Двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля
Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам встроенного контроля мертвых ходов двухзвенных механических передач электроприводов постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа двухзвенных механических передач и электродвигателей.
Полезной моделью решаются задачи: уменьшения времени вычисления мертвых ходов двухзвенной механической передачи в тысячи раз; исключение ручных вычислений мертвых ходов и индикация их значений в градусах с точностью до тысячной доли градуса; упрощение конструкции и повышение надежности устройства.
Двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля, содержащий электродвигатель постоянного тока, соединенный с нагрузкой через двухзвенную механическую передачу, датчик контроля мертвых ходов двухзвенной механической передачи, встроенный в электродвигатель, формирователь импульсов, вход которого подключен к датчику контроля мертвых ходов, при этом в устройство введены микроконтроллер PIC16F873 и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А, одна линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов, а шестнадцать линий портов, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
Иллюстраций - 2.
Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к устройствам встроенного контроля мертвых ходов двухзвенвых механических передач электроприводов постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа двухзвенных механических передач и электродвигателей.
Известен аналог - «Электропривод постоянного тока» (авторское свидетельство SU 1277301 А1, МПК Н02К 11/00, 7/10, Бюл. №46 от 15.12.86 г.), содержащий: однозвенную механическую передачу с рабочей нагрузкой; приводной электродвигатель постоянного тока, в якорную обмотку которого последовательно включен датчик - активное сопротивление с величиной на два порядка меньше сопротивления обмотки якоря электродвигателя; формирователь импульсов; электронный коммутатор; логическую схему «И» на два входа; генератор импульсов и счетную схему. В аналоге измеряется время выбора мертвого хода и по формуле вручную производится расчет мертвого хода однозвенной механической передачи.
Аналогу присущи следующие основные недостатки:
1) отсутствует возможность измерения мертвых ходов двухзвенных механических передач;
2) большие затраты времени (десятки секунд) на вычисления мертвого хода даже однозвенной механической передачи по формуле вручную, что увеличивает вероятность получения ошибки вычислений;
3) высокая сложность конструкции устройства контроля мертвого хода однозвенной 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 однозвенной механической передачи электропривода.
Наиболее близким техническим решением - прототипом, является «Электропривод постоянного тока с двухзвенной механической передачей» (авторское свидетельство SU 1410250 А1, МПК Н02Р 5/00, Бюл. №26 от 15.07.88 г.), содержащий: двухзвенную механическую передачу с рабочей нагрузкой; приводной электродвигатель постоянного тока, в якорную обмотку которого последовательно включен датчик контроля мертвых ходов - активное сопротивление с величиной на два порядка меньше сопротивления
обмотки якоря электродвигателя; формирователь импульсов; два триггера; две логические схемы «НЕ»; генератор импульсов; две логические схемы «И» на три входа; две счетные схемы. В прототипе отдельно измеряется время выбора мертвых ходов первого (быстроходного) звена 
1 и второго (тихоходного) звена 2 двухзвенной механической передачи, а формулы для расчета вручную мертвых ходов 1 и 2 имеют вид:
где 
н - номинальная скорость вращения электродвигателя [об/мин];
n1 - число импульсов подсчитанное первой счетной схемой, используемое для расчета 1;
n2 - число импульсов подсчитанное второй счетной схемой, используемое для расчета 2;
N - передаточное число первого (быстроходного) звена двухступенчатой механической передачи от входа к выходу звена;
Ти - период повторения импульсов генератора импульсов [с];
Т дв - электромеханическая постоянная времени электродвигателя [с].
Прототип лишен первого недостатка аналога, но остальные три недостатка еще в большей мере присущи и прототипу, а при современном уровне развития микропроцессорной схемотехники эти недостатки становятся существенными:
1) большие затраты времени (десятки секунд) на вычисления мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухзвенной механической передачи по формулам (1) и (2) вручную, что увеличивает вероятность получения ошибки вычислений;
2) высокая сложность конструкции устройства контроля мертвых ходов 1 и 2 двухзвенной механической передачи - это построенные на дискретных радиоэлементах: формирователь импульсов; два триггера; две логические схемы «НЕ»; генератор импульсов; две логические схемы «И» на три входа; две счетные схемы (количество блоков в два раза больше чем в аналоге);
3) низкая надежность, определяемая высокой сложностью конструкции устройства встроенного контроля мертвых ходов 1 и 2 двухзвенной механической передачи электропривода.
