CC BY
12
УДК 681.2-5:62-791.2
П. Г. ГАРМС
Омский государственный технический университет
БОРТОВОЙ КОМПЛЕКС РЕГИСТРАЦИИ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛОКОМОТИВА_
Проведен анализ отказов оборудования локомотивов и основных причин их возникновения для тепловозов эксплуатационных депо Д а льневосточной железной дороги. Разработан комплекс регистрации критических п а ра метров тепловоза, в ч астности, количество оборотов ротора тягового электродвигателя. Проанализировано переходное состояние датчика импульсов и определено на пряжение, при котором происходит переход от выключенного к включенному состоянию этого датчика. Предложено схемотехническое решение, предотвращающее ложные срабатывания.
Ключевые слова: отказ оборудования локомотива, бортовая система, триггер Шмидта, помехозащищенность.
В данной работе рассматривается проблема создания бортовой системы с целью диагностирования [1] агрегатов тепловоза. На рис. 1 приведена диаграмма анализа отказов оборудования локомотивов и основных причин их возникновения для тепловозов, приписанных к одному из эксплуатационных депо Дальневосточной железной дороги (далее — депо). Анализ показал, что более 50 % инвентарного парка локомотивов приписки депо приходится на тепловозы серии ТЭМ2 и более 30 % на тепловозы серии ТЭ10, что в общем составляет 84 % парка локомотивов. Следовательно, целесообразно проводить анализ по выборке тепловозов серии ТЭМ2 (рис. 2).
По результатам анализа исходных данных, представленных в книге повреждений и неисправностей локомотивов, мотор-вагонного подвижного состава и их оборудования (форма ТУ-29) за 2012 г. сформированы графики распределения отказов оборудования локомотивов приписки ТЧЭ Тында по различным классификациям. Анализ отказов проводился за период с апреля по июнь 2012 г. Диаграмма, представленная на рис. 3, показывает максимальное количество зафиксированных отказов в указанном периоде по электрооборудованию и дизельным двигателям (34 % и 29 % соответственно). По вспомогательному оборудованию было зафиксировано 15 % отказов.
По распределению, представленному на рис. 4, видно наличие максимального количества отказов у тяговых электродвигателей — 61 отказ, что составляет 17 % от общего количества отказов, и цилиндро-поршневой группы — 43 отказа, что составляет 12 % от общего количества отказов.
На основании изложенного для повышения безотказности [2] основное внимание необходимо обратить на контроль технического состояния [3], проблемы организации и оснащения технологических процессов [4] тяговых электродвигателей тепловозов серии ТЭМ2. Был разработан комплекс регистрации критических параметров тепловоза. Один из параметров, регистрируемых этой системой, — это количество оборотов ротора тягового электродвигателя.
Датчик установлен на защитном кожухе приводного редуктора, напротив шестерни. Выходной сигнал индуктивного датчика представляет собой цифровой сигнал, формируемый выходом типа открытый эмиттер. Отсутствие зуба шестерни в зоне
Рис. 1. Распределение инвентарного парка локомотивов
Рис. 2. Основные отказы тепловозов
Рис. 3. Распределение отказов по узлам тепловозов серии ТЭМ2, зафиксированных в апреле-июне 2012 года
Рис. 4. Отказы по элементам тепловозов серии ТЭМ2
Рис. 5. Неопределенность в диапазоне 1,4—1,5 В
Рис. 6. Неопределенность в диапазоне 1,43—1,44 В
чувствительности датчика соответствует выключенному состоянию выходного транзистора. В этом случае формируется низкий уровень сигнала, соответствующий напряжению 0 В. Высокий уровень зависит от напряжения питания датчика и равен величине напряжения питания минус падение напряжения на выходном транзисторе 0,6 В. При номинальном токе нагрузки. Вследствие того что выходной каскад датчика представляет собой однотактный усилитель, выходной сигнал имеет несимметричную форму. Переход выходного сигнала из низкого в вы-
сокий уровень осуществляется включением транзистора, что обеспечивает высокую крутизну фронта сигнала. Крутизна переднего фронта сигнала будет определяться максимальным током транзистора, импедансом нагрузки, подключенной к датчику. Обратный переход в состояние низкого уровня выходного напряжения осуществляется выключением выходного транзистора датчика. Крутизна заднего фронта определяется емкостью нагрузки датчика и ее активным сопротивлением. Такая несимметричность приводит к тому, что задний фронт импульса
Рис. 7. Восстановление прямоугольной формы сигнала с помощью триггера Шмитта
с датчика имеет крутизну ниже, чем у переднего фронта, особенно в случае высокой емкости нагрузки датчика [5]. Высокая емкость нагрузки может являться одним из следствий наличия длинной линии передачи сигнала от датчика к приемнику.
