СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01F7/18 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для диагностики приводных электромагнитов (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов без перемещения их подвижных элементов.

Известны различные способы определения перемещения или положения исполнительного элемента ЭМ по характеру изменения тока обмотки.

Например, в [1] описаны способ и устройство определения положения исполнительного элемента ЭМ по результатам сравнения сигнала, пропорционального току, протекающему через обмотку ЭМ, с опорным напряжением. Причем опорное напряжение формируют из сигнала, пропорционального току, обработанного фильтром нижних частот (ФНЧ). Сравнение выполняют с использованием компаратора, на один из входов которого подается сигнал, пропорциональный току, протекающему через обмотку ЭМ, а на другой - опорное напряжение. Результат сравнения позволяет определить только, имело ли место срабатывание ЭМ.

В описании патента [2] предложены способ и реализующее его устройство, которые позволяют определить положение якоря соленоида путем наложения сигнала распознавания фиксированной частоты на управляющий сигнал драйвера обмотки. Объединенный сигнал подается на обмотку соленоида, и переменная составляющая тока, протекающего через его обмотку, меняется в зависимости от изменения индуктивности обмотки соленоида, которая, в свою очередь, зависит от положения якоря. Датчик тока формирует выходной сигнал, соответствующий уровню тока, протекающего через обмотку соленоида, а с помощью полосового фильтра выделяют переменную компоненту этого выходного сигнала, которая вызвана действием сигнала распознавания. Соответствующий сигнал определения положения якоря формируется на выходе фильтра. Предложенное техническое решение требует использования значительных аппаратных средств, таких как генератор фиксированной частоты, ФНЧ и полосовой фильтр, демодулятор. Кроме того, его применение возможно только совместно с системами, поддерживающими широтно-импульсное регулирование тока ЭМ.

Предложенная в [3] система позволяет определить положение управляющего элемента электрически управляемого привода. Привод включается управляемым ключом в момент, когда ток через обмотку ЭМ имеет величину меньшую, чем нижнее пороговое значение, и выключается в момент, когда током достигнуто верхнее пороговое значение. Длительность включенного и выключенного состояния задаются как функции нижнего и верхнего пороговых значений, а характер переключения зависит от положения управляющего элемента. Положение управляющего элемента определяется из соотношения продолжительности включенного и выключенного состояний и суммы этих временных интервалов. Оно формируется как результат сравнения длительностей упомянутой суммы и включенного и выключенного состояний с соответствующими сохраненными справочными данными. Данное техническое решение может быть использовано только в системах с релейным (гистерезисным) регулированием тока в обмотке ЭМ. При этом длительность включенного состояния будет зависеть не только от положения управляющего элемента, но и от изменения напряжения питания. Кроме того, реализация этого способа требует значительного объема ресурсов управляющей системы для хранения массивов значений справочных данных, используемых при выполнении сравнения указанных переменных.

Описанное в [4] техническое решение для определения состояния электромагнита позволяет различать только два состояния электромагнита - включен или выключен. А реализующее его устройство, кроме микроконтроллера, требует использование большого количества дополнительных дискретных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является техническое решение «Способ определения положения якоря электромагнита и устройство для его осуществления» [5] (способ-прототип). Этот способ позволяет контролировать рабочий зазор ЭМ, но требует для этого его срабатывания, что ограничивает его применение, например, в системах, находящихся под давлением.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство для определения положения якоря электромагнита, описанное в патенте [6]. Его схема ближе всего по элементному составу к предлагаемому техническому решению.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей путем определения положения якоря электромагнита без совершения перемещения его подвижных частей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что напряжение измеряют на выходе источника питания электромагнита, подключают источник питания к обмотке, устанавливают пороговое значение тока в обмотке, при достижении которого отключают от обмотки источник питания, и измеряют интервал времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения и, по величинам этого интервала времени и напряжения источника питания, определяют положение якоря по отношению к стопу (начальный зазор) без срабатывания электромагнита. Причем, пороговое значение тока в обмотке выбирают ниже минимально возможного значения тока в обмотке, при котором в процессе эксплуатации электромагнита возможно его срабатывание.

Для обеспечения численного решения поставленной задачи до начала эксплуатации электромагнита (при испытаниях в лабораторных или заводских условиях) формируют таблицу, связывающую значения начального зазора электромагнита со значениями напряжения источника питания и интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения. Эту таблицу запоминают и используют для определения начального зазора до срабатывания при эксплуатации электромагнита.

Полученную табличную зависимость начального зазора от интервала времени, измеряемого от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, для конкретной величины напряжения источника питания аппроксимируют дробно-рациональным выражением вида:

где Z - величина начального зазора до срабатывания электромагнита;

t_п - величина интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения;

p₁, p₂, q₁ - постоянные коэффициенты для каждого заданного в запомненной таблице конкретного значения напряжения источника питания, определяемые, например, методом наименьших квадратов, по табличным данным,

из этих полученных значений постоянных коэффициентов формируют другую таблицу, в которой каждый набор постоянных коэффициентов соответствует каждому заданному конкретному значению напряжения источника питания, эту таблицу значений постоянных коэффициентов запоминают и используют для определения начального зазора при эксплуатации электромагнита.