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи: уменьшения времени вычисления мертвых ходов 1 и 2 двухзвенной механической передачи в тысячи раз; исключение ручного вычисления мертвых ходов 1 и 2 и индикация их значений в градусах с точностью до тысячной доли градуса; упрощение конструкции и повышение надежности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля 1 и 2, содержащий электродвигатель постоянного тока, соединенный с нагрузкой через двухзвенную механическую передачу, датчик контроля мертвых ходов двухзвенной механической передачи, встроенный в электродвигатель, формирователь импульсов, вход которого подключен к датчику контроля мертвых ходов, введены микроконтроллер и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор, одна линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов, а шестнадцать линий портов, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
За счет включения в устройство микроконтроллера, работающего по заданному алгоритму, и девятиразрядного семисегментного знакового индикатора отпала необходимость расчета мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухзвенной механической передачи вручную по формулам (1) и (2), что требовало временных затрат в десятки секунд, микроконтроллер
выполняет расчет измеряемых величин мертвых ходов 1 и 2 по заданному алгоритму автоматически в конце процесса измерения и высвечивает их значения на девятиразрядном семисегментном знаковом индикаторе с точностью до тысячной доли градуса, затрачивая на это до десяти миллисекунд. Кроме того, из устройства исключены выполненные на дискретных радиоэлементах девять блоков прототипа: два триггера; две логические схемы «НЕ»; генератор импульсов; две логические схемы «И» на три входа; две счетные схемы. Принятые меры уменьшили сложность и увеличили надежность устройства измерения мертвых ходов.
На фиг.1 изображена блок-схема двухзвенного электропривода постоянного тока с устройством встроенного контроля (контролируются мертвые хода дух звеньев двухзвенной механической передачи), на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства.
Двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля (фиг.1), где контролируются мертвые хода двух звеньев двухзвенной механической передачи, содержит: электродвигатель постоянного тока 1, который через контролируемую двухзвенную механическую передачу 2 подсоединен к нагрузке 3; в якорную обмотку электродвигателя 1 последовательно включен датчик контроля мертвых ходов 4 - активное сопротивление (токовый шунт) с величиной на два - три порядка меньше сопротивления обмотки якоря, что исключает влияние датчика контроля мертвых ходов 4 на режим работы электродвигателя 3; датчик контроля мертвых ходов 4 подключен ко входу формирователя импульсов 5, состоящему из дифференцирующей цепи и усилителя - ограничителя; выход формирователя импульсов 5 подключен к микроконтроллеру 6 фирмы Microchip серии PIC16F873, который производит расчет мертвых ходов первого (быстроходного) звена и второго (тихоходного) звена двухзвенной механической передачи по заданному алгоритму и высвечивает их значения на девятиразрядном семисегментном знаковом индикаторе 7 серии АЛС356А с точностью до тысячной доли градуса (старшие четыре разряда высвечивают 1, а младшие четыре
разряда - 2, пятый разряд является разделительным и в устройстве не используется, девятый и четвертый разряды с децимальной точкой и показывают единицы градусов, а шестой и первый разряды показывают тысячные доли градусов мертвых ходов 1 и 2, соответственно.
Двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля (фиг.1) работает следующим образом. Перед включением устройства в работу мертвые хода двухзвенной механической передачи 2 устанавливается в максимальное положение (как и в прототипе), подается питание на формирователь импульсов 5 и микроконтроллер 6 (девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор 7 питается от микроконтроллера 6). В момент времени t1 (фиг.2) происходят следующие процессы: запускается в работу электродвигатель 1 и в его обмотке якоря возникает импульс пускового тока, который создает первый импульс напряжения на датчике контроля мертвых ходов 4 u4(t1)=U 4max, поступающий на формирователь импульсов 5; формирователь импульсов 5 вырабатывает первый короткий импульс u 5(t1)=U5max , поступающий на микроконтроллер 6; микроконтроллер 6 включается в работу и начинает отсчет времени выбора мертвого хода первого звена 1 двухзвенной механической передачи Tмx1. В интервале времени от t 1 до t2 (фиг.2) протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 приходит во вращение, пусковой ток якоря и напряжение на датчике контроля мертвых ходов 4 u4(t) уменьшаются по экспоненте; выходной вал первого звена двухзвенной механической передачи 2 остается неподвижным, так как происходит выбор мертвого хода первого звена 1 двухзвенной механической передачи, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя импульсов 5 равно нулю u5(t)=0; микроконтроллер 6 производит отсчет времени выбора мертвого хода первого звена 1 двухзвенной механической передачи Tмx1. В момент времени t 2 (фиг.2) происходят следующие физические процессы: закончен выбор мертвого хода первого звена 1 двухзвенной механической передачи 2, приходит во вращение выходной вал первого
