Программно-аппаратный комплекс для оценки механического состояния скользящих контактов коллекторных машин электроприводов

6. Копылов И.И. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2001. -327с.

7. Дятлов ВЛ., Коняшкин В.В., Потапов Б.С., Фадеев С.И. Пленочная электромеханика. - Новосибирск: Наука, 1991.-247 с.

8. Щеглов В.А., Меньших С.А., РыбаковаЛ.Ф., Томаш-польский Ю.Я. Получение сегнетоэлектрических пленок ВаТЮ3 и РЬТЮ3 модифицированным золь-гель методом // Неорганические материалы. - 2000.

• - Т. 36. - № 4. - С. 470-475.

9. Пасынков ВВ., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. - СПб.: Изд-во «Лань», 2001. - 367 с.

10. Li C.L., Chen Z.H., Zhou Y.L., Cui D.F. Effect of oxygen content on the dielectric and ferroelectric properties of laser-deposited BaTi03 thin films // J. Phys. Condens. Matter. - 2001. - V. 13. - P. 5261-5268.

11. Prakash D., Sharma B.P., Rama Mohan T.R., Gopalan P. Flux addition in Barium Titanate: overview and prospects //J. Solid State Chemistry. - 2000. - V. 155. - P. 86-95.

12. Полотовский JI.C. Емкостные машины постоянного тока высокого напряжения. - Л.: Госэнергоиздат, 1960.- 155 с.

УДК 621.312

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, М.А. Нечаев

Томский политехнический университет E-mail: borovikov@tpu.ru

Рассмотрены вопросы разработки программно-аппаратного диагностического комплекса для оценки механического состояния скользящих контактов электродвигателей. Показано, что автоматизация процесса измерения и применение цифровых методов обработки информации позволяет повысить точность измерения путем устранения систематических погрешностей процесса измерения.

Механическое состояние рабочих поверхностей коллекторов и контактных колец является одним из важнейших интегральных показателей, характеризующих качество электрических машин, их отдельных узлов и деталей. При нарушениях профилей коллекторов в виде выступания и западания отдельных пластин или их групп, отклонениях рабочих поверхностей коллекторов и контактных колец от цилиндрической формы, некачественной балансировке роторов, несовершенстве подшипников и подшипниковых щитов повышается уровень искрения щеток, снижается надежность электрических машин в целом [1].

На электромашиностроительных предприятиях всего мира большое внимание уделяется контролю ка-

Рис. 1. Общий вид диагностической системы

чества рабочей поверхности коллекторов и контактных колец, который проводится неоднократно и на различных этапах производства. Однако, как показывает практика, этот контроль не всегда оказывается эффективным, поскольку он выполняется лишь в статическом режиме с помощью миниметрических головок и не учитывает всей совокупности центробежных, вибрационных и температурных нагрузок, действующих на коллектор в работающей машине. Поэтому в последнее время как предприятия-изготовители коллекторных электрических машин, так и эксплуатирующие их организации все в большей степени сталкиваются с необходимостью контроля поверхности коллекторов и контактных колец при разработке, производстве электрических машин, их эксплуатации и ремонте, как в статических, так и в динамических.режи-мах.

Для решения задач экспериментальных профило-метрических исследований коллекторов и контактных колец, а также регистрации линейных микроперемещений щеток электрических машин в колодцах щеткодержателей в процессе эксплуатации разработана диагностическая система, общий вид и функциональная схема которой представлены на рис. 1,2 [2,3].

Основными аппаратными частями системы являются:

- аналоговая часть;

- датчик синхронизации;

- контроллер;

- 1ВМ-совместимый персональный компьютер

(ПК).

Компьютер

RS-232

Аналоговая часть

Вихретоковый датчик

ÜB1H

Аналоговый

преобразователь

Контроллер

DC/QC

ПП

ADM2Ü2

Гапьв. разе.

Датчик синхронизации

иод

Оптический

датчик

J

Uc

АЦП

AD7892

ИОН

CONV

data

Aimega<28

Рис. 2. Функциональная схема

v ?(*ЗШ £&0<?ЯЫ -1'

„. ...-»г:............,—

мИИИШЙ

ШИШШЬЛ

ШШ1ШтЁШШтт1

>4 9* Ч » г г

Р*6сга а*верш$м '%^4^semüJ iMi»fi&ss5 s.ejçaw»_ cnSKmSo*

ШШШГ,ЯЛ4"' "

ж

Овидел«»** £» ззе^зггшюг мш’’

|?|Ш1111Ш1ИШ8.........

