Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И МЕРТВОГО ХОДА МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПО ВРЕМЕНИ ЭКСТРЕМУМА РЕАКЦИИ

Анкудинов К.А. 1 Карпов Е.Б. 2 Карпов И.Е. 2
1 Военная академия РВСН им. Петра Великого
2 Тульский институт экономики и информатики
Микроконтроллерное устройство по патенту на полезную модель 108237 РФ относится к электромашиностроению, в частности к устройствам встроенного контроля электромеханической постоянной времени электродвигателей и мертвого хода механических передач электроприводов постоянного и переменного токов в ходе их эксплуатации без демонтажа механических передач и электродвигателей с изделий, где они выполняют свои рабочие функции. Критерий измерения – время достижения реакцией устройства экстремального значения.
микроконтроллер
электропривод
электромеханическая постоянная времени
механическая передача
мертвый ход
1. Агафонов Ю.М. Методика построения микроконтроллерных устройств управления СКЗ МГ / Ю.М. Агафонов, А.И. Анкудинов, С.И. Петроченков, А.Б. Воскресенский, В.А. Михаленко, П.П. Какалин, Н.С. Акиншин, К.А. Анкудинов // Газовая промышленность. 2007. № 4. С. 48-51.
2. Агафонов Ю.М. Система контроля управления и согласования СКЗ с комплексами телемеханики / Ю.М. Агафонов, Н.С. Акиншин, К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов, А.Б. Воскресенский, Р.Н. Акиншин // Газовая промышленность. 2007. № 7. С. 58-61.
3. Агафонов Ю.М. Применение микроконтроллеров для синтеза цифровых конечных автоматов / Ю.М. Агафонов, Н.С. Акиншин, Р.Н. Акиншин, К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов, К.Ю. Казаков // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2007. № 5. С. 40-44.
4. Агафонов Ю.М. Расчет преобразователя «напряжение-напряжение» на операционных усилителях в измерительных комплексах телемеханики / Ю.М. Агафонов, Н.С. Акиншин, Р.Н. Акиншин, К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов // Датчики и системы. 2007. № 9. С. 14-16.
5. Акиншин Н.С. Синтез микроконтроллерных систем для исследования зрительно-двигательных возможностей человека / Н.С. Акиншин, К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов, Е.Б. Карпов, И.Е. Карпов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 7-2. С. 78-87.
6. Акиншин Р.Н. Вероятностная оценка работоспособности EEPROM-памяти микроконтроллеров при синтезе цифровых конечных автоматов / Р.Н. Акиншин, Ю.М. Агафонов, К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 8. С. 23-27.
7. Акиншин Р.Н., Молоденков Д.А., Анкудинов К.А. Формирование программы послепродажного обслуживания продукции военного назначения / Известия Тульского государственного университета. Экономические и юридические науки. 2014. № 1-1. С. 295-304.
8. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Измерение электромеханической постоянной времени электропривода постоянного тока // Измерительная техника. 1990. № 12. С. 31-32.
9. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Мощный компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 1991. Т. 34, № 7. С. 53-55.
10. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Искажения фронта и амплитуды экспоненциальных видеоимпульсов электронным усилителем // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 1990. Т. 33, № 9. С. 59-64.
11. Анкудинов К.А. Измерение электромеханической постоянной времени электропривода постоянного тока по амплитуде реакции апериодического звена // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2008. № 6. С. 26-29.
12. Анкудинов К.А. Способ измерения постоянной времени электропривода / К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов, Н.С. Акиншин, О.А. Глаголев, А.В. Емельянов , В.В. Мануйлов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 12. С. 43-49.
13. Анкудинов К.А. Алгоритм расчета контроллеров согласования микроконтроллерных измерительно-управляющих систем с измерительными преобразователями и исполнительными устройствами / К.А. Анкудинов, А.И. Анкудинов, Е.Б. Карпов, И.Е. Карпов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 2-2. С. 17-21.
14. Анкудинов К.А. Микроконтроллерное устройство встроенного контроля мертвого хода механической передачи электроприводов переменного тока и архивирования результатов контроля // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 4. С. 11-14.
15. Анкудинов К.А., Карпов Е.Б., Карпова Т.Е. Микроконтроллерное энергонезависимое устройство контроля тока нагрузки станций катодной защиты магистральных газопроводов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 5-2. С. 9-13.
16. Анкудинов К.А. Микроконтроллерное устройство встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного тока // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 8-2. С. 72-76.
17. Ильин А.А., Ильин Р.А., Анкудинов К.А. Математическое обеспечение синтеза математических моделей сложных динамических процессов по выборке данных их предыстории // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. № 3. С. 305-311.
18. Карпов Е.Б., Фридланд А.Я. Образование и обучение с информационной точки зрения // Вестник Московского городского педагогического университета. Серия: Информатика и информатизация образования. 2006. № 6. С. 100-103.
19. Карпов Е.Б., Карпова Е.А. Анализ понятия «самоопределение» в психологии // Казанская наука. 2012. № 2. С. 256-259.
20. Карпов Е.Б., Карпов И.Е., Карпова Т.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Баранов А.Н., Баранова Е.М., Булатов Л.А., Акиншин Р.Н., Морозов Д.В. Всстроенный контроллер параметров объекта // Патент на полезную модель RUS 108237. Заявка: 26.04.2011. Опубликовано: 10.09.2011. Бюл. № 25.
21. Старожук Е.А., Молоденков Д.А., Анкудинов К.А. Экономическая модель оценки конкурентоспособности продукции военного назначения в течение гарантийного срока / Известия Тульского государственного университета. Экономические и юридические науки. 2014. № 3-1. С. 34-41.

