Способ определения положения якоря электромагнита и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для диагностики состояния и управления приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов. Технический результат состоит в упрощении и расширении функциональных возможностей. Определение текущего значения тока через обмотку и знака скорости его изменения осуществляют после обработки результата измерения тока фильтром нижних частот на этапе отпускания ЭМ после снятия напряжения с его обмотки. Причем от момента времени, когда начинается увеличение текущего значения тока через обмотку, соответствующее началу движения якоря при отпускании, и до момента времени, характеризующего окончание движения якоря, определяют текущее значение положения якоря ЭМ в каждый момент времени его движения при отпускании по текущему значению величины тока через обмотку. Величину локального максимума тока при этом определяют в момент времени, когда начинается уменьшение текущего значения тока через обмотку после его увеличения в процессе отпускания. Этот момент времени достижения локального максимума тока считают окончанием движения якоря, и формируют признак, свидетельствующий о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании. Предложена также функциональная схема устройства для определения положения якоря ЭМ, ориентированная на использование микроконтроллера PIC16F1778 в качестве управляющего элемента, обеспечивающего реализацию операций заявленного способа. Работоспособность и эффективность предлагаемого технического решения подтверждена экспериментально. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для диагностики состояния и управления приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов.

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. 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. При этом переменная составляющая тока, протекающего через его обмотку, меняется в зависимости от изменения ее индуктивности, которая, в свою очередь, зависит от положения якоря. Датчик тока формирует выходной сигнал, соответствующий уровню тока, протекающего через обмотку соленоида. С помощью полосового фильтра выделяют переменную компоненту этого выходного сигнала, которая вызвана действием сигнала распознавания. Соответствующий сигнал определения положения якоря формируется на выходе фильтра. Такое техническое решение требует использования значительных аппаратных средств, таких как генератор фиксированной частоты, фильтр нижних частот и полосовой фильтр, а также демодулятор. Кроме того, применение этого технического решения возможно только совместно с системами, поддерживающими широтно-импульсное регулирование тока в обмотке 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 изменения тока в обмотке при переключении 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.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению являются способ определения положения якоря ЭМ и устройство для его осуществления, описанные в [4]. Здесь предложено по измерениям текущего значения тока через обмотку определять скорость его изменения и в момент времени, когда при срабатывании ЭМ начинается уменьшение текущего значения тока через обмотку, определять величину локального максимума тока. А в момент времени, когда после окончания движения якоря при срабатывании заканчивается уменьшение текущего значения тока через обмотку и начинается его увеличение, формировать сигнал, свидетельствующий о произошедшем срабатывании ЭМ. Кроме того, предложено решение, позволяющее по величине локального максимума тока и величине напряжения, приложенного к обмотке в момент достижения локального максимума тока, определять начальное положение якоря по отношению к стопу (начальный зазор), которое имело место перед подачей напряжения на обмотку ЭМ. Описана также функциональная схема устройства для определения положения якоря, и приведено экспериментальное подтверждение его работоспособности.

Однако, техническое решение [4] наряду со всеми его преимуществами обладает следующими недостатками. При его применении требуется непрерывное измерение двух параметров - тока в обмотке ЭМ и приложенного к ней напряжения. Кроме того, это решение требует для своего использования двумерный массив экспериментальных данных и предложенные аналитические аппроксимирующие зависимости имеют относительно сложную структуру и довольно большое количество (а именно 5) определяемых по экспериментальным данным постоянных коэффициентов.

Задачей предполагаемого изобретения является упрощение и расширение функциональных возможностей способа определения положения якоря ЭМ и устройства для его осуществления.

Для решения поставленной задачи предлагается определение текущего значения тока через обмотку и знака скорости его изменения осуществлять после обработки результата измерения тока фильтром нижних частот на этапе отпускания ЭМ после снятия напряжения с его обмотки. Причем от момента времени, когда начинается увеличение текущего значения тока через обмотку, соответствующее началу движения якоря при отпускании, и до момента времени, характеризующего окончание движения якоря, определяют текущее значение положения якоря ЭМ в каждый момент времени его движения при отпускании по текущему значению величины тока через обмотку. Величину локального максимума тока при этом определяют в момент времени, когда начинается уменьшение текущего значения тока через обмотку после его увеличения в процессе отпускания. Этот момент времени достижения локального максимума тока считают окончанием движения якоря, и формируют признак, свидетельствующий о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании.

