ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам встроенного контроля электромеханических постоянных времени электродвигателей постоянного и переменного токов и мертвых ходов механических передач электроприводов в ходе их эксплуатации без демонтажа механических передач и электродвигателей с изделий.
Известен аналог - Патент РФ на полезную модель №77121, МПК Н02К 7/10, Н02Р 5/00. Устройство встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода / Анкудинов К.А. // Бюл. №28 от 10.10.2008, содержащее: механическую передачу с рабочей нагрузкой; приводной электродвигатель постоянного тока, в якорную обмотку которого последовательно включен датчик - активное сопротивление с величиной на два-три порядка меньше сопротивления обмотки якоря; формирователь импульсов; апериодическое звено первого порядка; узел выявления экстремума напряжения; восьмибитный микроконтроллер ATtiny28L и четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС329Б.
Аналогу присущи два основных недостатка:
≈
ЭД≈
- невозможно использовать аналог для измерения мертвых ходов α и электромеханических постоянных времени Т механических передач электроприводов переменного тока, хотя электроприводы переменного тока находят широкое применение в народном хозяйстве и специальной технике;
=
ЭД=
- в аналоге выводится на индикацию только численное значение мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока α, а численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока T не индицируется, хотя этот параметр входит в передаточную функцию электропривода и является определяющим в точности, быстродействии и устойчивости работы электропривода.
Известен прототип - Патент РФ на полезную модель №108237, МПК Н02К 7/10. Встроенный контроллер параметров объекта / Карпов Е.Б., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. // Бюл. №25 от 10.09.2011, содержащий: электродвигатель постоянного или переменного тока, соединенный с нагрузкой через контролируемую механическую передачу, датчик контроля, встроенный в электродвигатель, пиковый амплитудный детектор, формирователь импульсов, апериодическое звено первого порядка, узел выявления экстремума напряжения, восьмибитный микроконтроллер ATmega8515L с FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А.
В основу алгоритма работы микроконтроллера прототипа положены два уравнения:
Э≃
где: Т - время достижения экстремума напряжения выходного сигнала апериодического звена первого порядка в электроприводе;
АЗ
Т - постоянная времени апериодического звена первого порядка;
ЭД≃
Т - электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного или переменного тока;
≃
1≃
0≃
1≃
0≃
k=U/U - кратность пускового напряжения на датчике контроля электропривода (отношение амплитуды экспоненциальной составляющей напряжения на датчике U в момент пуска электродвигателя постоянного или переменного тока к постоянной составляющей напряжения на датчике U в установившемся режиме);
≃
α - мертвый ход механической передачи электропривода постоянного или переменного тока;
H≃
Ω - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного или переменного тока;
MX≃
≃
Т - время выбора мертвого хода α механической передачи электропривода.
В прототипе микроконтроллер рассчитывает по заданному алгоритму:
ЭД≃
- электромеханическую постоянную времени электродвигателя постоянного или переменного тока Т из трансцендентного уравнения (1) и высвечивает его значение на знаковом индикаторе;
≃
- мертвый ход механической передачи электропривода постоянного или переменного тока α из выражения (2) и высвечивает его значение на знаковом индикаторе.
Прототип лишен обоих недостатков аналога, но ему присущи свои следующие недостатки:
≃
≃
1. Систематическая ошибка измерения и вычисления параметров электропривода Т и α принципиально не может быть менее 0,39%. В аналоге и прототипе использованы восьмибитные микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «Atmel», в которых EEPROM-, SRAM-память данных и регистры общего назначения имеют восьмибитную основу, и вся обработка информации происходит в восьмибитной форме, следовательно, систематическая ошибка измерения и вычисления параметров электропривода составляет не менее 0,39%.
2. Сложность и высокая стоимость прототипа.
ЭД≃
≃
Предлагаемой полезной моделью - встроенным контроллером параметров электропривода решается задача - уменьшения в разы систематической ошибки измерения и вычисления электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного или переменного Т и мертвого хода механической передачи электропривода α при уменьшении сложности и стоимости устройства.
Обратим внимание на тот факт, что все восьмибитные AVR-микроконтроллеры семейства Mega в своей структуре обязательно содержат FLASH-память программ, EEPROM- и SRAM-память данных, но не все имеют аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а в прототипе использован уже устаревающий восьмибитный микроконтроллер ATmega8515L (ранее до введения универсальной классификации в 2003 году - АТ8515) не содержащий АЦП и имеющий 40 выводов. Часть современных восьмибитных AVR-микроконтроллеры семейства Mega имеют десятибитный АЦП и этот факт использован при разработке полезной модели. Например, современный восьмибитный микроконтроллер ATmega8L имеет 28 выводов, десятибитный АЦП, FLASH-память программ, EEPROM- и SRAM-память данных. Для использования десятибитного АЦП микроконтроллера ATmega8L необходимо от измерения времени в прототипе перейти к измерению напряжения - в полезной модели, что и будет сделано при описании принципа работы предлагаемого встроенного контроллера параметров электропривода.