Известны аналоги устройств и способы встроенного контроля электромеханической постоянной времени (ЭМПВ) электродвигателей (ЭД) постоянного тока и мертвых ходов (МХ) механических передач (МП) электроприводов (ЭП) постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа МП и ЭД постоянного тока с изделий, где они выполняют свои рабочие функции [8-10, 22].

На современном этапе развития микроконтроллерной схемотехники существует ряд известных методик синтеза устройств рассматриваемого класса [1-6, 11-17] на основе современных микроконтроллеров (МК).

Известен прототип [16] – микроконтроллерное устройство встроенного контроля ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного тока, содержащее: ЭД постоянного тока, который через контролируемую МП подсоединен к нагрузке; датчик контроля (ДК) [8, 11, 22], включенный последовательно в обмотку ЭД постоянного тока – стандартный токовый шунт на 75 мВ, который исключает влияние ДК на режим работы ЭД; формирователя импульсов (ФИ) [9], вход которого подключен к ДК; пассивное апериодическое звено (ПАЗ) первого порядка [10], вход которого тоже подключен к ДК; узел выявления экстремума напряжения (УВЭН) [10], вход которого подключен к выходу ПАЗ; МК – ATmega48, работой которого управляют ФИ и УВЭН; четырехразрядный семисегментный знаковый индикатор (СЗИ) – АЛС329Б, который подключен к МК и высвечивает численное значение измеренного МХ ank1.wmf МП ЭП, которое рассчитывается МК из выражения [16]

ank2.wmf (1)

где ank3.wmf – номинальная скорость вращения ЭД постоянного [об/мин] (численные значения ank4.wmf берется из паспорта на ЭД и записывается в энергонезависимую EEPROM-память данных МК), ank5.wmf – время выбора МХ МП [с] и TЭД – ЭМПВ ЭД постоянного тока [с] измеряется прототипом [16] в процессе работы и записывается в EEPROM-память МК.

В прототипе [16] вычислить непосредственно ЭМПВ TЭД ЭД постоянного тока не представляется возможным, поэтому в устройстве вычисляется время достижения экстремума напряжения TЭ на выходе ПАЗ первого порядка [16]

ank6.wmf, (2)

где TЭД – ЭМПВ ЭД постоянного тока (измеряемая устройством), TАЗ – 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).

Выражение (2) неразрешимо относительно TЭД в аналитическом виде, оно является трансцендентным уравнением относительно TЭД и в [16] решается с заданной точностью численным методом, а затем подставляется в (1) для численного расчета МХ ank7.wmf МП ЭП постоянного тока.

