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 эксплуатации без демонтажа их с изделий.

Полезной моделью решается задача уменьшения времени измерения электромеханической постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода на два-три порядка, упрощения конструкции и повышение надежности устройства.

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, при этом в устройство 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.

Иллюстраций - 3.

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 имеет вид

[градус], (1)

где _Н - номинальная скорость вращения электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [об/мин]; n - число импульсов подсчитанное счетной схемой; Т _и - период повторения импульсов генератора импульсов [с]; Т_дв - электромеханическая постоянная времени электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [с].

Аналогу присущи следующие основные недостатки:

1) отсутствует возможность измерения и учета электромеханической постоянной времени электродвигателя Т_дв , 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 по формуле (1);

2) большие затраты времени (десятки секунд) на вычисления мертвого хода механической передачи 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 электропривода постоянного тока осуществляется в два этапа.

1. На первом этапе измеряется электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока Т_дв , для чего измеряется время достижения экстремума напряжения выходного сигнала апериодического звена первого порядка Т _э, которое после преобразований определяется выражением

, (2)

где m - число импульсов подсчитанное первой счетной схемой; Т_и - период повторения импульсов генератора импульсов [с]; Т_аз - постоянная времени апериодического звена первого порядка [с] - величина известная; k=U₁/U ₀ - отношение амплитуды экспоненциальной составляющей напряжения на датчике U₁ в момент пуска электродвигателя и постоянной составляющей напряжения на датчике U ₀ 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) известны численные значения Т _э, k и Т_аз, а искомой величиной является - электромеханическая постоянная времени электродвигателя Т _дв. Уравнение (2) относительно Т_дв 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.

2. На втором этапе найденное численное значение электромеханической постоянной времени электродвигателя Т_дв подставляется в выражение (1), где в прототипе n - число импульсов подсчитанное второй счетной схемой, и производится расчет мертвого хода механической передачи на микрокалькуляторе.

Прототип лишен первого недостатка аналога, но ему присущи еще в большей мере оставшиеся три недостатка:

1) большие затраты времени (единицы минут) на вычисление на программируемых микрокалькуляторах (МК-61 и др.) электромеханической постоянной времени электродвигателя Т_дв численным методом из трасцен-дентного выражения (2) и мертвого хода механической передачи 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

трансцендентного уравнения (2) относительно Т _дв и расчета мертвого мода а по формуле (1) на программируемых микрокалькуляторах (МК-61 и др.), что требовало в прототипе временных затрат на расчет Т_дв и - единицы минут. В полезной модели микроконтроллер выполняет расчет величины электромеханической постоянной времени Т _дв электродвигателя численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму, а затем с учетом величины Т _дв производит расчет измеряемой величины мертвого хода механической передачи 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.

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: _H - номинальная скорость вращения электродвигателя (берется из технической документации на электродвигатель) [об/мин]; Т_аз - постоянная времени апериодического звена первого порядка [с] - величина известная; k=U ₁/U₀ - 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 _H, Т_аз 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).

В момент времени t₁ (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 u₄(t₁)=U _4max, поступающий на формирователь 5 и апериодическое звено 6; формирователь импульсов 5 вырабатывает короткий импульс u ₅(t₁)U_5max, поступающий на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 включается в выполнение алгоритма (фиг.3) и начинает отсчет времени достижения экстремума Т_э на выходе апериодического звена 6 и времени выбора мертвого хода механической передачи Т_мх.

В интервале времени t[t₁;t₂] (фиг.2) в устройстве протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 продолжает вращение, пусковой ток якоря и напряжение на датчике 4 u₄(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 u₅(t)=0, а напряжение на выходе апериодического звена 6 u₆(t) нарастает и стремится к своему максимальному (экстремальному) значению U_6max; микроконтроллер 8 производит отсчет времени достижения экстремума Т_э и времени выбора мертвого хода Т_мх механической передачи.