При эксплуатации электромагнита по измеренному значению напряжения на выходе источника питания определяют, например, методом линейной интерполяции табличных значений постоянных коэффициентов, набор их значений, соответствующий измеренному значению напряжения питания. С использованием полученного набора постоянных коэффициентов и измеренной величины интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения определяют начальный зазор электромагнита с использованием приведенного дробно-рационального выражения (1).

Полученное значение начального зазора электромагнита можно передавать внешним устройствам для накапливания и анализа данных проведенной диагностики ЭМ.

Определение значения начального зазора электромагнита можно осуществлять с использованием внешних устройств. Тогда измеренные значения величины напряжения источника питания и интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения передают внешним устройствам. А определение начального зазора электромагнита с использованием табличных значений постоянных коэффициентов p1, р2 и q1 и указанного дробно-рационального выражения (1) осуществляют с использованием внешних устройств.

Для решения поставленной задачи в устройство дополнительно введен измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом источника питания, а выход - с выводом 4 микроконтроллера. Кроме того, в составе устройства дополнительно задействованы соединенные с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: конфигурируемая логическая ячейка CLC1, которая используется в качестве логического элемента «ИЛИ», цифро-аналоговый преобразователь DAC1, таймер Timer 1 и разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC. Дополнительно задействованы также внутренний периферийный модуль - компаратор СМР1 и разряд «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC, соединенный с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 и с выводом 11 микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC. Счетный вход таймера Timer1 и вход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединены с выходом внутреннего тактового генератора. Выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1. Вход Gate таймера Timer1 и вход Auto-shutdown source блока формирования выходных сигналов COG1 соединены с выходом компаратора СМР1, инвертирующий вход которого соединен с выводом 26 микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTC. Выход цифро-аналогового преобразователя DAC1 соединен с неинвертирующим входом компаратора СМР1. Вход «AN2» аналого-цифрового преобразователя ADC соединен с выводом 4 микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA, а разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом 17 микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Семейство экспериментальных переходных процессов изменения тока I в обмотке ЭМ при подключении к ней напряжения питания на участке срабатывания для разных значений начального зазора Z между якорем и стопом.

Фиг. 2. Экспериментальные переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ и управляющего сигнала на подключение напряжения питания к обмотке при пороговом значении тока 0,3 А и разных значениях напряжения питания U_п.

Фиг. 3. Семейства экспериментальных и аппроксимирующих зависимостей начального зазора Z от величины интервала времени t_п для разных значений напряжения питания U_п.

Фиг. 4. Функциональная схема устройства для определения положения якоря электромагнита.

Фиг. 5. Экспериментальные переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ и сформированного управляющего сигнала на подключение напряжения питания к обмотке при пороговом значении тока 0,3 А, разных установленных величинах начального зазора Z и разных конкретных измеренных значениях напряжения питания U_п, полученных при экспериментальной отработке предлагаемого технического решения.

Фиг. 6. Аппроксимирующие зависимости начального зазора Z от величины интервала времени t_п для конкретных измеренных значений напряжения питания U_п, полученных при экспериментальной отработке предлагаемого технического решения.

Физической основой предлагаемого способа послужили результаты лабораторных испытаний ЭМ втяжного типа с дисковым якорем. В процессе этих испытаний исследовались переходные процессы изменения тока в обмотке ЭМ при подключении к ней постоянного напряжения питания для разных значений начального зазора между якорем и стопом ЭМ при его срабатывании. Полученные при этом переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ приведены на фиг. 1. Здесь во всех исследованных случаях на обмотку ЭМ подавалось постоянное напряжение питания U=18 В, которое снималось с нее после срабатывания ЭМ и достижения порогового значения тока 0,75 А. Для случая Z=0, когда срабатывания не происходит, напряжение с обмотки снималось при достижении порогового значения тока 0,75 А (переходной процесс изменения напряжения на обмотке ЭМ на фиг. 1 показан только для этого случая).

Анализируя приведенные на фиг. 1 переходные процессы изменения тока в обмотке ЭМ при срабатывании, можно легко заметить, что скорость нарастания тока для каждого значения начального зазора между якорем и стопом ЭМ при одинаковой величине напряжения питания будет разной. При этом скорость нарастания тока, как известно, определяется величиной индуктивности магнитной системы ЭМ, а величина индуктивности зависит от величины зазора между якорем и стопом ЭМ. Таким образом, между скоростью нарастания тока в обмотке ЭМ при подаче напряжения на обмотку и величиной начального зазора между якорем и стопом ЭМ при одинаковом напряжении питания существует однозначная зависимость.

