Введение
Известны аналоги – устройства встроенного контроля мертвых ходов (МХ) механических передач (МП) электроприводов (ЭП) постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа МП и электродвигателей (ЭД) постоянного тока с изделий, где они выполняют свои рабочие функции. Такие устройства в 80-х, 90-х годах прошлого столетия синтезировались на основе аналоговых, цифровых ИМС и операционных усилителях (ОУ) [8-10, 23], что и определило их основные недостатки – низкую точность, большие габариты, веса и энергопотребление.
На современном этапе развития микроконтроллерной схемотехники существует ряд известных методик синтеза устройств рассматриваемого класса [1-6, 12-15, 18] на основе современных микроконтроллеров (МК).
Известен прототип [16] – микроконтроллерное устройство встроенного контроля МХ МП ЭП и архивирования результатов контроля содержащее: ЭД, который через контролируемую МП подсоединен к нагрузке; датчик контроля (ДК) [8], включенный последовательно в обмотку ЭД – стандартный токовый шунт на 75 мВ, который исключает влияние ДК на режим работы ЭД; пиковый амплитудный детектор (ПАД) [11], вход которого подключен к ДК; формирователя импульсов (ФИ) [10], вход которого подключен к выходу ПАД; МК – PIC16F877 [16, 22], работой которого управляет ФИ; семисегментный знаковый индикатор (СЗИ) – АЛС356А, который подключен к МК – PIC16F877 и высвечивает численное значение измеренного МХ α МП ЭП, которое рассчитывается МК из выражения [16]
(1)
где ΩН – номинальная скорость вращения ЭД [об/мин], ТМХ – время выбора МХ МП [с], ТЭД – электромеханическая постоянная времени ЭМПВ ТЭД ЭД [с] (численные значения ΩН и ТЭД обычно берутся из паспорта (технического описания) ЭД и заносятся в энергонезависимую EEPROM-память данных МК, а ТМХ – измеряется прототипом [16] в процессе работы устройства.
Основными недостатками устройств – аналогов [8-10, 23] и прототипа – микроконтроллерное устройство [16] является тот факт, что наряду с достаточно алгоритмичным обеспечением процесса измерения величины МХ α МП ЭП по выражению (1), точность измерения МХ α МП ЭП существенным образом зависит от величины ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока, которая определяется совокупностью параметров МП ЭП, собственно ЭД постоянного тока и параметрами окружающей среды, где наиболее существенными факторами, являются:
– текущее техническое состояние МП и ЭД постоянного тока (в процессе эксплуатации существенно изменяются коэффициент трения в элементах и сочленениях МП и ЭД);
– изменение климатических показателей окружающей среды (температуры, влажности, давления и др.), в которой происходит всесезонная эксплуатация предлагаемого микроконтроллерного устройства встроенного контроля ЭМПВ ТЭД ЭД и МХ α МП ЭП постоянного тока.
Анализ указанных недостатков, проявляющихся в конкретных неблагоприятных условиях эксплуатации устройств рассматриваемого класса (отличающихся от нормальных условий, указанных в технической документации) показывает, что ошибки измерения МХ α МП ЭП (1) могут изменяться до 2-2,5 раз, поэтому использование в расчетной формуле (1) численного значения ЭМПВ ТЭД ЭД, указанного в паспорте (техническом описании) ЭД – нецелесообразно.
Постановка задачи
Предлагаемое микроконтроллерное устройство встроенного контроля ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного тока [17] должно решать две задачи:
1. Обеспечение возможности оперативного измерения ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока в каждом процессе измерения МХ МП ЭП постоянного тока.
2. Учет реального значения – каждого измеренного значения ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока при расчете измеряемого МХ α МП ЭП постоянного тока в формуле (1).
Блок-схема устройства
Для выполнения п.1 поставленной задачи обратимся к исследованиям [14, 15], где показано, что время достижения экстремума напряжения ТЭ на выходе пассивного апериодического звена (ПАЗ) первого порядка определяется из выражения:
, (2)
где ТЭД – ЭМПВ ЭД постоянного тока (измеряемая величина), ТАЗ – постоянная времени ПАЗ (величина известная), k – кратность пускового тока (напряжения) ЭД постоянного тока (берется из технической документации на ЭД – величина постоянная для каждого конкретного ЭД постоянного тока).
Следовательно, в отличие от аналогов [8-10, 23] и прототипа [16] предлагаемое микроконтроллерное устройство [17] дополнительно должно включать в себя ПАЗ первого порядка и узел выявления экстремума напряжения (УВЭН) на выходе ПАЗ.
Следует отметить, что выражение (2) неразрешимо относительно ТЭД в аналитическом виде, оно является трансцендентным уравнением относительно ТЭД и может быть решено с заданной точностью только одним из известных численных методов.
