УСТРОЙСТВО ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И МЕРТВОГО ХОДА МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам встроенного контроля постоянных времени электродвигателей и мертвых ходов механических передач электроприводов постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа механических передач и электродвигателей.
Известен аналог - авторское свидетельство SU 1277301 А1, МПК Н02К 11/00, 7/10. Электропривод постоянного тока / Анкудинов А.И. и др. // Бюл. №46 от 15.12.1986, содержащий: 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; электронный коммутатор; логическую схему «И» на два входа; генератор импульсов и счетную схему. В аналоге измеряется время выбора мертвого хода, а формула для расчета вручную мертвого хода механической передачи α имеет вид
[градус], (1)
Н
и
дв
где  Ω - номинальная скорость вращения электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [об/мин]; n - число импульсов подсчитанное счетной схемой; Т - период повторения импульсов генератора импульсов [с]; Т - электромеханическая постоянная времени электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [с].
Аналогу присущи следующие основные недостатки:
дв
1) отсутствует возможность измерения и учета электромеханической постоянной времени электродвигателя Т, которая существенно изменяется в процессе эксплуатации электропривода и зависит от температуры окружающей среды и технического состояния (обслуживания) электродвигателя, что снижает точность измерения и вычисления мертвого хода механической передачи α по формуле (1);
2) большие затраты времени (десятки секунд) на вычисления мертвого хода механической передачи α по формуле (1) вручную на микрокалькуляторах, что увеличивает вероятность получения ошибки вычислений;
3) высокая сложность конструкции устройства контроля мертвого хода механической передачи - это построенные на дискретных радиоэлементах: формирователь импульсов, электронный коммутатор, логическая схема «И» на два входа, генератор импульсов и счетная схема;
4) низкая надежность, определяемая высокой сложностью конструкции устройства встроенного контроля мертвого хода механической передачи электропривода.
Известен прототип - авторское свидетельство SU 1557633 А1, МПК Н02К 7/10. Устройство для контроля мертвого хода механической передачи электропривода/Анкудинов А.И. и др. // Бюл. №14 от 15.04.1990, 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; интегрирующую цепь (апериодическое звено первого порядка); узел выявления экстремума напряжения; генератор импульсов; электронный ключ (коммутатор); три логические схемы «И» на два входа; инвертор (логическую схему «НЕ»); два триггера и две счетные схемы с индикацией. В прототипе измерение мертвого хода механической передачи α электропривода постоянного тока осуществляется в два этапа.
дв
э
1. На первом этапе измеряется электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока Т, для чего измеряется время достижения экстремума напряжения выходного сигнала апериодического звена первого порядка Т, которое после преобразований определяется выражением
, (2)
и
аз
1
0
1
0
где m - число импульсов подсчитанное первой счетной схемой; Т - период повторения импульсов генератора импульсов [с]; Т - постоянная времени апериодического звена первого порядка [с] - величина известная; k=U/U - отношение амплитуды экспоненциальной составляющей напряжения на датчике U в момент пуска электродвигателя и постоянной составляющей напряжения на датчике U в установившемся режиме
(k - кратность пускового напряжения на датчике) - величина постоянная и в зависимости от типа и мощности электродвигателя имеет значения k∈[1,10] (берется из технической документации на электродвигатель).
э
аз
дв
дв
В выражении (2) известны численные значения Т, k и Т, а искомой величиной является - электромеханическая постоянная времени электродвигателя Т. Уравнение (2) относительно Т является трансцендентным и в прототипе решается численным методом, а в качестве вычислителя используются программируемые микрокалькуляторы типа МК-52, МК-54, МК-61 и т.п. Алгоритм и программа решения такой задачи опубликованы в статье: А.И.Анкудинов и др. Измеритель коэффициента затухания одиночных экспоненциальных радио- и видеоимпульсов // Измерительная техника - 1988. - №8. - С.36-37, где определено время решения задачи - единицы минут.
дв
2. На втором этапе найденное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя Т подставляется в выражение (1), где в прототипе n - число импульсов подсчитанное второй счетной схемой, и производится расчет мертвого хода механической передачи α на микрокалькуляторе.
