СПОСОБ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАГРУЗКИ ПРИВОДА ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL AND ADJUST ONE-BUCKET EXCAVATOR DRIVE LOAD IN OPERATING CONDITIONS AND DEVICE TO THIS END

Изобретения относятся к управлению электроприводами главных механизмов одноковшового экскаватора по системе «Генератор-двигатель» и могут быть использованы в других приводах постоянного тока горных машин и механизмов, работающих в условиях низких температур и переменного характера нагрузки.
Известно, что экскаваторы на горных предприятиях работают в условиях влияния значительных внешних и внутренних факторов, дестабилизирующих работу машины. Основными внешними факторами являются значительные колебания температуры окружающего воздуха и переменный характер нагрузки в процессе копания. Эти факторы влияют на характер нагружения рабочего оборудования, величину динамической нагрузки и определяют увеличение числа отказов в зимний период в 1,5-2 раза [Квагинидзе B.C. Эксплуатация карьерного горного и транспортного оборудования в условиях Севера. - М.: Издательство Московского государственного горного университета. 2002. - 243 с.: ил. стр.13, второй абзац сверху]. Кроме того, изменение температуры в широких пределах приводит к изменению параметров силовой части электропривода, параметров системы управления, ее расстройке, ухудшению качества регулирования и, как следствие, дополнительной динамической нагруженности электропривода, а также металлоконструкций рабочего оборудования в процессе копания. Нагрузки, которые действуют в переходных режимах, являются динамическими.
В экскаваторных электроприводах постоянного тока ограничение динамической нагрузки достигается ограничением тока (момента) двигателя и его автоматическим регулированием в функции температуры металла машины.
Известен способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора, реализованный в устройстве по а.с. СССР №1416625, МПК4 Е02F 9/20, Устройство управления электроприводом одноковшового экскаватора /Авт. изобретения В.Р.Клименко, И.В.Горбунов, Д.Е.Махно, Е.И.Жученко, Ю.А.Захаров, А.И.Шадрин и B.C.Бров/, опубликованное 15.08.88 г., Бюл.№30. Способ управления включает пуск, реверсирование, регулирование скорости приводного двигателя механизма в соответствии с технологией экскавации, останов, а также автоматическое регулирование тока (момента) стопорения приводного двигателя механизма в функции комплексного параметра, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: пуск, реверсирование, регулирование скорости двигателя в соответствии с технологией экскавации, останов, регулирование момента стопорения приводного двигателя механизма.
Недостатком данного способа и устройства является большая величина динамической нагрузки в режиме стопорения и ухудшение наполнения ковша при копании из-за того, что при стопорении динамические нагрузки определяются прежде всего запасом кинетической энергии, а она при работе пропорциональна квадрату скорости движения и мало зависит от величины тока (момента) стопорения двигателя механизма. При снижении тока (момента) стопорения ухудшается наполнение ковша при копании, особенно при малой скорости движения ковша, так как моменты, развиваемые двигателями механизмов напора и подъема, оказываются также сниженными.
Кроме того, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению параметров электропривода и расстройке системы управления и, следовательно, увеличению динамической составляющей загрузки электропривода и рабочего оборудования экскаватора.
7
Известен способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора, выбранный в качестве прототипа (патент RU 2255184 С1, МПК E02F 9/20, H02P 5/00 /Авт. патента С.С.Леоненко, А.В.Сорокин, Д.Е.Махно, А.С.Леоненко, М.В.Павлов/, опубл. 27.06.2005 г.). Способ управления включает дополнительное регулирование момента стопорения регулированием тока возбуждения двигателя одновременно и обратно пропорционально величине задания скорости двигателя, а также регулирование скорости двигателя в функции комплексного параметра, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин.
Признаками способа-прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: пуск, реверсирование, регулирование скорости двигателя в соответствии с технологией экскавации, регулирование момента стопорения приводного двигателя механизма, причем регулирование момента стопорения проводят регулированием тока возбуждения приводного двигателя механизма одновременно и обратно пропорционально величине задания скорости.
Недостатком способа-прототипа является то, что при изменении температуры окружающего воздуха в широких пределах изменяются параметры системы управления и силовой части электропривода, что приводит к расстройке системы управления и ухудшению качества регулирования, увеличению динамической составляющей загрузки электропривода и рабочего оборудования экскаватора.
