PL182144B1

PL182144B1 - Sposób sterowania napedem stalopradowym PL PL

Info

Publication number: PL182144B1
Application number: PL96328000A
Authority: PL
Inventors: Viktor Grinewitschus; Dirk Raffel
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2001-11-30
Also published as: EP0857368A1; WO1997026694A1; NO983272D0; NO983272L; DE19601359A1; AU1306797A; DE59601282D1; ATE176557T1; NO312649B1; US6005361A; HUP9903719A3; AU700051B2; PL328000A1; EP0857368B1; HUP9903719A2

Abstract

1. Sposób sterowania napedem stalopradowym, zwlaszcza sterowania napedem stalopradowym drzwi, zna- mienny tym, ze na poczatku okresla sie wartosc pradu twor- nika oraz predkosc katowa napedu stalopradowego, nastepnie na podstawie wartosci tych dwóch zmiennych stanu i na podstawie uprzednio okreslonych parametrów na- pedu stalopradowego oraz uprzednio okreslonych para- metrów elementu poruszanego napedem stalopradowym wyznacza sie sredni moment obciazenia lub oporu dzialajacego na naped stalopradowy, po czym porównuje sie wyznaczony sredni mom ent obciazenia lub oporu z okreslonym uprzednio mom entem obciazenia lub oporu oraz w ykrywa sie sytuacje awaryjna, gdy wyznaczony sredni moment obciazenia lub oporu przekracza wartosc okreslonego uprzednio momentu obciazenia lub oporu, oraz zmienia sie dzialanie napedu stalopradowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej, przy czym sredni moment obciazenia lub oporu wyznacza sie z nastepujacego przybli- zonego równania FIG . 1 w którym: Mw ,ges jest srednim momentem obciazenia lub oporu, k3O jest stala silnika, IA jest stala twornika, O L ,ges jest masowym momentem bezwladnosci, i ?L jest predkoscia katowa. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania napędem stałoprądowym, zwłaszcza sterowania stałoprądowym napędem drzwi.

Wymagania bezpieczeństwa nakładane na stałoprądowe układy sterowania stosowane, na przykład, przy otwieraniu i zamykaniu drzwi, w tym drzwi garażowych, elektrycznie otwieranych dachów itp., są bardzo wysokie. Te wymagania bezpieczeństwa dotyczą, w szczególności, rozpoznawania sytuacji groźnych. Jeśli na drodze ruchu obiektu poruszanego, na przykład drzwi garażowych, znajduje się jakaś przeszkoda, to należy natychmiast wyłączyć napęd lub rozpocząć ruch w przeciwną stronę. W celu uniknięcia szkód i zranień, należy zadbać o to, by siły zewnętrzne działające na brzeg drzwi w takim przypadku nie mogły przekraczać określonych wartości granicznych. Te wartości graniczne są określone przez przepisy. Zaleca się dodatkowo, by faktycznie występujące siły były możliwie jak jak najmniejsze, co można osiągnąć stosując specjalne metody.

W znanych sposobach sterowania stałoprądowych napędów prąd silnika, pojawiający się w napędzie, jest porównywany z absolutną wielkością graniczną lub z wykrytymi wartościami odniesienia.

W znanym sposobie sterowania napędem stałoprądowym prąd silnika jest porównywany z wartością absolutną, ustaloną z góry i stałą. W momencie, gdy chwilowa wartość prądu silnika przekracza tę ustaloną wartość absolutną, napęd stałoprądowy jest wyłączany. Niekorzystną cechą tego rozwiązania jest silne ograniczenie maksymalnej mocy napędu. Inny problem związany z tym sposobem pojawia się, gdy siła wymagana do poruszania drzwi zależy istotnie od pozycji drzwi. W tym przypadku mogą istnieć położenia drzwi, przy których siła na brzegu drzwi przekraczałaby wartości dopuszczalne bez powodowania wyłączenia napędu stałoprądowego.

Inny znany sposób opisano w niemieckim opisie patentowym DE 4214998 Al, w którym porównuje się prąd silnika, pojawiający się w napędzie stałoprądowym, z prądem wyznaczonym podczas przebiegu próbnego w zależności od położenia drzwi. W tym sposobie, opartym na pomiarach (wartościach) odniesienia, niezbędna wartość prądu silnika lub prędkość docelowa jest mierzona przy różnych położeniach podczas niezakłóconego ruchu drzwi i przechowywana jako wartość odniesienia. Niedopuszczalne odchylenia w górę od tych przechowywanych wartości odniesienia spowodują wyłączenie napędu podczas kolejnych przebiegów. Ten znany sposób jest jednak niekorzystny, ponieważ w przypadkach, w których drzwi są zatrzymywane pomiędzy krańcowymi punktami przebiegu (tj. punktami, odpowiadającymi drzwiom w pełni otwartym lub zamkniętym), a następnie znów uruchamianym, występują silne prądy startowe przy wprawianiu drzwi w ruch. Dla takich wysokich wartości prądów startowych pomiędzy dwiema pozycjami krańcowymi nie istnieją odpowiednie wartości odniesienia. W celu uniknięcia wyłączania lub cofania drzwi, w takich przypadkach należy określić wyższe wartości graniczne związane z dopuszczalnym funkcjonowaniem drzwi w zależności od konkretnych sytuacji pojawiających się przy stosowaniu tego sposobu. Inną możliwością zapobiegania przekraczaniu wartości granicznych jest dezaktywacja nadzorowania podczas okresu początkowego ruchu.

