Возможности операционной системы реального времени при решении задач управления устройствами силовой электроники

Александр [Aleksandr] Николаевич [N.] Рожков [Rozhkov]; Павел [Pavel] Ахматович [A.] Рашитов [Rashitov]; Виктор [Viktor] Витальевич [V.] Кох [Kokh]; Ольга [Olga] Васильевна [V.] Дергачева  [Dergacheva]; Дмитрий [Dmitriy] Васильевич [V.] Мостовой [Mostovoy]

doi:10.24160/1993-6982-2023-6-19-25

Александр [Aleksandr] Николаевич [N.] Рожков [Rozhkov]
Павел [Pavel] Ахматович [A.] Рашитов [Rashitov]
Виктор [Viktor] Витальевич [V.] Кох [Kokh]
Ольга [Olga] Васильевна [V.] Дергачева [Dergacheva]
Дмитрий [Dmitriy] Васильевич [V.] Мостовой [Mostovoy]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2023-6-19-25

Ключевые слова: операционная система реального времени, программное обеспечение, система управления, устройства силовой электроники

Аннотация

Описаны возможности операционной системы реального времени (ОСРВ) с точки зрения ее применения для реализации программного обеспечения систем управления устройств силовой электроники. Показано, что такие актуальные задачи микропроцессорных систем управления преобразователей электрической энергии, как управление силовыми полупроводниковыми ключами и средствами защиты преобразователя, аналого-цифровое преобразование сигналов, обмен информацией с удаленным терминалом по требуемому интерфейсу согласно установленному протоколу, телеуправление по беспроводным каналам связи, реализация функций мониторинга и хранения измеряемых параметров и событий, индикация состояния и т. д. могут быть реализованы средствами ОСРВ во встраиваемых микропроцессорных системах. Отмечены особенности их использования для случаев применения таких инструментов ОСРВ, как критическая секция, очередь, семафор. Установлено, что операционная система реального времени существенно упрощает процессы синхронизации выполняемых задач и разработки программного обеспечения.

В качестве примера приведен способ реализации программного обеспечения системы управления устройством силовой электроники, подразумевающий использование ОСРВ FreeRTOS с относительно небольшим объемом памяти (20 Кбайт), что считается достаточно малым объемам для современных микроконтроллеров. Данная система является системой жесткого реального времени, свободно распространяется с открытым исходным кодом и имеет все необходимые инструменты и механизмы для реализации задач управления преобразователями силовой электроники.

Предложенный подход к реализации программного обеспечения позволяет реализовать гибкую архитектуру программы, обеспечить рациональное использование ресурсов процессора, а также удобно разбивать программу на отдельные независимые задачи и распределять их выполнение между командой программистов. Результаты проведенной работы могут быть использованы при проектировании систем управления устройствами силовой электроники и иных преобразователей электрической энергии.

Сведения об авторах

Александр [Aleksandr] Николаевич [N.] Рожков [Rozhkov]

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники НИУ «МЭИ», e-mail: RozhkovAN@mpei.ru

Павел [Pavel] Ахматович [A.] Рашитов [Rashitov]

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники НИУ «МЭИ», e-mail: RashitovPA@mpei.ru

Виктор [Viktor] Витальевич [V.] Кох [Kokh]

инженер-проектировщик 2-й категории инжинирингового центра «Энергетика больших мощностей нового поколения» НИУ МЭИ

Ольга [Olga] Васильевна [V.] Дергачева [Dergacheva]

инженер-проектировщик 2-й категории инжинирингового центра «Энергетика больших мощностей нового поколения» НИУ МЭИ

Дмитрий [Dmitriy] Васильевич [V.] Мостовой [Mostovoy]

аспирант, инженер кафедры промышленной электроники, инженер-проектировщик 2-й категории инжинирингового центра «Энергетика больших мощностей нового поколения» НИУ МЭИ