Известно устройство по авторскому свидетельству №1416625 (SU №1416625, МПК4 Е02F 9/20, Устройство управления электроприводом одноковшового экскаватора /Авт. изобретения В.Р.Клименко, И.В.Горбунов, Д.Е.Махно, Е.И.Жученко, Ю.А.Захаров, А.И.Шадрин и B.C.Бров/, опубликованное 15.08.88 г., Бюл.№30), в котором управление режимами производится с помощью командоаппарата, выход которого подключен через параллельно соединенные регулятор ЭДС и звено ограничения к регулятору тока, который соединен с преобразователем, подключенным к приводному двигателю механизма, а также формирователя комплексного сигнала, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин, который подключен к управляющему входу звена ограничения.
Признаками устройства-аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются: командоаппарат, выход которого подключен через параллельно соединенные регулятор ЭДС и звено ограничения к регулятору тока, который соединен с преобразователем, подключенным к приводному двигателю механизма.
Недостатки устройства-аналога обусловлены тем, что изменение температуры окружающей среды приводит к изменению параметров электропривода и расстройке системы управления, возникновению колебаний тока и момента, а следовательно, увеличению динамической составляющей загрузки электропривода и рабочего оборудования.
7
За прототип принято устройство управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора (патент RU 2255184 С1, МПК Е02F 9/20, Н02Р 5/00 /Авт. патента С.С.Леоненко, А.В.Сорокин, Д.Е.Махно, А.С.Леоненко, М.В.Павлов/, опубл. 27.06.2005 г.), в котором управление режимами производится с помощью командоаппарата, выход которого подключен через параллельно соединенные регулятор ЭДС и звено ограничения к регулятору тока, который соединен с преобразователем, подключенным к приводному двигателю механизма, а также формирователя комплексного сигнала, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин, который соединен со вторым входом регулятора ЭДС.
В устройстве по патенту RU 2255184 дополнительно введен задатчик максимального тока возбуждения двигателя и регулятор тока возбуждения двигателя, выход которого соединен с источником регулирования тока возбуждения двигателя, задатчик ослабления тока возбуждения двигателя, вход которого соединен с выходом командоаппарата, а выход задатчика ослабления тока возбуждения двигателя соединен со вторым входом регулятора тока возбуждения двигателя, первый вход которого подсоединен к выходу задатчика максимального тока возбуждения двигателя, при этом формирователь комплексного сигнала, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин, который соединен со вторым входом регулятора ЭДС.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются: командоаппарат, регулятор ЭДС со звеном ограничения, регулятор тока якоря двигателя, регулятор тока возбуждения двигателя.
В прототипе, за счет регулирования тока возбуждения обратно пропорционально заданной скорости двигателя, регулируется момент стопорения двигателя. Кроме того, в зависимости от температуры окружающей среды снижается максимальная скорость двигателя. Все это обеспечивает снижение динамической нагрузки в электроприводе.
Однако недостаток устройства-прототипа заключается в том, что при значительных колебаниях низких температур параметры системы управления изменяются. Происходит расстройка контуров регулирования и, как следствие, возникновение колебаний тока и момента двигателей механизмов экскаватора, что увеличивает динамическую составляющую нагрузки электроприводов и рабочего оборудования экскаватора в эксплуатационных режимах.
Технический результат предлагаемых способа и устройства заключается в снижении динамической нагрузки электропривода и рабочего оборудования экскаватора в эксплуатационных режимах при значительных колебаниях низких температур и расстройке системы управления.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах, включающем пуск, реверсирование, регулирование скорости двигателя в соответствии с технологией экскавации, регулирование момента стопорения приводного двигателя механизма регулированием тока возбуждения двигателя одновременно и обратно пропорционально величине задания скорости двигателя, согласно изобретению дополнительно проводят контроль расстройки системы управления определением постоянных времени контура напряжения генератора, контура тока якоря двигателя, а также электромагнитной постоянной цепи возбуждения генератора, электромагнитной постоянной якорной цепи двигателя, сравнивают их с соответствующими настроечными значениями постоянных времени и формируют сигнал обратной связи, обеспечивающий снижение скорости двигателя при расстройке системы управления, причем определение постоянных времени проводят подачей синусоидального напряжения задания в систему управления электропривода перед началом работы и во время технологических остановок экскаватора с частотой, меньшей частоты среза амплитудочастотной характеристики наиболее инерционного звена, и амплитудой, обеспечивающей ток якоря двигателя меньше тока трогания двигателя, и измерением в статическом режиме входного напряжения i-го звена в моменты времени, когда ток i-го звена равен нулю и максимуму, при этом определение постоянных времени проводят по следующему математическому выражению:
i
i=0
i=imax
c
T=(U/U)·T, где
i
Т - постоянная времени i-го звена электропривода;
i=0
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном нулю;
i=imax
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном максимуму;
c
Т - период синусоидального напряжения задания в системе управления электроприводом.