Для определения текущего значения зазора между якорем и стопом ЭМ в процессе отпускания до начала эксплуатации ЭМ при испытаниях в лабораторных или заводских условиях формируют таблицу, связывающую значения известного текущего положения якоря ЭМ при отпускании с соответствующим текущим значением тока в его обмотке. Эту таблицу сохраняют и используют при определении текущего положения якоря ЭМ во время его движения при отпускании в процессе эксплуатации ЭМ.

Значения текущего положения якоря ЭМ и скорости его перемещения в каждый момент времени его движения при отпускании можно сохранять, для чего их предварительно определяют по соответствующему текущему значению тока в его обмотке, например, методом линейной интерполяции с использованием сохраненных табличных значений.

Значения текущего положения якоря ЭМ в каждый момент времени его движения при отпускании можно сохранять, предварительно определяя их по соответствующему текущему значению тока в его обмотке по соотношению

где Z(t) - значение текущего положения якоря ЭМ в момент времени t;

I(t) - текущее значение тока в обмотке ЭМ при отпускании в момент времени t;

С₀, C₁, С₂, С₃ - постоянные коэффициенты, определяемые, например, методом наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальной зависимости значений положения якоря ЭМ от соответствующего текущего значения тока в его обмотке при отпускании ЭМ, из таблицы, полученной и сохраненной при испытаниях в лабораторных или заводских условиях.

Можно также в каждый момент времени при отпускании сохранять текущие значения скорости движения якоря ЭМ, для чего их предварительно определяют по соотношению

где V(t) - текущее значение скорости движения якоря ЭМ в момент времени t;

I(t) - текущее значение тока в обмотке ЭМ при отпускании в момент времени t;

C_0V, C_1V, C_2V - постоянные коэффициенты, определяемые, например, методом наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальной зависимости текущих значений скорости движения якоря ЭМ от соответствующего текущего значения тока в его обмотке при отпускании из таблицы, полученной и сохраненной при испытаниях в лабораторных или заводских условиях.

При цифровой реализации предлагаемого технического решения во время испытаний в лабораторных или заводских условиях удобно формировать и сохранять таблицу, содержащую полное множество возможных дискретных значений текущего положения якоря ЭМ и скорости его перемещения, соответствующих каждому возможному текущему дискретному значению тока в обмотке ЭМ. Причем эту таблицу рассчитывают либо методом интерполяции, либо по аппроксимирующим зависимостям (1) и (2) для всего конечного множества допустимых значений дискретных отсчетов тока в обмотке ЭМ, которые он может принимать при отпускании в процессе эксплуатации.

Сигнал, являющийся признаком, свидетельствующим о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании, и значение конечного положения якоря передают по запросу внешним устройствам.

Массивы данных значений текущего положения якоря ЭМ и скорости его перемещения в каждый момент времени его движения при отпускании ЭМ в зависимости от значения тока в его обмотке и передают по запросу внешним устройствам.

Для снижения влияния помех определение текущего значения тока через обмотку и знака скорости его изменения, а также формирование признака, свидетельствующего о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании, осуществляют после снятия напряжения с обмотки электромагнита на отрезке времени [0,1t_го; 1,25t_го], где t_го - время гарантированного отпускания электромагнита.

В устройство, реализующее предлагаемый способ, для решения задачи предполагаемого изобретения дополнительно введены фильтр нижних частот, диод, третий, четвертый и пятый резисторы и полевой транзистор. При этом измеритель тока содержит измерительный резистор, первый вывод которого соединен с выходом ЭМ и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с выводом 6 микроконтроллера. Первый вывод третьего резистора соединен с первыми выводами первого и второго резисторов и выводом 7 микроконтроллера. Второй вывод третьего резистора соединен со стоком полевого транзистора, исток которого соединен с отрицательным выводом источника питания и выводами 8 и 19 микроконтроллера, а затвор - с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с выводом 12 микроконтроллера, выводы 8 и 19 которого соединены также со вторым выводом измерительного резистора и с отрицательным выводом источника питания. Выход фильтра нижних частот соединен с выводом 2 микроконтроллера, а его вход - со вторым выводом второго резистора, катод диода соединен с выходом ключа, а его анод -с отрицательным выводом источника питания.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Экспериментальные переходные процессы изменения тока в обмотке ЭМ при его отпускании для разных значений конечного положения якоря ЭМ после отпускания.

