RU2773298C1 - Method for regulating the response time of an electromagnet and a device for its implementation - Google Patents
Method for regulating the response time of an electromagnet and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773298C1 RU2773298C1 RU2021124969A RU2021124969A RU2773298C1 RU 2773298 C1 RU2773298 C1 RU 2773298C1 RU 2021124969 A RU2021124969 A RU 2021124969A RU 2021124969 A RU2021124969 A RU 2021124969A RU 2773298 C1 RU2773298 C1 RU 2773298C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- value
- output
- response time
- input
- cycle
- Prior art date
Links
- 230000004044 response Effects 0.000 title claims abstract description 90
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 title claims description 7
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000000051 modifying Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 abstract description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 abstract 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 10
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000000630 rising Effects 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 description 1
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 1
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов. Данное техническое решение может применяться преимущественно при решении задачи одновременного управления несколькими коммутационными аппаратами или клапанами, когда важно обеспечить их синхронную работу.The present invention relates to electrical engineering and can be used to control actuating electromagnets (EM) of valves and switching devices. This technical solution can be used mainly when solving the problem of simultaneous control of several switching devices or valves, when it is important to ensure their synchronous operation.
Известны способы регулирования времени срабатывания ЭМ, описанные в [1] на с. 142-144 или в [2] на с. 232-233. Эти решения предусматривают установку дополнительных элементов (индуктивностей, емкостей или сопротивлений) для снижения скорости нарастания тока в обмотке ЭМ при включении. Такие решения значительно увеличивают габариты устройства, так как требует установки элементов, рассчитанных на рабочие токи ЭМ. Кроме того, такое регулирование требует замены установленных ранее элементов, и не позволяет обеспечить автоматическое регулирование времени срабатывания. Обычно, регулирование времени срабатывания ЭМ не допускает изменения этого времени в обе стороны (как в сторону увеличения, так и уменьшения), а сводится либо к замедлению срабатывания, либо к форсированию.Known methods for controlling the response time of the EM, described in [1] on p. 142-144 or in [2] on p. 232-233. These solutions include the installation of additional elements (inductances, capacitances or resistances) to reduce the rate of current rise in the EM winding when turned on. Such solutions significantly increase the dimensions of the device, as it requires the installation of elements designed for the operating currents of the EM. In addition, such regulation requires the replacement of previously installed elements, and does not allow for automatic regulation of the response time. Usually, the regulation of the response time of the EM does not allow a change in this time in both directions (both upward and downward), but is reduced to either slowing down the response or forcing.
Для задержки времени срабатывания ЭМ используется также и гидравлическое замедление, описанное в [3]. Такое техническое решение должно быть заложено при изготовлении ЭМ и требует наличия в конструкции герметизированной трубки, заполненной вязкой жидкостью, с размещенным в ней подвижным сердечником. Это конструктивное решение нельзя использовать для ЭМ, работающих в сложных условиях эксплуатации. Кроме того, оно не позволяет обеспечивать корректировку изменения времени срабатывания в процессе эксплуатации.To delay the response time of the EM, the hydraulic deceleration described in [3] is also used. Such a technical solution should be incorporated in the manufacture of EM and requires the presence in the design of a sealed tube filled with a viscous liquid with a movable core placed in it. This design solution cannot be used for EMs operating in difficult operating conditions. In addition, it does not allow for correction of the change in response time during operation.
Более гибким решением являются способы регулирования времени срабатывания за счет электрического управления параметрами электронных элементов. Например, устройство, описанное в [4], позволяет снизить время срабатывания электромагнита за счет использования повышенного напряжения питания ЭМ и импульсной стабилизации напряжения на его катушке в процессе срабатывания. Такое решение свободно от описанных выше недостатков, но не позволяет регулировать время срабатывания ЭМ, изменяющееся при воздействии на него в процессе эксплуатации дестабилизирующих факторов (изменение температуры, противодействующей силы, рабочего хода).A more flexible solution is to control the response time by electrically controlling the parameters of electronic elements. For example, the device described in [4] makes it possible to reduce the response time of an electromagnet by using an increased supply voltage of the EM and pulse voltage stabilization on its coil during operation. Such a solution is free from the disadvantages described above, but does not allow adjusting the response time of the EM, which changes when it is exposed to destabilizing factors during operation (changes in temperature, counteracting force, working stroke).
Известен также способ регулирования времени срабатывания, реализованный в [5]. Этот способ предполагает измерение напряжения питания и шунтирование дополнительным ключом обмотки ЭМ, подключенной к источнику питания, через последовательно включенный резистор. Данное решение позволяет регулировать время срабатывания ЭМ в широких пределах, но при этом в каждом цикле срабатывания ЭМ затрачивается дополнительная энергия, значительно превышающая реально необходимую для его срабатывания.There is also a method for controlling the response time, implemented in [5]. This method involves measuring the supply voltage and shunting the EM winding connected to the power source with an additional key through a series-connected resistor. This solution allows you to adjust the response time of the EM in a wide range, but at the same time, in each cycle of the EM operation, additional energy is expended, significantly exceeding the actual energy required for its operation.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ регулирования времени срабатывания и устройство для его осуществления по патенту [6]. Это техническое решение обладает относительно высокой энергоэффективностью и позволяет осуществлять автоматическое регулирование времени срабатывания ЭМ в достаточно широких пределах при его отклонении от заданного значения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Однако, это требует введения дополнительного силового устройства, содержащего большое число элементов, увеличивающих габариты устройства и снижающих его надежность.The prototype of the present invention is a method for controlling the response time and a device for its implementation according to the patent [6]. This technical solution has a relatively high energy efficiency and allows automatic control of the EM response time in a fairly wide range when it deviates from the set value both upwards and downwards. However, this requires the introduction of an additional power device containing a large number of elements that increase the dimensions of the device and reduce its reliability.
Задачами предлагаемого изобретения являются упрощение способа и устройства и повышение надежности.The objectives of the invention are to simplify the method and device and improve reliability.
При решении задачи предлагаемого изобретения для регулирования времени срабатывания ЭМ используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ, а в качестве параметра цепи питания, влияющего на время срабатывания, используют величину скважности подаваемых на обмотку импульсов напряжения. При этом, новое постоянное на цикле срабатывания значение величины скважности подаваемых на обмотку электромагнита импульсов напряжения при его последующем включении, выбирают так, чтобы уменьшить отклонение времени срабатывания от заданного значения. Причем изменение скважности импульсов напряжения перед каждым новым циклом срабатывания производят автоматически до тех пор, пока время срабатывания электромагнита не достигнет заданного значения с требуемой точностью, а проверку отклонения текущего значения времени срабатывания от заданного значения производят перед каждым новым циклом срабатывания.When solving the problem of the proposed invention, to control the response time of the EM, pulse-width modulation (PWM) of the voltage supplied to the EM winding is used, and the value of the duty cycle of the voltage pulses applied to the winding is used as a parameter of the power circuit that affects the response time. At the same time, the new constant value of the duty cycle of the voltage pulses applied to the electromagnet winding during its subsequent switching on is chosen so as to reduce the deviation of the response time from the set value. Moreover, the change in the duty cycle of the voltage pulses before each new cycle of operation is carried out automatically until the time of operation of the electromagnet reaches the set value with the required accuracy, and the deviation of the current value of the operation time from the set value is checked before each new operation cycle.
Новое, постоянное на цикле срабатывания значение величины скважности, подаваемых на обмотку электромагнита импульсов напряжения при его последующем включении, можно выбирать с использованием соотношенияThe new value of the duty cycle, constant on the operation cycle, of the voltage pulses applied to the electromagnet winding when it is subsequently turned on, can be selected using the ratio
где S(k) - значение величины скважности на текущем k-м цикле срабатывания;where S(k) - the value of the duty cycle on the current k-th operation cycle;
S(k+1) - значение величины скважности на следующем (k+1)-м цикле срабатывания;S(k+1) - the value of the duty cycle on the next (k+1)-th operation cycle;
Ks(k) - коэффициент, характеризующий влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания;K s (k) - coefficient characterizing the effect of changing the duty cycle on the magnitude of the response time;
Δtсраб(k)=tсраб зад - tсраб(k);Δt srab (k)=t srab ass - t srab (k);
tсраб(k) - значение величины времени срабатывания на текущем k-м цикле срабатывания;t srab (k) - the value of the response time on the current k-th cycle of operation;
tсраб зад - заданное значение величины времени срабатывания.t srab set - the set value of the value of the response time.
