Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме реального времени
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для построения испытательных стендов новых систем управления электроприводом и автоматизации. Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени содержит внешний интерфейс 1, блок 2 обработки, имитатор 3 сигнала управления, имитатор 4 сигнала нагрузки, имитатор 5 датчиков, также блок оперативной памяти 6 и имитатор 7 электродвигателя. Выход 8 внешнего интерфейса 1 соединен с входом 9 блока 2 обработки, выход 10 блока 2 обработки соединен с входом 11 имитатора 3 сигнала управления, выход 12 блока 2 обработки соединен со входом 13 имитатора 4 сигнала нагрузки, выходы 14 имитатора 3 сигнала управления соединен со входом 15 имитатора 7 модели, выход 16 имитатора 4 сигнала нагрузки соединен со входом 17 имитатора 7 модели, выход 18 имитатора 7 модели соединен со входом 19 имитатора 5 датчиков, выход 20 имитатора 7 модели соединен со входом 21 имитатора 5 датчиков, выход 22 имитатора 5 датчиков соединен со входом 23 блока 2 обработки, выход 24 имитатора 5 датчиков соединен со входом 25 блока 2 обработки, выход 26 блока 2 обработки соединен со входом 27 блока оперативной памяти 6. В предлагаемом устройстве для моделирования работы электропривода постоянного тока в режиме «реального» времени используется модель, структура которой реализует систему дифференциальных уравнений, описывающую работу электродвигателя постоянного тока Решение алгебраической системы производится на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), которая обеспечивает вычисление тока и скорости вращения в реальном масштабе времени. Использование ПЛИС дает возможность реализовать блоки решения данной системы уравнений в режиме «реального» времени, благодаря чему возможна отладка любых систем управления без необходимости иметь всю номенклатуру электродвигателей. Кроме того устройство имеет возможность задавать механическую нагрузку на валу электродвигателя, отслеживая при этом потребляемый ток и скорость вращения вала.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для построения испытательных стендов новых систем управления электроприводом и автоматизации.
Известны устройства для моделирования работы электродвигателей постоянного тока, выполняемые на основе суммирующего интегратора, позволяющего учесть механическую инерционность двигателя. Данные модели отличаются простотой, однако обеспечивают исследование динамических режимов электродвигателя с низкой точностью, так как не учитывают электромагнитной инерционности его якорной цепи.
Из уровня техники известно устройство для моделирования работы электродвигателей постоянного тока, обеспечивающее повышение точности моделирования за счет учета как механической, так и электромагнитной инерционности электродвигателя. Дальнейшее повышение точности моделирования осуществляется в указанных технических решениях путем отражения в схеме модели особенностей, вызванных питанием электродвигателей от вентильных преобразователей (Авторское свидетельство SU 
1330641 A1, кл. G06G 7/62, 1987 г.). Однако при этом, в модели нет возможности изменения ее параметров без внесения изменений в саму модель и эти изменения не учитываются, хотя они имеют место в некоторых режимах работы электродвигателя.
Кроме того, из уровня техники известно устройство для моделирования электродвигателя постоянного тока, состоящее из двух интеграторов, инвертора, переменного резистора и блока ключей (Авторское свидетельство РФ 2012055 C1 кл. G06G 7/62, 1994 г.). Известное устройство позволяет исследовать работу электродвигателя в двигательном режиме, режиме рекуперативного торможения, режиме динамического торможения, режиме противовключения, т.е. во всех режимах, для которых справедлива замкнутая структура электродвигателя с обратной связью по ЭДС. Устройство также позволяет смоделировать работу электродвигателя в режиме торможения "выбегом" (т.е. когда электродвигатель просто отключается от источника питания и тормозится под действием сил трения).
К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что система выполнена полностью на аналоговых компонентах, следовательно, точность параметров моделируемого электродвигателя сильно зависит от точности номиналов компонентов, входящих в состав этого устройства. Кроме того, в модели отсутствует возможность изменения внешнего механического момента и регистрации при этом электрического тока, потребляемого электродвигателем, и скорости вращения вала электродвигателя.
Техническим результатом, на решение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение эффективности разработки и исследования новых систем управления электроприводом постоянного тока за счет использования программируемой логической интегральной схемы.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени содержит коммутационно связанные внешний интерфейс, блок обработки, имитатор сигнала управления, имитатор сигнала нагрузки, имитатор датчиков, а также оперативное запоминающее устройство и имитатор электродвигателя, при этом выход внешнего интерфейса соединен с входом блока обработки, а выход блока обработки соединен с входом имитатора сигнала управления, кроме того, выход блока обработки соединен со входом имитатора сигнала нагрузки, выход имитатора сигнала управления и выход имитатора сигнала нагрузки соединены с входами имитатора электродвигателя, а выходы имитатора электродвигателя соединены с входами имитатора датчиков, выходы имитатора датчиков соединены с входами блока обработки, и выход блока обработки соединен с входом оперативного запоминающего устройства.
Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени поясняется графическим материалом, где схематично изображена блок-схема устройства.
Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени содержит внешний интерфейс 1, блок 2 обработки, имитатор 3 сигнала управления, имитатор 4 сигнала нагрузки, имитатор 5 датчиков, также блок оперативной памяти 6 и имитатор 7 электродвигателя. Выход 8 внешнего интерфейса 1 соединен с входом 9 блока 2 обработки, выход 10 блока 2 обработки соединен с входом 11 имитатора 3 сигнала управления, выход 12 блока 2 обработки соединен со входом 13 имитатора 4 сигнала нагрузки, выходы 14 имитатора 3 сигнала управления соединен со входом 15 имитатора 7 модели, выход 15 имитатора 4 сигнала нагрузки соединен со входом 16 имитатора 7 модели, выход 17 имитатора 7 модели соединен со входом 20 имитатора 5 датчиков, выход 19 имитатора 7 модели соединен со входом 20 имитатора 5 датчиков, выход 21 имитатора 5 датчиков соединен со входом 22 блока 2 обработки, выход 23 имитатора 5 датчиков соединен со входом 24 блока 2 обработки, выход 25 блока 2 обработки соединен со входом 26 блока оперативной памяти 6.
Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени работает следующим образом.
Интерфейс 1 посылает сигнал с заданными пользователем параметрами напряжения и механического момента в блок 2 обработки. Блок 2 обработки передает в блок 6 оперативной памяти полученные от интерфейса 1 параметры. Блок 6 оперативной памяти записывает полученные данные в ячейку памяти. По команде, полученной от интерфейса 1, блок 2 обработки выводит записанные в блок 6 оперативной памяти входные данные о напряжении и моменте на выходы 10 и 11, соответственно. Блок 2 обработки посылает соответствующие данные на имитатор 3 сигнала управления, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый, имитирующий напряжение V и посылает его в имитатор 7. Имитатор 4 сигнала нагрузки преобразует цифровой сигнал в аналоговый, имитирующий внешний механический момент Мвн, и посылает его в имитатор 7. Поступающие на вход сигналы о напряжении и внешнем механическом моменте обрабатываются моделью в соответствии с ее внутренней структурой, адаптированной под электродвигатель постоянного тока. В результате обработки имитатор 7 отправляет полученные данные о текущих значениях тока и скорости вращения на имитатор 5 датчиков, который преобразует полученные данные и передает их в блок 2 обработки. Блок 2 обработки передает полученные данные в блок 6 оперативной памяти. Блок 6 оперативной памяти записывает полученные данные в ячейку памяти. После завершения процесса работы модели, через интерфейс 1 данные о токе и скорости вращения передаются внешним системам с числовым программным управлением. Данные о внешнем механическом моменте имитатор сигнала нагрузки может получать от внешнего источника, задаваемого пользователем.
В предлагаемом устройстве для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени используется модель, структура которой реализует систему дифференциальных уравнений, описывающую работу электродвигателя постоянного тока.
где i(t) - ток на обмотках статора [A], R - сопротивление статора [Ом], V - напряжение на обмотках статора [В], 
(t) - круговая частота вращения ротора [рад/с], 
- коэффициент трения, Ke - конструктивная постоянная момента, Mвн - внешний механический момент [Нм], J - момент инерции [кгм2]
Данная система преобразуется по методу Рунге-Кутта 4-го порядка в алгебраическую систему уравнений:
где E1
E8 - константы, зависящие от параметров двигателя постоянного тока. Решение алгебраической системы производится на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), которая входит в состав имитатора 7 электродвигателя. ПЛИС обеспечивает вычисление тока и скорости вращения в реальном масштабе времени по системе уравнений, приведенной выше. Данная система уравнений может быть реализована в ПЛИС с помощью языков описания электронных схем (например, VHDL).
Повышение эффективности разработки новых систем управления достигается тем, что уменьшается время разработки, т.к. отсутствует необходимость в источнике питания и силовом преобразователе и, соответственно, отладка систем управления ведется с использованием имитатора. Кроме того, повышается качество разработки за счет возможности имитировать любой электродвигатель постоянного тока с любой нагрузкой, что в других условиях требует создания специального стенда и наличия всей номенклатуры электродвигателей постоянного тока. Использование ПЛИС дает возможность реализовать блоки решения данной системы уравнений в режиме «реального» времени, благодаря чему возможна отладка любых систем управлением (в том числе, с числовым программным управлением (ЧПУ)) без необходимости иметь всю номенклатуру электродвигателей постоянного тока. Кроме того, устройство имеет возможность задавать механическую нагрузку на валу электродвигателя, отслеживая при этом потребляемый ток и скорость вращения вала, что позволяет моделировать процесс резания в различных режимах.
Таким образом, осуществляется контроль потребляемого тока и скорости вращения вала модели электродвигателя постоянного тока в режиме «реального» времени и управление его работой.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении может найти применение при разработке новых систем с числовым программным управлением, а также при разработке и отладке алгоритмов управления;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условию патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Устройство для моделирования работы электродвигателя постоянного тока в режиме реального времени, содержащий коммутационно связанные внешний интерфейс, блок обработки, имитатор сигнала управления, имитатор сигнала нагрузки, имитатор датчиков, а также блок оперативной памяти и имитатор электродвигателя, при этом выход внешнего интерфейса соединен с входом блока обработки, а выход блока обработки соединен с входом имитатора сигнала управления, кроме того, выход блока обработки соединен с входом имитатора сигнала нагрузки, выход имитатора сигнала управления и выход имитатора сигнала нагрузки соединены с входами имитатора электродвигателя, а выходы имитатора электродвигателя соединены с входами имитатора датчиков, выходы имитатора датчиков соединены с входами блока обработки, и выход блока обработки соединен с входом блока оперативной памяти.