Прототип лишен первого недостатка аналога, но ему присущи еще в большей мере оставшиеся три недостатка:
дв
1) большие затраты времени (единицы минут) на вычисление на программируемых микрокалькуляторах (МК-61 и др.) электромеханической постоянной времени электродвигателя Т численным методом из трасцен-дентного выражения (2) и мертвого хода механической передачи α по формуле (1);
2) высокая сложность конструкции устройства контроля мертвого хода механической передачи - это построенные на дискретных радиоэлементах: формирователь импульсов; интегрирующая цепь (апериодическое звено первого порядка); узел выявления экстремума напряжения; генератор импульсов; электронный коммутатор; три логические схемы «И» на два
входа; логическая схема «НЕ»; два триггера и две счетные схемы с индикацией;
3) низкая надежность, определяемая высокой сложностью конструкции устройства контроля мертвого хода механической передачи электропривода.
Предлагаемой полезной моделью решается задача уменьшения времени осуществления встроенного контроля (измерения) электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока и мертвого хода механической передачи электропривода на два-три порядка, упрощения конструкции и повышение надежности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство встроенного контроля электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока и мертвого хода механической передачи электропривода, содержащее электродвигатель, соединенный с нагрузкой через механическую передачу, датчик контроля мертвого хода механической передачи, встроенный в электродвигатель, формирователь импульсов, вход которого подключен к датчику контроля мертвого хода, апериодическое звено первого порядка, вход которого также подключен к датчику контроля мертвого хода, узел выявления экстремума напряжения, вход которого подключен к выходу апериодического звена первого порядка, введены восьмибитный микроконтроллер ATtiny28L и четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС329Б, первая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов, вторая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу узла выявления экстремума напряжения, а двенадцать линий портов микроконтроллера, настроенные как выход, подключены к четырехразрядному семисегментному знаковому индикатору.
За счет включения в устройство восьмибитного микроконтроллера фирмы Atmel серии ATtiny28L и четырехразрядного симисегментного знакового индикатора АЛС329Б отпала необходимость численного решения
дв
дв
дв
дв
трансцендентного уравнения (2) относительно Т и расчета мертвого мода а по формуле (1) на программируемых микрокалькуляторах (МК-61 и др.), что требовало в прототипе временных затрат на расчет Т и α - единицы минут. В полезной модели микроконтроллер выполняет расчет величины электромеханической постоянной времени Т электродвигателя численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму, а затем с учетом величины Т производит расчет измеряемой величины мертвого хода механической передачи α электропривода и высвечивает его значение на четырехзначном знаковом индикаторе с точностью до тысячной доли градуса, затрачивая на весь процесс до десятых долей секунды. Кроме того, из устройства исключены десять блоков: электронный коммутатор, генератор импульсов, две счетные схемы с индикацией, два триггера, три логические схемы «И» и логическая схема «НЕ», выполненные на дискретных радиоэлементах, что уменьшило сложность и увеличило надежность устройства.
На фиг.1 изображена блок - схема устройства встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства, на фиг.3 - обобщенная блок-схема алгоритма работы микроконтроллера.
Устройство встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода (фиг.1) содержит: электродвигатель постоянного тока 1, который через контролируемую механическую передачу 2 подсоединен к нагрузке 3; в якорную обмотку электродвигателя 1 последовательно включен датчик 4 - активное сопротивление с величиной на два-три порядка меньше сопротивления обмотки якоря, что исключает влияние датчика 4 на режим работы электродвигателя 1; датчик 4 подключен ко входу формирователя импульсов 5, состоящему из дифференцирующей цепи и усилителя-ограничителя, и ко входу апериодического звена первого порядка 6; узел выявления экстремума напряжения 7, выполненный на операционном усилителе, входом подключен
к выходу апериодического звена 6; формирователь импульсов 5 выходом подключен к первой линии порта микроконтроллера 8, настроенной как вход, а узел выявления экстремума 7 выходом подключен ко второй линии порта микроконтроллера 8, настроенной как вход; микроконтроллер 8 фирмы Atmel серии ATtiny28L работает по заданному алгоритму (фиг.3) и по двенадцати линиям портов, настроенным как выход, соединен с четырехразрядным семисегментным знаковым индикатором 9 серии АЛС329Б, который индицирует численное значение мертвого хода механической передачи электропривода с точностью до тысячной доли градуса.