Если выбранное новое значение скважности ниже минимального предельно допустимого значения скважности, то его принимают равным минимальному предельно допустимому значению, а если выбранное новое значение скважности выше максимального предельно допустимого значения скважности, то его принимают равным максимальному предельно допустимому значению. Очевидно, что минимальное предельно допустимое значение скважности S(k) при цифровой реализации ШИМ будет S(k)=1+1/2n, где n - разрядность ШИМ. Это соответствует случаю, когда паузы между импульсами напряжения, поступающими на обмотку ЭМ, имеют минимально допустимое в используемой цифровой реализации ШИМ значение. Максимальное предельно допустимое значение скважности выбирается для каждого типа ЭМ таким, чтобы гарантировать его срабатывание при любых допустимых условиях работы.If the selected new duty cycle value is below the minimum duty cycle limit, then it is taken equal to the minimum permissible value, and if the selected new duty cycle value is higher than the maximum duty cycle limit, then it is taken equal to the maximum permissible value. It is obvious that the minimum maximum permissible value of the duty cycle S(k) in the digital implementation of PWM will be S(k)=1+1/2 n , where n is the PWM capacity. This corresponds to the case when the pauses between voltage pulses arriving at the EM winding have the minimum allowable value in the used digital PWM implementation. The maximum allowable duty cycle value is selected for each type of EM in such a way as to guarantee its operation under any allowable operating conditions.
Начальное значение скважности и начальное значение коэффициента, характеризующего влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания, для заданного значения величины времени срабатывания можно определять до начала работы в лабораторных или заводских условиях по экспериментально снятой зависимости величины времени срабатывания от величины скважности при номинальных условиях.The initial value of the duty cycle and the initial value of the coefficient characterizing the effect of a change in the duty cycle on the value of the response time for a given value of the response time can be determined before starting work in laboratory or factory conditions according to the experimentally taken dependence of the response time on the duty cycle under nominal conditions.
Значение коэффициента, характеризующего влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания, можно переопределять автоматически перед началом каждого последующего цикла срабатывания после второго в соответствии с соотношениемThe value of the coefficient characterizing the effect of a change in the duty cycle on the value of the response time can be redefined automatically before the start of each subsequent cycle of operation after the second one in accordance with the ratio
где tcpaб(k-1) и S(k-1) - значение величины времени срабатывания и скважности на (k-1)-м цикле срабатывания.where t cpab (k-1) and S(k-1) - the value of the response time and duty cycle on the (k-1)-th cycle of operation.
При этом, значение величины времени срабатывания на каждом текущем цикле срабатывания ЭМ с достаточной степенью точности можно определять как величину отрезка времени между подачей напряжения питания на обмотку и моментом времени достижения током в обмотке локального минимума при срабатывании электромагнита.At the same time, the value of the response time on each current cycle of EM operation can be determined with a sufficient degree of accuracy as the value of the time interval between the supply voltage to the winding and the moment in time that the current in the winding reaches a local minimum when the electromagnet is triggered.
Для реализации предлагаемого способа регулирования времени срабатывания ЭМ разработано устройство. Для решения задачи предлагаемого изобретения в устройство дополнительно введены тактовый генератор, формирователь защитного интервала, широтно-импульсный модулятор, микроконтроллерное ядро, счетчик, первый и второй логические элементы НЕ, логические элементы 2И и 3И, первый и второй D-триггеры, цифровой компаратор, регистр, аналого-цифровой преобразователь, схема синхронизации и датчик тока. Причем плюсовой вывод управляемого ключа соединен с первой клеммой питания, а его управляющий вход соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, который соединен также с входами счетчика и второго логического элемента НЕ. Выход тактового генератора соединен с тактовым входом широтно-импульсного модулятора. Положительный вывод датчика тока соединен с минусовой клеммой электромагнита, а его отрицательный вывод - с второй клеммой питания. Выход датчика тока соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ, а выход готовности - с входом схемы синхронизации. Первый выход схемы синхронизации соединен с первым входом логического элемента 2И, второй выход - с первым входом логического элемента 3И, а третий выход - с входом записи регистра, вход данных которого соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, соединенным также с входом секции В цифрового компаратора, вход секции А которого соединен с выходом данных регистра. Первый выход цифрового компаратора соединен с входом данных первого D-триггера, а второй выход цифрового компаратора соединен с вторым входом логического элемента 3И, третий вход которого соединен с инверсным выходом второго D-триггера, прямой выход которого соединен с входом останова счета счетчика и первым дискретным входом микроконтроллерного ядра, второй дискретный вход которого соединен с клеммой управления электромагнитом, которая соединена также с входами формирователя защитного интервала и первого логического элемента НЕ, выход которого соединен с входом сброса счетчика. Входной порт микроконтроллерного ядра соединен с выходом счетчика, а его выходной порт - с входом широтно-импульсного модулятора. Причем выход формирователя защитного интервала соединен с входами сброса первого и второго D-триггеров, тактовые входы которых соединены соответственно с выходами логических элементов 2И и 3И. Второй вход логического элемента 2И соединен с инверсным выходом первого D-триггера, прямой выход которого соединен с входом данных второго D-триггера. Выход стабилизатора напряжения соединен с входами питания всех дополнительно введенных элементов схемы.To implement the proposed method for regulating the response time of the EM, a device has been developed. To solve the problem of the proposed invention, a clock generator, a guard interval generator, a pulse-width modulator, a microcontroller core, a counter, the first and second NOT logic elements, 2I and 3I logic elements, the first and second D-flip-flops, a digital comparator, a register , analog-to-digital converter, timing circuit and current sensor. Moreover, the positive output of the controlled key is connected to the first power terminal, and its control input is connected to the output of the pulse-width modulator, which is also connected to the inputs of the counter and the second NOT logic element. The output of the clock generator is connected to the clock input of the pulse-width modulator. The positive terminal of the current sensor is connected to the negative terminal of the electromagnet, and its negative terminal is connected to the second power terminal. The output of the current sensor is connected to the analog input of the analog-to-digital converter, the start input of which is connected to the output of the second logic element NOT, and the ready output is connected to the input of the synchronization circuit. The first output of the synchronization circuit is connected to the first input of the logic element 2I, the second output is connected to the first input of the logic element 3I, and the third output is connected to the write input of the register, the data input of which is connected to the digital output of the analog-to-digital converter, which is also connected to the input of section B of the digital comparator, the input of section A of which is connected to the data output of the register. The first output of the digital comparator is connected to the data input of the first D-flip-flop, and the second output of the digital comparator is connected to the second input of the 3I logic element, the third input of which is connected to the inverse output of the second D-flip-flop, the direct output of which is connected to the counter count stop input and the first discrete input of the microcontroller core, the second discrete input of which is connected to the control terminal of the electromagnet, which is also connected to the inputs of the guard interval generator and the first logic element NOT, the output of which is connected to the reset input of the counter. The input port of the microcontroller core is connected to the output of the counter, and its output port is connected to the input of the pulse-width modulator. Moreover, the output of the guard interval generator is connected to the reset inputs of the first and second D-flip-flops, the clock inputs of which are connected, respectively, to the outputs of logic elements 2I and 3I. The second input of logic element 2I is connected to the inverse output of the first D-flip-flop, the direct output of which is connected to the data input of the second D-flip-flop. The voltage stabilizer output is connected to the power inputs of all additionally introduced circuit elements.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings.
Фиг. 1. Экспериментальная и аппроксимирующая зависимости времени срабатывания ЭМ от скважности подаваемых на обмотку импульсов напряжения при номинальных условиях работы.Fig. 1. Experimental and approximating dependences of the response time of the EM on the duty cycle of the voltage pulses applied to the winding under nominal operating conditions.
Фиг. 2. Экспериментальные переходные процессы изменения тока в обмотке ЭМ и выходного сигнала акселерометра при срабатывании ЭМ.Fig. 2. Experimental transient processes of changing the current in the EM winding and the output signal of the accelerometer when the EM is triggered.
Фиг. 3. Функциональная схема предлагаемого устройства регулирования времени срабатывания ЭМ.Fig. Fig. 3. Functional diagram of the proposed device for controlling the response time of the EM.
Фиг. 4, а-в. Участки экспериментального переходного процесса изменения тока в обмотке ЭМ и выходного сигнала акселерометра при срабатывании ЭМ, иллюстрирующие работу функциональной схемы.Fig. 4, a-c. Sections of the experimental transient change in the current in the winding of the EM and the output signal of the accelerometer when the EM is triggered, illustrating the operation of the functional circuit.
Фиг. 5. Временные диаграммы формирования сигналов управления при работе функциональной схемы предлагаемого устройства регулирования времени срабатывания ЭМ.Fig. Fig. 5. Timing diagrams for the formation of control signals during the operation of the functional diagram of the proposed device for controlling the response time of the EM.
Фиг. 6. Функциональная схема возможного исполнения схемы синхронизации.Fig. 6. Functional diagram of a possible execution of the synchronization circuit.