Аналоги [8, 22] и прототип [16], наряду с достаточно алгоритмичным обеспечением процесса измерения величины МХ a МП ЭП постоянного тока по выражению (1) с использованием трансцендентного уравнения (2), обладают и существенными недостатками, уменьшающими функциональные [7, 21] и эргономические возможности [18, 19]:

– невозможно использовать прототип [16] для измерения МХ и ЭМПВ МП ЭП переменного тока, хотя электроприводы переменного тока находят широкое применение в народном хозяйстве и специальной технике;

– в прототипе [16] выводится на индикацию только численное значение МХ МП постоянного тока, а численное значение ЭМПВ ЭД постоянного тока не индицируется, хотя этот параметр входит в передаточную функцию ЭП и является определяющим в точности, быстродействии и устойчивости работы ЭП.

Постановка задачи

Предлагаемое микроконтроллерное устройство встроенного контроля ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного и переменного тока [20] должно решать две задачи:

1. Обеспечение возможности оперативного встроенного контроля ЭМПВ TЭД ЭД и МХ a МП ЭП, как постоянного, так и перемененного тока.

2. Вывод на СЗИ устройства численных значений ЭМПВ TЭД ЭД и МХ a МП ЭП, как постоянного, так и перемененного тока.

Блок-схема устройства

В отличие от аналогов [8-10, 22] и прототипа [16] предлагаемое микроконтроллерное устройство [20] дополнительно должно включать в свою структуру пиковый амплитудный детектор (ПАД) [9], который является инерционным по несущей частоте питающего напряжения ЭД переменного тока и безынерционным по огибающей выходного сигнала ДК ЭД переменного тока.

Блок-схема встроенного контроля ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного или переменного тока [20] по времени экстремума реакции ПАЗ представлена на рис. 1.

ankud1.wmf

Рис. 1. Блок-схема встроенного контролера электромеханической постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного и переменного тока по времени экстремума реакции: ДК – датчик контроля; ЭД – электродвигатель постоянного или переменного тока; МП – механическая передача; Нагр. – нагрузка ЭП; ПАД – пиковый амплитудный детектор; ФИ – формирователь импульсов; МК – микроконтроллер ATmega8515; СЗИ – девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор АЛС356А; ПАЗ – пассивное апериодическое звено первого порядка; УВЭН – узел выявления экстремума напряжения на выходе ПАЗ

Поставленная задача достигается тем, что во встроенный контролер ЭМПВ ЭД и МХ МП ЭП постоянного и переменного тока по времени экстремума реакции ПАЗ [20], содержащий: ЭД постоянного или переменного тока, соединенный с нагрузкой (на рис. 1 – Нагр.) через контролируемую МП; ДК [8, 22], встроенный в ЭД; ФИ [9]; ПАЗ [10] первого порядка; УВЭН [10], вход которого подключен к выходу ПАЗ первого порядка, введены: ПАД [9], вход которого подключен к датчику ДК, а выход соединен со входами ФИ и ПАЗ первого порядка; восьмибитный МК ATmega8515 с FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных; девятиразрядный СЗИ АЛС356А; первая линия порта МК, настроенная как вход, подключена к выходу ФИ, вторая линия порта МК, настроенная как вход, подключена к выходу УВЭН, а семнадцать линий портов МК, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному СЗИ АЛС356А.

Этапы работы устройства

1. Ввод в эксплуатацию (см. рис. 1). На первом этапе происходит инициализация и программирование МК – ATmega8515: в FLASH-память программ записывается программа работы МК; в энергонезависимую EEPROM-память данных – паспортная (из технической документации) номинальная скорость вращения ank8.wmf [об/мин] и k – кратность пускового тока (напряжения) ЭД постоянного и переменного тока, известная постоянная времени ПАЗ TАЗ 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 ank9.wmf МП и ЭМПВ TЭД ЭД постоянного и переменного тока, так как их величины ank10.wmf и TЭД меняется медленно по мере износа элементов ЭП в процессе эксплуатации. Следует учитывать что, изменения a и TЭД могут оказаться существенными при изменении климатических условий, что необходимо учитывать в процессе эксплуатации устройства.

