Оценка способов форсированного управления приводными электромагнитами и моделирование микропроцессорной системы импульсного управления

И.С. ПАВЛОВ

ОЦЕНКА СПОСОБОВ ФОРСИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТАМИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: электромагнит, обмотка, способ, управление, микроконтроллер, микропроцессорная система, моделирование.

Дан краткий анализ способов форсированного управления приводными электромагнитами, предложено компьютерное моделирование микропроцессорного устройства импульсного управления, позволяющего формировать динамику срабатывания и понизить энергопотребление приводного электромагнита.

I.S. PAVLOV THE WAYS OF ENHANCED CONTROL OVER DEVICE ELECROMAGNETS ESTIMATION AND PROJECTING AN IMPULSE CONTROL MICROPROCESSOR SYSTEM Key words: an electromagnet, a coil, a way, control, a microcontroller, a microprocessor system, projecting.

The brief analysis of the ways of the enhanced control over electromagnets and the computer projection of an impulse control microprocessor system enabling the switch-on and the device electromagnet electricity consumption reduction.

Электромагнитные исполнительные устройства и механизмы с гидро- и пневмоприводом широко используются в промышленности, системах автоматики и системах автономных объектов [4, 8, 10, 13, 14]. Основным элементом этих устройств является электромагнит той или иной конструкции [4, 10]. Известно, что ток срабатывания электромагнита существенно превышает ток, необходимый для удержания якоря. Например, у электромагнитного клапана ПЭ35В ток включения в три раза превышает ток удержания [8, 13]. В ряде случаев длина питающей клапан линии может достигать нескольких сотен метров, что вызывает значительное падение напряжения в линии. В результате снижается надежность срабатывания исполнительного механизма. Увеличение поперечного сечения проводов линии, а также напряжения питания системы не всегда бывает приемлемо. При решении указанной проблемы возникает задача форсированного управления обмоткой приводного электромагнита, которая может быть решена за счет использования конструктивных особенностей электромагнита или с помощью схем форсированного управления [1, 2, 8, 10, 11, 13, 14].

Непосредственное подключение обмотки управления электромагнита к источнику питания при помощи контактов или бесконтактного электронного ключа сопряжено с непроизводительным расходом электроэнергии при удержании якоря электромагнита и, следовательно, с необходимостью обеспечения запаса мощности источника питания, а также с высокой температурой нагрева обмотки [5, 8, 13]. Применение форсирующей ^С-цепи облегчает температурный режим обмотки из-за некоторого уменьшения тока удержания якоря, однако является малоэффективным, так как добавляет в конструкцию еще один тепловыделяющий элемент и ведет к увеличению габаритов устройства, поскольку мощность резистора и емкость конденсатора могут быть значительными [4, 5, 8].

От указанных недостатков можно, например, избавиться, если подключить обмотку электромагнита к источнику номинального или повышенного напряжения на время, достаточное для срабатывания привода, а затем переключить ее на напряжение, необходимое лишь для удержания якоря в рабочем состоянии [8, 14]. Основной недостаток подобных схем форсированного управления заключается в наличии двух источников питания - повышенного (форсирующего) и рабочего (удерживающего) напряжений соответственно [13]. Другие схемы форсированного управления [1] используют всего лишь один питающий источник, однако в этом случае конструкция приводного электромагнита требует наличия двух или более обмоток, а также коммутирующих их соответствующим образом форсировочных контактов для обеспечения требуемых значений МДС обмоток в режимах пуска и удержания. К достоинствам таких схем можно отнести их простоту, эффективность функционирования форсированного электромагнитного привода и расширение возможностей его конструктивной реализации [1]. К недостатку - повышенный электрический износ контактов, который можно устранить путем усовершенствований существующих схем форсированного управления, выполненных в [1], а также схемных решений, связанных с заменой контактов бесконтактными ключами на силовых полупроводниковых приборах. Кроме того, общим недостатком всех способов форсированного управления является отсутствие возможности регулировать скорость подвижного звена в конце его хода.

Эффективный способ форсированного управления обмоткой приводного электромагнита должен синтезировать достоинства и устранить недостатки вышеанализируемых способов технической реализации задачи форсированного управления. Одним из таких способов форсированного управления включающей обмоткой приводного электромагнита коммутационного аппарата или исполнительного механизма является управление на основе первого импульсного режима [2, 11, 15], когда в режиме удержания якоря электромагнита в притянутом положении к обмотке приложены прямоугольные импульсы напряжения положительной полярности длительностью и амплитудой ит, следующие с периодом повторения Т. Коэффициент заполнения импульсов у = / Т следует выбирать таким образом, чтобы действующее зна-

чение тока удержания в обмотке несущественно отличалось от среднего значения /0 при импульсном (дискретном) удержании [2]:

/ 0 = ит- т,

0 Я

где Я - активное сопротивление обмотки управления.