Фиг. 7 Графическая иллюстрация работы предлагаемого способа регулирования времени срабатывания ЭМ в плоскости фазовых координат S - tcp.Fig. 7 Graphical illustration of the operation of the proposed method for controlling the response time of the EM in the plane of phase coordinates S - t cp .
Фиг. 8. Процессы изменения тока в обмотке ЭМ и перемещения якоря ЭМ при компьютерном моделировании работы устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования времени срабатывания ЭМ.Fig. 8. Processes of changing the current in the EM winding and moving the EM armature during computer simulation of the operation of the device that implements the proposed method for controlling the EM response time.
Как уже отмечалось, предлагаемое техническое решение основано на регулировании времени срабатывания ЭМ за счет использования ШИМ напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ. Разработке этого решения предшествовали экспериментальные исследования, послужившие для него физической основой.As already noted, the proposed technical solution is based on the regulation of the EM response time through the use of PWM voltage applied to the EM winding. The development of this solution was preceded by experimental studies, which served as a physical basis for it.
На фиг. 1 приведены экспериментальная (показанные кружочками экспериментально снятые точки) и аппроксимирующая (сплошная линия) зависимости времени срабатывания ЭМ от скважности подаваемых на обмотку импульсов напряжения при номинальных условиях работы. При этом под скважностью, как это принято в специальной литературе (см., например, [7]), будем понимать отношение периода следования импульсов к длительности импульса.In FIG. 1 shows the experimental (experimentally taken points shown by circles) and approximating (solid line) dependences of the EM response time on the duty cycle of the voltage pulses applied to the winding under nominal operating conditions. In this case, by the duty cycle, as is customary in the specialized literature (see, for example, [7]), we mean the ratio of the pulse repetition period to the pulse duration.
Зависимость, показанная сплошной линией на фиг. 1, получена аппроксимацией по методу наименьших квадратов экспериментальных точек полиномом шестой степени. Соответствующее этой кривой аналитическое выражение, имеет видThe dependence shown by the solid line in Fig. 1 is obtained by least squares approximation of the experimental points by a polynomial of the sixth degree. The analytical expression corresponding to this curve has the form
где tcpaб арр - аппроксимирующее значение величины времени срабатывания при величине скважности S;where t cpab app - approximating the value of the response time at the value of the duty cycle S;
С6, C5, С4, С3, С2, С1 и С0 - постоянные коэффициенты, которые для представленной на фиг. 1 кривой имеют следующие значения: С6=0,0180; С5=-0,1782; C4=0,7346; С3=-1,5801; С2=1,8816; С1=-1,1687 и С0=0,3013.C 6 , C 5 , C 4 , C 3 , C 2 , C 1 and C 0 are constant coefficients, which for the one shown in FIG. 1 of the curve have the following values: C 6 =0.0180; C 5 \u003d -0.1782; C 4 =0.7346; C 3 \u003d -1.5801; C 2 =1.8816; C 1 \u003d -1.1687 and C 0 \u003d 0.3013.
Наряду с функцией tсраб app(S) существует обратная функция S(tcpa6 зад), которая позволяет по величине tсраб зад заданного значения времени срабатывания ЭМ определить необходимое значение скважности S подаваемых на обмотку импульсов напряжения, которое должно обеспечить требуемое значение времени срабатывания ЭМ. Таким образом, использование функции S(tcpaб зад) позволит обеспечить начальное значение скважности S(k) на первом цикле регулирования времени срабатывания с использованием соотношения (1) при k=1.Along with the function t sb app (S), there is an inverse function S(t cpa6 set ) , which allows, by the value of t sb set of the set value of the EM operation time, to determine the required value of the duty cycle S of the voltage pulses applied to the winding, which should provide the required value of the EM operation time . Thus, the use of the function S(t cpab zad ) will provide the initial value of the duty cycle S(k) on the first control cycle of the operation time using relation (1) at k=1.
Значение первой производной этой функции dS(tсраб)/dtсраб при tсраб=tсраб зад можно использовать как начальное значение коэффициента Ks(k), характеризующего влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания, т.е. будем считать, что Ks(1)=dS(tсраб)/dtсраб|tсраб=tсраб зад и использовать это его значение при определении с использованием соотношения (1) значения скважности для следующего второго цикла срабатывания ЭМ. ТогдаThe value of the first derivative of this function dS(t srab) /dt srab at t srab =t srab set can be used as the initial value of the coefficient K s (k), characterizing the effect of changing the duty cycle on the value of the response time, i.e. we will assume that K s (1)=dS(t srab )/dt srab |t srab =t srab set and use this value when determining using relation (1) the duty cycle for the next second cycle of operation of the EM. Then
где S(2) - значение величины скважности, устанавливаемое для второго цикла срабатывания;where S(2) - the value of the duty cycle, set for the second cycle of operation;
Δtсраб(1)=tсраб зад - tсраб(1);Δt srab (1)=t srab ass - t srab (1);
tсраб(1) - значение величины времени срабатывания, полученное на первом цикле срабатывания.t srab (1) - the value of the response time obtained in the first cycle of operation.
После второго цикла срабатывания ЭМ, если полученное на нем значение времени срабатывания tсраб(2) не удовлетворяет неравенствуAfter the second cycle of operation of the EM, if the value of the operation time t worked (2) obtained on it does not satisfy the inequality
δtсраб доп ≥ |(tсраб зад - tсраб(2))/tсраб зад|,δt srab add ≥ |(t srab ass - t ass (2))/t ass |,
где δtсраб доп - допустимое значение относительной погрешности регулирования времени срабатывания ЭМ, то переопределяется значение коэффициента Ks(k), характеризующего влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания, с использованием соотношения (2).where δt srab add is the allowable value of the relative error of regulation of the response time of the EM, then the value of the coefficient K s (k) is redefined, which characterizes the effect of changing the duty cycle on the value of the response time, using relation (2).
Тогда Ks(2)=(S(2) - S(1))/(tcpaб(2) - tcpaб(1)) и для третьего цикла срабатывания ЭМ устанавливается значение скважностиThen K s (2)=(S(2) - S(1))/(t cpab (2) - t cpab (1)) and for the third cycle of operation of the EM, the duty cycle value is set
Далее для каждого очередного (k+1)-го цикла срабатывания ЭМ будет устанавливаться новое значение скважности S(k+1) в соответствии с соотношением (1) до тех пор, пока значение времени срабатывания tсраб(k) не будет удовлетворять неравенствуFurther, for each next (k + 1)-th cycle of EM operation, a new value of the duty cycle S(k + 1) will be set in accordance with relation (1) until the value of the operation time t sb (k) satisfies the inequality
Если неравенство (5) выполняется, то значение скважности для (k+1)-го цикла срабатывания ЭМ не изменяется и остается прежним, т.е. S(k+1)=S(k). Проверка соблюдения неравенства (5) производится по окончании каждого цикла срабатывания ЭМ. Если на каком-либо цикле срабатывания неравенство (5) нарушится, то для следующего цикла срабатывания будет установлено новое значение скважности, определенное с использованием соотношений (1) и (2).If inequality (5) is satisfied, then the value of the duty cycle for the (k + 1)-th cycle of operation of the EM does not change and remains the same, i.e. S(k+1)=S(k). Compliance with inequality (5) is checked at the end of each EM operation cycle. If inequality (5) is violated on any trigger cycle, then for the next trigger cycle a new duty cycle value will be set, determined using relations (1) and (2).
Таким образом, в течение всего периода работы ЭМ будет осуществляться контроль времени срабатывания ЭМ и, при необходимости, его автоматическое регулирование.Thus, during the entire period of operation of the EM, the control of the EM response time and, if necessary, its automatic regulation will be carried out.
Особого внимания заслуживает процесс определения на каждом цикле работы ЭМ значения времени срабатывания.The process of determining the value of the response time on each cycle of the EM operation deserves special attention.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что значение величины времени срабатывания можно с достаточно высокой степенью точности определять как величину отрезка времени между подачей напряжения питания на обмотку и моментом времени достижения током в обмотке локального минимума при срабатывании ЭМ. Начало отрезка времени, определяемого как время срабатывания ЭМ, приходится на момент подачи напряжения на обмотку ЭМ для осуществления его срабатывания. Конец же этого отрезка времени приходится на момент достижения якорем ЭМ его конечного положения, которое он занимает после срабатывания ЭМ. Будем считать, что это момент первого соприкосновения якоря со стопом, так как экспериментально установлено, что после удара якоря о стоп могут происходить один или несколько отскоков якоря от стопа до достижения окончательной фиксации якоря в положении, соответствующем полному срабатыванию.The conducted experimental studies have shown that the value of the response time can be determined with a sufficiently high degree of accuracy as the value of the time interval between the supply voltage to the winding and the moment in time when the current in the winding reaches a local minimum when the EM is triggered. The beginning of the time interval, defined as the response time of the EM, falls on the moment the voltage is applied to the EM winding for its operation. The end of this period of time falls on the moment the EM armature reaches its final position, which it occupies after the EM has been triggered. We will assume that this is the moment of the first contact of the anchor with the stop, since it has been experimentally established that after the anchor hits the stop, one or more rebounds of the anchor from the stop can occur until the anchor is finally fixed in the position corresponding to full operation.
