CC BY
55
------------------------------ © Н.Г. Пейль, В.Н. Фащиленко,
Р.А. Белых, 2010
Н.Г. Пейль, В.Н. Фащиленко, Р.А. Белых
К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭМС ВРАЩАТЕЛЯ БУРОВОГО СТАНКА В РЕЗОНАНСНОМ РЕЖИМЕ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
Рассмотрены принципы технической реализации регулируемого резонансного режима в ЭМС бурового станка на основе микропроцессорной техники. Приведено сравнение двух схем управления с применением МК Atmegal28 и Atmega8535.
Ключевые слова: Электромеханическая система, резонанс, микропроцессорная технология, схема управления, электропривод, буровая установка, принцип технической реализации, FLASH память, процессор (СРи), микроконтроллер Atmega128, микроконтроллер Atmega8535.
Энергосбережение средствами электропривода для горных машин является актуальной научной задачей, которая требует комплексного подхода и порой нестандартных решений.
Одним из путей повышения энергоэффективности работы электропривода горных машин является использование резонансных явлений, связанных с вибрацией горного оборудования[1].
Явление резонанса можно использовать для процессов разрушения горных пород, в том числе и для станков шарошечного бурения.
В определённые промежутки времени, характерные для конкретных условий (физико-механические свойства породы, параметры долота, разница в диаметре долота и штанг, режимы бурения и т. д.), при совпадении частот собственных и возмущающих колебаний в буровой системе возникают колебания на резонансной частоте, характеризующиеся всплеском с двух-, трёхкратным увеличением амплитуды. Это отрицательно влияет на динамику бур-станка.
Резонансные явления в буровой системе, обусловленные возмущающими колебаниями, предлагается оптимизировать посредством электромеханических процессов, с целью улучшения энергетических характеристик электропривода. Это должно позволить
снизить удельные энергозатраты, повысить производительность машин и установок за счет выбора оптимального режима резания, обеспечить экономию режущего инструмента.
Доказано, что снижение потребления электроэнергии возможно, если коэффициент динамичности по току кді > 1. Средняя
экономия электроэнергии при этом может быть на уровне 30 -35%.
Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечение таких нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя, чтобы они не превышали предельно возможных. Наиболее оптимальные значения коэффициента динамичности по току составляют 1,1 - 1,4.
В результате анализа разработана рациональная структура управления ЭМС вращателя бурового станка для создания в ней управляемого резонансного режима при совместном действии гибкой обратной связи по току и жёсткой отрицательной обратной связи по току (рис. 1) [2]. Эта адаптивная система управления осуществляет настройку ЭМС на резонанс и удерживает в точке резонанса при постоянных заданных оптимальных значениях к^ независимо от частоты возмущающих воздействий.
В схеме: БУ1, БУ2 - блоки умножения (умножители); БИ -блок измерения частоты возмущающих воздействий; БВ1,БВ2 -блоки вычисления коэффициентов обратных связей, РЭ - релейный элемент.
Алгоритм адаптации структуры управления ЭМС может быть охарактеризован следующим образом:
- создание резонансного режима независимо от частоты возмущающих воздействий;
- ограничение величины коэффициента динамичности по току
до оптимального значения в пределах m = 1,1 1,4;
- поддержание резонансного режима независимо от частоты возмущающих воздействий;
- поддержание постоянства оптимального значения коэффициента динамичности по току в рабочем диапазоне частоты возмущающих воздействий;
- создание при пуске ЭМС задержки на срабатывание системы управления по времени и току.
Рис.1. Рациональная схема управления ЭМС вращателя бурового
Экспериментальные исследования электромеханической системы бурового станка с рациональной структурой активного управления электромеханическими характеристиками осуществлялись на Лебединском ГОКе в реальных условиях работы бурового станка СБШ-250МН.
Схема выполнена на аналоговых элементах. Настройка схемы на околорезонансный режим с коэффициентом динамичности по току кдіге8= 1,4 производилась путём изменения параметра гибкой отрицательной обратной связи по току.
Однако большинство работающих на ЛГОКе буровых станков оснащены цифровой техникой. Поэтому необходимо решить задачу перехода от аналоговых блоков в схеме управления к цифровым.
Для этого производится ряд вычислений.
1. Блоки БВ1, БВ2. Функции, вычисляющие коэффициенты обратных связей в резонансном режиме в соответствии с частотой возмущающих воздействий, имеют вид ^ ( ч ^
= ~—2-----------;
2па к кпкя
О - 2 тп а
2 тп (окукпкя
(1)
Задаваясь значениями коэффициента динамичности по току т=1,1 1,4 в (1) и (2), будем иметь в ЭМС управляемый резонанс-
ный режим с соответствующими значениями коэффициента динамичности по току.
В данных функциях переменной величиной является значение частоты возмущающих воздействий - ю. Рабочий диапазон изменения ю = 1 7 Гц (6 ^42 с-1).
2. Блок измерения БИ. В данной схеме измерение частоты возмущающих воздействий ю осуществляется с помощью блока измерения БИ, на вход которого подаётся сигнал с датчика тока в виде напряжения пропорционального величине статического тока іс : идт = и0 + иті smш1t + ит2sinю2t+..., фильтр выделяет основную составляющую, а с выхода БИ снимаются значения основной частоты Юі, которые затем поступают на входы вычислительных блоков БВ1 и БВ2. Результаты вычислений блока БВ1 перемножаются в блоке умножения БУ1 с производной тока якоря; результаты блока БВ2 в блоке БУВ2 перемножаются с величиной тока якоря. Тем самым формируются соответственно коэффициенты гибкой обратной связи по току и жёсткой обратной связи по току.
3. Релейный блок РЭ. Блок РЭ должен создать задержки для
срабатывания системы управления по току 1я = (200 300А), по
времени 5-10 сек.
Для получения резонансного режима в ЭМС при возмущающих воздействиях применяется гибкая отрицательная обратная связь по току (ГОСТ), изменяющая частоту собственных колебаний системы в соответствии с изменением частоты возмущающих воздействий.
При практической реализации ЭМС с гибкой обратной связью по току находим функциональную зависимость параметров этой обратной связи от частоты возмущающих воздействий в резонансном режиме - Тоткот(ю)[1,3].
Параметр гибкой обратной связи по току
Т2 = КуКпКяКотТот , откуда
Тоткот =Т2 Ку кп Кя, (3)
где ку, кп, кя, - статические коэффициенты передачи, соответственно, суммирующего усилителя, тиристорного преобразователя, якорной цепи двигателя, кот - коэффициент обратной связи по току, Тот- постоянная времени контура ГОСТ.
Рис. 2. Функциональная схема системы управления ЭМС вращателя бурстанка: Ф
фильтр; РВ - реле времени; РЭ - релейный элемент; иотг - гибкая обратная связь; иотж жесткая обратная связь
В качестве суммирующего усилителя использован регулятор скорости, тогда
Кеых _ ^6 + К7 _ 20+ 22__________
(4)
= 3,5
К —
у Ъ *з 12
где Rвых , Rвх - выходное и входное сопротивления регулятора скорости.
Подставляя в (1) численные значения: ку =3,5; кп =45; кя=18,03 А/В, ^=28,75с-1; п = 9,091с-1 получаем
Fl(®) — — --------(О V2 -1) — 0,0000194(826,56® 2 -1) — Топкоп
2пКуКпКя
Задаваясь, т=1,4, имеем
О2 - 2тпа
^,(а):
2тпак к к 2тпк к к
у п я у п я
(О а - 2тп) ■■
■ 0,000352(32,475а 1 -1) = ко
1
Система управления ЭМС вращателя буростанка в аналоговом варианте может быть представлена в виде функциональной схемы, представленной на рис. 2.
В результате анализа современной микропроцессорной техники были получены два варианта схем, представленных на рис. 3 и рис. 4.
Описание схемы №1
Обратная связь реализована на основе цифровой техники, ядром которой является микроконтроллер ATmega8535, с периферийными элементами - микросхемами LM224 и LM555, АЦП AD9280 и ЦАП DFC0808, фильтром низких частот.
Сигнал иу поступает на вход компаратора DA1.1, выполненного на одном из 4-х операционных усилителей, размещенных в корпусе микросхемы LM224. Эта микросхема имеет хорошие электрические характеристики (высокое входное сопротивление, большой Кус), отличается простотой включения. При соблюдении условия иу>0 компаратор выдает сигнал разрешения отчета времени таймером DA2 LM555.
Схема этого таймера довольно проста, но позволяет варьировать время срабатывания в широких пределах изменением сопротивления резистора или емкостью конденсатора. Временные характеристики достаточно стабильны. По истечению 5-10 сек., таймер выдает сигнал, управляющий ключом CD4066 (DD1). Управляемый ключ выполнен на КМОП элементах и предназначен для коммутации аналоговых и цифровых сигналов. Из его достоинств можно отметить низкое сопротивление в проводящем состоянии, большой диапазон входных (коммутируемых) напряжений и малый ток управления.
В открытом состоянии ключ пропускает сигнал с DA1.2 -устройства сопряжения, выполненном на 2-ом ОУ, входящем в LM224. Его схема включения позволяет регулировать усиление при помощи делителя, изменяя коэффициент обратной связи.
Далее сигнал отфильтровывается ФНЧ, выполненных на RC элементах.
Отфильтрованный сигнал поступает на DD2 - АЦП AD9280. Он является монолитным, 8-ми разрядным аналого -
Электронный Устройство ключ
сопряжения DD1CD4066
DA1.2 LM224 (К561КТЗ)
DD2
AD9280
V,n Bi
GND
Vref A/D B8
> Sign
ENB
Рис. 3. Функциональная схема системы управления ЭМС на основе МК Atmega8535
РВ0СТ0) (ADC0)PA0
PB1<T1) (ADC1 )PA1
PB2(AIN0) (ADC2)PA2
PB3(AIN1> (ADC3)PA3
PB4(SS) (ADC4)PA4
PB5(M0SI) (ADC5)PA5
PB6<MIS0) (ADC6)PA6
PB7(SCK) (ADC7)PA7
RESET
+5V AREF
GND CPU *CND AVCC XTAL2
XTAL1
PD0(RXD) <TOSC2)PC7
PD1<TXD) (T0SC1)PCe
PD2(INT0) PC5
PO30NT1) PC4
P04<0C1B) PC3
PD5<OC1A) PC2
P06<ICP) PC1
PD7(OC2) РС0
Устройство
сопряжения
DA1.3 LM224
A C
Uot
0
цифровым преобразователем с однополярным питанием, со встроенным усилителем с функцией УВХ и с встроенным ИОН. AD9280 имеет многоступенчатую конвейерную дифференциальную архитектуру, обеспечивающую скорость дискретизации данных 32 Мвыборок/с и гарантированное отсутствие потери кода в полном диапазоне эксплуатационных температур. Такое включение ускоряет процесс оцифрования сигнала.
После преобразования, сигнал поступает на DD3 - микроконтроллер (МК) ATmega8535, который обеспечивает оптимальное быстродействие и выполнение всех необходимых математических операций. Выбор именно этой модели был сделан в пользу таких характеристик как: высокая производительность при малом потреблении, энергонезависимая память программ и память данных (8К байтов внутрисистемно перепрограммируемой FLASH)[6]. Используя команды, испол-няемые за один машинный такт, контроллер достигает производительности в 1 MIPS на рабочей частоте 1 МГц. Комбинация расширенной 8-ми битной RISC архитектуры ЦПУ и твёрдотельной FLASH памяти обеспечивают ATmega8535 высокую гибкость и экономическую эффективность во встраиваемых системах управления.
По условиям алгоритма работы обратной связи, необходимо выполнить математические операции, которые будут вычислены после программирования МК. Для программирования контроллера ATmega8535 понадобится любой AVR910 совместимый программатор умеющий работать с AvrProg, входящей в состав программы AvrStudio.
После всех выполненных математических операций, по шине данных сигналы поступают на DD3 - ЦАП DAC0808. Он представляет собой 8-разрядный монолитный цифро-анало-говый преобразователь, имеющий высокую монотонность и линейность характеристики, высокую скорость преобразования (8 мА/мкс), низкую потребляемую мощность (33 мВ). Он совместим с логическими уровнями TTL и КМОП.
В качестве устройства сопряжения выходного сигнала ЦАП (конверсии тока в напряжение) выступает 3-й операционный усилитель LM224 (DA1.3). Требования к нему стандартны для данного приложения: возможность введения обратной связи, необходимый диапазон входного тока, выходного напряжения и т.п.
Рис. 4. Функциональная схема системы управления ЭМС на основе МК Atmega128
Описание схемы №2
Данная схема является логическим продолжением и усовершенствованием предыдущей. В ней используется для обработки сигналов обратной связи МК ATmega128, на котором собраны основные узлы. В качестве АЦП используется внутренний аналогово-цифровой преобразователь (DAC) последовательного приближения, подключенный к порту F МК, сигнал на который поступает с РЭ, описание которого было дано выше. Во втором варианте схемы, в качестве РВ выступает внутренний таймер микроконтроллера. За разрешением запуска таймера отвечает DA1.1 LM224, схема которого была рассмотрена. Выходной сигнал таймера является управляющим сигналом для ключа DD1 CD4066, рациональный выбор которого, был описан ранее.
МК ATmega128, который используется для математической обработки сигнала - это высокопроизводительный 8-разрядный AVR-микроконтроллер, производительность которого достигает до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц. Он имеет развитую RISC-архитектуру, 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за 1 машино цикл [7]. Память, в отличие от МК ATmega8535 увеличена до 128 КБ внутрисистемно перепрограммируемой FLASH.
C 8-разрядного двунаправленного порта А, сигнал поступает на DD2 DAC 0808, который является преобразователем цифрового сигнала в аналоговый. Он работает совместно с устройством сопряжения DA1.3 LM224. Описание и принцип работы не отличается от предыдущей схемы.
Обе рассмотренные схемы имеют свои достоинства и недостатки. В первой схеме применяется внешний АЦП, использование которого более предпочтительно в случае оцифровки быстро изменяющихся процессов. Однако, малое количество внутренней памяти МК накладывает некоторое ограничение на объем обрабатываемой информации.
Во втором случае схема имеет меньшее количество элементов, используется процессор с большей FLASH памятью, но скорость его АЦП уступает быстродействию внешнего в первой схеме.
1. Обморшев А.Н. Введение в теорию колебаний. - М.: Наука, 1965. - 276 с.
2. Пейль Н.Г., Фащиленко В.Н. Анализ резонансных режимов электромеханических систем с обратными связями: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Изд - во МГГУ, 2005. - 10 - 21 с.
3. Пейль Н.Г. Принципы технической реализации регулируемого резонансного режима в ЭМС бурового станка / Горный информационно-аналитический бюллетень. -2007. - 8.- С.205-210.
4. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы Atmel. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 564 с.
5. Предко М. Справочник по PIC-микроконтроллерам. - Изд: ДМК, 2007 -
512 с.
6. ATmega8535 Datasheet, Circuit, PDF, & Application Note Results, http:// www.datasheetarchive. com/ AT mega8535-datasheet.html
7. 8-bit Microcontroller with 128K Bytes In-System Programmable Flash, www. atmel. com/atmel/acrobat/doc2467.pdf ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Пейль Н.Г. - доцент, кандидат технических наук, ,
Фащиленко В.Н. - профессор, доктор технических наук,
Белых Р.А. - ассистент,
кафедра «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий», Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