Поставленная задача достигается тем, что во встроенный контроллер параметров электропривода, содержащий электродвигатель постоянного или переменного тока, соединенный с нагрузкой через контролируемую механическую передачу, датчик контроля, встроенный в электродвигатель, пиковый амплитудный детектор, вход которого подключен к датчику контроля, формирователь импульсов, вход которого соединен с выходом пикового амплитудного детектора, апериодическое звено первого порядка, вход которого подключен к выходу пикового амплитудного детектора, девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А, введен восьмибитный микроконтроллер ATmega8L с десятибитным АЦП, FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных, первая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов, вторая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход АЦП, подключена к выходу апериодического звена первого порядка, а семнадцать линий портов микроконтроллера, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
За счет включения в полезную модель современного восьмибитного микроконтроллера фирмы «Atmel» серии ATmega8L с десятибитным АЦП, FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных, имеющего 28 выводов и исключения из прототипа узла выявления экстремума напряжения и микроконтроллера ATmega8515L, не имеющего АЦП и имеющего 40 выводов, обеспечена возможность:
ЭД≃
≃
- уменьшения систематической ошибки измерения и вычисления параметров электропривода Т и α с 0,39% - в прототипе до 0,098%≈0,1% - в полезной модели за счет десятибитной структуры АЦП;
- уменьшения стоимости и сложности полезной модели по сравнению с прототипом за счет применения микроконтроллера с 28 выводами вместо 40 выводов и исключения из прототипа узла выявления экстремума напряжения (операционный усилитель и другие радиоэлементы).
На фиг.1 изображена блок-схема встроенного контроллера параметров электропривода, а на фиг.2 - временные диаграммы работы встроенного контроллера параметров электропривода.
Встроенный контроллер параметров электропривода содержит (фиг.1): электродвигатель постоянного или переменного тока 1, который через контролируемую механическую передачу 2 подсоединен к нагрузке 3; в обмотку якоря электродвигателя постоянного тока 1 или в обмотку статора электродвигателя переменного тока 1 последовательно включен датчик контроля 4 - активное сопротивление с величиной на два-три порядка меньше комплексного сопротивления обмотки якоря или обмотки статора, что исключает влияние датчика контроля 4 на режим работы электродвигателя 1; датчик контроля 4 подключен ко входу пикового амплитудного детектора 5, собранному по типовой схеме; выход пикового амплитудного детектора 5 подключен ко входу формирователя импульсов 6, состоящего из дифференцирующей цепи и усилителя-ограничителя, и ко входу апериодического звена первого порядка 7; формирователь импульсов 6 выходом подключен к первой линии порта микроконтроллера 8, настроенной как вход, а апериодическое звено первого порядка 7 выходом подключено ко второй линии порта микроконтроллера 8, настроенной как вход АЦП; микроконтроллер 8 фирмы «Atmel» серии ATmega8L работает по заданному алгоритму и по семнадцати линиям портов, настроенным как выход, соединен с девятиразрядным семисегментным знаковым индикатором 9 серии АЛС356А, который индицирует численные значения электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного или переменного тока 1 с точностью до одной миллисекунды и мертвого хода механической передачи 2 электропривода с точностью до тысячной доли градуса.
Встроенный контроллер параметров электропривода (фиг.1) работает следующим образом:
H≃
АЗ
≃
1=
0=
1≈
0≈
1≃
0≃
≃
≃
H≃
АЗ
≃
0≃
ЭД≃
≃
1. Перед вводом устройства в эксплуатацию (см. фиг.1, фиг.2) в FLASH-память программ микроконтроллера 8 вводятся численные значения: Ω [об/мин] - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного или переменного тока 1 (берется из технической документации на электродвигатель 1); Т [с] - постоянная времени апериодического звена первого порядка - величина известная; k=U/U=U/U=U/U - кратность пускового напряжения (фиг.2а, 2б, 2в) на датчике контроля 4 и пиковом амплитудном детекторе 5. Кратность пускового напряжения k - величина постоянная и в зависимости от типа и мощности электродвигателя постоянного или переменного тока 1 имеет значения k=∈[1, 10] (берется из технической документации на электродвигатель 1). Таким образом, в FLASH-памяти программ микроконтроллера 8 всегда записаны известные численные значения Ω, Т, k и U. Перед включением устройства в работу мертвый ход механической передачи 2 устанавливается в максимальное положение (как в аналоге и прототипе) и подается питание на встроенный контроллер параметров электропривода. Кроме того, если включение в работу устройства происходит не первый раз, то в EEPROM-памяти данных микроконтроллера 8 будут записаны Т и α, измеренные в последнем предшествующем цикле работы устройства.