При проведении экспериментальных исследований механическое перемещение якоря контролировалось с помощью сигнала с выхода акселерометра, жестко связанного с якорем и ориентированного так, что его ось чувствительности параллельна направлению перемещения якоря. При этом с момента начала движения якоря сигнал на выходе акселерометра быстро нарастает, а в момент первого соприкосновения якоря со стопом резко падает и меняет знак.When conducting experimental studies, the mechanical movement of the armature was controlled using a signal from the output of an accelerometer rigidly connected to the armature and oriented so that its sensitivity axis is parallel to the direction of movement of the armature. In this case, from the moment the armature starts moving, the signal at the accelerometer output rapidly increases, and at the moment of the first contact of the armature with the stop, it drops sharply and changes sign.
На фиг. 2 приведены экспериментальные переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ и выходного сигнала акселерометра а при срабатывании ЭМ во время одного из проведенных экспериментов. Для этого эксперимента напряжение источника питания составляло 28 В, период следования импульсов напряжения, подаваемых на обмотку ЭМ - 0,00005 с, их скважность S=1,1111. Толстой сплошной линией показан процесс изменения тока, а тонкой - процесс изменения выходного сигнала акселерометра. На графиках фиг. 2 выделены точки, которые отражают характерные моменты времени процесса срабатывания ЭМ: момент подачи напряжения на обмотку, момент первого соприкосновения якоря со стопом и момент достижения током в обмотке локального минимума. Видно, что время срабатывания ЭМ составляет tсраб=0,007845 с. При этом относительная погрешность его определения с использованием информации о моменте времени достижения током в обмотке локального минимума составляет 0,69%. Это вполне приемлемый результат для использования его в процессе регулирования времени срабатывания ЭМ. Экспериментальные исследования показали, что относительная погрешность определения времени срабатывания ЭМ с использованием момента времени достижения током в обмотке локального минимума при регулировании времени срабатывания экспериментального образца ЭМ в пределах от 0,0055 с до 0,055 с составила от 0,65% до 1,27%. Таким образом, данный способ определения времени срабатывания ЭМ может быть рекомендован для практического применения.In FIG. Figure 2 shows the experimental transient processes of changing the current I in the winding of the EM and the output signal of the accelerometer a when the EM is triggered during one of the experiments. For this experiment, the power supply voltage was 28 V, the repetition period of voltage pulses applied to the EM winding was 0.00005 s, their duty cycle was S=1.1111. The thick solid line shows the process of changing the current, and the thin line shows the process of changing the output signal of the accelerometer. On the graphs of Fig. 2, points are highlighted that reflect the characteristic moments of the EM operation process: the moment the voltage is applied to the winding, the moment the armature first touches the stop, and the moment the current in the winding reaches a local minimum. It can be seen that the response time of the EM is t srab \u003d 0.007845 s. In this case, the relative error of its determination using information about the moment of time when the current in the winding reaches a local minimum is 0.69%. This is quite an acceptable result for using it in the process of regulating the response time of the EM. Experimental studies have shown that the relative error in determining the response time of the EM using the moment of time when the current in the winding reaches a local minimum when adjusting the response time of the experimental sample of the EM in the range from 0.0055 s to 0.055 s was from 0.65% to 1.27%. Thus, this method for determining the response time of the EM can be recommended for practical use.
Функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ регулирования времени срабатывания ЭМ, приведена на фиг. 3.The functional diagram of the device that implements the proposed method for controlling the response time of the EM is shown in Fig. 3.
Устройство содержит (см. фиг. 3) первую 1 и вторую 2 клеммы питания, соединенные соответственно с положительным и отрицательным выводами источника постоянного напряжения, две клеммы 3 и 4 для подключения обмотки электромагнита 5, клемму управления электромагнитом 6, диод 7, управляемый ключ 8, фильтр питания 9 и стабилизатор напряжения 10, причем анод диода 7, отрицательные выводы фильтра питания 9, стабилизатора напряжения 10 и управляемого ключа 8 соединены со второй клеммой питания 2, катод диода 7 и выход управляемого ключа 8 соединены с плюсовой клеммой 3 электромагнита 5. Положительный вывод фильтра питания 9 и вход стабилизатора напряжения 10 соединены с первой клеммой питания 1. Устройство также содержит тактовый генератор 11, формирователь защитного интервала 12, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 13, микроконтроллерное ядро 14, счетчик 15, первый 16 и второй 17 логические элементы НЕ, логические элементы 2И 18 и 3И 19, первый 20 и второй 21 D-триггеры, цифровой компаратор 22, регистр 23, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 24, схема синхронизации 25 и датчик тока 26. Причем плюсовой вывод управляемого ключа 8 соединен с первой клеммой питания 1, а его управляющий вход соединен с выходом ШИМ 13, положительный вывод датчика тока 26 соединен с минусовой клеммой 4 электромагнита 5, а его отрицательный вывод - с второй клеммой питания 2. Выход датчика тока 26 соединен с аналоговым входом АЦП 24, вход запуска которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ 17, а выход готовности - с входом схемы синхронизации 25, первый выход которой соединен с первым входом логического элемента 2И 18, второй выход - с первым входом логического элемента 3И 19, а третий выход - с входом записи регистра 23, вход данных которого соединен с цифровым выходом АЦП 24, соединенным также с входом секции В цифрового компаратора 22, вход секции А которого соединен с выходом данных регистра 23. Первый выход цифрового компаратора 22 соединен с входом данных первого D-триггера 20. Второй выход цифрового компаратора 22 соединен с вторым входом логического элемента ЗИ 19, третий вход которого соединен с инверсным выходом второго D-триггера 21, прямой выход которого соединен с входом останова счета счетчика 15 и первым дискретным входом микроконтроллерного ядра 14, второй дискретный вход которого соединен с клеммой управления электромагнитом 6, которая соединена также с входами формирователя защитного интервала 12 и первого логического элемента НЕ 16, выход которого соединен с входом сброса счетчика 15. Входной порт микроконтроллерного ядра 14 соединен с выходом счетчика 15, а его выходной порт с входом ШИМ 13. Причем выход формирователя защитного интервала 12 соединен с входами сброса первого 20 и второго 21 D-триггеров, тактовые входы которых соединены соответственно с выходами логических элементов 2И 18 и 3И 19. Второй вход логического элемента 2И 18 соединен с инверсным выходом первого D-триггера 20, прямой выход которого соединен с входом данных второго D-триггера 21. Выход стабилизатора напряжения +5V соединен с входами питания всех дополнительно введенных элементов схемы.The device contains (see Fig. 3) the first 1 and second 2 power terminals connected respectively to the positive and negative terminals of the DC voltage source, two
Датчик тока 26 обеспечивает преобразование тока ЭМ 5 в напряжение, размах которого соответствует входному диапазону АЦП 24 (используется АЦП последовательного приближения).The current sensor 26 converts the