Подобная асимметрия формы импульса приводит к ложному определению состояния цифрового входа микроконтроллера, выполненного на основе компаратора. Проанализируем работу цифрового входа микроконтроллера Л1ше18ЛМ3Х8Б. Допустимый диапазон входного напряжения составляет от 0 В до значения напряжения питания ипит, в данном случае 3,3 В. Согласно документации микроконтроллера, входные напряжения ниже 0,3ипит регистрируются как низкий логический уровень, а напряжения выше 0,7и — как высокий логический уровень. При
пит
номинальном напряжении питания и =3,3 В данные
пит
уровни составят 0,99 В и 2,31 В для низкого и высокого логического уровня соответственно. В случае если значение напряжения на цифровом входе микроконтроллера находится между этими значениями, логическое состояние входа не может быть достоверно определено. Для имитации такого состояния используется экспериментальная установка, состоящая из источника постоянного напряжения, вольтметра, микроконтроллера и персонального компьютера. В качестве источника постоянного напряжения используется источник питания МаБ1есЬНУ 3005Б-3 с возможностью регулировки выходного напряжения в диапазоне от 0 до 30 В. В качестве вольтметра используется цифровой вольтметр Бап-№аКБ700 (включен в Госреестр средств измерений, регистрационный № 44402-10). Микроконтроллер исследуется в составе модуля АгёшпоБие, с загруженной в него программой, позволяющей передавать состояние цифрового входа микроконтроллера программному обеспечению персонального компьютера.
Состояние цифрового входа регистрируется при различных входных напряжениях в диапазоне неопределенности логического состояния входа микроконтроллера от 0,99 до 2,31 В. В каждой точке производится 1000 измерений, результат записывается как процентное соотношение состояний высокого логического уровня из 1000 измерений. Таким образом фиксируется распределение логических состояний в зависимости от входного напряжения. Начальный шаг измерения выберем 0,1 В.
Из графика на рис. 5 видно, что фактический диапазон неопределенности состояния цифрового входа находится между 1,4 и 1,5 В. Проведем более детальное исследование этого диапазона с шагом 0,01 В.
Полученные данные позволяют рассматривать цифровой логический вход как компаратор с уровнем переключения 1,44 В и отсутствием гистерезиса (рис. 6). Следовательно, для предотвращения ложных срабатываний и повышения помехозащищенности необходимо использовать входную цепь с гистерезисом.
Одним из вариантов такой входной цепи является триггер Шмитта, который применяется для восстановления прямоугольной формы сигнала, транслируемого по длинной несогласованной линии связи (рис. 7).
Шумовой сигнал, превышающий пороговое напряжение Ипор переключения цифрового входа микроконтроллера, который выполнен на основе компаратора, может вызывать сбои программы микроконтроллера. Триггер Шмитта имеет два порога переключения и . и „, амплитуда любого сигнала помехи
пор1 и пор2
должна превышать разницу пороговых напряжений для того, чтобы произошло ложное переключение состояния триггера [6].
Наличие гистерезиса приводит к тому, что любые помехи с амплитудой, меньшей величины (ипор1 — ипор2), не приводят к изменению выходного напряжения триггера Шмитта, а пологие фронты входного сигнала преобразуются в крутые фронты выходного сигнала, при этом амплитуда входного сигнала должна быть больше, чем (ипор1 —ипор2). На рис. 7 показано, как будет реагировать на сигнал с пологими фронтами и с шумами обычный инвертор и триггер Шмитта с инверсией.
Погрешность измерения периода сигнала индуктивных датчиков с помощью микропроцессора связана с программно-аппаратной реализацией метода измерения. Методика измерения с использованием аппаратных прерываний микроконтроллера должна учитывать задержки связанные с архитектурой конкретного процессора.