Выберем некоторое опорное значение тока в обмотке ЭМ. Тогда величина интервала времени t_п от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, будет связана со скоростью нарастания тока. Если выбрать опорное значение тока в обмотке ниже его минимально возможного значения, при котором в процессе эксплуатации ЭМ возможно его срабатывание, то величина интервала времени t_п при одинаковом напряжении питания будет однозначно связана с величиной начального зазора Z между якорем и стопом ЭМ. Отметим еще раз, опорное значение тока выбирается так, чтобы при его достижении срабатывания ЭМ не произошло, но величина интервала времени t_п была хорошо различима для разных значений начального зазора. Это обеспечит достаточную разрешающую способность способа.

На скорость нарастания тока в обмотке, кроме величины начального зазора, существенное влияние оказывает значение напряжения питания. Этот факт необходимо учитывать при определении величины начального зазора. На фиг. 2 приведены переходные процессы изменения тока в обмотке ЭМ при постоянной величине начального зазора Z=0,5 мм и разных значениях напряжения питания. Здесь опорное значение тока, при достижении которого отключают от обмотки источник питания, выбрано равным 0,3 А. На этом же рисунке приведены соответствующие процессы изменения управляющего сигнала, отражающего интервал времени, в течение которого обмотка ЭМ находится под напряжением. Это позволяет количественно оценить влияние напряжения питания на величину интервала времени t_п при постоянном значении начального зазора.

Данные о лабораторных испытаниях исследуемого электромагнита, отражающие длительность интервала времени t_п от подачи напряжения на обмотку ЭМ до достижения током в обмотке заданного порогового значения 0,3 А при разных значениях напряжения питания U_п, представлены в виде таблицы 1. Эту таблицу можно внести в паспортные данные исследуемого электромагнита и использовать для определения начального зазора между якорем и стопом до срабатывания при эксплуатации электромагнита.

Полученные табличные экспериментальные данные, связывающие длительность интервала времени t_п с величиной начального зазора Z для каждого заданного при испытаниях значения напряжения питания, могут быть аппроксимированы, например методом наименьших квадратов, дробно-рациональной зависимостью вида (1). Таким образом, для каждого заданного при испытаниях значения напряжения питания может быть получен набор значений постоянных коэффициентов р₁, р₂, q₁, которые однозначно определяют аналитическую аппроксимирующую зависимость начального зазора Z от длительности интервала времени t_п при конкретном значении напряжения питания. Эти наборы значений постоянных коэффициентов могут быть занесены в другую таблицу 2, которую также как и таблицу 1 можно внести в паспортные данные исследуемого электромагнита.

Набор значений постоянных коэффициентов р₁, p₂, q₁, соответствующий измеренному значению напряжения питания, позволяет определять начальный зазор ЭМ с использованием приведенного дробно-рационального выражения (1).

При эксплуатации ЭМ по измеренному значению напряжения на выходе источника питания можно определять, например, методом линейной интерполяции табличных значений постоянных коэффициентов из таблицы 2, набор их значений, соответствующий измеренному значению напряжения питания. С использованием полученного набора постоянных коэффициентов р₁, p₂, q₁ и измеренной величины интервала времени t_п от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения можно определять начальный зазор ЭМ с помощью дробно-рационального выражения (1).

Полученное значение начального зазора электромагнита может быть передано внешним устройствам.

Процедура определения значения начального зазора с использованием полученного набора постоянных коэффициентов р₁, p₂, q₁ и измеренной величины интервала времени t_п может быть реализована на вычислительных ресурсах устройства, осуществляющего управление ЭМ и регистрирующего измерения напряжения питания и интервала времени t_п. Другой вариант: измеренные значения величины напряжения источника питания U_n и интервала времени t_п передаются внешнему устройству, а определение начального зазора ЭМ с использованием табличных значений постоянных коэффициентов р₁, p₂ и q₁ и указанного дробно-рационального выражения осуществляют с использованием внешнего устройства.

На фиг. 3 представлены семейства экспериментальных и аппроксимирующих зависимостей начального зазора Z от величины интервала времени t_п для разных значений напряжения питания U_п. На графики нанесены экспериментальные данные, занесенные в таблицу 1, в виде дискретных отсчетов, каждый из которых соответствует установленным при проведении испытания величине начального зазора Z, значению напряжения питания и измеренному значению величины интервала времени t_п.

Кружочками нанесены дискретные отсчеты, соответствующие испытаниям, в которых значение напряжения питания составляло 34 В. Знаком «*» отмечены отсчеты, соответствующие испытаниям, в которых значение напряжения питания было 30 В. Знаком «х» отмечены отсчеты, соответствующие испытаниям, в которых значение напряжения питания составляло 26 В. Знаком «+» отмечены отсчеты, соответствующие испытаниям, в которых значение напряжения питания было 22 В. И знаком «» отмечены отсчеты, соответствующие испытаниям, в которых значение напряжения питания составляло 18 В.