Техническая реализация подобного способа управления обмоткой электромагнита во многом упростилась благодаря появлению в последние годы на российском рынке дешевых микроконтроллеров массового применения с разрядностью 8 бит, имеющих развитую Л/5С-архитектуру, flash-память программ на одном кристалле, минимальное энергопотребление при высоком быстродействии [7, 16]. Применение микроконтроллеров не только позволило упростить сложную схемотехнику, построенную на микросхемах жесткой логики, но и обеспечить в режиме пуска электромагнита так называемое квазиоптимальное

управление, при котором наряду с форсированным включением имеет место безвибрационное замыкание контактной системы аппарата [2, 14, 15].

Известно, что проектирование устройств и систем, содержащих микроконтроллеры, помимо разработки принципиальной схемы предполагает разработку управляющей программы, которая определяет назначение и корректную логику функционирования устройства или системы в целом [3, 6]. Поэтому ответственным является этап отладки микроконтроллерного устройства, который зачастую бывает затруднительным при использовании традиционных средств контроля и измерений (вольтметр, осциллограф и т.д.) [9]. Кроме того, такой подход подразумевает наличие собранного макета микропроцессорного устройства, что всегда требует дополнительных материальных затрат [12]. Использование симуляторов, а также интегрированных сред разработки (Integrated Development Environment, IDE) позволяет в процессе отладки имитировать работу только лишь микроконтроллера и его памяти и в некоторых случаях встроенных в микроконтроллер периферийных устройств (таймеров, портов, АЦП, систем прерываний и т.д.) без учета принципиальной электрической схемы микропроцессорного устройства. Программы схемотехнического моделирования (Micro-Cap, Orcad, Electronic Workbench и др.) дают возможность проводить анализ аналоговых и цифровых схем, однако не способны моделировать работу устройств на микроконтроллерах [6, 12].

В настоящее время появились программы компьютерного моделирования и отладки, позволяющие проверять работу микроконтроллеров всех популярных семейств в режиме реального времени при их взаимодействии с моделями реальных источников сигнала, нагрузок, а также с учетом моделей остальных радиоэлементов схемы устройства [9, 12]. Одной из таких программ является программа ISIS из пакета Proteus VSM, которая моделирует работу таких непростых компонентов, как микроконтроллеры [9]. В программе ISIS имеются большая библиотека готовых моделей основных электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, микросхем и т.д.) и достаточный набор таких виртуальных измерительных приборов, как вольтметр, амперметр, осциллограф, логический анализатор, генераторы всевозможных сигналов. Есть также и другие средства анализа процессов, происходящих в модели микропроцессорного устройства, позволяющие, например, наблюдать графики переходных процессов и сохранять их для дальнейшей обработки в графических или текстовых файлах [9].

С помощью программы ISIS производились отладка, проверка работоспособности и исследование микропроцессорной системы управления приводным электромагнитом [11], путем моделирования ее принципиальной электрической схемы, представленной на рис. 1. На схеме обозначены модели следующих основных компонентов: DD1 - микроконтроллер PIC12F629; U1 - транзисторный оптрон; VT1 - силовой MOSFET-транзистор; L -индуктивность обмотки электромагнита; R - ее активное сопротивление, равное 300 Ом; VD2 - диод для защиты транзистора VT1 от перенапряжений, возникающих при отключении обмотки; Um - источник постоянного тока напряжением 220 В. Для исследования процессов в интересующих точках модели на схеме установлены следующие зонды: Upr - напряжение на выводе GP0 порта микроконтроллера; Ugs - напряжение на затворе транзистора VT1; Uds - напряжение на стоке транзистора VT1. Ток в обмотке электромаг-

нита в режиме удержания якоря контролировался амперметром переменного тока РА Х, а напряжение на обмотке - вольтметром переменного тока РУХ. Полученный в результате трансляции исходного текста программы на языке ассемблера МРАБМШЫ НЕХ-файл загружался в модель микроконтроллера иХ, и производилась симуляция работы спроектированного устройства. В результате моделирования были получены диаграммы напряжений в контрольных точках схемы рис. 2, рис. 3, рис. 4, которые свидетельствуют о правильном функционировании разработанного микроконтроллерного устройства.

