВП?
· Какие подпрограммы по прерыванию должны входить в состав ПО асинхронных МПСУ УВ?
· Назовите средства улучшения управляющей программы с точки зрения быстродействия ее выполнения.
2) Широкий перечень задач, ориентированных на оперативное программное решение при выполнении контрольных работ, в ходе защит КП и лабораторных работ.
3) Экзаменационные билеты, включающие два вопроса, примеры которых приведены в разделе 6.
9. Приложение
 |