Каждая из последовательностей дискретных отсчетов, соответствующая какому-то одному из значений напряжения питания, была методом наименьших квадратов аппроксимирована дробно-рациональной зависимостью вида (1), что позволило для каждого случая получить соответствующие значения постоянных коэффициентов р₁, p₂ и q₁ которые помещены в таблицу 2. На графиках фиг. 3 представлены соответствующие каждому набору постоянных коэффициентов (или значению напряжения питания) аппроксимирующие зависимости Z(t_п) в виде непрерывных кривых. Напряжению питания 18 В соответствует кривая, нанесенная толстой сплошной линией; напряжению питания 22 В - кривая, нанесенная штриховой линией; напряжению питания 26 В - кривая, нанесенная пунктирной линией; напряжению питания 30 В - кривая, нанесенная штрихпунктирной линией, и напряжению питания 34 В - кривая, нанесенная тонкой сплошной линией.

Функциональная схема устройства для определения положения якоря ЭМ, предлагаемого для реализации заявляемого способа, показана на фиг. 4.

Устройство содержит (см. фиг. 4) последовательно соединенные источник питания (1) и ключ (2), выход которого соединен с входом электромагнита (3), измеритель тока (4), выполненный на измерительном резисторе Rs, фильтр нижних частот (5), микроконтроллер PIC16F1778-I/SO (6) [7], приемопередатчик RS-485 (7), связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, диод VD, соединенные последовательно первый и второй резисторы R1 и R2, соединенные последовательно третий и четвертый резисторы R3 и R4. Причем выход фильтра нижних частот (5) соединен с выводом 26 микроконтроллера (6), первый вывод первого резистора R1 соединен с входом фильтра нижних частот (5) и выводом 22 микроконтроллера (6). Второй вывод первого резистора R1 соединен с выводом 23 микроконтроллера (6). Первые выводы измерительного и четвертого резисторов Rs и R4 соединены с выходом электромагнита (3). Вторые выводы второго, третьего и измерительного резисторов R2, R3 и Rs соединены с отрицательным выводом источника питания (1), выводами 8 и 19 микроконтроллера (6) и анодом диода VD, катод которого соединен с выходом ключа (2) и входом ЭМ (3). Второй вывод четвертого резистора R4 соединен с выводом 24 микроконтроллера (6). Управляющий вход ключа (2) соединен с выводом 11 микроконтроллера (6). Вывод 16 микроконтроллера (6) соединен с выходом приемопередатчика RS-485 (7), два входа которого соединены соответственно с выводами 17 и 18 микроконтроллера (6). Кроме того, в составе устройства задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной (8) следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера (6): модуль центрального процессора CPU (9), аналого-цифровой преобразователь ADC (10), модуль памяти программ Program memory (11), модуль оперативной памяти RAM (12), модуль последовательного интерфейса USART (13), выход ТХ которого соединен с выводом 18 микроконтроллера (6), а вход RX - с выводом 16 микроконтроллера (6). Задействован также внутренний периферийный модуль - операционный усилитель ОРА2 (14). Неинвертирующий вход операционного усилителя ОРА2 (14) соединен с выводом 24 микроконтроллера (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB. Инвертирующий вход операционного усилителя ОРА2 (14) соединен с выводом 23 микроконтроллера (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB, а выход операционного усилителя ОРА2 (14) соединен с выводом 22 микроконтроллера (6), настроенным как аналоговый выход порта ввода/вывода PORTB. Задействован также внутренний периферийный модуль - блок формирования выходных сигналов COG1 (15), соединенный по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной (8). В устройство введен измеритель напряжения (16), вход которого соединен с выходом источника питания (1), а выход - с выводом 4 микроконтроллера (6). Кроме того, в составе устройства задействованы соединенные с внутренней двунаправленной шиной (8) следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера (6): конфигурируемая логическая ячейка CLC1 (17), которая используется в качестве логического элемента «ИЛИ», цифро-аналоговый преобразователь DAC1 (18), таймер Timer1 (19) и разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC. Задействованы также внутренний периферийный модуль - компаратор СМР1 (20) и разряд «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC, соединенный с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 (15) и с выводом 11 микроконтроллера (6), настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC. Счетный вход таймера Timer1 (19) и вход конфигурируемой логической ячейки CLC1 (17) соединены с выходом внутреннего тактового генератора, формирующего сигнал Fclk. Выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 (17) соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1 (15). Вход Gate таймера Timer1 (19) и вход Auto-shutdown source блока формирования выходных сигналов COG1 (15) соединены с выходом компаратора СМР1 (20), инвертирующий вход которого соединен с выводом 26 микроконтроллера (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTC. Выход цифро-аналогового преобразователя DAC1 (18) соединен с неинвертирующим входом компаратора СМР1 (20). Вход «AN2» аналого-цифрового преобразователя ADC (10) соединен с выводом 4 микроконтроллера (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA. А разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом 17 микроконтроллера (6), настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.

Предлагаемое устройство может использоваться в распределенной системе управления как оконечное. Его работа происходит по командам системы верхнего уровня, передаваемым по последовательному интерфейсу RS-485. Также указанный интерфейс используется для настройки параметров управления и передачи текущего значения зазора ЭМ (3) или текущих значений рабочих параметров (напряжения источника питания U_п и интервала времени t_п) внешнему устройству системы верхнего уровня. Приемопередатчик RS-485 (7) преобразует логические сигналы микроконтроллера в дифференциальный сигнал полудуплексной интерфейсной многоточечной линии в соответствии с требованиями стандарта [8]. Приемопередатчик RS485 (7) может быть выполнен на микросхеме SN65HVD1785 [9]. Эти микросхемы предназначены для использования в качестве приемопередатчика по стандарту RS-485 для организации полудуплексного канала связи по соответствующим стандартам. Приемопередатчик RS-485 (7) соединен с модулем универсального синхронного/асинхронного приемопередатчика USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) (13), являющегося внутренним периферийным модулем микроконтроллера (6) [7]. Переключение с приема на передачу осуществляется программно установкой или снятием бита «RC6», через вывод 17 микроконтроллера (6).

В предлагаемом устройстве для управления и контроля состояния ЭМ, в качестве основного счетно-решающего и управляющего блока используется модуль центрального процессора CPU (9) (CPU - central processing unit) микроконтроллера PIC16F1778-I/SO (6) [7].

Основная часть схемы устройства для управления ЭМ (3), обеспечивающая обработку сигналов измерения тока в обмотке электромагнита, напряжения питания, контроля времени и формирования сигналов управления выполнена с использованием ресурсов микроконтроллера (6) и его внутренних периферийных модулей.

При этом, внутренние периферийные модули микроконтроллера (МК) соединены, задействованы, и сконфигурированы для выполнения поставленной задачи.

Предложенное техническое решение позволяет за счет использования для построения схемы устройства интегрированных периферийных модулей значительно снизить нагрузку на вычислительные ресурсы МК и уменьшить габариты устройства. Для построения контура управления током с использованием МК используются его внутренние периферийные модули Периферии Независимой от Ядра (ПНЯ) (Core Independent Peripheral - CIP). В этом случае функционирование контура управления не зависит (или почти не зависит) от тактовой частоты МК и его состояния. Подобная периферия конфигурируется программой МК, но дальнейшее ее функционирование может быть совершенно независимым. В концепции ПНЯ периферийные модули могут соединяться внутри МК и не иметь выходов наружу, что дает возможность синтеза функциональных блоков за счет совместного использования нескольких периферийных модулей для решения конкретных задач. Это позволяет минимизировать количество используемых выводов корпуса МК при построении схемы устройства и размеры изделия в целом.

Источник питания (1) обеспечивает питание силовых цепей управления ЭМ (3) и формирование напряжения 5 В, подаваемого (см. функциональную схему на фиг. 4) на вывод 20 микроконтроллера (6) для его питания. Ключ (2) обеспечивает коммутацию обмотки ЭМ (3) по сигналам, поступающим от модуля формирования выходных сигналов COG1 (15) МК (6). Для управления ключом (2) используется сигнал с выхода COG1A модуля формирования выходных сигналов COG1 (15). Модуль COG1 (15) сконфигурирован для работы в режиме Forward Full-Bridge mode. Сигнал Fclk с выхода внутреннего тактового генератора поступает на вход rising event input модуля COG1 (15), через элемент «ИЛИ», выполненный на конфигурируемой логической ячейке CLC1 (17), обеспечивая включение ключа (2) синхронно с началом счета Timer1 (19) по приходу команды по последовательному интерфейсу. Для получения высокой разрешающей способности в качестве Fclk используется сигнал кварцевого генератора микроконтроллера - Fosc. Компаратор СМР1 (20) обеспечивает сравнение сигнала, пропорционального току в обмотке ЭМ (3), с пороговым напряжением, формируемым на выходе DAC1 (18). Измеритель тока (4) выполнен на измерительном резисторе Rs, сигнал с которого усиливается операционным усилителем ОРА2 (14) и через фильтр нижних частот (5) поступает на инверсный вход компаратора СМР1 (20). При достижении этим напряжением величины, равной опорному напряжению на выходе DAC1 (18), сигнал с выхода компаратора СМР1 (20) принимает значение логический «0». Этот сигнал, поступив на вход Gate Timer1 (19). останавливает счет импульсов Fclk. Одновременно выходной сигнал компаратора СМР1 (20) поступает на вход ASE1 (Auto-shutdown control - SOURCE 1) модуля формирования выходных сигналов COG1 (15), останавливая его работу. По этому сигналу через вывод 11 микроконтроллера происходит отключение ключа (2). Для обеспечения однократного срабатывания ключа (2) выбирается режим работы модуля COG1 (15) без авто рестарта, то есть с программным сбросом.

Демпфирующий диод VD обеспечивает защиту верхнего ключа (2) от воздействия ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке ЭМ (3) при его размыкании. В качестве ключа (2) в устройстве может быть использован ключ верхнего уровня AUIPS7221R [10], содержащий в своем составе драйвер MOSFET и управляемый логическим сигналом.

Работает устройство следующим образом.