Щж

I

Щ-

М.

" r "f  :»j  v.- '

шВШшШШт

В^Ш

шшшшю

Рис. 3. Интерфейс пользователя

ш

В качестве измерительного датчика используется ний в персональный компьютер. Основными элемен-

датчик вихретокового типа. Локальность контроля тами контроллера являются микроконтроллер

датчика определяется зоной концентрации поля, ко- Atmegal28-16AI, аналого-цифровой преобразователь

торая может изменяться тем или иным способом в (АЦП) AD7892 и схема приемо-передатчика интер-

зависимости от конкретных задач [4]. Аналоговый фейса RS-232.

преобразователь формирует на выходе напряжение, Выбор АЦП типа Analog Devices AD7892 вызван пропорциональное измеряемому датчиком расстоя- тем, что данный преобразователь имеет встроенный

нию. источник опорного напряжения (ИОН) с достаточ-

Контроллер предназначен для оцифровки сигна- ной для устройства стабильностью. Разрядность АЦП

ла аналоговой части и передачи результатов измере- позволяет гарантировать точность преобразования

Номер ламели

Рис. 4. Пример кривой изменения значений коэффициентов коррекции

учета коэффициенте* коррекции , С учетом шзффициентов коррекции

It

х 600 и

з -

| 500 •в-

& 400 с

8

1 300

X

&

§ 100 о

2

“ 0 4

1 3 5 7 9 11 13 15 17 18 21 23 25

Номер ламели

Рис. 5. Пример изменения профиля коллектора с учетом и без учета коэффициентов коррекции

: i • i? ь гррррррг ! 1 *s

. ; ; I:: I П г ГГГ ; ::

: п ?:! ? М \ I f

И И I I 1I11 111! 111! I t i*}; I I

III

x

s

s;

i 1 gi s о

a

С

Рис. б. Пример изменения значений перепадов между ламелями вдоль окружности коллектора

0,00244 диск/В или 0,244 диск/мкм. Максимальная частота преобразования АЦП - 500 кГц.

Микроконтроллер АШ^а128-16А1 помимо внут-рисхемно-программируемой НаЛ-памяти объемом 128 кб, имеет на кристалле ОЗУ объемом 4 кб. Такого объема достаточно для временного хранения не менее 1500 выборок АЦП, а значит, не требуется установки дополнительной микросхемы ОЗУ. Кроме того, оказалось удобным использование 16-разрядного счетчика-таймера,в режиме Fаst-PWM для формирования периодического сигнала запуска АЦП на преобразование. Это в сочетании с быстродействующей ШБС-архитектурой обеспечило максимальную частоту из-

мерений не менее 440 кГц. Микроконтроллер имеет встроенный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик (USART). Программирование контроллера осуществлялось на языке Assembler в среде AVR-Studio.,

Схема приемо-передатчика представляет собой гальванически развязанный преобразователь уровней TTJI/RS-232. Гальваническая развязка выполнена на оптронах и преобразователе напряжения типа DC/DC.

ПК предназначен для управления работой контроллера, приема результатов измерений и их математической обработки. Обменивается персональ-

ный компьютер с контроллером по стандартному последовательному интерфейсу RS-232 через встроенный порт.

Измерения начинаются по фронту датчика синхронизации, что позволяет синхронизировать все серии измерений с заданным положением коллектора. Помимо точки начала отсчета на коллекторе сигнал синхронизации дает возможность измерения скорости его вращения. г

Управление взаимодействием персонального компьютера и контроллера производится с помощью программы, разработанной в среде графического программирования LabView 5.0. Пример интерфейса пользователя (панель управления диагностической программой) представлен на рис. 3.