Работа схемы начинается с получения сигнала на включение ЭМ 5 на входную клемму 6 устройства. При этом по команде микроконтроллерного ядра 14 в ШИМ 13 загружается значение скважности S(k). при этом, с указанной скважностью начинает работать управляемый ключ 8,вызывая рост тока в обмотке ЭМ 5. Характер изменения тока в обмотке ЭМ 5 приведен на фиг. 4, а-в. По сигналу, поступающему на клемму управления электромагнитом 6, снимается сигнал «Сбр. 2» с входа сброса счетчика 15, и формирователь защитного интервала 12 формирует импульс сброса «Сбр. 1», длительностью Тзи ≤ 0,1 Тмин ср, где Тмин ср - минимально возможное время срабатывания ЭМ при любых допустимых условиях его работы. Этот сигнал «Сбр. 1» (отрезок времени действия этого сигнала показан на фиг. 4, а) удерживает выходы первого и второго D-триггеров 20 и 21 в состоянии логического 0 независимо от состояния других сигналов на их входах. С появлением заднего фронта сигнала на выходе ШИМ 13 запускается преобразование сигнала с выхода датчика тока 26. С выхода ШИМ 13 поступает сигнал на открытие управляемого ключа 8 и одновременно через второй логический элемент НЕ 17 сигнал «Старт» на вход запуска преобразования АЦП 24. При снятии сигнала с управляющего входа ключа происходит запуск преобразования АЦП 24. При этом, за время задержки выключения управляемого ключа 8, составляющее, например, для ключа AUIPS7221R [8] 2 мкс, происходит захват текущего значения уровня сигнала с выхода датчика тока 26 схемой выборки и хранения (СВХ), входящей в состав АЦП 24, и ее отключение от выхода датчика тока 26, и начинается преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Моменты выборки аналогового сигнала показаны на фиг. 4, в штриховыми линиями. Выбор моментов захвата перед отключением управляемого ключа, синхронно с работой ШИМ обеспечивает необходимую помехозащищенность метода. При частоте ШИМ 20 кГц частота преобразования АЦП 24 должна быть не менее 100 кГц, и время отключения СВХ от источника сигнала составлять меньше половины времени задержки включения ключа, то есть не более 1 мкс, что выполняется для большинства АЦП. По окончании преобразования, одновременно с появлением результата на выходе готовности АЦП 24, формируется сигнал «Готов», по которому запускается схема синхронизации 25, формирующая на своих выходах T1, Т2 и Т3 приведенную на фиг. 5 последовательность импульсных сигналов, управляющих работой устройства. Функциональная схема возможного исполнения схемы синхронизации, приведенная на фиг. 6, может быть выполнена на трех последовательно включенных одновибраторах 27, 28 и 29. Все одновибраторы могут быть построены по одной схеме, например, приведенной в [9].The operation of the circuit begins with the receipt of a signal to turn on the
По переднему фронту сигнала Т1 проверяется выполнение условия А>В, что соответствует достижению током в обмотке ЭМ 5 локального максимума. И, если это условие выполнено, на прямом выходе первого D-триггера 20 устанавливается сигнал логическая «1». На фиг. 4, а, б выделены отрезки процесса изменения тока в обмотке ЭМ 5, для которых выполняются условия А>В и А<В соответственно.On the leading edge of the signal T1, the fulfillment of the condition A> B is checked, which corresponds to the achievement of a local maximum by the current in the EM winding 5. And, if this condition is met, a logical "1" signal is set at the direct output of the first D-flip-
По переднему фронту сигнала Т2, при наличии сигнала логическая «1» на прямом выходе первого D-триггера 20, проверяется выполнение условия А<В, которое соответствует достижению током в обмотке ЭМ 5 локального минимума. И, при выполнении этого условия, на прямом выходе второго D-триггера 20 устанавливается сигнал логическая «1».On the rising edge of the signal T2, in the presence of a logical "1" signal at the direct output of the first D-flip-
По сигналу Т3 выполняется запись результата преобразования АЦП 24 в текущем такте ШИМ 13 в регистр 23 для его сравнения в цифровом компараторе 22 на последующем такте с новым значением тока в обмотке ЭМ 5.The signal T3 is used to record the result of the conversion of the ADC 24 in the
В каждом периоде ШИМ 13 по окончании преобразования АЦП 24 по переднему фронту сигнала «Готов» формируется сигнал Т1, по нарастающему фронту которого на выход Q первого D-триггера 20 запишется значение со входа D соответствующее состоянию А>В первого выхода цифрового компаратора 22.In each period of
Таким образом логическая «1» на прямом выходе Q первого D-триггера 20 появится в начале падающего участка тока. Одновременно на его инверсном выходе Q появиться логический «0», который, поступив на второй вход логического элемента 2И 18, запретит прохождение тактовых импульсов Т1 на тактовый вход С первого D-триггера 20. После окончания падающего участка сигнала Т1, при первом появлении на втором выходе (А<В) цифрового компаратора 22 сигнала логической «1», соответствующего достижению локального минимума и началу второго нарастающего участка тока в обмотке ЭМ 5, тактовый сигнал Т2 пройдет через логический элемент 3И 19 на тактовый вход С второго D-триггера 21. При наличии логической «1» на входе данных второго D-триггера 21, по переднему фронту сигнала Т2 на прямом выходе второго D-триггера 21 появится сигнал «Стоп», который остановит работу счетчика 15 периодов ШИМ 13. Это значение одновременно с формированием сигнала «Стоп», поступает в микроконтроллерное ядро 14, где время срабатывания ЭМ 5 определяется как tcpaб(k)=(N-1)*TШИМ, где N - число периодов ШИМ, подсчитанное счетчиком, а ТШИМ - период ШИМ.Thus, the logical "1" at the direct output Q of the first D-flip-
Микроконтроллерное ядро 14 содержит арифметико-логическое устройство, а также память данных и память программ. В нем выполняются расчеты необходимые для реализации заявляемого способа.The
В качестве цифрового компаратора может быть использована, например, микросхема 555СП1 [10] или ее аналог SN7485 (page 7-57 в [11]). Регистр может быть выполнен, например, на двух микросхемах КМ155ТМ5, объединяющих в себе четыре D-триггера, или на ее аналоге SN54L77 (page 7-35 в [11]), а в качестве элемента 2И - микросхема 1594ЛИ1Т [12]. Элемент НЕ может быть выполнен на микросхеме 1594ЛН1Т [13]. Элемент 3И может быть выполнен на микросхеме 1594ЛИ3Т [12].As a digital comparator, for example, a 555SP1 microcircuit [10] or its analogue SN7485 (pages 7-57 in [11]) can be used. The register can be implemented, for example, on two KM155TM5 microcircuits, combining four D-flip-flops, or on its analogue SN54L77 (pages 7-35 in [11]), and as a 2I element, a 1594LI1T microcircuit [12]. The element can NOT be made on a 1594LN1T chip [13]. Element 3I can be made on a 1594LI3T chip [12].
Датчик тока 26 состоит из низкоомного резистора, включенного последовательно в цепь обмотки ЭМ 5, и операционного усилителя, например MCP6V02-E/SN/ [14].The current sensor 26 consists of a low-resistance resistor connected in series to the winding circuit of
Микроконтроллерное ядро 14, счетчик 15, формирователь защитного интервала 12, АЦП 24 и модуль ШИМ 13 могут быть выполнены, например, на соответствующих элементах микроконтроллера PIC16F1824 [15].
Наиболее перспективным решением может быть реализация всего предлагаемого устройства, кроме силовых элементов, на одной полузаказной микросхеме аналого-цифровой базовый матричный кристалл (БМК) 5400ТР105 [16].The most promising solution may be the implementation of the entire proposed device, except for power elements, on one semi-custom microcircuit analog-to-digital basic matrix crystal (BMC) 5400TR105 [16].
Проверку работоспособности и эффективности предлагаемого технического решения проведем с использованием метода компьютерного моделирования.We will check the performance and effectiveness of the proposed technical solution using the computer simulation method.
При включении ЭМ 5 на первом цикле срабатывания устанавливаем значение скважности, соответствующее заданному значению времени срабатывания, с использованием аппроксимирующей зависимости времени срабатывания ЭМ от скважности подаваемых на обмотку импульсов напряжения при номинальных условиях работы, показанной на фиг. 1.When
Например, если заданное значение времени срабатывания tcpa6 зад=0,01 с, то требуется установить значение скважности S=1,306. Тогда при номинальных условиях работы (напряжение питания U=28 В и начальный зазор ЭМ х=0,5 мм) при этом установленном значении скважности мы должны получить на текущем цикле срабатывания ЭМ заданное значение времени срабатывания. Будем считать, что условия работы у нас изменились и отличаются от номинальных. Пусть напряжение питания упало до 25 В, а начальный зазор ЭМ стал больше х=0,6 мм. Такое изменение условий работы должно привести к увеличению времени срабатывания ЭМ. Компьютерное моделирование дает результат tcpa6(1)=0,011142 с. Это при начальном значении скважности S(1)=1,306. Этому результату компьютерного моделирования цикла срабатывания ЭМ (см. фиг. 7) соответствует точка «1» на плоскости фазовых координат S - tср.For example, if the set value of the response time t cpa6 set = 0.01 s, then it is required to set the duty cycle value S=1.306. Then, under nominal operating conditions (supply voltage U=28 V and initial EM clearance x=0.5 mm), with this set duty cycle, we must obtain the set value of the response time on the current EM operation cycle. We will assume that our working conditions have changed and differ from the nominal ones. Let the supply voltage drop to 25 V, and the initial gap of the EM become more than x = 0.6 mm. Such a change in operating conditions should lead to an increase in the response time of the EM. Computer simulation gives the result t cpa6 (1)=0.011142 s. This is at the initial value of the duty cycle S(1)=1.306. This result of computer simulation of the operation cycle of the EM (see Fig. 7) corresponds to the point "1" on the plane of the phase coordinates S - t cf .