H
аз
1
0
H
аз
Устройство встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода (фиг.1) работает следующим образом. Перед вводом устройства в эксплуатацию в FLASH память программ микроконтроллера 8 вводятся численные значения:  Ω - номинальная скорость вращения электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [об/мин]; Т - постоянная времени апериодического звена первого порядка [с] - величина известная; k=U/U - кратность пускового напряжения величина постоянная и в зависимости от типа и мощности электродвигателя имеет значения k∈[1,10] (берется из технической документации на электродвигатель). Таким образом, в FLASH памяти программ микроконтроллера 8 всегда записаны численные значения  Ω, Т и k. Перед включением устройства в работу мертвый ход механической передачи 2 устанавливается в максимальное положение (как и в аналоге и прототипе), подается питание на формирователь импульсов 5, узел выявления экстремума напряжения 7 и микроконтроллер 8 (четырехразрядный знаковый индикатор 9 питается от микроконтроллера 8).
1
В момент времени t (фиг.2) в устройстве происходят следующие процессы: запускается в работу электродвигатель 1 и в его обмотке якоря возникает импульс пускового тока, который создает импульс напряжения на датчике
4
1
4max
5
1
5max
э
мх
4 u(t)=U, поступающий на формирователь 5 и апериодическое звено 6; формирователь импульсов 5 вырабатывает короткий импульс u(t)U, поступающий на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 включается в выполнение алгоритма (фиг.3) и начинает отсчет времени достижения экстремума Т на выходе апериодического звена 6 и времени выбора мертвого хода механической передачи Т.
1
2
4
5
6
6max
э
мх
В интервале времени t∈[t;t] (фиг.2) в устройстве протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 продолжает вращение, пусковой ток якоря и напряжение на датчике 4 u(t) уменьшаются по экспоненте; тихоходный вал механической передачи 2 остается неподвижным, так как происходит выбор мертвого хода, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя 5 равно нулю u(t)=0, а напряжение на выходе апериодического звена 6 u(t) нарастает и стремится к своему максимальному (экстремальному) значению U; микроконтроллер 8 производит отсчет времени достижения экстремума Т и времени выбора мертвого хода Т механической передачи.
2
4
5
2
6
2
6max
6
2
6max
мх
э
2
1
В момент времени t (фиг.2) в устройстве происходят следующие процессы: напряжение на датчике 4 u(t) продолжает уменьшаться по экспоненте, а напряжение на выходе формирователя 5 остается равным нулю u(t)=0; напряжение на выходе апериодического звена 6 достигает своего экстремального значения u(t)=U, а напряжение на выходе узла выявления экстремума 7 скачком принимает максимальное значение u(t)=U, которое подается на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т механической передачи и прекращает отсчет времени достижения экстремума Т=t-t, которое запоминается в SRAM памяти данных микроконтроллера 8 в размерности [с].
2
3
4
В интервале времени t∈[t;t] (фиг.2) в устройстве протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 продолжает вращение, пусковой ток якоря и напряжение на датчике 4 u(t) продолжают уменьшаются
5
мх
по экспоненте; тихоходный вал механической передачи 2 продолжает оставаться неподвижным, так как продолжается выбор мертвого хода, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя 5 равно нулю u(t)=0; микроконтроллер 8 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т механической передачи α.
3
4
3
4max
5
3
5max
мх
3
1
э
2
1
мх
3
1
H
аз
В момент времени t (фиг.2) в устройстве происходят следующие процессы: закончен выбор мертвого хода механической передачи 2, приходит во вращение тихоходный вал механической передачи 2 и нагрузка 3; нагрузка на электродвигатель 1 скачкообразно возрастает и в его обмотке якоря возникает второй импульс пускового тока, который создает второй импульс напряжения на датчике 4 u(t)=U, поступающий на формирователь импульсов 5; формирователь импульсов 5 вырабатывает второй короткий импульс u(t)=U, поступающий на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода Т=t-t и запоминает его значение в своей SRAM памяти данных в размерности [с]; таким образом, в этот момент времени в SRAM памяти данных микроконтроллера 8 оказываются записанными численные значения Т=t-t и Т=t-t, а в FLASH памяти программ микроконтроллера 8 всегда записаны численные значения  Ω, Т и k.