Блок «Управление» позволяет пользователю выбрать один из двр основных режимов работы контроллера: статический или динамический. Контроллеру от системы верхнего уровня задается период между измерениями и количество измерений. Высокая частота преобразования аналогового сигнала не позволяет передавать результаты измерений в режиме реального времени, поэтому серию измерений контроллер выполняет автономно, сохраняя результаты в своей памяти, а затем передает в ПК весь массив; измерений. В статическом режиме период измерений (выборок) сигнала датчика и количество измерений задает оператор. Сигнал синхронизации в этом режиме не используется. Режим может быть применен в случаях, когда исследуемый коллектор не вращается или вращается на малых скоростях.

Основным для контроллера является динамический режим (скорость вращения коллектора может находиться в пределах от 100 до 60000 об/мин). Здесь пользователь задает базовое количество измерений аналогового сигнала и часть оборота коллектора, которую необходимо оцифровать. Программа рассчитывает период между измерениями так, чтобы на заданную часть оборота приходилось заданное число измерений на данной скорости вращения (автоматическая развертка сигнала).

Блок «Состояние» позволяет регистрировать скорость вращения коллектора, измеряемую контроллером по датчику синхронизации. Также он содержит окно, позволяющее контролировать корректность взаимодействия ПК и контроллера.

. Предусмотрено сохранение данных в указанной пользователем директории для последующей обработки и архивации.

Несомненным преимуществом разработанной диагностической системы является реализация в ее программном обеспечении методики базовой коррекции, позволяющей устранить ряд погрешностей измерений. В блоке «Режим» предусмотрен режим расчета коэффициентов поламельной базовой коррекции и режим измерения с учетом ранее рассчитанных коэффициентов. -

После каждого испытания; измеренный профиль коллектора и график изменения коэффициентов базовой коррекции отображаются на экране виртуального

осциллографа, расположенного на мониторе компьютера.

Основными причинами возникновения погрешностей на выходе аналоговой части прибора являются температурная погрешность, погрешности вследствие различий удельного сопротивления поверхностного слоя коллекторных пластин и линейной скорости перемещения контролируемой поверхности относительно датчика, а также погрешность, связанная с невдентичнос-тью установки датчика в процессе тарирования и в процессе измерения на реальном объекте [5,6].

Задача устранения влияния этих погрешностей может быть в значительной мере решена путем коррекции коэффициента передачи измерительного тракта прибора в процессе измерения расстояния до произвольно взятой ламели в соответствии с методом базовой коррекции результатов измерений [6].

На рис. 4 приведена кривая изменения коэффициентов коррекции в зависимости от номера ламели одного из типов коллекторов при частоте вращения 6400 об/мин, а на рис. 5 проиллюстрированы кривые изменения профиля коллектора с учетом и без учета корректирующих коэффициентов при той же частоте вращения.

Из рис. 5 видно, что помимо корректировки общего уровня выходного сигнала, обусловленной скоростью вращения коллектора и другими возмущающими факторами, произведена и поламельная коррекция, позволяющая исключить индивидуальные погрешности, вызванные неодинаковыми удельными электрическими сопротивлениями поверхностей ламелей ине-точностью ориентации датчика относительно каждой из ламелей.

При отсутствии резонансных явлений в коллекторно-щеточном узле наблюдается хорошая повторяемость изменений профиля коллектора на различных частотах. При этом истинные уровни ламелей относительно средней линии профиля коллектора и перепады между ламелями можно получать, производя вычитание из измеренного профиля лишь первой его гармонической составляющей (рис. 6).

Наличие резонанса в системе коллекторно-щеточного узлатребует достаточно сложного математического аппарата для обработки измеренного сигнала с целью определения истинного профиля коллекгоралибо применения измерительной системы двухканального типа [5,7,8].

Таким образом, обработкаданных в цифровом виде (в том числе непосредственно в процессе измерений), а также метод базовой коррекции полученных данных в сочетании со способами выделения истинных значе-нийперепадов междуколлекторными пластинами обеспечивают получение информации о состоянии профиля коллектора с достаточно высокой степенью точности в статическом и д инамическом режимах работы электрической машины или испытательной установки.

Работа выполнена в соответствии с грантом Министерства образования РФ 7.14С/2003 (шифр Т02-01.5-697).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 4.

1. Ермолин Н.П., Жерихин ИЛ. Надежность электрических машин. - JL: Энергия, 1976. - 248 с.