Wspomniany powyżej problem, gdy drzwi są ponownie uruchamiane po zatrzymaniu w położeniu pomiędzy dwoma pozycjami krańcowymi, jest wyraźnie zilustrowany przy pomocy diagramu z fig. 5. Widać na nim przebieg niezbędnego prądu silnika na tle przebiegu położenia drzwi.

Dokładniej, niezbędny prąd silnika jest pokazany na tle zakresu od otwarcia do zamknięcia drzwi. Krzywa a) pokazuje prąd silnika podczas tak zwanego przebiegu normalnego. Dla tego przebiegu wartości odniesienia są ustalane podczas przebiegu próbnego, przy czym dodaje się do nich ustaloną z góry wartość tolerancji, przez co otrzymuje się krzywą wartości granicznych b), również pokazaną na fig. 5. Krzywa c) pokazuje problem, który pojawia się, gdy drzwi zostały zatrzymane w dowolnym położeniu pomiędzy dwoma położeniami skrajnymi, i gdy następnie trzeba je było ponownie uruchomić. W tym przypadku konieczny prąd silnika raptownie wzrasta, tak, że w sposób oczywisty mógłby, przekroczyć wartość graniczną z krzywej b). W celu uniknięcia tego problemu krzywa wartości granicznych musi być dobrana tak, że nawet jeśli drzwi są uruchamiane po uprzednim zatrzymaniu pomiędzy położeniami skrajnymi, to można w sposób pewny uniknąć wyłączania napędu stałoprądowego przez duży prąd silnika występujący podczas ponownego uruchamiania drzwi. To, z kolei, pociąga za sobą problem polegający na tym, że trzeba stosować bardzo wysokie wartości krzywej granicznej b), tak, że w przypadkach, gdy drzwi napotykają na swej drodze przeszkodę, wyłączanie lub powrotny ruch drzwi zostanie zrealizowany dopiero po względnie długim czasie. Może się zdarzyć, że w wyniku tego napęd stałoprądowy zostanie uszkodzony na skutek przyłożenia zbyt dużego obciążenia. W innym, znacznie istotniejszym przypadku, a mianowicie gdy

182 144 przeszkodą na drodze drzwi jest człowiek, opóźnienie wyłączenia, wynikające z podwyższonych wartości granicznych, może doprowadzić do poważnych obrażeń ciała ludzkiego.

Sposób według wynalazku sterowania napędem stałoprądowym, zwłaszcza sterowania napędem stałoprądowym drzwi, polega na tym, że na początku określa się wartość prądu twomika oraz prędkość kątową napędu stałoprądowego, następnie na podstawie wartości tych dwóch zmiennych stanu i na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznacza się średni moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy, po czym porównuje się wyznaczony średni moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu oraz wykrywa się sytuację awaryjną gdy wyznaczony średni moment obciążenia lub oporu przekracza wartość określonego uprzednio momentu obciążenia lub oporu, oraz zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej, przy czym moment obciążenia lub oporu wyznacza się z następującego przybliżonego równania:

n _i=1 w którym:

M_Wges jest średnim momentem obciążenia lub oporu, k₃Ś jest stałą silniką

I_A jest prądem twomika, θί. ges J^csl masowym momentem bezwładności, i jest prędkością kątową.

Sposób według wynalazku sterowania napędem stałoprądowym, zwłaszcza sterowania napędem stałoprądowym drzwi, polega również na tym, że na początku określa się wartość prądu twomika oraz prędkość kątową napędu stałoprądowego, następnie na podstawie wartości tych dwóch zmiennych stanu i na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznacza się moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy, po czym porównuje się wyznaczony moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu oraz wykrywa się sytuację awaryjną gdy wyznaczony moment obciążenia lub oporu przekracza wartość określonego uprzednio momentu obciążenia lub oporu, oraz zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej, przy czym moment obciążenia lub oporu wyznacza się z następujących równań różniczkowych:

• λ ^20 IA ~^W,ges & A.ges r ^A

U_A -R_aI_A + k₂<p(O_A + L_a w których:

I_A jest prądem twomika,

U_A jest napięciem twomika,

R_a jest oporem twomika,

182 144

L_a jest indukcyjnością twomika, ω_Α jest prędkością kątową O^es jest masowym momentem bezwładności, M _Wges jest momentem oporu, Φ jest strumieniem magnetycznym pojedynczego bieguna przez zwoje, k_3o jest stałą silnika i k^A - M] jest wewnętrznym momentem skręcającym.