Блок-схема микроконтроллерного устройства встроенного контроля ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного тока [17] представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема микроконтроллерного устройства встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока: ДК – датчик контроля; ЭД – электродвигатель постоянного тока; МП – механическая передача; Нагр. – нагрузка ЭП; ФИ – формирователь импульсов, МК – микроконтроллер ATmega48; СЗИ – четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС329Б; ПАЗ – пассивное апериодическое звено первого порядка; УВЭН – узел выявления экстремума напряжения на выходе ПАЗ
Поставленная задача достигается тем, что в микроконтроллерное устройство встроенного контроля ЭМПВ ТЭД ЭД и МХ α МП ЭП постоянного тока [17], содержащее: ЭД постоянного тока, соединенный с нагрузкой (на рис. 1 – Нагр.) через контролируемую МП; ДК [8] – стандартный токовый шунт на 75 мВ, исключающий влияние ДК на режим работы ЭД, который встроен в якорную обмотку ЭД постоянного тока; ФИ [13], вход которого подключен к выходу ДК, введены восьмибитный AVR МК фирмы «Atmel» – ATmega48 [4, 21], который наряду с FLASH-памятью программ и SRAM-памятью данных имеет энергонезависимую EEPROM-память данных; четырехразрядный СЗИ – АЛС329Б [5]; ПАЗ первого порядка [14, 15]; с постоянной времени ТАЗ , вход которого подключен к выходу ДК; УВЭН [11], выполненный на ОУ – КР140УД708 с накопительным конденсатором и диодом утечки, вход которого подключен к выходу ПАЗ; одна линия порта МК – ATmega48, настроенная на вход, соединена с выходом ФИ, вторая линия порта МК, настроенная на вход соединена с выходом УВЭН, двенадцать линий портов МК, настроенные на выход, подключены к четырехразрядному СЗИ – АЛС329Б. Конструкция микроконтроллерного устройства [17] разработана в соответствии с эргономическими требованиями, предложенными в [7, 19, 20].
Этапы работы устройства
1. Ввод в эксплуатацию (см. рис. 1). На первом этапе происходит инициализация и программирование МК – ATmega48 [21]: в FLASH-память программ записывается программа работы МК; в энергонезависимую EEPROM-память данных – паспортные (из технической документации) номинальная скорость вращения ΩН [об/мин] и k – кратность пускового тока (напряжения) ЭД постоянного тока, известная постоянная времени ПАЗ ТАЗ первого порядка; в SRAM-памяти данных выделяются регистры оперативной памяти для обеспечения программы работы МК.
2. Рабочий режим (см. рис. 1). В большинстве случаев включение ЭП для выполнения рабочих функций не сопровождается измерением МХ МП и ЭМПВ ЭД постоянного тока так как их величины α и ТЭД меняется медленно по мере износа элементов ЭП в процессе эксплуатации. Но изменения α и ТЭД могут оказаться существенными при изменении климатических условий.
3. Режим измерения (см. рис. 1). Временные диаграммы работы микроконтроллерного устройства встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока [17] в режиме измерения представлены на рис. 2. Перед включением устройства в режиме измерения МХ МП устанавливается в максимальное положение (как и в аналогах и прототипе) и затем подается питание на устройство.
Рис. 2. Временные диаграммы работы микроконтроллерного устройства встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока: а – выходной сигнал ДК; б – выходной сигнал ФИ; в – выходной сигнал ПАЗ первого порядка; г – выходной сигнал УВЭН
В момент времени t1 (рис. 2) в устройстве происходят следующие физические процессы: запускается в работу ЭД постоянного тока и в его обмотке якоря возникает импульс пускового тока, который создает импульс постоянного напряжения на ДК с амплитудой uДК(t1)=UДКmax (рис. 2,а); сигнал с ДК uДК(t1), во-первых, поступает на ФИ, который вырабатывает первый короткий импульс uФИ(t1)=UФИmax (рис. 2,б), поступающий на МК, во-вторых, подается на вход ПАЗ первого порядка, сигнал на выходе которого в рассматриваемый момент времени uПАЗ(t1)=0 (рис. 2,в); МК готовится к началу отсчета, во-первых, времени выбора МХ ТМX МП (рис. 2,г) и, во-вторых, времени достижения экстремума напряжения ТЭ на выходе ПАЗ первого порядка (рис. 2,г), которые будут записываться в SRAM-память данных МК
В интервале времени t
(t1;t2) (рис. 2) в устройстве протекают следующие физические процессы: ЭД постоянного тока приходит во вращение; пусковой ток обмотки якоря ЭД и постоянное напряжение на ДК uДК(t
(t1;t2)) (рис. 2,а) уменьшаются по экспоненте с постоянной времени, равной ЭМПВ ТЭД ЭД; тихоходный вал МП остается неподвижным, так как происходит выбор МХ МП, но он еще не выбран; напряжение на выходе ФИ равно нулю uФИ(t
(t1;t2))=0 (рис. 2,б); напряжение на выходе ПАЗ uПАЗ(t
(t1;t2)) (рис. 2,в) нарастает по экспоненте, но не достигает своего экстремального значения; МК, во-первых, производит отсчет времени выбора МХ ТМX МП ЭП (рис. 2,г) и, во-вторых, времени достижения экстремума напряжения ТЭ на выходе ПАЗ (рис. 2,г), текущие значения которых МК записывает и хранит в своей SRAM-памяти данных.