Предположим задано, что допустимое значение относительной погрешности регулирования времени срабатывания ЭМ δtcpaб доп=1%. Мы для первого циклаLet us assume that it is given that the permissible value of the relative error of regulation of the operating time of the EM δt cpab add =1%. We are for the first cycle
Срабатывания имеем |Δtcpaб(1)/tcpaб зад|=|(tсраб зад - tсраб(1))/tсраб зад|=11,42%> δtсраб доп.We have |Δt cpab (1)/t cpab ass |=|(t ass - t ass (1))/t ass |=11.42%> δt ass add .
Тогда в соответствии с соотношением (4) для следующего цикла срабатывания ЭМ мы должны установить значение скважностиThen, in accordance with relation (4), for the next EM operation cycle, we must set the duty cycle value
S(2)=S(1)+Ks(1)Δtcpa6(1)=1,306+83,0(-0,001142)=1,2112;S(2)= S (1)+Ks(1)Δt cpa6 (1)=1.306+83.0(-0.001142)=1.2112;
так как для аппроксимирующей зависимости, показанной на фиг. 1,since for the approximating dependence shown in Fig. one,
Ks(1)=dS(tсраб)/dtсраб|/tсраб=tсраб зад=83,0;K s (1)=dS(t slave )/dt slave |/t slave =t slave set = 83.0 ;
a Δtcpa6(1)=tсраб зад - tсраб(1)=0,01 - 0,011142=-0,001142.a Δt cpa6 (1) \ u003d t slave set - t slave (1) \u003d 0.01 - 0.011142 \u003d -0.001142.
Компьютерное моделирование второго цикла срабатывания ЭМ при установленном значении скважности S=S(2) дает результат tcpa6(2)=0,00965 с, что соответствует точке «2» на графике фиг. 7. ТогдаComputer simulation of the second cycle of operation of the EM with the set value of the duty cycle S=S(2) gives the result t cpa6 (2)=0.00965 s, which corresponds to point "2" on the graph of Fig. 7. Then
|Δtcpaб(2)/tcpaб зад|=|(tсраб зад - tсраб(2))/tсраб зад|=3,5%> δtсраб доп.|Δt spab (2)/t srab ass |=|(t srab ass - t ass (2))/t ass ass |=3.5%> δt ass add .
А значит, требуется опять переопределение значения скважности на следующем цикле срабатывания ЭМ. В соответствии с описанным способом регулирования времени срабатывания ЭМ после второго цикла срабатывания требуется переопределение коэффициента, характеризующего влияние изменения величины скважности на величину времени срабатывания. Используя соотношение (2), имеем Ks(2)=(S(2)-S(1))/(tcpa6(2)-tcpa6(1)=(1,2112-1,306)/(0,00965-0,011142)=63,54. Тогда S(3)=S(2)+Ks(2)Δtcpa6(2)=1,2112+63,54(0,01 - 0,00965)=1,2334.So, it is required again to redefine the value of the duty cycle on the next cycle of operation of the EM. In accordance with the described method for controlling the response time of the EM after the second cycle of operation, a redefinition of the coefficient characterizing the effect of changing the duty cycle on the value of the response time is required. Using relation (2), we have K s (2)=(S(2)-S(1))/(t cpa6 (2)-t cpa6 (1)=(1.2112-1.306)/(0.00965 -0.011142)=63.54 Then S(3)=S(2)+K s (2)Δt cpa6 (2)=1.2112+63.54(0.01 - 0.00965)=1 ,2334.
Компьютерное моделирование третьего цикла срабатывания ЭМ при установленном значении скважности S=S(3) дает результат tcpaб(3)=0,009856 с, что соответствует точке «3» на графике фиг. 7.Computer simulation of the third cycle of operation of the EM with the set value of the duty cycle S=S(3) gives the result t cpab (3)=0.009856 s, which corresponds to point "3" on the graph of Fig. 7.
Тогда |Δtсраб(3)/tсраб зад|=|(tсраб зад - tсраб(3))/tсраб зад|=1,44% > δtсраб доп.Then |Δt srab (3)/t srab ass |=|(t srab ass - t ass (3))/t ass ass |=1.44% > δt ass add .
Для следующего четвертого цикла срабатывания:For the next fourth actuation cycle:
Ks(3)=(S(3)-S(2))/(tcpa6(3)-tcpa6(2))=(1,2334-1,2112)/(0,009856-0,00965)=107,77. Тогда S(4)=S(3)+Ks(3)Δtcpa6(3)=1,2334+107,77(0,01-0,009856)=1,2489.K s (3)=(S(3)-S(2))/(t cpa6 (3)-t cpa6 (2))=(1.2334-1.2112)/(0.009856-0.00965 )=107.77. Then S(4)=S(3)+K s (3)Δt cpa6 (3)=1.2334+107.77(0.01-0.009856)=1.2489.
Компьютерное моделирование четвертого цикла срабатывания ЭМ при установленном значении скважности S=S(4) дает результат tcpaб(4)=0,010098 с, что соответствует точке «4» на графике фиг. 7.Computer simulation of the fourth cycle of operation of the EM with the set duty cycle S=S(4) gives the result t cpab (4)=0.010098 s, which corresponds to point "4" on the graph of Fig. 7.
Тогда |Δtcpa6(4)/tcpa6 зад|=|(tсраб зад - tcpa6(4))/tсраб зад|=0,98% < δtсраб доп. То есть заданная точность регулирования времени срабатывания достигнута.Then |Δt cpa6 (4)/t cpa6 ass |=|(t ass - t cpa6 (4))/t ass ass |=0.98% < δt ass add . That is, the specified accuracy of the response time control is achieved.
Рассмотрим еще один пример компьютерного моделирования работы предлагаемого устройства, реализующего заявляемый способ. Для этого примера выберем такие отличные от номинальных условия работы, которые приводят к уменьшению времени срабатывания. Пусть напряжение питания возросло до 30 В, а начальный зазор ЭМ стал меньше х=0,4 мм. Тогда компьютерное моделирование дает результат tcpaб(1)=0,007258 с при начальном значении скважности S(1)=1,306, что соответствует точке «1'» на графике фиг. 7. Для первого цикла срабатывания имеем |Δtсраб(1)/tсраб зад|=27,42% > δtcpaб доп. Далее, аналогично первому рассмотренному примеру, в соответствии с предлагаемым способом осуществляем изменение скважности в последующих циклах срабатывания:Consider another example of computer simulation of the proposed device that implements the proposed method. For this example, we choose such operating conditions that differ from the nominal ones, which lead to a decrease in the operating time. Let the supply voltage increase to 30 V, and the initial gap of the EM become less than x = 0.4 mm. Then computer simulation gives the result t cpab (1)=0.007258 s at the initial value of the duty cycle S(1)=1.306, which corresponds to the point "1'" on the graph of Fig. 7. For the first cycle of operation, we have |Δt srab (1)/t srab set |=27.42% > δt cpab add . Further, similarly to the first considered example, in accordance with the proposed method, we change the duty cycle in subsequent operation cycles:
2) S(2)=S(1)+Ks(1)Δtcpa6(1)=1,306+83,0(0,01-0,007258)=1,5336. Получаем компьютерным моделированием tcpaб(2)=0,009225 с, что соответствует точке «2'» на графике фиг. 7. Тогда |Δtcpa6(2)/tcpa6 зад|=7,75% > δtcpa6 доп.2) S(2)= S (1)+Ks(1)Δt cpa6 (1)=1.306+83.0(0.01-0.007258)=1.5336. We obtain by computer simulation t cpab (2)=0.009225 s, which corresponds to the point "2'" on the graph of Fig. 7. Then |Δt cpa6 (2)/t cpa6 ass |=7.75% > δt cpa6 add .
3) Ks(2)=(S(2)-S(1))/(tcpa6(2)-tcpa6(1))=(1,5336-l,306)/(0,009225-0,007258)=115,74. Тогда S(3)=S(2)+Ks(2)Δtcpa6(2)=1,5336+115,74(0,01-0,009225)=1,6234. Получаем компьютерным моделированием tcpa6(3)=0,010367 с, что соответствует точке «3'» на графике фиг. 7. Тогда |Δtcpa6(2)/tcpa6 зад|=3,67% > δtсраб доп.3) K s (2)=(S(2)-S(1))/(t cpa6 (2)-t cpa6 (1))=(1.5336-l.306)/(0.009225-0 .007258)=115.74. Then S(3)=S(2)+K s (2)Δt cpa6 (2)=1.5336+115.74(0.01-0.009225)=1.6234. We obtain by computer simulation t cpa6 (3)=0.010367 s, which corresponds to point "3'" on the graph of FIG. 7. Then |Δt cpa6 (2)/t cpa6 ass |=3.67% > δt srab add .