Контроль расстройки системы управления по различным причинам, в том числе и за счет значительных колебаний низких температур, и формирование сигнала обратной связи, обеспечивающего снижение скорости двигателя при расстройке системы управления, позволяет снизить запас кинетической энергии во всех движущихся массах, который пропорционален квадрату скорости движения, и, следовательно, уменьшить динамическую составляющую загрузки привода.
Контроль расстройки системы управления измерением постоянных времени звеньев контура напряжения генератора, контура тока якоря двигателя, электромагнитной постоянной времени цепи возбуждения генератора, электромагнитной постоянной времени якорной цепи двигателя обеспечивает контроль всей системы электропривода во всех режимах работы, так как постоянные времени являются комплексными структурными параметрами звеньев электропривода, которые не зависят от режима работы, а зависят только от изменения параметров, определяющих величину постоянной времени.
Определение постоянных времени подачей синусоидального напряжения задания в систему управления электропривода перед началом работы экскаватора и во время технологических перерывов с фиксированной частотой, меньшей частоты среза амплитудочастотной характеристики наиболее инерционного звена, и амплитудой, обеспечивающей ток якоря двигателя меньше тока трогания двигателя, и измерением в статическом режиме входного напряжения звена в моменты времени, когда ток звена равен нулю и максимуму, и определение постоянных времени по предложенному алгоритму позволяет проводить контроль технического состояния в одинаковых начальных условиях электропривода, обеспечивая однозначность определения постоянных времени.
Формирование сигнала обратной связи, обеспечивающей снижение скорости двигателя при расстройке системы управления, снижает запас кинетической энергии во всех вращающихся и движущихся поступательно элементах кинематической цепи электропривода, а следовательно, и динамические нагрузки.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство ограничивает работу экскаватора на основной скорости двигателей механизмов с расстроенной системой управления, снижая динамические нагрузки, повышая ресурс экскаватора.
Отличием заявляемого способа от прототипа является то, что дополнительно проводят контроль расстройки системы управления определением постоянных времени контура напряжения генератора, контура тока якоря двигателя, а также электромагнитной постоянной цепи возбуждения генератора, электромагнитной постоянной якорной цепи двигателя, сравнение их с соответствующими настроечными значениями постоянных времени и формирование сигнала обратной связи, обеспечивающего снижение скорости двигателя при расстройке системы управления, причем определение постоянных времени проводят подачей синусоидального напряжения задания в систему управления электропривода перед началом работы и во время технологических остановок экскаватора с частотой, меньшей частоты среза амплитудочастотной характеристики наиболее инерционного звена, и амплитудой, обеспечивающей ток якоря двигателя меньше тока трогания двигателя, и измерением в статическом режиме входного напряжения i-го звена в моменты времени, когда ток i-го звена равен нулю и максимуму, при этом определение постоянных времени проводят по следующему математическому выражению:
i
i=0
i=imax
c
T=(U/U)·T, где
i
Т - постоянная времени i-го звена электропривода;
i=0
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном нулю;
i=imax
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном максимуму;
c
Т - период синусоидального напряжения задания в системе управления электроприводом.