3. Режим измерения (см. рис. 1). Временные диаграммы работы встроенного контролера ЭМПВ TЭД ЭД и МХ a МП ЭД постоянного и переменного тока по времени экстремума реакции ПАЗ [20] в режиме измерения представлены на рис. 2. Перед включением устройства в режиме измерения МХ a МП ЭП устанавливается в максимальное положение (как и в аналогах и прототипе) и затем подается питание на устройство.

В момент времени ank11.wmf (рис. 2) в контроллере происходят следующие физические процессы: запускается в работу ЭД постоянного или переменного тока; в обмотке якоря ЭД постоянного тока возникает импульс пускового тока, который создает импульс постоянного напряжения на ДК с амплитудой ank12.wmf (рис. 2,а); в обмотке статора ЭД переменного тока возникает импульс пускового тока, который создает импульс переменного напряжения на ДК с амплитудой ank13.wmf (рис. 2,б); сигнал с ДК, как для ЭД постоянного тока (рис. 2,а), так и для ЭД переменного тока (рис. 2,б) поступает на ПАД (рис. 2,в); на выходе ПАД создается выходной сигнал одной и той же формы, как для ЭД постоянного, так и для ЭД переменного тока ank14.wmf (рис. 2,в); выходной сигнал ПАД ank15.wmf (рис. 2,в) подается на входы ФИ и ПАЗ первого порядка; ФИ на выходе вырабатывает первый короткий импульс ank16.wmf (рис. 2,г), поступающий на МК; выходной сигнал ПАЗ первого порядка в рассматриваемый момент времени отсутствует ank17.wmf (рис. 2,д); МК готовится к началу отсчета, во-первых, времени выбора МХ ank18.wmf МП (рис. 2,е) и, во-вторых, времени достижения экстремума напряжения ank19.wmf на выходе ПАЗ первого порядка (рис. 2,е), которые будут записываться в SRAM-память данных МК.

В интервале времени ank20.wmf (рис. 2) в контроллере протекают следующие физические процессы: ЭД постоянного или переменного тока приходит во вращение; пусковой ток обмотки якоря или статора ЭД и напряжение на выходе ПАД ank21.wmf (рис. 2,в) уменьшаются по экспоненте с постоянной времени, равной ЭМПВ TЭД ЭД; тихоходный вал МП остается неподвижным, так как происходит выбор МХ a МП, но он еще не выбран; напряжение на выходе ФИ отсутствует ank22.wmf (рис. 2,г); напряжение на выходе ПАЗ ank23.wmf (рис. 2,д) нарастает по экспоненте, но не достигает своего экстремального значения; МК, во-первых, производит отсчет времени выбора МХ ank24.wmf МП ЭП (рис. 2,е) и, во-вторых, времени достижения экстремума напряжения ank25.wmf на выходе ПАЗ (рис. 2,е), текущие значения которых МК записывает и хранит в своей SRAM-памяти данных.

ankud2.tiff

Рис. 2. Временные диаграммы работы встроенного контролера электромеханической постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода постоянного и переменного тока по времени экстремума реакции: а – выходной сигнал ДК для двигателя постоянного тока; б – выходной сигнал ДК для двигателя переменного тока; в – выходной сигнал ПАД; г – выходной сигнал ФИ; д – выходной сигнал ПАЗ первого порядка; е – выходной сигнал УВЭН

В момент времени ank26.wmf (рис. 2) в контроллере происходят следующие физические процессы: ЭД постоянного или переменного тока продолжает вращение; напряжение на ДК ank27.wmf (рис. 2,а) или ank28.wmf (рис. 2,б) продолжает уменьшаться по экспоненте; напряжение на выходе ФИ остается равным нулю ank29.wmf (рис. 2,г); напряжение на выходе ПАЗ достигает своего экстремального значения ank30.wmf ank31.wmf (рис. 2,д); напряжение на выходе УВЭН скачком принимает максимальное значение ank32.wmf (рис. 2,е); МК, во-первых, продолжает отсчет времени выбора МХ ank33.wmf МП ЭП (рис. 2,е) и, во-вторых, прекращает отсчет времени достижения экстремума напряжения выходного сигнала ПАЗ первого порядка ank34.wmf (рис. 2,г), которое запоминается в SRAM памяти данных МК в размерности [c].