Фиг. 2. График непрерывной зависимости положения якоря ЭМ и изменения тока в его обмотке в процессе отпускания, аппроксимирующей с использованием соотношения (1) экспериментальные пары значений установленного конечного положения якоря ЭМ после отпускания и соответствующего ему тока в обмотке ЭМ, при котором это положение якоря достигается. На этой же фигуре приведен график непрерывной зависимости вида (2), аппроксимирующей пары значений рассчитанной по экспериментальным данным скорости перемещения якоря и экспериментального значения тока в обмотке ЭМ при достижении установленного конечного положения якоря ЭМ после отпускания.

Фиг. 3. Экспериментальный переходный процесс изменения тока в обмотке ЭМ при его отпускании для установленного зазора между якорем и стопом 0,8 мм и полученные с использованием предлагаемого технического решения переходные процессы изменения положения и скорости перемещения якоря ЭМ в этом случае.

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

Фиг. 5. Блок-схема алгоритма, реализуемого при работе устройства для определения положения якоря электромагнита.

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 его отпускании для разных значений конечного положения якоря ЭМ после отпускания и разных величинах напряжения питания.

На фиг. 1 приведено семейство экспериментальных переходных процессов изменения тока в обмотке ЭМ, полученные при его отпускании после снятия напряжения с его обмотки для разных значений конечного положения якоря ЭМ после отпускания. При проведении испытаний значение конечного положения якоря ЭМ после отпускания устанавливалось с помощью микрометрического винта и набора щупов №2 ГОСТ 882-75, кл.2.

Анализ приведенных на этом рисунке графиков показывает, что процесс увеличения тока в обмотке после достижения им локального минимума происходит одинаково и не зависит от величины конечного положения якоря ЭМ после отпускания, что объясняется одинаковыми начальными условиями трогания якоря при отпускании из прижатого к стопу состояния. При этом величина локального максимума тока, которого он достигает после окончания движения в момент достижения крайнего положения, возрастает с увеличением зазора между якорем и стопом ЭМ в конечном положении якоря после отпускания. Это вызвано разной величиной перемещения якоря при его движении в процессе отпускания. Таким образом, мы наблюдаем явную выраженную зависимость между величиной тока в момент достижения якорем крайнего положения и значением конечного положения якоря ЭМ после отпускания. Отметим, что величина локального минимума тока во всех представленных переходных процессах практически одинакова.

Экспериментально доказано, что изменение напряжения питания в диапазоне от 18 до 32 В не оказывает влияния на регистрируемый процесс изменения тока при отпускании ЭМ. Это вызвано тем, что начальные условия по току в обмотке на момент начала движения якоря при отпускании не зависят от напряжения питания ЭМ, особенно, если в режиме удержания используется широко распространенная стабилизация тока удержания любым способом.

На графике, представленном на фиг. 2, черными квадратами нанесены точки, которые получены из переходных процессов, приведенных на фиг. 1. Около каждого квадрата проставлена пара чисел, первое из которых представляет собой значение тока в обмотке ЭМ, а второе - величину перемещения якоря ЭМ (от его прижатого к стопу состояния), которого он достигает при этом значении тока в обмотке. Эти экспериментальные данные сведены в таблицу:

Если необходимо оценить непрерывное изменение положения якоря ЭМ при нарастании тока в его обмотке при отпускании, можно соединить эти экспериментально полученные точки непрерывной линией, полученной, например, методом интерполяции, возможно, даже линейной. А можно поступить иначе, и аппроксимировать экспериментально полученные точки, например, методом наименьших квадратов, какой-нибудь непрерывно дифференцируемой кривой, например, отрезком кубической параболы вида (1). При этом могут быть рассчитаны значения постоянных коэффициентов С₀, С₁, С₂, С₃ для конкретного экземпляра ЭМ, для которого при лабораторных или заводских испытаниях были получены экспериментальные точки.