При подаче питания программа инициализации микроконтроллера (6) выполняет начальную конфигурацию его периферии, в процессе которой устанавливаются связи, показанные на функциональной схеме, приведенной на фиг. 4, и настраиваются выбранные режимы работы периферийных модулей. В цифро-аналоговый преобразователь DAC1 (18) загружается число, значение которого соответствует выбранному пороговому значению тока. После чего устройство переходит в режим ожидания. При получении по последовательному интерфейсу команды на определение начального зазора ЭМ, под управлением программы выполняется запуск счета Timer1 (19), устанавливается бит разрешения работы модуля формирования выходных сигналов COG1 (EN) и сбрасывается бит его состояния SHUTDOWN (ASE). Далее модули периферии работают независимо от выполнения программы. После получения разрешения модулем формирования выходных сигналов COG1 (15) при появлении положительного фронта на входе RES (Rising event source), на его выходе COG1A (выводе 11 микроконтроллера (6)) появляется сигнал логическая «1», который приводит к замыканию ключа (2). Следующей командой (после сброса бита ASE) установкой бита TMRION запускается счет Timer1 (19). После чего производится измерение напряжения питания, поступающего через измеритель напряжения (16), на аналоговый вход AN2 АЦП ADC (10) (вывод 4 микроконтроллера (6)). Напряжение, пропорциональное току ЭМ (3) с измерителя тока (4), усиливается неинвертирующим усилителем, выполненным на операционном усилителе ОРА2 (14), входящим в состав внутренних периферийных модулей микроконтроллера (6), и резисторах R1…R4, после чего сглаживается фильтром нижних частот (5). Достижение током ЭМ (3) порогового значения контролируется компаратором СМР1 (20). По достижении током порогового значения на выходе компаратора СМР1 (20) формируется логический « 0», при появлении которого на входе Gate Timer1 (19) останавливается его счет, и отключается модуль формирования выходных сигналов COG1 (15), что приводит к размыканию ключа (2).

Полученные значения интервала времени из Timer1 (19) и напряжения питания из ADC (10) сохраняются, и по запросу устройства верхнего уровня передаются ему.

Для проверки работоспособности предлагаемого технического решения и оценки точности определения положения якоря ЭМ при его использовании были проведены лабораторные испытания опытного образца устройства. Проверялась работа устройства определения положения якоря ЭМ при разных значениях напряжения питания и начального зазора ЭМ из рабочего диапазона, произвольно устанавливаемого с помощью микрометрического винта и набора щупов №2 ГОСТ 882-75, кл. 2. Результаты выполненных измерений регистрировались с помощью осциллографа R&S®RTE1034 [11] и далее обрабатывались с использованием персонального компьютера.

Экспериментальные переходные процессы изменения тока I в обмотке ЭМ и сформированного управляющего сигнала на подключение напряжения питания к обмотке при пороговом значении тока 0,3 А, разных установленных величинах начального зазора Z и разных конкретных измеренных значениях напряжения питания U_п, полученных при экспериментальной отработке предлагаемого технического решения приведены на графиках фиг. 5.

Соответствующие каждому приведенному на фиг. 5 графику переходного процесса изменения тока в обмотке ЭМ значения напряжения питания U_п и величины интервала времени t_п были использованы для определения расчетных значений постоянных коэффициентов р₁, p₂ и q₁ аппроксимирующей зависимости вида (1) и, наконец, расчета начального зазора ЭМ. Данные для всех выполненных семи испытаний, представленных на фиг. 5 в виде графиков, сведены в таблицу 3. Каждому проведенному испытанию в таблице 3 соответствуют свои значения начального зазора Z и напряжения питания U_п, установленные перед его проведением, и измеренное при вторичной обработке на персональном компьютере значение интервала времени t_п для зарегистрированного переходного процесса изменения тока I в обмотке. Для каждого установленного значения напряжения питания U_п методом линейной интерполяции данных, приведенных в таблице 2, был получен соответствующий набор постоянных коэффициентов р₁, p₂ и q₁ (см. таблицу 3), с использованием которых по соотношению (1) получено рассчитанное значение начального зазора Z. Выполнено сравнение расчетного и установленного перед испытанием значений начального зазора и оценена относительная погрешность определения начального зазора ЭМ предлагаемым способом. По данным, приведенным в таблице 3, относительная погрешность определения начального зазора для выполненных испытаний составила менее 4%.

На фиг. 5 показаны также управляющие сигналы, отражающие длительность временного интервала, в течение которого к обмотке ЭМ подводится напряжение питания в каждом проведенном испытании, представленном в таблице 3.

На графиках, показанных на фиг. 6, представлены аппроксимирующие зависимости начального зазора Z от измеренного значения интервала времени t_п для каждого выполненного испытания. Каждая аппроксимирующая зависимость имеет вид (1) и построена для соответствующих значений постоянных коэффициентов р₁, p₂ и q₁, приведенных в таблице 3. Каждому проведенному испытанию соответствует точка, отмеченная черным квадратом, на соответствующей кривой. У каждой точки проставлены ее координаты, соответствующие измеренному значению интервала времени t_п (X) и рассчитанному значению начального зазора Z (Y). Эти координаты соответствуют значениям этих параметров, приведенных в таблице 3.