Korzystnie, w obu wymienionych sposobach wyznacza się moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznaczonych i zapamiętanych podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu.

Korzystnie, w obu wymienionych sposobach zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej przez jego wyłączenie i/lub odwrócenie jego biegu.

Korzystnie, w obu wymienionych sposobach zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej polegającej na napotkaniu przez drzwi przeszkody na drodze ruchu.

Korzystnie, w obu wymienionych sposobach porównuje się wyznaczony moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu wyznaczonym i zapamiętanym podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu stałoprądowego.

W sposobie według wynalazku wyznacza się dokładnie moment obciążenia lub momentu oporu działającego na napęd, przy pomocy analitycznego modelu dynamiki układu napędu, na podstawie charakterystyk, które mogą być zmierzone w ramach układu napędu. Pozwala to na uwzględnienie i skompensowanie efektów inercji oraz tarcią na skutek czego wartość progu niezbędnego do rozpoznawania sytuacji niebezpiecznych spowodowanych przez zablokowanie drogi ruchu, jak na przykład w przypadku ruchu drzwi garażowych, może być znacznie obniżona.

Ponieważ dokładne parametry wspomnianego modelu nie są na ogół znane, w dalszym tekście podano jak parametry te mogą być wyznaczone z wystarczającą dokładnością na podstawie niewielkiej liczby przebiegów próbnych. Przetwarzanie informacji, wymagane przy realizacji sposobu, jest zazwyczaj dokonywane przy pomocy mikrosterowników wykorzystywanych w nowszych napędach do celów sterowania.

Ponieważ wspomniane mikrosterowniki mają ograniczone moce obliczeniowe, to sposób opisany w dalszym ciągu został również zoptymalizowany w sensie minimalizacji wymagań co do mocy obliczeniowych.

Sposób według wynalazku pozwala na wiarygodne wykrywanie zakłóceń już dla znacznie niższych poziomów wartości granicznych, ponieważ działa prawidłowo również w przypadkach, w których pojawiają się uprzednio opisane problemy, związane z używaniem znanych sposobów.

Inną korzyścią jest fakt, że moment obciążenia lub oporu działający na napęd może być dokładnie wyliczony przy pomocy analitycznego modelu dynamicznego na podstawie takich wielkości jak prąd silnika oraz położenie, które to wartości, charakteryzujące napęd stałoprądowy, mogąbyć ustalone. Tak więc, można wziąć pod uwagę efekty bezwładności i tarcia, i dokonać kompensacji względem nich, przez co niezbędny próg rozpoznawania sytuacji nieoczekiwanych lub niebezpiecznych, takichjak zablokowanie drogi ruchu drzwi, może zostać znacznie obniżony.

Sposób według wynalazku używa prądu silnika wyłącznie jako zmiennej pomocniczej, w powiązaniu z którą inne aspekty fizyczne, takie jak położenie drzwi oraz prędkość, jak również przyspieszenie drzwi, są brane pod uwagę w odpowiednich obliczeniach. Wynika z tego, że przy pomocy sposobu według wynalazku można także odpowiednio uwzględnić

182 144 prąd startowy występujący po zatrzymaniu drzwi w położeniu pośrednim, co oznacza podwyższoną pewność działania na podstawie niższych wartości obciążeń granicznych.

Sposób według wynalazku jest dokładniej wyjaśniony na podstawie przykładowych korzystnych wariantów wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia równoważny schemat elektryczny napędu stałoprądowego, fig. 2 - diagram pokazujący krzywą wartości prądu silnika, liczby obrotów oraz momentu obciążenia lub momentu oporu w funkcji czasu dla przypadku napędu pracującego ze stałą prędkością, fig. 3 - diagram pokazujący krzywą wartości prądu silnika, liczby obrotów oraz momentu obciążenia lub momentu oporu w funkcji czasu dla przypadku napędu pracującego ze zmienną prędkością, fig. 4 - diagram pokazujący wartości pomiarów prądu silnika, prędkości silnika oraz momentu obciążenia lub oporu przy pomiarach dokonywanych w napędzie drzwi garażowych w warunkach nagłego wzrostu obciążenia lub momentu oporu, a fig. 5 - krzywą wartości prądu silnika otrzymaną podczas normalnego przebiegu oraz wtedy, gdy drzwi są uruchamiane ponownie po ich zatrzymaniu w położeniu pośrednim zgodnie z dotychczasowymi rozwiązaniami.