Полученные таким образом непрерывные зависимости могут быть использованы для определения процесса изменения положения якоря ЭМ при изменении тока в его обмотке в процессе отпускания. Были получены следующие значения постоянных коэффициентов, соответствующие экспериментальным точкам, приведенным на фиг. 2: С₀=-0,08598; С₁=0,8079; С₂=-0,8532; С₃=1,578. Соответствующий этим значениям коэффициентов отрезок кубической параболы приведен на графике (см. фиг. 2) толстой сплошной линией.

Использование зависимости (1) с рассчитанными значениями коэффициентов позволит при регистрации процесса I(t) изменения тока в обмотке ЭМ в процессе отпускания получить соответствующий процесс Z(t) изменения положения якоря ЭМ для данного экземпляра электромагнита.

При цифровой реализации предложенного технического решения, чтобы не выполнять вычислительные операции с использованием алгоритмов интерполяции или аппроксимирующей зависимости в процессе эксплуатации ЭМ, удобно в лабораторных или заводских условиях однократно рассчитать таблицу, связывающую все возможные допустимые дискретные значения тока в обмотке ЭМ, и полученные расчетным путем соответствующие им значения перемещения якоря ЭМ. Эту таблицу можно занести в память микроконтроллера и использовать в дальнейшем при эксплуатации ЭМ. Такая таблица будет содержать в себе полное множество возможных дискретных значений текущего положения якоря электромагнита, соответствующих каждому возможному текущему дискретному значению тока в обмотке электромагнита.

Часто при диагностике, контроле состояния ЭМ и формировании сигналов управления важно знать не только текущее положение якоря ЭМ, но и текущее значение скорости его перемещения. Для решения этой задачи можно использовать экспериментальные данные, приведенные в таблице 1, и расчетные данные, позволяющие определять положение якоря ЭМ в каждый текущий момент времени. Если известен интервал времени между двумя соседними зарегистрированными значениями положения якоря ЭМ в окрестности экспериментальной точки, приведенной в таблице 1, то можно, например, методом численного дифференцирования оценить значение скорости перемещения якоря, соответствующее приведенному в таблице значению тока в обмотке ЭМ. Полученные таким образом экспериментально-расчетные данные приведены в таблице 2 и в виде точек, выделенных кружочками, нанесены на график фиг. 2.

Таблицы 1 и 2 могут быть объединены в одну, так как значения независимой переменной I (значение тока в обмотке ЭМ) в них одинаковые.

Если необходимо оценить непрерывное изменение скорости якоря ЭМ при нарастании тока в его обмотке при отпускании, можно соединить эти экспериментально-расчетные точки непрерывной линией, полученной, например, методом интерполяции, а можно аппроксимировать, например, методом наименьших квадратов, какой-нибудь непрерывно дифференцируемой кривой, например, отрезком параболы вида (2). При этом могут быть рассчитаны значения постоянных коэффициентов C_0V, C_1V, C_2V для конкретного экземпляра ЭМ, для которого при лабораторных или заводских испытаниях были получены экспериментально-расчетные точки, подобные представленным в таблице 2 и на графике фиг. 2.

Такие непрерывные зависимости могут быть использованы для определения процесса изменения скорости якоря ЭМ при изменении тока в его обмотке в процессе отпускания. Значения постоянных коэффициентов, соответствующие данным, приведенным в таблице 2: C_0V=-0,1; C_1V=0,8087; C_2V=0,8196. Этим значениям коэффициентов соответствует отрезок параболы, приведенный на графике (см. фиг. 2) тонкой сплошной линией.

Выше была описана процедура формирования при испытаниях в лабораторных или заводских условиях таблицы, связывающей все возможные при отпускании допустимые дискретные значения тока в обмотке ЭМ, и полученные расчетным путем соответствующие им значения перемещения якоря ЭМ при цифровой реализации предложенного технического решения. Эту таблицу теперь можно дополнить соответствующими всем возможным допустимым дискретным значениям тока в обмотке ЭМ расчетными значениями скорости якоря ЭМ. В этом случае такая таблица, сохраненная в памяти микроконтроллера, может быть использована в дальнейшем при эксплуатации ЭМ и будет содержать в себе полное множество возможных дискретных значений текущего положения и скорости якоря ЭМ, соответствующих каждому возможному текущему дискретному значению тока в его обмотке в процессе отпускания.

