ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам встроенного контроля электромеханических постоянных времени электродвигателей и мертвых ходов механических передач электроприводов постоянного и переменного токов в ходе их эксплуатации без демонтажа механических передач и электродвигателей.
=
Известен аналог - Патент РФ на полезную модель № 66869, МПК: H02K 7/10, Н02Р 5/00. Электропривод постоянного тока с устройством мертвого хода механической передачи / Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. // Бюл. №27 от 27.09.2007, 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; восьмибитный микроконтроллер ATtiny28L и четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС329Б. В аналоге измеряемая величина мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока. α рассчитывается по формуле
H
ЭД
где Ω [об/мин] - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного тока, а Т [с] - электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока.
H
ЭД
МХ
=
Величины Ω и Т известны, они берутся из технической документации на электродвигатель постоянного тока и записываются заранее в FLASH-память программ микроконтроллера. Величина Т в аналоге измеряется и записывается в регистры данных микроконтроллера ATtiny28L, который по заданному алгоритму, реализующему выражение (1), производит расчет мертвого хода механической передачи α электропривода постоянного тока и высвечивает его значение на знаковом индикаторе АЛС329Б.
Аналогу присущи следующие основные недостатки:
ЭД
=
- отсутствует возможность измерения и учета электромеханической постоянной времени электродвигателя Т, которая существенно изменяется в процессе эксплуатации электропривода постоянного тока и зависит от температуры окружающей среды (вязкость смазки) и технического состояния (степени обслуживания) электродвигателя, что снижает точность измерения и вычисления мертвого хода механической передачи α электропривода постоянного тока по формуле (1);
≈
- невозможно использовать аналог для измерения мертвых ходов механических передач электроприводов переменного тока α.
=
Известен прототип - Патент РФ на полезную модель №77121, МПК: Н02K 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 АЛС-329Б. В прототипе измерение мертвого хода механической передачи α электропривода постоянного тока осуществляется в два этапа.
ЭД
Э
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 для прототипа определяется выражением
АЗ
1
0
1
0
где 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
эд
эд
В выражении (2) численные значения Т (измеряется в прототипе), k и Т - известны, а искомой величиной является - электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока Т. Уравнение (2) относительно Т является трансцендентным и в прототипе решается численным методом по разработанному алгоритму работы микроконтроллера ATtiny28L.
эд
=
=
На втором этапе найденное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока Т подставляется в выражение (1) и в микроконтроллере ATtiny28L производится расчет мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока α, а численное значение а высвечивается на четырехразрядном семисегментном знаковом индикаторе АЛС329Б.
Прототип лишен первого недостатка аналога, но ему присущи следующие недостатки:
≈
- невозможно использовать прототип для измерения мертвых ходов и электромеханических постоянных времени механических передач электроприводов переменного тока α, хотя электроприводы переменного тока находят широкое применение в народном хозяйстве и специальной технике;
=
ЭД
- в прототипе выводится на индикацию только численное значение мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока α, а численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока Т не индицируется, хотя этот параметр входит в передаточную функцию электропривода и является определяющим в точности, быстродействии и устойчивости работы электропривода.
Эд≃
ЭД=
ЭД≈
≃
=
≈
ЭД≃
≃
Предлагаемой полезной моделью - встроенным контроллером параметров объекта (электропривода постоянного или переменного тока) решается задача осуществления встроенного контроля и индикации результатов контроля электромеханической постоянной времени электродвигателей Т как постоянного (Т), так и переменного токов (T) и мертвых ходов механических передач электроприводов α как постоянного (α), так и переменного токов (α). Индекс ≃ при измеряемых параметрах электромеханической постоянной времени электродвигателей Т и мертвых ходов механических передач электроприводов α указывает на то, что полезная модель - встроенный контроллер параметров объекта может работать в электроприводах как постоянного, так и переменного токов.
Поставленная задача достигается тем, что во встроенный контроллер параметров объекта, содержащий электродвигатель постоянного или переменного тока, соединенный с нагрузкой через контролируемую механическую передачу, датчик контроля, встроенный в электродвигатель, формирователь импульсов, апериодическое звено первого порядка, узел выявления экстремума напряжения, вход которого подключен к выходу апериодического звена первого порядка, введены пиковый амплитудный детектор, вход которого подключен к датчику контроля, а выход соединен со входами формирователя импульсов и апериодического звена первого порядка, восьмибитный микроконтроллер ATmega8515L с FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А, первая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена, к выходуформирователя импульсов, вторая линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу узла выявления экстремума напряжения, а семнадцать линий портов микроконтроллера, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
За счет включения в полезную модель пикового амплитудного детектора, восьмибитного микроконтроллера фирмы «Atmel» серии ATmega8515L с FLASH-памятью программ в 8 Кбайт, EEPROM-памятью данных в 512 байт, SRAM-памятью данных в 512 байт и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А обеспечена возможность:
ЭД≃
- выполнять в микроконтроллере расчет величины электромеханической постоянной времени Т электродвигателя
постоянного или переменного тока численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму и высвечивать ее значение в четырех старших разрядах девятиразрядного знакового индикатора;
ЭД≃
- с учетом полученной величины электромеханической постоянной времени Т производить расчет измеряемой величины мертвого хода
≃
механической передачи, α электропривода постоянного или переменного тока и высвечивает его значение в четырех младших разрядах девятиразрядного знакового индикатора;
ЭД≃
≃
- сохранять измеренные значения электромеханической постоянной времени Т и мертвого хода механической передачи α в EEPROM-памяти микроконтроллера полезной модели при отключенном электропитании сколько угодно долго.
Кроме того, из устройства - прототипа исключены микроконтроллер фирмы Atmel серии ATtiny28L и четырехразрядный знаковый индикатор АЛС329Б (они не способны выполнять поставленные перед полезной моделью задачи).
На фиг.1 изображена блок - схема встроенного, контроллера параметров объекта, а на фиг.2 - временные диаграммы работы встроенного контроллера параметров объекта.
Встроенный контроллер параметров объекта 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; узел выявления экстремума напряжения 8, выполненный на операционном усилителе, входом, подключен к выходу апериодического звена первого порядка 7; формирователь импульсов 6 выходом подключен к первой линии порта микроконтроллера 9, настроенной как вход, а узел выявления, экстремума 8 выходом подключен ко второй линии порта микроконтроллера 9, настроенной как вход; микроконтроллер 9 фирмы Atmel серии ATmega8515.L работает по заданному алгоритм)/ и по семнадцати линиям портов, настроенным, как выход, соединен с девяти разрядным семисегметным знаковым индикатором 10 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 объекта (фиг.1) работает следующим образом:
H≃
AЗ
≃
1=
0=
1≈
0≈
1≃
0≃
≃
≃
H≃
AЗ
≃
ЭД≃
≃
1. Перед вводом устройства в эксплуатацию в FLASH-память программ микроконтроллера 9 вводятся численные значения: Ω [об/мин] - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного или переменного тока (берется из технической документации на электродвигатель) 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 или пиковом амплитудном детекторе 5 (фиг.1). Кратность пускового напряжения k - величина постоянная и в зависимости от типа и мощности электродвигателя постоянного или переменного тока имеет значения k∈[1,10] (берется из технической документации на электродвигатель). Таким образом, в FLASH-памяти программ: микроконтроллера 9 всегда записаны численные значения Ω, T и k. Перед включением устройства в работу мертвый ход механической передачи 2 устанавливается в максимальное положение (как и в аналоге и прототипе) и подается питание на встроенный контроллер параметров объекта. Кроме того, если включение в работу устройства происходит не первый раз, то в EEPROM-памяти данных микроконтроллера 9 будут записаны T и α, измеренные в предшествующем цикле работы устройства.
1
4≈
1
4max≈
4=
1
4max=
5
1
5max
4max≈
4max=
6
1
6max
Э≃
MX≃
2. В момент времени t (фиг.2) в встроенном контроллере параметров объекта происходят следующие процессы: запускается в работу электродвигатель 1 переменного или постоянного тока и в его обмотке статора или обмотке якоря возникает импульс пускового тока, который создает на датчике 4 импульс напряжения u(t)=U - для двигателя переменного тока (фиг.2б) и u(t)=U - для двигателя постоянного тока (фиг.2а); так как пиковый амплитудный детектор 5 является без инерционным но 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, так и для электродвигателя постоянного тока 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, поступающий на микроконтроллер 9, который готовится к отсчету времени достижения экстремума Т на выходе апериодического звена 7 и времени выбора мертвого хода механической передачи 2 Т.
1
2
4=
4≈
5
6
7
7max
Э≃
MX≃
3. B интервале времени t∈[t, t] встроенном контроллере параметров объекта 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.2 г) равно нулю u(t)=0, а напряжение на выходе апериодического звена 7 (фиг.2д) u(t) нарастает и стремится к своему максимальному (экстремальному) значению U; микроконтроллер 9 производит отсчет текущего времени достижения экстремума Т и времени выбора мертвого хода Т механической передачи 2.