4) Ks(3)=(S(3)-S(2))/(tcpa6(3)-tcpa6(2))=(1,6234-1,5336)/(0,010367-0,009225)=78,63. Тогда S(4)=S(3)+Ks(3)*tcpa6(3)=1,6234+78,63(0,01-0,010367)=1,5946. Получаем компьютерным моделированием tсраб(4)=0,010038 с, что соответствует точке «4'» на графике фиг.7. Тогда |Δtсраб(4)/tсраб зад|=0,38% < δtсраб доп. То есть заданная точность регулирования времени срабатывания достигнута.4) K s (3)=(S(3)-S(2))/(t cpa6 (3)-t cpa6 (2))=(1.6234-1.5336)/(0.010367-0 .009225)=78.63. Then S(4)=S(3)+K s (3)*t cpa6 (3)=1.6234+78.63(0.01-0.010367)=1.5946. We obtain by computer simulation t srab (4)=0.010038 s, which corresponds to the point "4'" on the graph of Fig.7. Then |Δt srab (4)/t srab ass |=0.38% < δt srab add . That is, the specified accuracy of the response time control is achieved.
На фиг. 8 приведены полученные методом компьютерного моделирования переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ и перемещения якоря х при срабатывании в разных условиях работы. Обозначения переходных процессов на фиг. 8 соответствуют обозначениям циклов срабатывания ЭМ, принятым на фиг. 7. Так обозначение переходных процессов «4'» соответствует значениям параметров ЭМ, выбранным при компьютерном моделировании цикла срабатывания ЭМ, обозначенного точкой «4'» на графике фиг. 8.In FIG. Figure 8 shows the transient processes of current change I in the EM winding and armature displacement x obtained by computer simulation during operation under different operating conditions. The transient notation in FIG. 8 correspond to the designations of the EM operation cycles adopted in FIG. 7. Thus, the designation of transient processes "4'" corresponds to the values of the EM parameters selected in the computer simulation of the EM operation cycle, indicated by the point "4'" in the graph of FIG. eight.
А теперь предположим, что после достигнутой точности регулирования времени срабатывания через какое-то количество рабочих циклов внезапно изменились условия работы: напряжение питания упало до 25 В, а начальный зазор ЭМ стал х=0,5 мм и увеличилась на 15% нагрузка на якорь ЭМ при срабатывании. Тогда в следующем цикле работы, который будет первым для следующего этапа регулирования времени срабатывания, будем иметь S(1)=1,5946; Ks(1)=78,63. Получаем компьютерным моделированием tcpaб(1)=0,03201 с, что соответствует точке «1*» на графике фиг. 7. Соответствующие переходные процессы изменения тока в обмотке и перемещения якоря ЭМ в этом цикле срабатывания приведены на графиках фиг. 8. В результате мы переместились на фазовой плоскости из точки «4'» в точку «1*». Эти точки соответствуют одинаковому значению скважности S=1,5946. После первого цикла срабатывания на следующем этапе регулирования времени срабатывания имеем |Δtсраб(1)/tсраб зад|=220,1% > δtсраб доп, т.е. заданное внезапное изменение условий работы привело к увеличению времени срабатывания более чем в 3 раза.And now let's assume that after the accuracy of control of the response time has been achieved, after a certain number of operating cycles, the operating conditions suddenly change: the supply voltage drops to 25 V, and the initial gap of the EM becomes x = 0.5 mm and the load on the EM armature increases by 15%. when triggered. Then in the next cycle of work, which will be the first for the next stage of regulation of the operating time, we will have S(1)=1.5946; Ks(1)= 78.63 . We obtain by computer simulation t cpab (1)=0.03201 s, which corresponds to the point "1*" on the graph of Fig. 7. Corresponding transients of current change in the winding and movement of the EM armature in this operation cycle are shown in the graphs of FIG. 8. As a result, we have moved on the phase plane from point "4'" to point "1*". These points correspond to the same duty cycle S=1.5946. After the first cycle of operation, at the next stage of regulation of the operation time, we have |Δt slab (1)/t slab set |=220.1% > δt slab add , i.e. a given sudden change in operating conditions led to an increase in the response time by more than 3 times.
Рассчитываем значение скважности для следующего цикла срабатывания:Calculate the duty cycle for the next trigger cycle:
S(2)=S(1)+Ks(1)Δtcpaб(1)=1,5946+78,63(0,01-0,03201)=-0,1360. Поскольку задаваемое значение скважности подаваемых на обмотку импульсов напряжения не может быть меньше 1, приближенно без учета разрядности возможной цифровой реализации ШИМ принимаем S(2)=1. Компьютерным моделированием получаем tсраб(2)=0,007882 с, что соответствует точке «2*» на графике фиг. 7. Соответствующие переходные процессы изменения тока в обмотке и перемещения якоря ЭМ в этом цикле срабатывания приведены на графиках фиг. 8.S(2)=S(1)+K s (1)Δt cpab (1)=1.5946+78.63(0.01-0.03201)=-0.1360. Since the set value of the duty cycle of the voltage pulses applied to the winding cannot be less than 1, approximately, without taking into account the bit capacity of the possible digital implementation of PWM, we accept S(2)=1. By computer simulation, we obtain t srab (2)=0.007882 s, which corresponds to the point "2*" on the graph of FIG. 7. Corresponding transients of current change in the winding and movement of the EM armature in this operation cycle are shown in the graphs of FIG. eight.
Тогда |Δtcpa6(2)/tcpa6 зад|=21,18% > δtсраб доп. То есть относительная погрешность регулирования времени срабатывания на текущем цикле срабатывания уменьшилась практически в 10 раз.Then |Δt cpa6 (2)/t cpa6 ass |=21.18% > δt srab add . That is, the relative error in the regulation of the operation time in the current operation cycle has decreased by almost 10 times.
Продолжаем процесс регулирования времени срабатывания дальше. Для следующих циклов срабатывания получим:We continue the process of adjusting the response time further. For the following operation cycles we get:
3) Ks(2)=(S(2)-S(1))/(tcpa6(2)-tcpa6(1))=(1,0-1,5946)/(0,007882-0,03201)=24,65. Тогда S(3)=S(2)+Ks(2)Δtcpa6(2)=1,0+24,65(0,01-0,007882)=1,1403. Получаем компьютерным моделированием tсраб(3)=0,009661 с, что соответствует точке «3*» на графике фиг. 7. Соответствующие переходные процессы изменения тока в обмотке и перемещения якоря ЭМ в этом цикле срабатывания приведены на графиках фиг. 8. Тогда |Δtcpaб(2)/tcpaб зад|=3,39% > δtсраб доп.3) K s (2)=(S(2)-S(1))/(t cpa6 (2)-t cpa6 (1))=(1.0-1.5946)/(0.007882-0 .03201)=24.65. Then S(3)=S(2)+K s (2)Δt cpa6 (2)=1.0+24.65(0.01-0.007882)=1.1403. We obtain by computer simulation t srab (3)=0.009661 s, which corresponds to the point "3*" on the graph of Fig. 7. Corresponding transients of current change in the winding and movement of the EM armature in this operation cycle are shown in the graphs of FIG. 8. Then |Δt cpab (2)/t cpab ass |=3.39% > δt crab add .
4) Ks(3)=(S(3)-S(2))/(tcpa6(3)-tcpa6(2))=(1,1403-1,0)/(0,009661-0,007882)=78,70. Тогда S(4)=S(3)+Ks(3)Δtcpa6(3)=1,1403+78,70(0,01-0,009661)=1,1667. Получаем компьютерным моделированием tcpaб(4)=0,010088 с, что соответствует точке «4*» на графике фиг.7. Соответствующие переходные процессы изменения тока в обмотке и перемещения якоря ЭМ в этом цикле срабатывания приведены на графиках фиг. 8. Тогда |Δtсраб(4)/tсраб зад|=0,88% < δtcpaб доп. То есть заданная точность регулирования времени срабатывания опять достигнута за четыре цикла срабатывания.4) K s (3)=(S(3)-S(2))/(t cpa6 (3)-t cpa6 (2))=(1.1403-1.0)/(0.009661-0 .007882)=78.70. Then S(4)=S(3)+K s (3)Δt cpa6 (3)=1.1403+78.70(0.01-0.009661)=1.1667. We obtain by computer simulation t cpab (4)=0.010088 s, which corresponds to the point "4*" on the graph of Fig.7. The corresponding transient processes of current change in the winding and movement of the EM armature in this operation cycle are shown in the graphs of Fig. 8. Then |Δt srab (4)/t srab ass |=0.88% < δt cpab add . That is, the specified accuracy of regulation of the response time is again achieved in four cycles of operation.