При расчете погрешности измерения периодов шести сигналов необходимо учитывать указанные особенности обработки прерываний. Максимальная погрешность измерения возникает при одновременном срабатывании всех шести индуктивных датчиков. Время выполнения программы обработчика прерывания зависит от выполняемых в нем функций и определяется индивидуально для каждого проекта.
В данной работе было проведено исследование наибольшего количества отказов узлов тепловозов серии ТЭМ2. На основе этого исследования было сделано заключение о выборе узлов и параметров этих узлов, контроль которых будет наиболее целесообразным. Также проведен анализ переходного
состояния датчика регистрации импульсов с целью определения критических точек переходов. И предложено схемотехническое решение для предотвращения ложных срабатываний и повышения помехозащищенности.
Библиографический список
1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. — М. : Изд-во стандартов, 1990. — 13 с.
2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике: основные понятия. Термины и определения. — Введ. 1990 — 01—07. — М. : Изд-во стандартов 1990. — 11 с.
3. Горский, А. В. Ремонт — только по результатам диагностики / А. В. Горский, А. А. Воробьев, Б. М. Куанышев // Локомотив. - 1998. - № 12. - С. 6-12 .
4. ГОСТ 18322-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. - Введ. 198001-01. - М. : Изд-во стандартов 1980. - 12 с.
5. Калабеков, Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы / Б. А. Калабеков. - М. : Телеком, 2000. -336 с.
6. Сергеев, А. Г. Проектирование и выбор электрических элементов систем автоматики / А. Г. Сергеев. - Иваново : ИЭИ, 1974. - 236 с.
ГАРМС Петр Гергардович, аспирант кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления.
Адрес для переписки: gg0098y@gmail.com
Статья поступила в редакцию 12.10.2016 г. © П. Г. Гармс
УДК 621.391.832
Р. Р. ФАХРУТДИНОВ С. А. ЗАВЬЯЛОВ А. В. КОСЫХ К. В. МУРАСОВ
Омский государственный технический университет
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОДСТРОЙКИ ФАЗЫ В ДЕКАРТОВЫХ СИСТЕМАХ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ_
Применение декартовой системы обратной св язи в радиопередающей аппаратуре позволяет реализовывать схемы усилителей мощности, имеющие линейную х аракте-ристику. Главной проблемой при создании таких систем яв ляются фазовые сдвиги, вызванные задержкой р аспространения сигнала через основные узлы системы, приводящие к снижению линейности тракта и к у величению вероятности самовозбуждения. В статье р ассмотрены способы подстройки фазы в петле декартовой обратной с в язи, позволяющие повысить подавление нелинейных искажений.
Ключевые слова: декартова система обратной с в язи, усилители мощности, предыскажения, подстройка фа зы, нелинейные искажения.
Современные системы радиопередачи, использующие сигналы со сложными видами модуляции, а следовательно, и спектра, требуют применения линейных усилителей мощности. При этом одним из важнейших параметров является коэффициент полезного действия, поэтому для снижения уровня нелинейных искажений применение усилителей, работающих в режиме А, нежелательно, что приводит к необходимости применения систем, повышающих линейность, таких как обратная связь, предыскажения и др. В [1] рассмотрены различные способы повышения линейности передающего тракта, среди которых способ введения декартовой (cartesian) петли позволяет получить один из лучших результатов подавления искажений, около 30 дБ. Кроме того, данный способ позволяет избежать применения нескольких усилителей мощности и сумматоров, как в способах LINC, LIST, CALLUM.
Структура декартовой системы приведена на рис. 1. Как показано в [2, 3], основное влияние на эффективность линеаризации, а также на устойчивость системы оказывает фазовое согласование сигналов исходных I, О и демодулированных I', О' компонент, поступающих на вход сумматора.
При реализации независимой декартовой петли в интегральном исполнении время распространения сигнала через основные блоки системы, за исключением усилителя мощности, меньше, чем при реализации системы на дискретных элементах, поскольку значение паразитных емкостей и длин соединений меньше, соответственно, меньше фазовые сдвиги, тем не менее их величина является достаточной для ухудшения работы системы.
Для оценки влияния фазовых сдвигов рассмотрим передаточную характеристику системы. Передаточная характеристика описывается выражением:
