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. Полезной моделью решается задача осуществления встроенного контроля и индикации результатов контроля электромеханической постоянной времени электродвигателей постоянного или переменного токов и мертвых ходов механических передач электроприводов постоянного или переменного токов. 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, при этом в устройство 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 выходу формирователя 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.

Иллюстраций - 2.

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. ₌ рассчитывается по формуле

где _H [об/мин] - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного тока, а Т_ЭД [с] - электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока.

Величины _H и Т_ЭД известны, они берутся из технической документации на электродвигатель постоянного тока и записываются заранее в FLASH-память программ микроконтроллера. Величина Т_МХ в аналоге измеряется и записывается в регистры данных микроконтроллера ATtiny28L, который по заданному алгоритму, реализующему выражение (1), производит расчет мертвого хода механической передачи ₌ электропривода постоянного тока и высвечивает его значение на знаковом индикаторе АЛС329Б.

Аналогу присущи следующие основные недостатки:

- отсутствует возможность измерения и учета электромеханической постоянной времени электродвигателя Т_ЭД, 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 ₌ электропривода постоянного тока по формуле (1);

- невозможно использовать аналог для измерения мертвых ходов механических передач электроприводов переменного тока .

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 ₌ электропривода постоянного тока осуществляется в два этапа.

На первом этапе измеряется электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока Т_ЭД , для чего измеряется время достижения экстремума напряжения выходного сигнала апериодического звена первого порядка Т _Э, которое для прототипа определяется выражением

где Т_АЗ - постоянная времени апериодического звена первого порядка [с] - величина известная; k=U₁/U₀ - отношение амплитуды экспоненциальной составляющей напряжения на датчике U₁, в момент пуска электродвигателя и постоянной составляющей напряжения на датчике U₀ 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).

В выражении (2) численные значения Т_Э (измеряется в прототипе), k и Т_АЗ - известны, а искомой величиной является - электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока Т_эд. Уравнение (2) относительно Т _эд является трансцендентным и в прототипе решается численным методом по разработанному алгоритму работы микроконтроллера ATtiny28L.

На втором этапе найденное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока Т_эд подставляется в выражение (1) и в микроконтроллере ATtiny28L производится расчет мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока ₌, 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 , хотя электроприводы переменного тока находят широкое применение в народном хозяйстве и специальной технике;

- в прототипе выводится на индикацию только численное значение мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока ₌, а численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного тока Т_ЭД не индицируется, хотя этот параметр входит в передаточную функцию электропривода и является определяющим в точности, быстродействии и устойчивости работы электропривода.

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 _Эд как постоянного (Т_ЭД=), так и переменного токов (T_ЭД) и мертвых ходов механических передач электроприводов как постоянного (₌), так и переменного токов (). Индекс при измеряемых параметрах электромеханической постоянной времени электродвигателей Т_ЭД и мертвых ходов механических передач электроприводов 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:

- выполнять в микроконтроллере расчет величины электромеханической постоянной времени Т_ЭД электродвигателя

постоянного или переменного тока численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму и высвечивать ее значение в четырех старших разрядах девятиразрядного знакового индикатора;

- с учетом полученной величины электромеханической постоянной времени Т_ЭД производить расчет измеряемой величины мертвого хода

механической передачи, электропривода постоянного или переменного тока и высвечивает его значение в четырех младших разрядах девятиразрядного знакового индикатора;

- сохранять измеренные значения электромеханической постоянной времени Т_ЭД и мертвого хода механической передачи 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:

1. Перед вводом устройства в эксплуатацию в FLASH-память программ микроконтроллера 9 вводятся численные значения: _H [об/мин] - номинальная скорость вращения электродвигателя постоянного или переменного тока (берется из технической документации на электродвигатель) Т_AЗ [с] - постоянная времени апериодического звена первого порядка - величина известная;, k=U₁₌/U₀₌=U₁/U₀=U₁/U₀ - 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 _H, T_AЗ 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_ЭД и , измеренные в предшествующем цикле работы устройства.

2. В момент времени t₁ (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 u₄(t₁)=U_4max - для двигателя переменного тока (фиг.2б) и u ₄₌(t₁)=U_4max= - 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 u₅(t₁ )=U_5max=U_4max=U_4max=, который поступает на формирователь импульсов 6 и апериодическое звено первого порядка 7; формирователь импульсов 6 вырабатывает короткий импульс (фиг. 2г) u₆ (t₁)=U_6max, поступающий на микроконтроллер 9, который готовится к отсчету времени достижения экстремума Т_Э на выходе апериодического звена 7 и времени выбора мертвого хода механической передачи 2 Т_MX.

3. B интервале времени t[t₁, t₂] встроенном контроллере параметров объекта протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 начинает и продолжает вращение; пусковой ток электродвигателя 1,, напряжение на датчике 4 u₄₌(t}, u₄(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u₅(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 u₆(t)=0, а напряжение на выходе апериодического звена 7 (фиг.2д) u₇(t) нарастает и стремится к своему максимальному (экстремальному) значению U_7max; микроконтроллер 9 производит отсчет текущего времени достижения экстремума Т _Э и времени выбора мертвого хода Т_MX механической передачи 2.

4. В момент времени t₂ (фиг.2) встроенном контроллере параметров объекта происходят следующие процессы: напряжение на датчике 4 u₄₌(t), u₄(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u₅(t) продолжают уменьшаться по экспоненте (фиг.2а, 2б, 2в), а напряжение на выходе формирователя импульсов 6 (фиг.2г) остается равным нулю u₆ (t)=0; напряжение на выходе апериодического звена 7 на фиг 2д достигает своего экстремального значения u₇(t₂)=U_7max , a напряжение на выходе узла выявления экстремума 8 скачком (фиг.2е) принимает максимальное значение u₈(t ₂)=U_8max которое подается на микроконтроллер 9; микроконтроллер 9 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т_МХ механической передачи 2 и прекращает отсчет времени достижения экстремума Т_Э=t₂-t₁ которое запоминается в SRAM памяти данных микроконтроллера 9.

5. В интервале времени t[t₂, t₃] (фиг.2) в встроенном контроллере параметров объекта протекают следующие физические процессы: напряжение на датчике 4 u₄(t), u4(t) и напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 5 u₅(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 u₆(t)=0; микроконтроллер 9 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т_MX механической передачи 2.

6. В момент времени t₃ (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 ₅(t₃)=U_5max=U_4max=U_4max= (см. Фиг. 2а, 2б, 2в), поступающий на формирователь импульсов 6; формирователь импульсов 6 вырабатывает (фиг.2г) второй короткий импульс u₆(t₃)=U _6max, поступающий на микроконтроллер 9; микроконтроллер 9 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода Т_МХ=t₃-t₁ 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_Э=t₂-t₁ и Т_МХ=t₃-t₁ а FLASH-памяти программ микроконтроллера 9 всегда записаны численные значения _H, Т_А3 и k.

7.В интервале времени при t>t ₃ (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 - поминальная скорость вращения электродвигателя 1 постоянного или переменного тока,

Т_АЗ - постоянная времени апериодического звена первого порядка 7,

k=U₁/U₀ - кратность пускового напряжения на датчике контроля 4 электропривода постоянного или переменного тока;

- измерены и записаны в SRAM-памяти данных микроконтроллера 9:

T_MX - время выбора мертвого хода механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока,

Т_Э - 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):

Т _ЭД - электромеханической постоянной времени электродвигателя постоянного или переменного тока в выражении (3),

- мертвый ход механической передачи электропривода постоянного или переменного тока.

Алгоритм работы микроконтроллера 9 сводится к последовательному решению уравнений (3) и (4):

1. У равнение (3) относительно искомого параметра Т_ЭД 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_ЭД 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 Т_ЭДостается в SRAM-памяти данных, записывается в EEPROM-памяти данных микроконтроллера 9 и высвечивается в четырех старших разрядах девятиразрядного знакового индикатора 10.

2. Уравнение (4) относительно искомого параметра легко решается в аналитическом виде. В алгоритме работы микроконтроллера 9 в правую часть выражения (4) подставляются известные численные значения параметров: _H - из FLASH-память программ, а Т_ЭД и Т_MX - из SRAM-памяти данных микроконтроллера 9. В результате полученное численное значение мертвого хода механической передачи 2 электропривода постоянного или переменного тока 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:

1) измерение величины электромеханической постоянной времени Т_ЭДэлектродвигателя 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 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;

3) сохранение измеренных значений Т_ЭД и 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;

4) время расчета Т_ЭД и по алгоритму работы микроконтроллером 9 не превышает десяти миллисекунд.

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, отличающийся тем, что в устройство 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 выходу формирователя 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.