Введение к работе
Актуальность работы. Современные технологии получения материалов со специальными свойствами отличаются высокими требованиями к точности регулирования параметров технологических процессов. При изготовлении подложек интегральных микросхем при температуре 1500 С требуется обеспечение точности 3 - 4 градуса, а при выращивании кристаллов при температуре 1000 С точность поддержания температурного режима составляет 0,2 С. Решение подобных задач связано с необходимостью совершенствования регуляторов мощности.
В настоящее время известны цифровые регуляторы мощности, обладающие широкими функциональными возможностями.
Повышение точности регулирования сопряжено с необходимостью увеличения количества дискретных уровней цифрового регулятора. При этом наибольшей эффективностью обладают дискретные регуляторы трансформаторного типа, выполненные на основе обмоток с двоичным кодированием. Наличие n секций позволяет получить в них 2n уровней мощности.
Принцип их регулирования состоит в том, что регулировочная обмотка выполняется по схеме суммирования отдельных секций, числа витков которых пропорциональны целой степени числа два. При регулировании в таких регуляторах путем коммутации обмоток осуществляют выбор определенных комбинаций секций, обеспечивающих получение необходимого уровня выходного напряжения трансформатора.
Прецизионные цифровые регуляторы обладают рядом особенностей.
Первая из них состоит в том, что при переключении обмоток, вызванных изменением управляющего кода, происходят изменения структуры электрической схемы регулятора.
Вторая особенность состоит в заметном влиянии на регулировочную характеристику параметров ключей.
Третья особенность обусловлена значительным разбросом параметров ключей.
Четвертая особенность состоит в соизмеримости изменений, обусловленных дискретным шагом регулирования технологических параметров процесса, с изменениями, обусловленными температурными и прочими изменениями параметров схемы.
Указанные особенности требуют поиска новых путей по совершенствованию регуляторов в состав электротермических установок (ЭТУ).
Вопросам практического использования цифровых регуляторов посвящен ряд исследований таких ученых как Миловзоров В. П. и Мусолина А.К., разработавших принципы построения цифровых регуляторов и стабилизаторов, а также Юдин В. В., разработавший метод объединенных матриц для анализа электромагнитных схем и принципы построения цифровых преобразователей переменного напряжения.
Предлагаемая работа является дальнейшим развитием этого направления исследования.
Цель работы. Целью данной работы является совершенствованием цифрового регулятора мощности (ЦРМ) с целью улучшения его технико-эксплуатационных характеристик.
В данной работе решаются следующие задачи:
1) анализ и определение технических требований к элементам систем управления ЭТУ при выращивании монокристаллических материалов;
2) выявление зависимости равномерности энергопередачи от цифрового кода управления ЦРМ;
3) разработка обобщенной математической модели ЦРМ, позволяющей учитывать физические параметры элементов систем управления;
4) анализ влияния размерности управляющего кода на температурный режим ЭТУ;
5) разработка преобразователя кодов управления ДРТ с целью равномерной энергопередачи.
Методы исследований. В работе использованы: дифференциальное и интегральное исчисления, теория решения обыкновенных дифференциальных уравнений, матричная алгебра, теория функций комплексного переменного, операционное исчисление и теория множеств.
Научная новизна работы:
-
предложено использовать принцип временной вариации компонентов управляющего кода с неравномерным квантованием полупериода сетевого напряжения с целью повышения точности регулирования;
-
предложена матричная математическая модель ЦРМ и выведена его передаточная функция;
-
предложена обобщенная модель процесса передачи энергии для регуляторов с временной вариацией управляющего кода;
-
предложен принцип компенсации погрешности регулирования временным компонентом управляющего кода.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
- предложены технические решения задачи управления ДРТ, обеспечивающие повышение точности поддержания температуры на 6,5 %, которые могут применяться на предприятиях, занимающихся разработкой систем управления электротермическими установками;
- разработаны алгоритмы и программы анализа ЦРМ, позволяющие обеспечить снижение погрешности расчета электронной схемы по сравнению с известными на 7,4 %, которые могут применяться для разработки элементов систем управления электротермическим оборудованием.
Реализация результатов работы. Достоверность и обоснованность результатов диссертационных исследований подтверждена корректным использованием математического аппарата матричного, спектрального и статического анализа и соответствием данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «СЕКТОР» (г. Рыбинск) и нашли применение в РГАТА имени П. А. Соловьева в лабораторном практикуме учебной дисциплины «Цифровые регуляторы электронных управляющих систем» специальности «Промышленная электроника».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы прошли апробацию в докладах на конференциях и семинарах: в международной школе конференции молодых ученых, аспирантов и студентов имени П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции XIX ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2006 г.); на Гагаринских чтениях XXIII международной молодежной научной конференции (Москва, 2007 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
1) принципы компенсации и временной вариации с неравномерным квантованием полупериода сетевого напряжения;
2) математическая модель ЦРМ на основе матричных уравнений, позволяющая учитывать физические параметры элементов системы управления;
3) математическая модель энергопередачи в ЭТУ при многокомпонентном коде управления.
Публикации. По материалам работы опубликовано 6 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списков использованных источников и приложений. Содержит 142 страницы основного текста, 49 рисунков, 17 таблиц, список использованной литературы из 115 наименований и приложение на 11 страницах.