3
4
дв
дв
выч
4
3
В интервале времени t∈[t;t] (фиг.2) микроконтроллер по алгоритму, представленному на фиг.3, выполняет расчет величины электромеханической постоянной времени Т электродвигателя численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму, а затем с учетом величины Т производит расчет измеряемой величины мертвого хода механической передачи α электропривода и высвечивает его значение на четырехзначном знаковом индикаторе с точностью до тысячной доли градуса, затрачивая на весь процесс до десятых долей секунды (на фиг.2 это время показано, как T=t-t). Выражения (2) и (1) для обобщенной блок-схемы алгоритма (фиг.3) после упрощений принимают вид:
[с]; (3)
[градус], (4)
эP
двP
где Т - текущее расчетное время достижения экстремума в блок-схеме алгоритма работы микроконтроллера (фиг.3), Т - текущая расчетная величина постоянной времени электродвигателя в блок-схеме алгоритма работы микроконтроллера (фиг.3), а условие существования экстремума определяется положительным значением знаменателя функции под логарифмом формулы (3)
[с]; (5)
H
аз
э
мх
эP
двP
двH
двB
р
двB
двH
На фиг.3 показаны блоки, реализующие алгоритм расчета мертвого хода механической передачи α. В блоке 1Б на фиг.3 (1Б обозначает - первый блок в блок-схеме алгоритма на фиг.3) осуществляется инициализация микроконтроллера: FLASH памяти программ (там записаны  Ω, Т, k, Δ и β, где Δ - заданная точность численного решения трансцендентного выражения (3) [с], а β - признак расчетного времени достижения экстремума); SRAM памяти данных (там записаны Т и Т); специальных регистров; настройка линий портов на выполнение заданных функций ввода-вывода; выделение в SRAM памяти данных регистров: текущего расчетного времени достижения экстремума Т, текущей расчетной величины постоянной времени электродвигателя Т, текущих нижнего и верхнего граничных значений постоянной времени электродвигателя Т и Т, текущей точности численного решения трансцендентного выражения (3) Δ=Т-Т и рассчитанной величины мертвого хода механической передачи α. В блоке 2Б (фиг.3) задаются минимальное (начальное), с учетом выражения (5), значение расчетной величины постоянной времени электродвигателя
двP
аз
эР
двР
двН
двВ
эР
э
двН
двВ
эР
э
двР
р
Т=Т[(1+Δ)/(k+1)] и начальное значение признака расчетного времени достижения экстремума β=0. В блоке 3Б (фиг.3) из трансцендентного выражения (3) производится расчет текущего расчетного времени достижения экстремума Т. Блоки 4Б, 6Б, 9Б, 10Б и 14Б (фиг.3) являются блоками проверки выполнения условий, указанных в самих блоках на фиг.3. В блоках 7Б и 8Б (фиг.3) задаются текущие численные значения Т, Т и Т при выполнении условия Т<Т. В блоках 11Б и 12Б (фиг.3) задаются текущие численные значения Т и Т при невыполнении условия Т<Т. В блоке 13Б (фиг.3) задается текущее численное значение Т методом половинного разбиения и текущая точность численного решения трансцендентного выражения (3) Δ. В блоке 15Б (фиг.3) производится расчет величины мертвого хода механической передачи α по выражению (5) и в блоке 16Б (фиг.3) значение α выводится на четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор 9 (фиг.1), который высвечивает численное значение α с точностью до тысячной доли градуса.
1
4
изм
мх
выч
В интервале времени t∈[t;t] (фиг.2) полезная модель (фиг.1) затрачивает время, равное Т=T+Т (см. фиг.2), на весь процесс измерения мертвого хода механической передачи α по блок-схеме алгоритма (фиг.3) составляющее десятые доли секунды.
Применение в устройстве восьмибитного микроконтроллера 8 (фиг.1) фирмы Atmel серии ATtiny28L с FLASH памятью программ в 2 Кбайта, SRAM памятью данных в 32 байта и четырехразрядного семисегментного знакового индикатора 9 (фиг.1) серии АЛС329Б обеспечило:
1) сокращение времени вычисления мертвого хода на два-три порядка, так как микроконтроллер все вычисления производит автоматически в конце процесса измерения постоянной времени и мертвого хода за время не превышающее десятых долей секунды (в прототипе на эту процедуру требуются единицы минут) и сразу же выдает результат в градусах с точностью до тысячной доли градуса на четырехзначном знаковом индикаторе.
2) уменьшение сложности конструкции, так как блок-схема полезной модели не содержит десять блоков прототипа (электронный коммутатор, генератор импульсов, две счетные схемы с индикацией, два триггера, три логические схемы «И» и логическую схему «НЕ», выполненные на дискретных радиоэлементах), но выполняет более сложные функции;
3) увеличение надежности работы предлагаемой полезной модели за счет уменьшения сложности конструкции устройства.