Приведенные результаты компьютерного моделирования подтверждают работоспособность заявляемого технического решения и демонстрируют его устойчивую и надежную работу в разных ситуациях при регулировании времени срабатывания ЭМ для любого знака и любого рассмотренного диапазона отклонения от заданного значения. Заявляемое техническое решение позволяет эффективно решать задачу регулирования времени срабатывания ЭМ, независимо от причин вызывающих отклонение времени срабатывания от заданного значения.The presented results of computer simulation confirm the operability of the proposed technical solution and demonstrate its stable and reliable operation in different situations when adjusting the EM response time for any sign and any considered range of deviation from the set value. The proposed technical solution allows you to effectively solve the problem of regulating the response time of the EM, regardless of the reasons causing the deviation of the response time from the specified value.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить регулирование времени срабатывания электромагнита в широких пределах. При этом при его реализации не требуется введения в управляющее электромагнитом устройство дополнительных аппаратных средств по сравнению с обычно широко применяемыми управляющими микроконтроллерами или БМК и обязательно используемым управляющим ключом. Практически стандартный набор этих аппаратных средств при описанном их конфигурировании позволяет реализовать все операции заявляемого способа регулирования времени срабатывания ЭМ. Не требуется также введение дополнительных силовых элементов (как это сделано в решении-прототипе), которые являются наиболее нагруженными и наименее отказоустойчивыми элементами схемы. В результате достигается решение задачи предлагаемого изобретения по упрощению и повышению надежности.Thus, the proposed technical solution allows for the regulation of the response time of the electromagnet over a wide range. At the same time, its implementation does not require the introduction of additional hardware into the electromagnet control device in comparison with the commonly used control microcontrollers or BMK and the mandatory control key. Almost a standard set of these hardware with the described configuration allows you to implement all the operations of the proposed method for controlling the response time of the EM. It is also not required to introduce additional power elements (as done in the prototype solution), which are the most loaded and least fault-tolerant elements of the circuit. The result is a solution to the problem of the present invention to simplify and improve reliability.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Родштейн Л.А. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л. Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние 1989. - 304 с. с ил. ISBN 5-283-04389-4 стр. 142 - 144.1. Rodstein L.A. Electrical apparatus: Textbook for technical schools. - 4th ed., revised. and additional - L. Energoatomizdat, Leningrad. department 1989. - 304 p. from ill. ISBN 5-283-04389-4 pp. 142 - 144.
2. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. М. Энергия, 1972, 248 с. с ил.2. Slivinskaya A.G. Electromagnets and permanent magnets. Textbook for university students. M. Energy, 1972, 248 p. from ill.
3. Электромагнит с задержкой времени при срабатывании. RU 2246774 С1, 2005, бюл. №5.3. Electromagnet with time delay when triggered. RU 2246774 C1, 2005, bul. No. 5.
4. Устройство управления электромагнитом. RU 2349978 С2, 2009, бюл. №8.4. Electromagnet control device. RU 2349978 C2, 2009, bul. No. 8.
5. Устройство для регулирования времени срабатывания привода высоковольтного выключателя. RU 2285309 С1, 2006, бюл. №28.5. Device for adjusting the operating time of the high-voltage circuit breaker drive. RU 2285309 C1, 2006, bul. No. 28.
6. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита и устройство для его осуществления. RU 2733078 С1, бюл. №28, 30.09.2020.6. Method for regulating the response time of an electromagnet and a device for its implementation. RU 2733078 C1, bul. No. 28, 09/30/2020.
7. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства. 7-е изд., перераб. и доп., М.: Высшая школа, 2003.7. Brammer Yu.A., Pashchuk I.N. Pulse and digital devices. 7th ed., revised. and add., M .: Higher school, 2003.
8. AUIPS7221R PWM INTELLIGENT POWER HIGH SIDE SWITCH https://.www.infineon.com/dgdl/auips7221r.pdf 2021 г8. AUIPS7221R PWM INTELLIGENT POWER HIGH SIDE SWITCH https://.www.infineon.com/dgdl/auips7221r.pdf 2021
9. Одновибратор на D-триггерах, РАДИО 1984, №7.9. Single vibrator on D-flip-flops, RADIO 1984, No. 7.
10. Технические условия бК0.347.443-03ТУ10. Specifications bK0.347.443-03TU
11. The Engineering Staff of TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED Semiconductor Group The TTL Data Book for Design Engineers. Second Edition TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 1981 Printed in U.S.A Third Printing LCC4112 74062-116-AI.11. The Engineering Staff of TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED Semiconductor Group The TTL Data Book for Design Engineers. Second Edition TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 1981 Printed in U.S.A Third Printing LCC4112 74062-116-AI.
12. Технические условия АЕЯР.431200.208-08ТУ12. Specifications AEYAR.431200.208-08TU
13. Технические условия АЕЯР.431200.208-07ТУ13. Specifications AEYAR.431200.208-07TU
14. MCP6V01/2/3 300 μA, Auto-Zeroed Op Amps 22058c.pdf www.microchip.com/product/en/MCP5V02, 2020.14. MCP6V01/2/3 300 μA, Auto-Zeroed Op Amps 22058c.pdf www.microchip.com/product/en/MCP5V02, 2020.
15. http://wwl.microchip.com/download\en\DeviceDoc/ 40001419F.pdf15. http://wwl.microchip.com/download\en\DeviceDoc/40001419F.pdf
16. Аналого-цифровой БМК 5400TP105 АЕНВ.431260.544ТУ16. Analog-digital BMK 5400TP105 AENV.431260.544TU
Claims (16)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773298C1 true RU2773298C1 (en) | 2022-06-01 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3579052A (en) * | 1968-09-21 | 1971-05-18 | Nippon Denso Co | System for driving a. d. c. electromagnet |
| SU1372274A1 (en) * | 1986-08-19 | 1988-02-07 | С.В.Мешков | Device for measuring time of electromagnetic operation |
| RU2285309C1 (en) * | 2005-03-21 | 2006-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Device for controlling tripping time of high-voltage circuit breaker operating mechanism |
| RU2636052C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Device to control electromagnet of constant voltage |
| RU2733078C1 (en) * | 2019-09-02 | 2020-09-30 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Electromagnet actuation timing method and device for implementation thereof |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3579052A (en) * | 1968-09-21 | 1971-05-18 | Nippon Denso Co | System for driving a. d. c. electromagnet |
| SU1372274A1 (en) * | 1986-08-19 | 1988-02-07 | С.В.Мешков | Device for measuring time of electromagnetic operation |
| RU2285309C1 (en) * | 2005-03-21 | 2006-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Device for controlling tripping time of high-voltage circuit breaker operating mechanism |
| RU2636052C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Device to control electromagnet of constant voltage |
| RU2733078C1 (en) * | 2019-09-02 | 2020-09-30 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Electromagnet actuation timing method and device for implementation thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7643315B2 (en) | Programmable feedback voltage pulse sampling for switched power supplies | |
| EP2719077B1 (en) | Direct drive waveform generator | |
| KR20020093031A (en) | Dual mode pulse-width modulator for power control applications | |
| US20080031018A1 (en) | Regulator for isolated flyback power supply using primary side sensing | |
| US10084402B2 (en) | Microstepper motor control circuit PWM output coupled to H-bridge gates | |
| JP2018198446A (en) | Direct drive waveform generation device | |
| RU2773298C1 (en) | Method for regulating the response time of an electromagnet and a device for its implementation | |
| US10459467B1 (en) | Switching regulator with soft start circuit and operation method thereof | |
| US9930748B1 (en) | Synchronization for light-source driver circuitry | |
| CN116073484A (en) | Power supply control device and power supply control method | |
| CN116418202A (en) | Switched capacitor converter | |
| JP2017126197A (en) | Voltage conversion circuit and voltage conversion method | |
| CN205753977U (en) | Circuit | |
| RU2733078C1 (en) | Electromagnet actuation timing method and device for implementation thereof | |
| RU2325664C2 (en) | Integrated pulse-frequency converter | |
| Valenta et al. | The speed up of vibrating hydraulic jaws by smart control of electric solenoids | |
| RU2802294C1 (en) | Method for monitoring pressure at gas electromagnetic valve inlet and device for its implementation | |
| RU2141124C1 (en) | Method for generation of control signal relay systems and relay controller which implements said method | |
| SU598223A1 (en) | Trapezoidal pulse shaper | |
| JPS63503343A (en) | Control method and device for an electromagnet that drives a movable part of the electromagnet by exciting it with a single-wave periodic current | |
| EP3611746A1 (en) | Method, controller and system for regulating a current of a coil | |
| RU1812641C (en) | Device for control of incandescent lamp brightness | |
| KR20050040499A (en) | Apparatus for generating a power on sequence in computer system | |
| SU1515351A2 (en) | One-shot multivibrator | |
| SU432479A1 (en) | GENERATOR OF THE SEQUENCE OF RANDOM BINARY SIGNS |