Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И МЕРТВОГО ХОДА МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Анкудинов К.А. 1
1 Финансовый университет при Правительстве РФ
Микроконтроллерное устройство по патенту на полезную модель 77121 РФ относится к электромашиностроению, в частности к устройствам встроенного контроля электромеханической постоянной времени электродвигателей постоянного тока и мертвого хода механических передач электроприводов постоянного тока в ходе их эксплуатации без демонтажа механических передач и электродвигателей с изделий, где они выполняют свои рабочие функции.
микроконтроллер
электропривод постоянного тока
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. 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.
3. 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.
4. 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.
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., Семченко М.Я., Анкудинов К.А. Устройство для контроля мертвого хода механической передачи электропривода // Авторское свидетельство SU 1677792. Опубликовано: 15.09.1991. Бюл. № 34.
9. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Измерение электромеханической постоянной времени электропривода постоянного тока // Измерительная техника. 1990. № 12. С. 31-32.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. Анкудинов К.А. Устройство встроенного контроля постоянной времени электродвигателя и мертвого хода механической передачи электропривода // Патент на полезную модель RUS 77121. Заявка: 22.05.2008. Опубликовано: 10.10.2008. Бюл. № 28.
18. 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.
19. 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.
20. Карпов Е.Б., Карпова Е.А. Анализ понятия «самоопределение» в психологии // Казанская наука. 2012. № 2. С. 256-259.
21. Карпов Е.Б., Карпов И.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Ильин А.А., Баранов А.Н., Фридланд А.Я., Смирнова О.Б., Акиншин Р.Н., Акиншин Н. С. Программатор AVR-микроконтроллеров с универсальным контроллером защиты // Патент на полезную модель RUS 110513. Заявка: 26.04.2011. Опубликовано: 20.11.2011. Бюл. № 32.
22. Карпов Е.Б., Карпов И.Е., Карпова Т.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Баранов А.Н., Баранова Е.М., Ильин А.А., Акиншин Р.Н., Аминов Э.В. Программатор PIC-микроконтроллеров с регулируемой защитой от перегрузок // Патент на полезную модель RUS 120255. Заявка: 25.05.2012. Опубликовано: 10.09.2012. Бюл. № 25.
23. Ankudinov A.I., Kravets V.I., Ankudinov K.A. Measurement of the electromechanical time constant of DC electric drives // Measurement Techniques. 1990. Vol. 33, №12. P. 1229-1231.

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]

ank1.tif (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:

ank2.tif, (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.

 

ank10.tif

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.

ank11.tif

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 tank12.tif(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(tank12.tif(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(tank12.tif(t1;t2))=0 (рис. 2,б); напряжение на выходе ПАЗ uПАЗ(tank12.tif(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 tank12.tif(t2;t3) (рис. 2) в устройстве протекают следующие физические процессы: ЭД постоянного тока продолжает вращение; напряжение на ДК uДК(tank12.tif(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(tank12.tif(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.


Библиографическая ссылка

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;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=5586 (дата обращения: 15.10.2019).

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