2
4=
4≈
5
6
7
2
7max
8
2
8max
МХ≃
Э≃
2
1
4. В момент времени t (фиг.2) встроенном контроллере параметров объекта 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 (фиг.2г) остается равным нулю u (t)=0; напряжение на выходе апериодического звена 7 на фиг 2д достигает своего экстремального значения u(t)=U, a напряжение на выходе узла выявления экстремума 8 скачком (фиг.2е) принимает максимальное значение u(t)=U которое подается на микроконтроллер 9; микроконтроллер 9 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т механической передачи 2 и прекращает отсчет времени достижения экстремума Т=t-t которое запоминается в SRAM памяти данных микроконтроллера 9.
2
3
4≈
≃
5
6
MX≃
5. В интервале времени t∈[t, t] (фиг.2) в встроенном контроллере параметров объекта протекают следующие физические процессы: напряжение на датчике 4 u(t), u4(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u(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 (фиг.2г) равно нулю u(t)=0; микроконтроллер 9 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т механической передачи 2.
3
5
3
5max
4max≈
4max=
6
3
6max
МХ≃
3
1
Э≃
2
1
МХ≃
3
1
H≃
А3
≃
6. В момент времени t(фиг.2) в встроенном контроллере параметров объекта 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 формируется второй импульс напряжения на датчике 4 и на выходе пикового амплитудного детектора 5 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 9; микроконтроллер 9 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода Т=t-t и запоминает его значение в своей SRAM-памяти данных; таким образом, в этот момент времени в SRAM-памяти данных микроконтроллера 9 оказываются записанными численные значения Т=t-t и Т=t-t а FLASH-памяти программ микроконтроллера 9 всегда записаны численные значения Ω, Ти k.
3
7.В интервале времени при t>t (Фиг 2) микроконтроллер по своему алгоритму работы выполняет расчеты по двум выражениям:
где в рассматриваемый момент времени:
- известны и записаны в FLASH-память программ микроконтроллера 9:
H≃
Ω - поминальная скорость вращения электродвигателя 1 постоянного или переменного тока,
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 9:
MX≃
≃
T - время выбора мертвого хода α механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока,
Э≃
Т - время достижения экстремума напряжения выходного сигнала апериодического звена 7 в электроприводе постоянного или переменного тока;
- неизвестны и являются искомыми величинами в выражениях (3) и (4):
ЭД≃
Т - электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного или переменного тока в выражении (3),
≃
α - мертвый ход механической передачи электропривода постоянного или переменного тока.
Алгоритм работы микроконтроллера 9 сводится к последовательному решению уравнений (3) и (4):
ЭД≃
ЭД≃
ЭД≃
1. У равнение (3) относительно искомого параметра Т в аналитическом виде неразрешимо, так как оно является трансцендентным. В алгоритме работы микроконтроллера 9 уравнение (3) решается численным методом с применением оптимизации шагов решения методом половинного разбиения. Для получения Т численным методом с точностью до тысячной доли секунды необходимо 9-11 шагов половинного разбиения. В результате полученное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя 1 постоянного или переменного тока Тостается в SRAM-памяти данных, записывается в EEPROM-памяти данных микроконтроллера 9 и высвечивается в четырех старших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 10.
≃
H≃
ЭД≃
MX≃
≃
2. Уравнение (4) относительно искомого параметра α легко решается в аналитическом виде. В алгоритме работы микроконтроллера 9 в правую часть выражения (4) подставляются известные численные значения параметров: Ω - из FLASH-память программ, а Т и Т - из SRAM-памяти данных микроконтроллера 9. В результате полученное численное значение мертвого хода механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока α остается в SRAM-памяти данных, записывается в EEPROM-память данных микроконтроллера 9 и высвечивается в четырех младших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 10.
Применение в встроенном контроллере параметров объекта (фиг.1): пикового амплитудного детектора 5; восьмибитного микроконтроллера 9 фирмы «Atmel» серии ATmega8515L с FLASH-памятью программ - 8 Кбайт, SRAM-памятью данных - 512 байт, EEPROM-памятью данных - 512 байт и девятиразрядного семисегментного знакового индикатора 10 (фиг.1) серии АЛС356А обеспечило расширение функциональных возможностей:
ЭД≃
1) измерение величины электромеханической постоянной времени Тэлектродвигателя 1, постоянного или переменного тока с точностью до тысячной долы секунды и индикацию ее численного значения в четырех старших, разрядах девятиразрядного знакового индикатора 10;
≃
2) измерение величины мертвого хода α механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока с точностью до тысячной доли градуса и индикацию его численного значения в четырех младших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 10;
ЭД≃
≃
3) сохранение измеренных значений Т и α в EEPROM-памяти микроконтроллера 9 полезной модели при отключенном электропитании сколько угодно долго, что необходимо для учета этих значений в технической документации на электропривод при прогнозировании отказов;
ЭД≃
≃
4) время расчета Т и α по алгоритму работы микроконтроллером 9 не превышает десяти миллисекунд.