2. Borovikov Yu.S. Diagnostic system for the estimation of the collector and brush units mechanical state under static and dynamic operating conditions // Modem Technique and Technologies: The VIII Intern. Scientific and

' Practical Conf. of Students, Post graduates and Young Scientists. - Tomsk: Tomsk Polytechnic University, 2002. 6-

-P. 104.

3. Качин С.И., Боровиков Ю.С., Нечаев M.A., Мерку-

лов С.В. Автоматизированный диагностический ком- ' плекс для оценки механического состояния коллекторно-щеточных узлов в статических и динамических режимах // Измерение, контроль, информатиза- 8.

ция: Матер. IV Междунар. научно-практ. конф. -Барнаул: АГТУ, 2003. - С. 98-103.

УДК 681.32

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ, СОПРЯГАЕМЫЙ С КОМПЬЮТЕРОМ ТИПА IBM PC

A.B. Димаки, A.A. Светлаков

Томский государственный университет систем управления.и радиоэлектроники E-mail: dav18@yandex.ru

Представлен аппаратно-программный генератор случайных чисел. Назначение данного устройства ~ генерация последовательностей случайных чисел с заданными статистическими характеристиками. В качестве источника случайных чисел используется апериодический и непредсказуемый физический процесс ~ тепловой шум р-п-перехода стабилитрона. Сопряжение аппаратной части генератора случайных чисел с ЭВМ осуществляется при помощи интерфейса ISA. Приводятся результаты исследо ваний статистических свойств последовательностей, полученных при помощи данного генератора, а также предлагается ряд мер по его совершенствованию.

Герасимов В.Г. и др.. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. - М.: Энергия, 1983. - 272 с.

Харламов В.В. Совершенствование методов и средств диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава. Автореферат дис.... докт. техн. наук. - Омск: ОмГУПС, 2002. - 43 с.

Качин С.И. Высокоиспользованные коллекторные электрические машины малой мощности. Дис. ... докт. техн. наук. - Томск: ТПУ, 2002. - 438 с. Козлов А.А., Скороспешкин А.И. Динамический контроль профиля коллекторов электрических машин // Электротехника. - 1977. -№ 7. - С. 36-39. Стрельбицкий Э.К., Стукач B.C., Цирулик А.Я. Статистическая обработка профилограмм коллектора машин постоянного тока // Известия Томского политехнического института. - 1966. - Т. 160. - С. 102-105.

1. Введение

В современных задачах моделирования различ-

ных процессов и объектов, подверженных воздействию различного ряда случайных факторов, часто требуется получение последовательностей случай-

ных чисел. Случайные числа, входящие в данную последовательность, должны соответствовать тре-

бованиям исследуемого процесса или объекта и условиям их функционирования, т.е. быть распределены по определенному закону, иметь определенный диапазон изменения, заданные значения мате-

матического ожидания, дисперсии, и т.д. В этой связи возникает потребность создания универсального генератора случайных чисел, позволяющего получать случайные числа, удовлетворяющие вышеперечисленным условиям. В данной работе представлен разработанный авторами аппаратно-программный генератор случайных чисел, выполненный в виде периферийного устройства 1ВМ-совме-стимого компьютера. Использованный в предлагаемом устройстве интерфейс КА позволяет включать аппаратно-программный генератор случайных чисел в архитектуру большинства современных ЭВМ.

2. Анализ существующих методов получения случайных чисел

В настоящее время к решению задачи получения случайных чисел существует три основных подхода: 1) использование таблиц случайных чисел; 2) генерирование случайных чисел при помощи некоторого алгоритма и 3) использование специальных аппаратных устройств - датчиков случайных чисел [1]. Отметим наиболее существенные достоинства и недостатки вышеперечисленных подходов.

При наличии достаточно обширной таблицы случайных чисел вопрос об источнике независимых реализаций случайной величины можно считать принципиально решенным. Однако на практике хранение обширной таблицы в памяти вычислительной машины представляется крайне неудобным, и таблицы случайных чисел не используются, за очень редкими исключениями. Также, к недостаткам применения таблиц случайных чисел относится тот факт, что таблицы существуют для весьма ограниченного набора законов распределения.

В практических расчетах наиболее удобно получать реализации случайной величины при помощи