В интервале времени ank35.wmf (рис. 2) в контроллере протекают следующие физические процессы: ЭД постоянного или переменного тока продолжает вращение; напряжение на ДК ank36.wmf (рис. 2,а) и ank37.wmf (рис. 2,б) 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 ank38.wmf (рис. 2,г); МК, во-первых производит расчет ЭМПВ TЭД ЭД постоянного или переменного тока численным методом из трансцендентного уравнения (2) по известным численным значениям TАЗ, k (находятся в энергонезависимой EEPROM-памяти данных) и TЭ (запомнено в SRAM-памяти данных в момент времени ank39.wmf на рис. 2), во-вторых, записывает в SRAM-памяти данных рассчитанное численное значение ЭМПВ TЭД ЭД постоянного или переменного тока в размерности [c] и высвечивает измеренное численное значение ЭМПВ TЭД ЭД постоянного или переменного тока в первых четырех разрядах девятиразрядного СЗИ – АЛС356А с точностью до тысячной доли секунды, в-третьих, продолжает отсчет времени выбора МХ ank40.wmf МП ЭП (рис. 2,е).

В момент времени ank41.wmf (рис. 2) в контроллере происходят следующие процессы: закончен выбор МХ МП ЭП и приходит во вращение тихоходный вал МП и нагрузка; величина нагрузки на ЭД постоянного или переменного тока скачкообразно возрастает и в обмотке якоря или статора вновь возникает импульс пускового тока, который создает на ДК импульс постоянного напряжения ank42.wmf (рис. 2,а) или импульс переменного напряжения ank43.wmf (рис. 2,б); сигнал с ДК поступает на ФИ, который вырабатывает второй короткий импульс ank44.wmf(рис. 2,г), поступающий на МК; МК, во-первых, заканчивает отсчет времени выбора МХ ank45.wmf МП (рис. 2,е) и запоминает его значение в SRAM-памяти данных в размерности [c] а, во-вторых производит расчет МХ a МП ЭП постоянного или переменного тока по заданному алгоритму – формула (1) и высвечивает измеренное численное значение ank46.wmf в последних четырех разрядах девятиразрядного СЗИ – АЛС356А с точностью до тысячной доли градуса.

Выводы

Введение во встроенный контролер ЭМПВ TЭД ЭД и МХ ank47.wmf МП ЭП постоянного или переменного тока по времени экстремума реакции ПАЗ [20]: ПАД [9], вход которого подключен к ДК (см рис. 2), а выход соединен со входами ФИ и ПАЗ первого порядка; восьмибитного МК ATmega8515 с FLASH-памятью программ, EEPROM- и SRAM-памятью данных; девятиразрядного СЗИ АЛС356А; первая линия порта МК, настроенная как вход, подключена к выходу ФИ, вторая линия порта МК, настроенная как вход, подключена к выходу УВЭН, а семнадцать линий портов МК, настроенные как выход, подключены к девятиразрядному СЗИ АЛС356А, что обеспечило:

1. Возможность оперативного встроенного измерения ЭМПВ TЭД ЭД, как постоянного, так и перемененного тока, и высвечивания измеренного численного значения ЭМПВ TЭД ЭД постоянного или переменного тока в первых четырех разрядах девятиразрядного СЗИ – АЛС356А с точностью до тысячной доли секунды.

2. Возможность оперативного встроенного измерения МХ a МП ЭП, как постоянного, так и перемененного тока, и высвечивания измеренного численного значения МХ a МП ЭП постоянного или переменного тока в последних четырех разрядах девятиразрядного СЗИ – АЛС356А с точностью до тысячной доли градуса.


Библиографическая ссылка

Анкудинов К.А., Карпов Е.Б., Карпов И.Е. ВСТРОЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И МЕРТВОГО ХОДА МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПО ВРЕМЕНИ ЭКСТРЕМУМА РЕАКЦИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 12-1. – С. 10-15;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34800 (дата обращения: 20.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074