Технический результат достигается также тем, что устройство контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах, содержащее командоаппарат, регулятор ЭДС со звеном ограничения, регулятор тока якоря двигателя, регулятор напряжения генератора, источник возбуждения генератора, генератор, двигатель, датчик тока якорной цепи двигателя, датчик напряжения якорной цепи двигателя, регулятор тока возбуждения двигателя, источник возбуждения двигателя, согласно изобретению дополнительно содержит датчик тока возбуждения генератора, датчик напряжения возбуждения генератора, систему сбора и обработки данных, включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программное ядро микроконтроллера, генератор напряжения управления регулятором ЭДС, генератор напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя, генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя, устройство отображения и индикации, электронный ключ машиниста экскаватора, причем выход командоаппарата соединен с первым входом АЦП, выход регулятора ЭДС со звеном ограничения соединен со вторым входом АЦП, выход регулятора тока соединен с третьим входом АЦП, выход датчика тока возбуждения генератора соединен с четвертым входом АЦП, выход датчика напряжения возбуждения генератора соединен с пятым входом АЦП, выход датчика тока якорной цепи двигателя соединен с шестым входом АЦП, выход датчика напряжения якорной цепи двигателя соединен с седьмым входом АЦП, первый вход регулятора ЭДС со звеном ограничения соединен с выходом генератора напряжения управления регулятором ЭДС, а первый вход регулятора тока возбуждения двигателя соединен с выходом генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя, второй вход регулятора тока возбуждения двигателя соединен с выходом генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя, а выход программного ядра микроконтроллера соединен с входом устройства отображения и индикации и электронным ключом машиниста экскаватора.
Отличием заявляемого устройства от прототипа является то, что оно дополнительно содержит датчик тока возбуждения генератора, датчик напряжения возбуждения генератора, систему сбора и обработки данных, включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программное ядро микроконтроллера, генератор напряжения управления регулятором ЭДС, генератор напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя, генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя, устройство отображения и индикации, электронный ключ машиниста экскаватора, причем выход командоаппарата соединен с первым входом АЦП, выход регулятора ЭДС со звеном ограничения соединен со вторым входом АЦП, выход регулятора тока соединен с третьим входом АЦП, выход датчика тока возбуждения генератора соединен с четвертым входом АЦП, выход датчика напряжения возбуждения генератора соединен с пятым входом АЦП, выход датчика тока якорной цепи двигателя соединен с шестым входом АЦП, выход датчика напряжения якорной цепи двигателя соединен с седьмым входом АЦП, первый вход регулятора ЭДС со звеном ограничения соединен с выходом генератора напряжения управления регулятором ЭДС, а первый вход регулятора тока возбуждения двигателя соединен с выходом генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя, второй вход регулятора тока возбуждения двигателя соединен с выходом генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя, а выход программного ядра микроконтроллера соединен с входом устройства отображения и индикации и электронным ключом машиниста экскаватора.
Наличие датчика тока возбуждения генератора, датчика напряжения возбуждения генератора, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), программного ядра микроконтроллера, генератора напряжения управления регулятором ЭДС, генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя, генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя, устройства отображения и индикации, электронного ключа машиниста экскаватора позволяет проводить контроль параметров привода по предлагаемым алгоритмам перед началом работы и во время технологических перерывов и снижать скорость двигателя и, следовательно, динамическую нагрузку при расстройке системы управления.
Наличие новой совокупности существенных признаков в предлагаемом способе и устройстве подтверждает соответствие технических решений критерию «новизна».
Из уровня техники известно измерение постоянных времени динамических звеньев методом тестового диагностирования (Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Костанди Г.Г. Диагностирование электронных схем / Под ред. А.В.Мозгалевского. - Л.: Судостроение. 1984, стр.126, 176-178). На вход эвена подается синусоидальное воздействие Bsin(ωt), а на выходе в определенные, произвольно выбранные моменты времени фиксируется в статическом режиме реакция Asin(ωt+φ), и определяются значения производных входных и выходных сигналов, затем по математическим выражениям определяют постоянные времени.
Данный метод требует вычисления производных входных и выходных сигналов, что является существенным недостатком, так как реальное дифференцирование в технических системах связано с преодолением ряда трудностей: помехозащищенность, устойчивость решения, обеспечение точности.
В заявляемом способе, в отличие от известного, определение постоянных времени звеньев проводят следующим образом. На вход динамического звена (ДЗ) подается синусоидальное воздействие, и в статическом режиме измеряется входное напряжение ДЗ в моменты времени, когда ток звена (выходной сигнал ДЗ) равен нулю и максимуму, и по этим значениям вычисляется постоянная времени ДЗ по математическому выражению:
i
i=0
i=imax
c
T=(U/U)·T, где
i
Т - постоянная времени i-го звена электропривода;
i=0
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном нулю;
i=imax
U - мгновенное входное значение напряжения i-го звена электропривода при токе звена, равном максимуму;
c
Т - период синусоидального напряжения задания в системе управления электроприводом.
Доказательством для подтверждения правомерности вышеприведенного математического выражения для определения постоянной времени i-го звена электропривода служит следующее.