На графиках фиг. 3 штриховой линией приведен участок экспериментально полученного переходного процесса увеличения тока в обмотке I(t) в процессе отпускания ЭМ для установленного конечного зазора между якорем и стопом 0,8 мм. На этом же графике показаны рассчитанные по этим экспериментальным данным соответствующие переходные процессы непрерывного изменения положения Z(t) и скорости V(t) якоря ЭМ. Толстой сплошной линией показаны процессы Z(t) и V(t), полученные с использованием аппроксимирующих зависимостей (1) и (2); пунктирной линией - процессы Z(t) и V(t), полученные с использованием линейной аппроксимации приведенных в таблицах 1 и 2 экспериментальных и расчетно-экспериментальных данных. Кружочками выделены точки, соответствующие данным в таблицах 1 и 2. Тонкой сплошной линией показан процесс Z(t), рассчитанный путем численного интегрирования расчетной кривой V(t), приведенной на графике (см. фиг. 3) тонкой штриховой линией.

Приведенные на фиг. 3 графики демонстрируют работоспособность предлагаемого способа непрерывного определения положения якоря ЭМ.

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

Устройство содержит последовательно соединенные источник питания (1) и ключ (2), выход которого соединен с входом электромагнита (3), измеритель тока (4), вход которого соединен с выходом ЭМ (3), соединенные последовательно первый и второй резисторы R1 и R2, приемопередатчик RS-485 (5), связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, микроконтроллер PICT 6F1778 (6), а также фильтр нижних частот (ФНЧ) (7), диод VD, третий R3, четвертый R4 и пятый R5 резисторы и полевой транзистор VT. Вывод 11 микроконтроллера (МК) (6) соединен с управляющим входом ключа (2). Вывод 16 МК (6) соединен с выходом приемопередатчика RS-485 (5), два входа которого соединены соответственно с выводами 17 и 18 МК (6), вывод 15 которого соединен с дискретным выходом системы верхнего уровня. Второй вывод первого резистора R1 соединен с отрицательным выводом источника питания (1), а второй вывод второго резистора R2 соединен с выводом 3 МК (6).

Измеритель тока (4) содержит измерительный резистор Rs, первый вывод которого соединен в выходом ЭМ (3) и первым выводом четвертого резистора R4, второй вывод которого соединен с выводом 6 микроконтроллера (6). Первый вывод третьего резистора R3 соединен с первыми выводами первого R1 и второго R2 резисторов и выводом 7 МК (6). Второй вывод третьего резистора R3 соединен со стоком полевого транзистора VT, исток которого соединен с отрицательным выводом источника питания (1) и выводами 8 и 19 МК (6), а затвор - с первым выводом пятого резистора R5. Второй вывод пятого резистора R5 соединен с выводом 12 МК (6), выводы 8 и 19 которого соединены также со вторым выводом измерительного резистора Rs и с отрицательным выводом источника питания (1). Выход ФНЧ (7) соединен с выводом 2 МК (6), а его вход - со вторым выводом второго резистора R2. Катод диода VD соединен с выходом ключа (2), а его анод - с отрицательным выводом источника питания (1).

Работает устройство следующим образом.

Источник питания (1) обеспечивает напряжение, необходимое для срабатывания ЭМ (3), и напряжение 5 В для питания элементов схемы.

МК (6) управляет работой ключа (2) и приемопередатчика RS-485 (5). Кроме того, МК (6) обеспечивает прием сигналов управления от системы верхнего уровня и передачу по запросу сигнала, свидетельствующего о переходе якоря ЭМ (3) в конечное положение при отпускании, а также массивов данных значений текущих положения и скорости перемещения якоря ЭМ в каждый момент времени его движения при отпускании в зависимости от значения тока в его обмотке в тот же момент.