Литература

1. Zhongting Tang, Yongheng Yang, Blaabjerg F. Power Electronics: the Enabling Technology for Renewable Energy Integration // CSEE J. Power and Energy Systems. 2022. V. 8(1). Pp. 39—52.
2. IEEE 1662—2016. IEEE Recommended Practice for the Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems.
3. Rashid M.H. Power Electronics — Challenges and Trends // Proc. Intern. Conf. Innovations in Electrical Eng. and Computational Technol. 2017.
4. Przybyła K. e. a. Educational Platform for Remote Power Electronics Laboratory Classes // Proc. IEEE XX Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2022. Pp. 311—314.
5. Koleff L. e. a. Development of a Modular Open Source Power Electronics Didactic Platform // Proc. IEEE XV Brazilian Power Electronics Conf. and V IEEE Southern Power Electronics Conf.(COBEP/SPEC). Santos, 2019. Pp. 1—6.
6. Barry R. Using the FreeRTOS Real Time Kernel. Nottingham: Real Time Eng. Ltd, 2010.
7. Downey A. The Little Book of Semaphores. London: Green Tea Press, 2005.
8. Arm Ltd. CMSIS-RTOS2 Documentation [Электрон. ресурс] https://arm-software.github.io/CMSIS_5/RTOS2/html/index.html (дата обращения 10.04.2023).
9. AspenCore. Embedded Markets Study [Электрон. ресурс] https://zbook.org/read/a2413_2019-embedded-markets-study.html (дата обращения 10.04.2023).
10. Lencioni L.R., Loubach D.S., Saotome O. A Methodology for Customization of a Real-time Operating System for Embedded Systems // Proc. IEEE XXVIII Intern. Conf. Electronics, Electrical Eng. and Computing. 2021. Pp. 1—4.
11. Chen-Kai Lin, Bow-Yaw Wang. Formal Analysis of FreeRTOS Scheduler on ARM Cortex-M4 Cores. 2022. Pp. 1—14.
12. Fei Guan, Long Peng, Perneel L, Timmerman M. Open Source FreeRTOS as a Case Study in Real-time Operating System Evolution // J. Systems and Software. 2016. V. 118. Pp. 19—35.
13. Lesan A.Y.E., Doumbia M.L., Sicard P. DSP-based Sinusoidal PWM Signal Generation // Proc. Electrical Power and Energy Conf. Montreal, 2009. Pp. 1—6.
14. Andina J.J.R., Arnanz E.D.L.T., Peña M.D.V. FPGAs Fundamentals, Advanced Features, and Applications in Industrial Electronics. Boca Raton: CRC Press, 2017.
---
Для цитирования: Рожков А.Н., Рашитов П.А., Кох В.В., Дергачева О.В., Мостовой Д.В. ТВозможности операционной системы реального времени при решении задач управления устройствами силовой электроники // Вестник МЭИ. 2023. № 6. С. 19—25.DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-19-25
---
Работа выполнена в рамках проекта «Разработка программно-аппаратного комплекса для зарядных станций электромобилей на отечественной компонентной базе силовой и микропроцессорной электроники» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022 — 2024 гг
#
1. Zhongting Tang, Yongheng Yang, Blaabjerg F. Power Electronics: the Enabling Technology for Renewable Energy Integration. CSEE J. Power and Energy Systems. 2022;8(1):39—52.
2. IEEE 1662—2016. IEEE Recommended Practice for the Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems.
3. Rashid M.H. Power Electronics — Challenges and Trends. Proc. Intern. Conf. Innovations in Electrical Eng. and Computational Technol. 2017.
4. Przybyła K. e. a. Educational Platform for Remote Power Electronics Laboratory Classes. Proc. IEEE XX Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2022:311—314.
5. Koleff L. e. a. Development of a Modular Open Source Power Electronics Didactic Platform. Proc. IEEE XV Brazilian Power Electronics Conf. and V IEEE Southern Power Electronics Conf.(COBEP/SPEC). Santos, 2019:1—6.
6. Barry R. Using the FreeRTOS Real Time Kernel. Nottingham: Real Time Eng. Ltd, 2010.
7. Downey A. The Little Book of Semaphores. London: Green Tea Press, 2005.
8. Arm Ltd. CMSIS-RTOS2 Documentation [Electron. Resurs] https://arm-software.github.io/CMSIS_5/RTOS2/html/index.html (Data Obrashcheniya 10.04.2023).
9. AspenCore. Embedded Markets Study [Electron. Resurs] https://zbook.org/read/a2413_2019-embedded-markets-study.html (Data Obrashcheniya 10.04.2023).
10. Lencioni L.R., Loubach D.S., Saotome O. A Methodology for Customization of a Real-time Operating System for Embedded Systems. Proc. IEEE XXVIII Intern. Conf. Electronics, Electrical Eng. and Computing. 2021:1—4.
11. Chen-Kai Lin, Bow-Yaw Wang. Formal Analysis of FreeRTOS Scheduler on ARM Cortex-M4 Cores. 2022:1—14.
12. Fei Guan, Long Peng, Perneel L, Timmerman M. Open Source FreeRTOS as a Case Study in Real-time Operating System Evolution. J. Systems and Software. 2016;118:19—35.
13. Lesan A.Y.E., Doumbia M.L., Sicard P. DSP-based Sinusoidal PWM Signal Generation. Proc. Electrical Power and Energy Conf. Montreal, 2009:1—6.
14. Andina J.J.R., Arnanz E.D.L.T., Peña M.D.V. FPGAs Fundamentals, Advanced Features, and Applications in Industrial Electronics. Boca Raton: CRC Press, 2017
---
For citation: Rozhkov A.N., Rashitov P.A., Kokh V.V, Dergacheva O.V., Mostovoy D.V. The Real-time Operating System Capabilities for Control of Power Electronic Devices. Bulletin of MPEI. 2023;6:19—25. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-19-25
---
The work is executed within the Framework of the Project «Development of a Software and Hardware Complex for Electric Vehicle Charging Stations on the Domestic Component Base of Power and Microprocessor Electronics» with the Support of a Grant From the National Research University «MPEI» for the Implementation of the Research Program «Priority 2030: Technologies of the Future» in 2022 — 2024