Таким образом, проведенная экспериментальная отработка предлагаемого технического решения подтверждает его работоспособность и эффективность. Задача определения начального зазора ЭМ решается без осуществления срабатывания электромагнита с достаточной для практических целей точностью. Если ЭМ используется в качестве исполнительного привода электроклапана (ЭК), предназначенного для открытия и закрытия рабочей магистрали, по которой жидкое или газообразное рабочее тело подается к потребителю, то отсутствие срабатывания при определении начального зазора позволяет многократно контролировать величину начального зазора, не внося возмущения в работу системы, в которой используется ЭК, и не допускать непроизводительный расход рабочего тела.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. METHOD AND CIRCUIT FOR DETECTING THE ARMATURE POSITION OF AN ELECTROMAGNET. US 6,949,923 B2. Date of Patent: Sep. 27, 2005.

2. METHOD AND APPARATUS FOR SENSING ARMATURE POSITION IN RELUCTANCE ELECTROMAGNETIC ACTUATORS. CANADIAN PATENT. CA 2247809 C. Date 2001/10/23.

3. SYSTEM FOR DETERMINING POSITIONS OF A CONTROL ELEMENT OF AN ELECTRICALLY DRIVEN ACTUATOR. US 2004/0016461 A1. Pub. Date: Jan. 29, 2004.

4. SOLENOID DRIVER AND METHOD FOR DETERMINING SOLENOID OPERATIONAL STATUS. EP 0 882 303 B1. 21.04.2004 Bulletin 2004/17.

5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. RU 2717952 С1 Опубликовано: 27.03.2020 Бюл. №9.

6. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. RU 2746039 С1 Опубликовано: 06.04.2021 Бюл. No. 10.

7. PIC 16(L)F 1777/8/9 28/40/44-Pin, 8-Bit Flash Microcontroller. [Электронный ресурс] // URL: https://wwl.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/PIC16(L)F1777_8_9_Family_Data_Sheet_40001819D.pdf (дата обращения 20.05.2022).

8. ANSI TIA/EIA RS-485-A: (Recommended standard 485 Edition A) 1998. Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Balanced Digital Multipoint Systems.

9. [Электронный ресурс] // URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvd1785.pdf (дата обращения 20.05.2022).

10. [Электронный ресурс] // URL: https//www/Infineon.com/dgdl/auisp7221t.pdf (дата обращения 20.05.2022).

11. Осциллографы цифровые R&S RTE Руководство по эксплуатации. [Электронный ресурс] // URL: http//rodeschwarz.shop/catalog/ostcillografy/rode_schwarz_rte1034/ (дата обращения 20.01.2022).

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей путем определения положения якоря электромагнита без совершения перемещения его подвижных частей. Для этого напряжение измеряют на выходе источника питания электромагнита, подключают источник питания к обмотке, устанавливают пороговое значение тока в обмотке, при достижении которого отключают от обмотки источник питания, и измеряют интервал времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, и по величинам этого интервала времени и напряжения источника питания определяют положение якоря по отношению к стопу (начальный зазор) без срабатывания электромагнита. Причем пороговое значение тока в обмотке выбирают ниже минимально возможного значения тока в обмотке, при котором в процессе эксплуатации электромагнита возможно его срабатывание. Предложена также функциональная схема устройства для определения положения якоря ЭМ, ориентированная на использование в качестве основного счетно-решающего элемента микроконтроллера PIC16F1778-I/SO, обеспечивающего реализацию операций предлагаемого способа. Большая часть функциональной схемы устройства построена с использованием внутренних периферийных модулей микроконтроллера. Если ЭМ используется в качестве исполнительного привода электроклапана (ЭК), предназначенного для открытия и закрытия рабочей магистрали, по которой жидкое или газообразное рабочее тело подается к потребителю, то отсутствие срабатывания при определении начального зазора позволяет многократно контролировать величину начального зазора, не внося возмущения в работу системы, в которой используется ЭК, и не допускать непроизводительный расход рабочего тела. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Способ определения положения якоря электромагнита, включающий измерение текущего значения тока через его обмотку и напряжения на этапе включения электромагнита, отличающийся тем, что напряжение измеряют на выходе источника питания электромагнита, подключают источник питания к обмотке, устанавливают пороговое значение тока в обмотке, при достижении которого отключают от обмотки источник питания, и измеряют интервал времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, и по величинам этого интервала времени и напряжения источника питания определяют положение якоря по отношению к стопу, то есть начальный зазор, без срабатывания электромагнита, причем пороговое значение тока в обмотке выбирают ниже минимально возможного значения тока в обмотке, при котором в процессе эксплуатации электромагнита возможно его срабатывание.

2. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 1, отличающийся тем, что до начала эксплуатации электромагнита при испытаниях в лабораторных или заводских условиях формируют таблицу, связывающую значения начального зазора электромагнита со значениями напряжения источника питания и интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, эту таблицу запоминают и используют для определения начального зазора до срабатывания при эксплуатации электромагнита.

3. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что полученную табличную зависимость начального зазора от интервала времени, измеряемого от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения, для конкретной величины напряжения источника питания аппроксимируют дробно-рациональным выражением вида

где z - величина начального зазора до срабатывания электромагнита;

t_п - величина интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения;

p₁, p₂, q₁ - постоянные коэффициенты для каждого заданного в запомненной таблице конкретного значения напряжения источника питания, определяемые, например, методом наименьших квадратов, по табличным данным,

из этих полученных значений постоянных коэффициентов формируют другую таблицу, в которой каждый набор постоянных коэффициентов соответствует каждому заданному конкретному значению напряжения источника питания, эту таблицу значений постоянных коэффициентов запоминают и используют для определения начального зазора при эксплуатации электромагнита.

4. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 3, отличающийся тем, что при эксплуатации электромагнита по измеренному значению напряжения на выходе источника питания определяют, например, методом линейной интерполяции табличных значений постоянных коэффициентов, набор их значений, соответствующий измеренному значению напряжения питания, и с использованием полученного набора постоянных коэффициентов и измеренной величины интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения определяют начальный зазор электромагнита с использованием приведенного дробно-рационального выражения.

5. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 1, отличающийся тем, что полученное значение начального зазора электромагнита передают внешним устройствам.

6. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 4, отличающийся тем, что измеренные значения величины напряжения источника питания и интервала времени от момента подключения источника питания к обмотке электромагнита до момента достижения током в обмотке порогового значения передают внешним устройствам, а определение начального зазора электромагнита с использованием табличных значений постоянных коэффициентов p1, р2 и q1 и указанного дробно-рационального выражения осуществляют с использованием внешних устройств.

7. Устройство для определения положения якоря электромагнита, содержащее последовательно соединенные источник питания и ключ, выход которого соединен со входом электромагнита, измеритель тока, выполненный на измерительном резисторе, фильтр нижних частот, микроконтроллер PIC16F1778-I/SO, приемопередатчик RS-485, связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, диод, соединенные последовательно первый и второй резисторы, соединенные последовательно третий и четвертый резисторы, причем выход фильтра нижних частот соединен с выводом (26) микроконтроллера, первый вывод первого резистора соединен с входом фильтра нижних частот и выводом (22) микроконтроллера, второй вывод первого резистора соединен с выводом (23) микроконтроллера, первые выводы измерительного и четвертого резисторов соединены с выходом электромагнита, а вторые выводы второго, третьего и измерительного резисторов соединены с отрицательным выводом источника питания, выводами (8) и (19) микроконтроллера и анодом диода, катод которого соединен с выходом ключа и входом электромагнита, второй вывод четвертого резистора соединен с выводом (24) микроконтроллера, управляющий вход ключа соединен с выводом (11) микроконтроллера, вывод (16) микроконтроллера соединен с выходом приемопередатчика RS-485, два входа которого соединены соответственно с выводами (17) и (18) микроконтроллера, кроме того, в составе устройства задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: модуль центрального процессора CPU, аналого-цифровой преобразователь ADC, модуль памяти программ Program memory, модуль оперативной памяти RAM, модуль последовательного интерфейса USART, выход ТХ которого соединен с выводом (18) микроконтроллера, а вход RX - с выводом (16) микроконтроллера, задействован также внутренний периферийный модуль - операционный усилитель ОРА2, неинвертирующий вход операционного усилителя ОРА2 соединен с выводом (24) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB, инвертирующий вход операционного усилителя ОРА2 соединен с выводом (23) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB, а выход операционного усилителя ОРА2 соединен с выводом (22) микроконтроллера, настроенным как аналоговый выход порта ввода/вывода PORTB, задействован также внутренний периферийный модуль - блок формирования выходных сигналов COG1, соединенный по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной, отличающееся тем, что в него дополнительно введен измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом источника питания, а выход - с выводом (4) микроконтроллера, кроме того, в составе устройства дополнительно задействованы соединенные с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: конфигурируемая логическая ячейка CLC1, которая используется в качестве логического элемента «ИЛИ», цифроаналоговый преобразователь DAC1, таймер Timer 1 и разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC, дополнительно задействованы также внутренний периферийный модуль - компаратор СМР1 и разряд «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC, соединенный с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 и с выводом (11) микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC, счетный вход таймера Timer 1 и вход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединены с выходом внутреннего тактового генератора, выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов C0G1, вход Gate таймера Timer 1 и вход Auto-shutdown source блока формирования выходных сигналов COG1 соединены с выходом компаратора СМР1, инвертирующий вход которого соединен с выводом (26) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTC, выход цифроаналогового преобразователя DAC1 соединен с неинвертирующим входом компаратора СМР1, вход «AN2» аналого-цифрового преобразователя ADC соединен с выводом (4) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA, а разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом (17) микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.