Возьмем в качестве ДЗ апериодическое звено, например обмотку возбуждения генератора постоянного тока (система привода «Генератор -двигатель»). Уравнение электрического равновесия в обмотке запишется в виде:
,
m
u
m
i
u
i
где u=Usin(ωt+φ) - напряжение на обмотке; i=Isin(ωt+φ) - ток в цепи обмотки, φ и φ - фаза напряжения и тока (угол сдвига).
max
В установившемся режиме (фиг.3) в точке А ток равен максимальному значению, т.е. i=i, а производная по току . Величина сопротивления R в точке определится как:
,
i=imax
где U - значение напряжения в точке А, т.е. при токе, равном максимальному.
i
В точке В ток равен нулю (ωt+φ)=0, π, 2π… Величина индуктивности L в этой точке определится как
i=0
U - напряжение в точке В, т.е. при токе, равном нулю.
С другой стороны
,
i
так как в точке В cos(ωt+φ)=1.
Тогда
Постоянная времени определится как
,
c
где Т=1/ω - период синусоидального воздействия на входе ДЗ.
Пример. Пусть в измеряемой цепи установились напряжение и ток, определяемые выражениями
m
u
u=Usin(ωt+φ)=52,5sin(628t+75°);
m
i
i=Isin(ωt+φ)=7sin(628t+45°).
-3
Величина сопротивления R=6,495 Ом, а индуктивности L=5,97·10 Гн.
Постоянная времени цепи .
i
При токе, равном нулю, sin(ωt+φ)=0. Следовательно,
i
0
ωt+φ=628t+45=0, t=-45/628
i=0
0
0
0
U=52,5sin[628(-45/628)+75]=52,5sin30=26,25В.
i
При токе, равном максимальному значению, sin(ωt+φ)=1. Следовательно,
i
ωt+φ,=628t+45°=90°, t=45/628
i=imax
U=52,5sin[628(45°/628)+75°]=52,5sin120°=45,465В.
Постоянная времени
.
Таким образом, в заявляемом способе в отличие от известного определение постоянной времени звеньев проводится иным путем, а именно подачей синусоидального напряжения в систему управления, и измерение только одного параметра - напряжения на входе звена, минуя операции дифференцирования.
Подача синусоидального напряжения с частотой, меньшей частоты среза амплитудочастотной характеристики (АЧХ) наиболее инерционного звена, обеспечивает измерение всех постоянных времени одновременно на начальном линейном участке АЧХ, что определяет и высокую точность измерения.
В новой совокупности признаков с использованием нового математического аппарата заявляемый способ позволяет обеспечить новый механизм влияния известных признаков на достижение заявляемого технического результата - снижение динамической нагрузки электропривода и рабочего оборудования экскаватора в эксплуатационных режимах.
Иной механизм влияния на достижение технического результата заявляемого способа доказывает его соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ реализуется устройством, которое поясняется функциональной блок-схемой заявляемого устройства контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах, представленной на фиг.1. На фиг.2 представлен граф алгоритма работы микроконтроллера Системы сбора и обработки данных СОД. На фиг.3 представлен график, поясняющий способ определения постоянных времени динамического звена.
В таблицах 1, 2 и 3 представлены начало, продолжение и окончание соответственно блок-схемы алгоритма работы Системы сбора и обработки данных СОД.
На фиг.1 приняты обозначения:
RESET - внешний сигнал принудительного сброса системы в исходное состояние, выполненный в виде кнопки с задержкой 200 мс (на схеме не указана);
1р, 2р - первый и второй входы регулятора тока возбуждения двигателя 10;
1е, 2е - первый и второй входы регулятора ЭДС со звеном ограничения 2;
U1, U2 …U7 - аналоговые сигналы, поступающие на соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя 14;
U8 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения управления регулятором ЭДС 16 на первый вход 1е регулятора ЭДС со звеном ограничения 2;
U9 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя 17 на второй вход 2р регулятора тока возбуждения двигателя 10;
U10 - аналоговый сигнал, поступающий с выхода генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18 на первый вход 1р регулятора тока возбуждения двигателя 10.