звена (он же - входной вал второго звена) двухзвенной механической передачи 2; нагрузка на электродвигатель 1 второй раз скачкообразно возрастает и в его обмотке якоря возникает второй импульс пускового тока, который создает второй импульс напряжения на датчике 4 u 4(t2)=u4max , поступающий на формирователь импульсов 5; формирователь импульсов 5 вырабатывает второй короткий импульс u5 (t2)=U5max, поступающий на микроконтроллер 6; микроконтроллер 6 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода первого звена 1 двухзвенной механической передачи Tмx1 и запоминает его значение в своей памяти данных SRAM в размерности [с]; кроме того, микроконтроллер 6 начинает отсчет времени выбора мертвого хода второго звена 2 двухзвенной механической передачи Тмх2. В интервале времени от t 2 до t3 (фиг.2) протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 продолжает вращаться, приходит во вращение выходной вал первого звена (входной вал второго звена) двухзвенной механической передачи, пусковой ток якоря и напряжение на датчике 4 u4(t) уменьшаются по экспоненте; выходной вал второго звена двухзвенной механической передачи 2 и нагрузка 3 остается неподвижным, так как происходит выбор мертвого хода второго звена 2, но он еще не выбран; напряжение на выходе формирователя импульсов 5 равно нулю u 5(t)=0; микроконтроллер 6 производит отсчет времени выбора мертвого хода второго звена 2 двухзвенной механической передачи Тмх2. В момент времени t 3 (фиг.2) происходят следующие физические процессы: закончен выбор мертвого хода второго звена 2 двухзвенной механической передачи 2, приходят во вращение выходной вал второго звена двухзвенной механической передачи 2 и нагрузка 3; нагрузка на электродвигатель 1 третий раз скачкообразно возрастает и в его обмотке якоря возникает третий импульс пускового тока, который создает третий импульс напряжения на датчике мертвых ходов 4 u4 (t3)=U4max, поступающий на формирователь импульсов 5; формирователь импульсов 5 вырабатывает третий короткий импульс u5(t 3)=U5max, поступающий на
микроконтроллер 6; микроконтроллер 6 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода второго звена 2 двухзвенной механической передачи Тмх2 и запоминает его значение в SRAM памяти данных в размерности [с]. Таким образом, величины T мx1 и Тмх2 измерены и записаны в SRAM памяти данных микроконтроллера 6; с учетом формул (1) и (2), выражения для расчета мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухзвенной механической передачи микроконтроллером 6 принимают вид:
Где н - номинальная скорость вращения электродвигателя [об/мин];
N - передаточное число первого (быстроходного) звена двухступенчатой механической передачи от входа к выходу звена;
Тдв - электромеханическая постоянная времени электродвигателя [с];
Т мх1 и Тмх2 - время выбора мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухзвенной механической передачи, соответственно [с].
Для электродвигателя 1 величины номинальной скорости вращения н [об/мин] и электромеханической постоянной времени Тдв [с] - величины постоянные и известные, они берутся из технической документации на электродвигатель 1 и записываются заранее в FLASH память программ микроконтроллера 6, а величины Tмx1 и Тмх2 находится в SRAM памяти данных микроконтроллера 6, который по алгоритму, реализующему выражения (3) и (4), производит расчет мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухзвенной механической передачи за время не превышающее десяти миллисекунд и высвечивает его на девятиразрядном семисегментном знаковом индикаторе 7, где старшие четыре разряд показывают 1, а младшие четыре разряда - 2, причем в четырехзначных величинах 1 и 2 в старших разрядах
высвечиваются единицы, а в младших - тысячные доли градусов мертвых ходов.
Применение в устройстве восьмибитного микроконтроллера 6 фирмы Microchip серии PIC16F873 с FLASH памятью программ в 4 Кбайта, SRAM памятью данных в 192 байта, EEPROM памятью данных в 128 байт и девятиразрядного семисегментного знакового индикатора 7 серии АЛС356А (одна линия порта микроконтроллера 6, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов 5, а шестнадцать линий портов, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору 7) обеспечило:
1) сокращение времени вычисления мертвых ходов двухзвенной механической передачи в тысячи раз, так как микроконтроллер все вычисления производит автоматически в конце процесса измерения мертвых ходов за время не превышающее десяти миллисекунд (в прототипе эта процедура выполняется вручную и требует времени в десятки секунд и более) и сразу же высвечивает результат измерения мертвых ходов первого звена 1 и второго звена 2 двухступенчатой механической передачи в градусах с точностью до одной тысячной доли градуса на девятиразрядном семисегментном знаковом индикаторе.
2) уменьшение сложности конструкции, так как блок-схема полезной модели (фиг.1) не содержит девять блоков прототипа (два триггера, две логические схемы «НЕ», генератор импульсов, две логические схемы «И» на три входа, две счетные схемы, выполненные на дискретных радиоэлементах), но выполняет более сложные функции;
3) увеличение надежности работы полезной модели за счет уменьшения сложности конструкции и исключения необходимости производить расчеты вручную.
Двухзвенный электропривод постоянного тока с устройством встроенного контроля, содержащий электродвигатель, соединенный с нагрузкой через двухзвенную механическую передачу, датчик контроля мертвых ходов двухзвенной механической передачи, встроенный в электродвигатель, формирователь импульсов, вход которого подключен к датчику контроля мертвых ходов, отличающийся тем, что в устройство введены восьмибитный микроконтроллер PIC16F873 и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А, одна линия порта микроконтроллера, настроенная как вход, подключена к выходу формирователя импульсов, а шестнадцать линий портов, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