1
4=
1
4max=
4≈
1
4max≈
5
1
5max
4max≈
4max=
6
1
6max
MX=
2. В момент времени t (см. фиг.1 и фиг.2) во встроенном контроллере параметров электропривода происходят следующие процессы: запускается в работу электродвигатель переменного или постоянного тока 1 (фиг.1) и в его обмотке статора или обмотке якоря возникает импульс пускового тока, который создает на датчике 4 импульс напряжения u(t)=U - для двигателя постоянного тока (фиг.2а) и u(t)=U - для двигателя переменного тока (фиг.2б); так как пиковый амплитудный детектор 5 является безинерционным по несущей частоте питающего напряжения и инерционным по его огибающей, то сигнал на его выходе будет один и тот же (фиг.2в), как для электродвигателя переменного тока (фиг.2б), так и для электродвигателя постоянного тока (фиг.2а) u(t)=U=U=U, который поступает на формирователь импульсов 6 и апериодическое звено первого порядка 7; формирователь импульсов 6 вырабатывает короткий импульс (фиг.2г) u(t)=U, запускающий в работу микроконтроллер 8, в котором запускаются в циклическую работу АЦП и счетчик времени выбора мертвого хода механической передачи Т.
1
2
4=
4≈
5
6
7
Э≃
МХ≃
7
1
2
3. В интервале времени t∈[t, t] (см. фиг.1 и фиг.2) во встроенном контроллере параметров электропривода протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 начинает и продолжает вращение; пусковой ток электродвигателя 1, напряжение на датчике 4 u(t), u(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u(t) уменьшаются по экспоненте (фиг.2а, 2б, 2в); тихоходный вал механической передачи 2 остается неподвижным, так как происходит выбор мертвого хода, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя импульсов 6 (фиг.2г) равно нулю u(t)=0, а напряжение на выходе апериодического звена 7 (фиг.2д) u(t) нарастает от нуля и стремится к своему максимальному (экстремальному) значению U; в микроконтроллере 8 работает счетчик времени выбора мертвого хода механической передачи Т; АЦП в микроконтроллере 8 работает в циклическом режиме и измеряет нарастающий выходной сигнал апериодического звена 7 (фиг.2д) u(t∈[t, t]); следует отметить, что напряжение на выходе апериодического звена 7 в аналитическом форме имеет вид
ЭД≃
2
подставив выражение (1) - T в (3), в момент времени t=t (фиг.2д) получено трансцендентное выражение для экстремального значения выходного напряжения апериодического звена 7
2
4=
4≈
5
6
7
2
Э≃
Э≃
4. В момент времени t (см. фиг.1 и фиг.2) во встроенном контроллере параметров электропривода происходят следующие процессы: напряжение на датчике 4 u(t), u(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u(t) продолжают уменьшаться по экспоненте (фиг.2а, 2б, 2в), а напряжение на выходе формирователя импульсов 6 остается равным нулю u(t)=0 (фиг.2г); напряжение на выходе апериодического звена 7 достигает своего экстремального значения u(t)=U (фиг 2д), АЦП микроконтроллера 8 измеряет численное значение U, которое запоминается в SRAM-памяти данных микроконтроллера 8, а АЦП прекращает работу.
2
3
4=
2
3
4≈
2
3
5
2
3
6
MX≃
5. В интервале времени t∈[t, t] (см фиг.1 и фиг.2) во встроенном контроллере параметров электропривода протекают следующие физические процессы: напряжение на датчике 4 u(t∈[t, t]), и u(t∈[t, t]) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u(t∈[t, t]) продолжают уменьшаться по экспоненте (фиг.2а, 2б, 2в),; тихоходный вал механической передачи 2 продолжает оставаться неподвижным, так как продолжается выбор мертвого хода, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя 6 равно нулю u(t)=0 (фиг.2г); микроконтроллер 8 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода T механической передачи 2.