0.00 20.0 40.0

Время, мс

Рис. 2. Напряжение на выводе ОРО порта микроконтроллера, ирг

0.00 20.0 40.0 60.0 80.0 100

Время. МС

Рис. 3. Напряжение на затворе транзистора УТ1, ^

300

200

100

0.00 -100

0.00 20.0 40.0 60.0 80.0 100

Время, V1C

Рис. 4. Напряжение на обмотке электромагнита, Uw

Характерной особенностью данной микропроцессорной системы является ее гибкость, т.е. техническая совместимость с приводными электромагнитами различных исполнительных устройств и механизмов, которая объясняется возможностью варьирования в широких пределах длительностей импульсов напряжения, приложенных к обмотке управления (рис. 4) за счет изменения значений входных констант в тексте программы микроконтроллера [11].

Дальнейшие исследования схемы модели устройства показали, что при принятом значении сопротивления R обмотки управления и частоте следования импульсов в режиме дискретного управления, равной 250 Гц, ток удержания уменьшился в два раза по отношению к току срабатывания (действующее значение напряжения на обмотке составило 110 В), что привело к снижению потребляемой электромагнитом мощности практически в четыре раза.

Таким образом, данное устройство может быть использовано не только для повышения надежности срабатывания и экономичности режима работы электромагнита, но и для улучшения динамических характеристик привода: так как, во-первых, включение электромагнита при повышенном напряжении, а отключение при пониженном уменьшают время срабатывания и отпускания привода, а, во-вторых, соответствующим регулированием длительностей форсирующего импульса и первой паузы напряжения на обмотке можно управлять скоростью подвижных звеньев электромеханического устройства [1, 2, 4, 5, 8, 10, 11, 13, 14, 15].

Литература

1. Ахазов И.З. Устройства форсированного управления приводными электромагнитами / И.З. Ахазов, Н.В. Руссова, Г.П. Свинцов // Электрические и электронные аппараты: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2008. С. 57-69.

2. Ахазов И.З. Динамические параметры срабатывания форсированных Ш-образных электромагнитов с внедряющимся якорем / И.З. Ахазов, В.Е. Мандравин, В.Г. Гришанов, Г.П. Свинцов // Электротехника. 1999. № 1. С. 11-15.

3. Гладштейн М. Проектируем устройства на микроконтроллерах / М. Гладштейн // Радио. 2000. № 11. С. 25-26; № 12. С. 20-23.

4. Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. М.: Энергоиздат, 1960. 477 с.

5. Гревцов В.Н. К оценке форсированного включения электромагнитных аппаратов постоянного тока / В.Н. Гревцов, А.Г. Никитенко, В.П. Гринченков, Е.А. Дроздова // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1992. № 4. С. 65-68.

6. Зобнин Ю. Микроконтроллеры для начинающих. И не только... / Ю. Зобнин, Ш. Кобахидзе // Радио. 2000. № 2. С. 21-23; № 3. С. 20-22; № 4. С. 22-23; № 5. С. 36-37.

7. Кёниг А. Полное руководство по PIC-микроконтроллерам / А. Кёниг, М. Кёниг; пер. с нем. Киев: МК-Пресс, 2007. 256 с.

8. КостюкВ. Форсирующий электронный коммутатор / В. Костюк// Радио. 1993. № 10. С. 32.

9. Максимов А. Моделирование устройств на микроконтроллерах с помощью программы ISIS из пакета PROTEUS VSM/А. Максимов // Радио. 2005. № 4. С. 30-32; № 5. С. 31-33; № 6. С. 30-32.

10. Павленко А.В. Комплексное проектирование электромагнитных приводов с заданными динамическими характеристиками / А.В. Павленко, В.П. Гринченков, А.А. Гуммель, И.А. Павленко, Э. Калленбах // Электротехника. 2007. № 4. С. 22-30.

11. Павлов И. С. Разработка блока управления электромагнитным приводом / И. С. Павлов // Труды Академии электротехнических наук ЧР. 2008. № 1. С. 110-112.

12. Прохоров Л.Д. Исследование возможностей отладки микропроцессорных устройств с использованием современных средств моделирования / Л.Д. Прохоров, К.В. Яковлев, Ю.В. Калябин, А.Н. Храмов // Труды Академии электротехнических наук ЧР. 2008. № 1. С. 113-114.

13. Рычихин С. Форсированное включение электромагнита / С. Рычихин // Радио. 2008. № 6. С. 32-33.

14. Черкашин А.Ю. Методы построения устройств оптимального управления электромагнитным приводом постоянного тока / А.Ю. Черкашин // Автоматика и телемеханика. 1978. № 10. С. 173-186.

15. Черкашин А.Ю. Оптимальное управление электромеханическими устройствами / А.Ю. Черкашин // Автоматика и телемеханика. 1969. № 11. С. 154-163.

16. ЯценковВ. С. Микроконтроллеры Microchip. Практическое руководство / В.С. Яцен-ков. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. 296 с.

ПАВЛОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ - магистрант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары

PAVLOV IVAN SERGEEVICH - post-graduate student taking his postgraduate courses, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.