На фиг.2 приняты обозначения:
i
D - номер электронного ключа машиниста;
I, II, III, IV, V, VI - состояния микроконтроллера:
I - начальное; II - измерение параметров электропривода; III - вычисление параметров электропривода; IV - работа; V - технологическая пауза; VI - аварийное состояние;
t - время;
iопт
Т - оптимальное значение i-й постоянной времени;
i
Т - текущее значение i-й постоянной времени.
На фиг.3:
кривая u - график зависимости напряжения на входе динамического звена от t;
кривая i - график зависимости тока динамического звена от t;
max
i - максимальное значение тока динамического звена;
i=imax
U - напряжение на входе динамического звена при токе динамического звена, равном максимуму;
i=0
U - напряжение на входе динамического звена при токе динамического звена, равном нулю.
Устройство контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах включает командоаппарат 1, регулятор ЭДС со звеном ограничения 2, регулятор тока якоря двигателя 3, регулятор напряжения генератора 4, источник возбуждения генератора 5, генератор 6, двигатель 7, датчик тока якорной цепи двигателя 8, датчик напряжения якорной цепи двигателя 9, регулятор тока возбуждения двигателя 10, источник возбуждения двигателя 11, датчик тока возбуждения генератора 12, датчик напряжения возбуждения генератора 13, систему сбора и обработки данных (СОД), включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, программное ядро микроконтроллера 15, генератор напряжения управления регулятором ЭДС 16, генератор напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя 17, генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18, устройство отображения и индикации 19, электронный ключ машиниста экскаватора 20. Выход командоаппарата 1 соединен с первым входом АЦП 14. Выход регулятора ЭДС со звеном ограничения 2 соединен со вторым входом АЦП 14. Выход регулятора тока якоря двигателя 3 соединен с третьим входом АЦП 14. Выход датчика тока возбуждения генератора 12 соединен с четвертым входом АЦП 14. Выход датчика напряжения возбуждения генератора 13 соединен с пятым входом АЦП 14. Выход датчика тока якорной цепи двигателя 8 соединен с шестым входом АЦП 14. Выход датчика напряжения якорной цепи двигателя 9 соединен с седьмым входом АЦП 14. Первый вход 1е регулятора ЭДС со звеном ограничения 2 соединен с выходом генератора напряжения управления регулятором ЭДС 16. Первый вход 1р регулятора тока возбуждения двигателя 10 соединен с выходом генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18. Второй вход 2р регулятора тока возбуждения двигателя соединен с выходом генератора напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя 17. Выход программного ядра микроконтроллера 15 соединен с входом устройства отображения и индикации 19 и электронным ключом машиниста экскаватора 20.
Гальваническая развязка входов U1-U7 реализована на элементах HCPL-7840 фирмы "Agilent Technologies".
Модули 14-18 образуют систему сбора и обработки данных (СОД), реализованную на микроконтроллере смешанных аналого-цифровых сигналов CY8C29866 компании "Cypress".
1
2
N
Микроконтроллер CY8C29866 имеет цифровую часть, обеспечивающую работу по программе, набор реконфигурируемых аналоговых модулей, энергонезависимую флэш-память для хранения кода программы и регистров специальных функций, оперативную память для хранения результатов промежуточных вычислений и текущих состояний микроконтроллера. Для обеспечения права доступа к экскаватору в энергонезависимой флэш-памяти микроконтроллера, кроме программы работы, заносятся уникальные серийные номера электронных ключей машинистов (D, D, …, D).
Из реконфигурируемых аналоговых модулей микроконтроллера CY8C29866, путем программирования специальных регистров, построены 7-канальный 14-разрядный АЦП 14 и 9-разрядные цифроаналоговые преобразователи - генератор напряжения управления регулятором ЭДС 16, генератор напряжения задания максимального тока возбуждения двигателя 17, генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18. Требуемый размах выходных напряжений U8, U9 и U10 обеспечивает 4-канальный операционный усилитель LM324 фирмы "National Semiconductor".
Устройство отображения и индикации 19 выполнено на матричном жидкокристаллическом дисплее с встроенным контроллером управления FDCC1602A фирмы "Fordata Electronic".
Электронный ключ машиниста экскаватора 20 представляет собой элемент мобильной энергонезависимой памяти DS1994 фирмы "Dallas Semiconductor" объемом 4096 бит с уникальным серийным номером и часами реального времени.
В электронном ключе машиниста экскаватора 20 хранятся в зашифрованном виде:
iопт
1. Т - значение оптимальных постоянных времени электропривода, полученное при шеф-наладке экскаватора.