Приемопередатчик RS-485 (5) преобразует логические сигналы МК (6) в дифференциальный сигнал полудуплексной интерфейсной многоточечной линии в соответствии с требованиями стандарта [5]. В качестве приемопередатчика RS-485 (5) применена микросхема SN65HVD1785 [6]. Эта микросхема предназначена для использования в качестве приемопередатчика по стандарту RS-485 и для организации полудуплексного канала связи по соответствующим стандартам. Приемопередатчик RS-485 (5) соединен с модулем универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) МК (6), представляющего собой его периферийное устройство. Дополнительный сигнал управления направлением передачи (RYT) формируется программно. В качестве МК (6) использован восьмиразрядный микроконтроллер PIC16F1778-I/SO [7]. В качестве управляемого ключа (2) в устройстве может быть использован ключ верхнего уровня IPS511G [8]. ЭМ (3) является объектом контроля и управления.

Ключ (2) является управляемым силовым ключом, выполняющим коммутацию напряжения на ЭМ (3) по сигналам управления. В качестве управляющего сигнала может использоваться или дискретный сигнал, поступающий на вывод 15 МК (6), или команда переданная по последовательному интерфейсу через приемопередатчик RS-485 (5) и модуль USART МК (6). Измеритель тока (4) выполняет нормирование тока I, протекающего через обмотку ЭМ (3), то есть преобразование его в напряжение, пропорциональное этому току. Для согласования полученного напряжения с входным диапазоном АЦП (ADC) использован операционный усилитель ОРА1, входящий в состав периферийных устройств МК (6). Этот операционный усилитель с дополнительными резисторами R1 и R2 образуют неинвертирующий усилитель с коэффициентом преобразования, необходимым для полного использования входного диапазона АЦП при максимальном токе ЭМ (3). Таким образом

где Kyc1 - коэффициент усиления ОРА1 при контроле срабатывания;

I_max - максимально возможное значение тока в обмотке ЭМ;

Rs - значение сопротивления измерительного резистора;

U_max - максимальное значение напряжения Uп источника питания в условиях эксплуатации;

Rem_min - минимальное значение сопротивления обмотки ЭМ в условиях эксплуатации.

Учитывая, что величина тока срабатывания ЭМ значительно больше величины тока отпускания, для повышения точности и разрешающей способности предлагаемого способа, необходимо увеличить коэффициент усиления операционного усилителя ОРА1 для контроля тока при отпускании ЭМ. При этом значение коэффициента усиления Кус2 операционного усилителя ОРА1 выбирается из условия:

где - величина допустимого локального максимума тока в обмотке ЭМ при отпускании.

Задача изменения коэффициента усиления операционного усилителя ОРА1 в процессе работы может быть решена с использованием усилителя с программируемым коэффициентом усиления, выполненного, например, как показано на схеме (Figure 2-35 страница 2.33 в [9]). В качестве ключа, обеспечивающего переключение коэффициента усиления операционного усилителя ОРА1, в устройстве используется полевой транзистор VT. Для обеспечения необходимой точности в качестве него необходимо использовать NMOSFET транзистор IRLML0060TRPbF [10] с малым сопротивлением RDS(on), не превышающим 116 мОм, при напряжении затвора 4,5 В. При указанных параметрах ключа (RDS(on) max) вносимая им относительная погрешность даже для минимального значения сопротивления 625 Ом, приведенного в [9], составит ΔR/R=0.116/625=0.000186.

Определение значения тока начинается после отключения ключа (2). В этот момент коэффициент усиления ОРА1 имеет значение Kyc1. Когда напряжение на выходе измерителя тока (4), равное произведению I*Rs достигнет величины удовлетворяющей условию: , коэффициент усиления ОРА1 устанавливается равным Кус2. После чего считывание выходного сигнала АЦП прекращается на время защитного интервала времени ty (ty - время гарантированного затухания переходного процесса изменения напряжения на выходе ОРА1 после изменения его коэффициента усиления). По окончании указанного интервала АЦП переводится в автоматический режим преобразования (AUTO-CONVERSION). В этом режиме старт измерений запускается аппаратно - по таймеру 4. По окончании каждого цикла измерения данные из выходного регистра АЦП считываются, и по полученному значению производится выборка из таблицы расположенной в памяти МК (6) (Program memory) величины перемещения и скорости якоря ЭМ (3). При использовании полной разрядности АЦП - 10 бит, размер таблицы составит 1024 строки по четыре байта. Для подавляющего большинства применений достаточно использовать разрядность АЦП - 8 бит, что позволит сократить размер таблицы в восемь раз (до 256 строк по два байта). Полученные результаты сохраняются в оперативной памяти (RAM) МК (6).