В момент времени t2 (фиг. 2) в устройстве происходят следующие физические процессы: ЭД постоянного тока продолжает вращение; напряжение на ДК uДК(t2) (рис. 2,а) продолжает уменьшаться по экспоненте; напряжение на выходе ФИ остается равным нулю uФИ(t2)=0 (рис. 2,б); напряжение на выходе ПАЗ достигает своего экстремального значения uПАЗ(t2)=UПАЗmax (рис. 2,в); напряжение на выходе УВЭН скачком принимает максимальное значение uУВЭН(t2)=UУВЭНmax (рис. 2,г); МК, во-первых, продолжает отсчет времени выбора МХ ТМX МП ЭП (рис. 2,г) и, во-вторых, прекращает отсчет времени достижения экстремума напряжения выходного сигнала ПАЗ первого порядка ТЭ=t2-t1 (рис. 2,г), которое запоминается в SRAM памяти данных МК в размерности [c].
В интервале времени t
(t2;t3) (рис. 2) в устройстве протекают следующие физические процессы: ЭД постоянного тока продолжает вращение; напряжение на ДК uДК(t
(t2;t3)) (рис. 2,а) продолжает уменьшаться по экспоненте; тихоходный вал МП ЭП продолжает оставаться неподвижным, так как продолжается выбор МХ МП, но он еще не выбран; напряжение на выходе ФИ равно нулю uФИ(t
(t1;t2))=0 (рис. 2,б); МК, во-первых производит расчет ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока численным методом из трансцендентного уравнения (2) по известным численным значениям ТАЗ, k (находятся в энергонезависимой EEPROM-памяти данных) и ТЭ (запомнено в SRAM-памяти данных в момент времени t2 на рис. 2), во-вторых, записывает в SRAM-памяти данных рассчитанное численное значение ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока в размерности [c] и, в-третьих, продолжает отсчет времени выбора МХ ТМХ МП ЭП (рис. 2,г).
В момент времени t3 (рис. 2) в устройстве происходят следующие процессы: закончен выбор МХ МП и приходит во вращение тихоходный вал МП и нагрузка; величина нагрузки на ЭД постоянного тока скачкообразно возрастает и в его обмотке якоря вновь возникает импульс пускового тока, который создает импульс постоянного напряжения на ДК uДК(t3)=UДКmax (рис. 2,а); сигнал с ДК uДК(t3) поступает на ФИ, который вырабатывает второй короткий импульс uФИ(t3)=UФИmax (рис. 2,б), поступающий на МК; МК, во-первых, заканчивает отсчет времени выбора МХ TMX=t3-t1 МП (рис. 2,г) и запоминает его значение в SRAM-памяти данных в размерности [c] и, во-вторых производит расчет МХ α МП ЭП постоянного тока по заданному алгоритму – формула (1) и высвечивает измеренное численное значение α в четырехразрядном СЗИ – АЛС329Б с точностью до тысячной доли градуса.
Выводы
Введение в микроконтроллерное устройство встроенного контроля ЭМПВ ТЭД ЭД и МХ α МП ЭП постоянного тока [17] восьмибитного AVR МК фирмы «Atmel» – ATmega48, имеющего в своей структуре FLASH-память программ – 4 Кбайт, SRAM-память данных – 512 байт и энергонезависимую EEPROM-память данных – 256 байт, ПАЗ первого порядка с известной постоянной времени ТАЗ, УВЭН и четырехразрядного СЗИ – АЛС329Б обеспечивает существенное расширение функциональной полноты и точности работы устройства:
1. Возможность точного расчета из трансцендентного уравнения (2) численным методом реального численного значения ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока именно в рассматриваемый момент времени по известным значениям k, ТЭ и ТАЗ. Точность измерения увеличивается до 2-2,5 раз по сравнению с паспортными значениями ТЭД .
2. Повышение точности расчета МХ α МП ЭП постоянного тока по выражению (1) за счет измерения с повышенной точностью ЭМПВ ТЭД ЭД постоянного тока.
3. Вывод информации о величине МХ α МП ЭП постоянного тока на четырехразрядный СЗИ с точностью 0,001 градуса.