2. k - коэффициент пропорциональности выходного напряжения командоаппарата 1 - U1 и входного напряжения управления регулятором ЭДС - U8.
3. p - коэффициент пропорциональности выходного напряжения управления регулятора ЭДС - U8 и входного напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя - U10.
Bmах
4. U9 - значение напряжения для задания I.
трог
5. U - значение напряжения U8 в режиме измерения, обеспечивающее амплитуду тока якоря двигателя меньше или равную току трогания двигателя.
6. Статистические данные работы экскаватора.
Алгоритм работы микроконтроллера Системы Обработки Данных (СОД) может быть представлен графом (Фиг.2) и в виде блок-схемы (таблицы 1, 2 и 3).
Состояние I (Начальное состояние)
Состояние возникает при включении электропитания Системы или принудительном сбросе Системы по сигналу RESET.
Микроконтроллер выводит на дисплей устройства отображения и индикации 19 сообщение: «УСТАНОВИТЕ КЛЮЧ ДОСТУПА» и непрерывно считывает номер электронного ключа машиниста D.
1
2
N
Если серийный номер D совпадает с одним из D, D, …, D, хранящихся в энергонезависимой флэш-памяти микроконтроллера, то:
1. Гасится сообщение на дисплее устройства отображения и индикации 19.
2. Считываются в оперативную память микроконтроллера параметры ключа:
iопт
трог
T, k, р, U9, U.
Bmax
3. Устанавливается напряжение U9 для задания I.
4. Переход в Состояние II.
Состояние II (Измерение параметров электропривода)
трог
1. Генератор напряжения управления регулятором ЭДС 16 генерирует синусоидальное напряжение U8 с амплитудой 0,9U, обеспечивающей ток якоря двигателя меньше тока трогания двигателя, и частотой меньше частоты среза амплитудочастотной характеристики динамического звена
трог
U8=0,9·U·SIN(2·π·f·t).
2. Генератор напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18 формирует напряжение U10=0.
3. В течение 10 с измеряются значения напряжений U2, U3, U4, U5, U6, U7 и запоминаются в оперативной памяти микроконтроллера.
4. По истечении 10 с переход в Состояние III.
Состояние III (Вычисление параметров электропривода)
i
1. На основании значений U2-U7 вычисляется текущее значение i-й постоянной времени электропривода - Т по предложенному алгоритму:
- постоянная времени цепи обмотки возбуждения генератора;
- постоянная времени цепи якоря двигателя;
- постоянная времени замкнутого контура напряжения генератора;
- постоянная времени замкнутого контура тока.
i
iопт
доп
2. Из сопоставления Т и Т вычисляется допустимое значение U напряжения управления регулятором ЭДС - U8, определяемое по выражению:
8HOM
где U - напряжение управления регулятором ЭДС, соответствующее номинальному напряжению на якоре двигателя 7.
iопт
3. На дисплее устройства отображения и индикации 19 устанавливается процентное отношение текущего значения Т относительно Т.
i
iопт
4. Если текущее значение Т меньше 50% от T, то переход в Состояние VI.
5. Переход в Состояние IV.
Состояние IV (Работа)
1. Измеряется выходное напряжение командоаппарата 1 - U1.
трог
2. Если U1<U/k, то переход в Состояние V.
доп
доп
3. Вычисляется значение U8=k·U1. Если |U8|>U, то U8=sign(U1)·U.
4. На выходе генератора напряжения управления регулятором ЭДС 16 устанавливается напряжение U8.
5. На выходе генератора напряжения обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя 18 устанавливается напряжение U10=p·U1.
6. Возврат к п.1.
Состояние V (Технологическая пауза)
1. Измеряется выходное напряжение командоаппарата 1 - U1.
трог
2. Если U1≥U/k, то переход в Состояние IV.
3. Если время нахождения в Состоянии V больше 20 с, то переход в Состояние II.
Состояние VI (Аварийное состояние)
1. Включается аварийная сигнализация.
2. На дисплей устройства отображения и индикации 19 выводится сообщение: «АВАРИЯ».
Выход из аварийного состояния происходит через повторный запуск Системы или через подачу сигнала принудительного сброса Системы - RESET.
Применение предлагаемого способа и устройства позволяет повысить надежность одноковшовых экскаваторов, увеличить их ресурс при комплексном воздействии отрицательных температур и переменном характере нагрузки.