Блок-схема алгоритма работы заявляемого устройства приведена на фиг. 5. Она отражает последовательность и цикличность основных операций, выполняемых при реализации предлагаемого технического решения для определения положения якоря ЭМ при отпускании.

Из приведенных материалов описания следует, что решение поставленной задачи по упрощению способа определения положения якоря ЭМ и устройства для его осуществления достигается тем, что:

- использование предлагаемого технического решения приводит к уменьшению количества измеряемых переменных параметров, необходимых для определения положения якоря ЭМ, поскольку не требуется измерение напряжения питания, подаваемого на обмотку ЭМ, так как оно не оказывает влияния на регистрируемый процесс изменения тока в обмотке ЭМ при отпускании и, соответственно, не влияет на значение определяемого перемещения якоря ЭМ;

- при цифровой реализации упрощение обеспечивается полным исключением вычислительных операций при эксплуатации ЭМ за счет использования сформированной в лабораторных или заводских условиях таблицы, содержащей полное множество возможных дискретных значений текущего положения якоря ЭМ и скорости его перемещения, соответствующих каждому возможному текущему дискретному значению тока в обмотке ЭМ.

Расширение функциональных возможностей состоит в том, что использование предлагаемого технического решения позволяет определять текущее значение положения якоря ЭМ при отпускании и текущее значение скорости его перемещения. Эти свойства существенно расширяют возможности диагностики работы ЭМ и возможности формирования сигналов управления.

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. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЯКОРЯ ЭМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Патент RU 2717952, бюл. №9, 27.03.2020.

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

6. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvdl785.pdf.

7. 28/40/44-Pin, 8-Bit Flash Microcontroller www.microchip.com/product/en/PIC16F1778 DS40001819B.pdf.

8. http//www.irf.com/part/INTELLIGENT-POWER-SWITCH-1-CHANNEL-HIGH-SIDE-DRIWER-IN-TO-220FL-P.

9. https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Op-Amp-Applications/Section2.pdf.

10. https://www.infineom.com/cms/en/product/power/mosfet/20v-100v-n-chanel-smal-power-mosfet/irlml0060/.

1. Способ определения положения якоря электромагнита, включающий измерение текущего значения тока через его обмотку, определение знака скорости его изменения, определение величины локального максимума тока, определение значения зазора между якорем и стопом электромагнита и формирование признака, характеризующего состояние электромагнита, отличающийся тем, что определение текущего значения тока через обмотку и знака скорости его изменения осуществляют после обработки результата измерения тока фильтром нижних частот на этапе отпускания электромагнита после снятия напряжения с его обмотки, причем от момента времени, когда начинается увеличение текущего значения тока через обмотку, соответствующее началу движения якоря при отпускании, и до момента времени, характеризующего окончание движения якоря, определяют текущее значение положения якоря электромагнита в каждый момент времени его движения при отпускании по текущему значению величины тока через обмотку, величину локального максимума тока при этом определяют в момент времени, когда начинается уменьшение текущего значения тока через обмотку после его увеличения в процессе отпускания, этот момент времени достижения локального максимума тока считают окончанием движения якоря, и формируют признак, свидетельствующий о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании.

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 известного текущего положения якоря электромагнита при отпускании с соответствующим текущим значением тока в его обмотке, эту таблицу сохраняют и используют при определении текущего положения якоря электромагнита во время его движения при отпускании в процессе эксплуатации электромагнита.

3. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что значения текущего положения якоря электромагнита и скорости его перемещения в каждый момент времени его движения при отпускании сохраняют, для чего их предварительно определяют по соответствующему текущему значению тока в его обмотке, например, методом линейной интерполяции с использованием сохраненных табличных значений.

4. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что значения текущего положения якоря электромагнита в каждый момент времени его движения при отпускании сохраняют, для чего их предварительно определяют по соответствующему текущему значению тока в его обмотке по соотношению

Z(t)=C₃I(t)³+C₂I(t)²+C₁I(t)+С₀,

где Z(t) - значение текущего положения якоря электромагнита в момент времени t;

I(t) - текущее значение тока в обмотке электромагнита при отпускании в момент времени t;

С₀, С₁, С₂, С₃ - постоянные коэффициенты, определяемые, например, методом наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальной зависимости значений положения якоря электромагнита от соответствующего текущего значения тока в его обмотке при отпускании из таблицы, полученной и сохраненной при испытаниях в лабораторных или заводских условиях.

5. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что в каждый момент времени при отпускании сохраняют текущие значения скорости движения якоря электромагнита, для чего их предварительно определяют по соотношению

V(t)=C_2VI(t)²+C_1VI(t)+C_0V,

где V(t) - текущее значение скорости движения якоря электромагнита в момент времени t;

I(t) - текущее значение тока в обмотке электромагнита при отпускании в момент времени t;

C_0V, C_1V, C_2V - постоянные коэффициенты, определяемые, например, методом наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальной зависимости текущих значений скорости движения якоря электромагнита от соответствующего текущего значения тока в его обмотке при отпускании из таблицы, полученной и сохраненной при испытаниях в лабораторных или заводских условиях.

6. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 3 или пп. 4, 5, отличающийся тем, что при цифровой реализации во время испытаний в лабораторных или заводских условиях формируют и сохраняют таблицу, содержащую полное множество возможных дискретных значений текущего положения якоря электромагнита и скорости его перемещения, соответствующих каждому возможному текущему дискретному значению тока в обмотке электромагнита, причем эту таблицу рассчитывают либо методом интерполяции, либо по аппроксимирующим зависимостям для всего конечного множества допустимых значений дискретных отсчетов тока в обмотке электромагнита, которые он может принимать при отпускании в процессе эксплуатации.

7. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 3 или 4, отличающийся тем, что сигнал, являющийся признаком, свидетельствующим о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании, и значение конечного положения якоря передают по запросу внешним устройствам.

8. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 3 или пп. 4, 5, отличающийся тем, что массивы данных значений текущего положения и скорости перемещения якоря электромагнита в каждый момент времени его движения при отпускании в зависимости от значения тока в его обмотке передают по запросу внешним устройствам.

9. Способ определения положения якоря электромагнита по п. 1, отличающийся тем, что определение текущего значения тока через обмотку и знака скорости его изменения, а также формирование признака, свидетельствующего о переходе якоря электромагнита в конечное положение при отпускании, осуществляют после снятия напряжения с обмотки электромагнита на отрезке времени [0,1t_го; 1,25t_го], где t_го - время гарантированного отпускания электромагнита.

10. Устройство для определения положения якоря электромагнита, содержащее последовательно соединенные источник питания и ключ, выход которого соединен с входом электромагнита, измеритель тока, вход которого соединен с выходом электромагнита, соединенные последовательно первый и второй резисторы, приемопередатчик RS-485, связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, а также микроконтроллер PIC16F1778, вывод 11 которого соединен с управляющим входом ключа, вывод 16 микроконтроллера соединен с выходом приемопередатчика RS-485, два входа которого соединены соответственно с выводами 17 и 18 микроконтроллера, вывод 15 которого соединен с дискретным выходом системы верхнего уровня, второй вывод первого резистора соединен с отрицательным выводом источника питания, а второй вывод второго резистора соединен с выводом 3 микроконтроллера, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фильтр нижних частот, диод, третий, четвертый и пятый резисторы и полевой транзистор, а измеритель тока содержит измерительный резистор, первый вывод которого соединен в выходом электромагнита и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с выводом 6 микроконтроллера, первый вывод третьего резистора соединен с первыми выводами первого и второго резисторов и выводом 7 микроконтроллера, второй вывод третьего резистора соединен со стоком полевого транзистора, исток которого соединен с отрицательным выводом источника питания и выводами 8 и 19 микроконтроллера, а затвор - с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с выводом 12 микроконтроллера, выводы 8 и 19 которого соединены также со вторым выводом измерительного резистора и с отрицательным выводом источника питания, выход фильтра нижних частот соединен с выводом 2 микроконтроллера, а его вход - со вторым выводом второго резистора, катод диода соединен с выходом ключа, а его анод - с отрицательным выводом источника питания.