В момент времени t₂ (фиг.2) в устройстве происходят следующие процессы: напряжение на датчике 4 u₄(t) продолжает уменьшаться по экспоненте, а напряжение на выходе формирователя 5 остается равным нулю u ₅(t₂)=0; напряжение на выходе апериодического звена 6 достигает своего экстремального значения u ₆(t₂)=U_6max , а напряжение на выходе узла выявления экстремума 7 скачком принимает максимальное значение u₆(t ₂)=U_6max, которое подается на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т_мх механической передачи и прекращает отсчет времени достижения экстремума Т_э =t₂-t₁, которое запоминается в SRAM памяти данных микроконтроллера 8 в размерности [с].

В интервале времени t[t₂;t₃] (фиг.2) в устройстве протекают следующие физические процессы: электродвигатель 1 продолжает вращение, пусковой ток якоря и напряжение на датчике 4 u₄(t) продолжают уменьшаются

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 u₅(t)=0; микроконтроллер 8 продолжает отсчет времени выбора мертвого хода Т_мх механической передачи .

В момент времени t₃ (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 u₄(t₃ )=U_4max, поступающий на формирователь импульсов 5; формирователь импульсов 5 вырабатывает второй короткий импульс u₅(t₃)=U _5max, поступающий на микроконтроллер 8; микроконтроллер 8 прекращает отсчет времени выбора мертвого хода Т _мх=t₃-t₁ 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_э=t₂-t ₁ и Т_мх=t₃-t ₁, а в FLASH памяти программ микроконтроллера 8 всегда записаны численные значения _H, Т_аз и k.

В интервале времени t[t₃;t₄] (фиг.2) микроконтроллер по алгоритму, представленному на фиг.3, выполняет расчет величины электромеханической постоянной времени Т _дв электродвигателя численным методом из трансцендентного уравнения по заданному алгоритму, а затем с учетом величины Т _дв производит расчет измеряемой величины мертвого хода механической передачи 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_выч=t₄ -t₃). Выражения (2) и (1) для обобщенной блок-схемы алгоритма (фиг.3) после упрощений принимают вид:

[с]; (3)

[градус], (4)

где Т_эP - текущее расчетное время достижения экстремума в блок-схеме алгоритма работы микроконтроллера (фиг.3), Т_двP - 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)

На фиг.3 показаны блоки, реализующие алгоритм расчета мертвого хода механической передачи . 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 _H, Т_аз, k, и , где - заданная точность численного решения трансцендентного выражения (3) [с], а - признак расчетного времени достижения экстремума); SRAM памяти данных (там записаны Т_э и Т _мх); специальных регистров; настройка линий портов на выполнение заданных функций ввода-вывода; выделение в SRAM памяти данных регистров: текущего расчетного времени достижения экстремума Т_эP, текущей расчетной величины постоянной времени электродвигателя Т_двP, текущих нижнего и верхнего граничных значений постоянной времени электродвигателя Т_двH и Т_двB, текущей точности численного решения трансцендентного выражения (3) _р=Т_двB-Т _двH и рассчитанной величины мертвого хода механической передачи . В блоке 2Б (фиг.3) задаются минимальное (начальное), с учетом выражения (5), значение расчетной величины постоянной времени электродвигателя

Т_двP=Т _аз[(1+)/(k+1)] и начальное значение признака расчетного времени достижения экстремума =0. В блоке 3Б (фиг.3) из трансцендентного выражения (3) производится расчет текущего расчетного времени достижения экстремума Т_эР. 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_двР, Т_двН и Т_двВ при выполнении условия Т _эР<Т_э. В блоках 11Б и 12Б (фиг.3) задаются текущие численные значения Т_двН и Т_двВ при невыполнении условия Т _эР<Т_э. В блоке 13Б (фиг.3) задается текущее численное значение Т_двР методом половинного разбиения и текущая точность численного решения трансцендентного выражения (3) _р. В блоке 15Б (фиг.3) производится расчет величины мертвого хода механической передачи по выражению (5) и в блоке 16Б (фиг.3) значение выводится на четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор 9 (фиг.1), который высвечивает численное значение с точностью до тысячной доли градуса.

В интервале времени t[t₁;t₄] (фиг.2) полезная модель (фиг.1) затрачивает время, равное Т _изм=T_мх+Т_выч (см. фиг.2), на весь процесс измерения мертвого хода механической передачи 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.

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, отличающееся тем, что в устройство 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.