3
5
3
5max
4max≈
4max=
6
3
6max
МХ≃
3
1
Э≃
МХ≃
3
1
6. В момент времени t (см. фиг.1 и фиг.2) во встроенном контроллере параметров электропривода происходят следующие процессы: закончен выбор мертвого хода механической передачи 2, приходят во вращение тихоходный вал механической передачи 2 и нагрузка 3; нагрузка на электродвигатель 1 скачкообразно возрастает и формируется второй импульс напряжения на датчике 4, а на выходе пикового амплитудного детектора 5 импульс u(t)=U=U=U (см. фиг.2а, 2б, 2в), поступающий на формирователь импульсов 6; формирователь импульсов 6 вырабатывает (фиг.2г) второй короткий импульс u(t)=U, поступающий на микроконтроллер 8, который прекращает отсчет времени выбора мертвого хода Т=t-t и запоминает его численное значение в своей SRAM-памяти данных; таким образом, в этот момент времени в SRAM-памяти данных микроконтроллера 8 оказываются записанным численное значения U и Т=t-t.
3
7. В интервале времени при t>t (см. фиг.1 и фиг.2) микроконтроллер 8 по своему алгоритму работы выполняет расчеты по двум выражениям (4) и (2), которые для удобства изложения сущности
где в рассматриваемом интервале времени:
- известны и записаны в FLASH-память программ микроконтроллера 8:
Н≃
Ω - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного или переменного тока 1;
АЗ
Т - постоянная времени апериодического звена первого порядка 7;
≃
1≃
0≃
k=U/U - кратность пускового напряжения на датчике контроля 4 электропривода постоянного или переменного тока,
- измерены и записаны в SRAM-памяти данных микроконтроллера 8:
MX≃
≃
Т - время выбора мертвого хода α механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока;
Э≃
U - численное значение экстремального напряжения выходного сигнала апериодического звена 7 в электроприводе постоянного или переменного тока,
- неизвестны и являются искомыми величинами в выражениях (4) и (2):
ЭД≃
Т - электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного или переменного тока в трансцендентном уравнении (4),
≃
α - мертвый ход механической передачи электропривода постоянного или переменного тока в выражении (2).
Алгоритм работы микроконтроллера 8 сводится к последовательному решению уравнений (4) и (2):
ЭД≃
ЭД≃
ЭД≃
ЭД≃
1. В уравнении (4), кроме искомого параметра Т, все другие параметры известны, но (4) относительно Т является трансцендентным уравнением. В алгоритме работы микроконтроллера 8 уравнение (4) решается численным методом с применением оптимизации шагов решения методом половинного разбиения. Для получения Т численным методом с точностью до тысячной доли секунды необходимо 10-12 шагов половинного разбиения. В результате полученное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя 1 постоянного или переменного тока Т остается в SRAM-памяти данных, записывается в EEPROM-памяти данных микроконтроллера 8 и высвечивается в четырех старших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 9. с точностью до одной миллисекунды.
≃
Н≃
ЭД≃
MX≃
≃
2. Уравнение (2) относительно искомого параметра α легко решается в аналитическом виде. В алгоритме работы микроконтроллера 8 в правую часть выражения (2) подставляются известные численные значения параметров: Ω - из FLASH-память программ, а Т и Т - из SRAM-памяти данных микроконтроллера 8. В результате полученное численное значение мертвого хода механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока α записывается в SRAM-память данных, переписывается в EEPROM-память данных микроконтроллера 8 и высвечивается в четырех младших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 9 с точностью до тысячной доли градуса.
За счет исключения из прототипа узла выявления экстремума напряжения и микроконтроллера ATmega8515L, не имеющего АЦП и имеющего 40 выводов и включения в полезную модель (фиг.1) современного восьмибитного микроконтроллера фирмы «Atmel» серии ATmega8L с десятибитным АЦП, FLASH-памятью программ - 8 Кбайт, EEPROM-памятью данных - 512 байт, SRAM-памятью данных - 1024 байта (в 2 раза больше чем в прототипе), имеющего 28 выводов, обеспечена возможность:
ЭД≃
≃
- уменьшения систематической ошибки измерения и вычисления параметров электропривода Т и α с 0,39%, характерных для восьмибитного представления информации в прототипе, до 0,098%≈0,1% (т.е. уменьшение почти в 4 раза) - в полезной модели за счет применения микроконтроллера ATmega8L с десятибитной структуры АЦП;
- уменьшение сложности, а следовательно и стоимости полезной модели на 10-15% по сравнению с прототипом за счет применения микроконтроллера с 28 выводами вместо 40 выводов (при расширенных функциональных возможностях микроконтроллер полезной модели на 15-20% дешевле микроконтроллера прототипа) и исключения из схемы прототипа узла выявления экстремума напряжения, состоящего из операционного усилитель и другие радиоэлементов.