Następnie opisano szczegółowo korzystną realizację sposobu i pokazano jak wyznaczany jest moment obciążenia lub oporu działający na napęd stałoprądowy. Dodatkowo, wyjaśniono jak wyznaczane są zmienne stanu i parametry napędu stałoprądowego oraz elementu napędzanego przez ten napęd, niezbędne do określenia momentu obciążenia lub oporu. W celu wyznaczenia momentu obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy niniejszy wynalazek rozpoczyna procedurę od modelu układu napędowego opisanego poniżej. Na fig. 1 przedstawiono diagram równoważnego układu elektromechanicznego odpowiadającego napędowi stałoprądowemu. Wskazano, że elementy obwodu twomika są oznaczone wskaźnikiem A, podczas gdy elementy obwodu wzbudzenia - wskaźnikiem E.

Obwód twomika ma dwa przyłącza - 1,1' - między którymi przyłożone jest napięcie pracy U_A. Przyłącze 1 jest połączone poprzez opornik R_A i cewkę L_A do silnika prądu stałego DCM. Druga końcówka wspomnianego silnika prądu stałego jest połączona z przyłączem Γ obwodu twomika. W obwodzie twomika płynie prąd o natężeniu I_A. Obwód wzbudzenia zawiera dwa przyłącza - 2, 2' - pomiędzy którymi przyłożono napięcie wzbudzenia U_A. Opornik R_e reprezentuje opór obwodu wzbudzenia, podczas gdy cewka L_E reprezentuje indukcyjność obwodu wzbudzenia. W obwodzie wzbudzenia płynie prąd I_E.

Uj (wskazane przy pomocy strzałki 3) reprezentuje zależną od prędkości siłę przeciwelektromotoryczną silnika DCM.

Silnik DCM zawiera oś wyjściową 4 połączoną z obciążeniem 5. Obciążenie jest na ogół połączone z silnikiem poprzez przekładnię. Oś wyjściowa silnika jest dalej nazywana osią napędu, podczas gdy oś wyjściowa przekładni jest nazywana osią napędzaną. ω_Α oznacza liczbę obrotów osi napędu. M*_L oznacza moment obciążenia obliczony względem osi napędu, zaś 0*_L oznacza moment bezwładności obciążenia, obliczony względem osi napędu.

Równania różniczkowe dla obwodu wzbudzenia i obwodu twomika, podane poniżej, mogą być wyprowadzone z równoważnego schematu obwodów napędu stałoprądowego, podanego na Fig. 1.

dI_P

U_B = R_EI_E * L_e (1) ^dIA rr

U_A · R_aI_a (2) ^UI = ^Β ^η_Λφ

182 144 gdzie:

n_A - liczba obrotów osi napędu 4

Φ - strumień magnetyczny pojedynczego bieguna przez zwoje z - liczba przewodników w obwodzie twomika a - liczba ścieżek uzwojenia obwodu twomika b - liczba par biegunów.

Równanie (3) może być przekształcone do postaci σ, = Λ,—Φ = ^₂ω_Λφ

Ponadto, wewnętrzny moment skręcający (moment w szczelinie powietrznej) urządzenia stałoprądowego może być wyrażony przez następującą zależność:

* k₂$X_A(5)

Różniczkowe równanie ruchu przedstawia się w uproszczonej postaci jak następuje:

+ 0^^ gdzie:

M, - wewnętrzny moment skręcający (moment w szczelinie powietrznej),

M*_Wges · moment oporu w stosunku do osi napędu, θΑ-ges ’ moment bezwładności masy całkowitej w stosunku do osi napędu.

Biorąc pod uwagę związek z równania (5) otrzymuje się następujące równanie:

,o ⁺ ®A.ges(7)

Podsumowując, otrzymuje się zatem następujący układ równań różniczkowych, opisujący dynamikę napędu stałoprądowego:

•o ^Φ^Λ ⁼ Fiw.gas ^{+ Q}A.ges ϋ_Ά - R_aI_a + k^_A + L_&-^· dlp u_E = (8) (9) (10)

182 144

Przy rozważaniu zachowania stacjonarnego, napęd stałoprądowy może być opisany przy pomocy następujących równań:

⁼ (11) ^A = ^A * ^k2^A (12) = R_bI_e (13)

W przypadku silników prądu stałego wzbudzanych osobno w sposób ciągły, jakie są używane w większości napędów, przedstawiona dalej analiza pozwala na uproszczenie uprzednio sformułowanego układu równań różniczkowych.

Dla silników prądu stałego wzbudzanych osobno w sposób ciągły, obwód wzbudzania jest połączony z osobnym, niezależnym źródłem prądu, bądź też wzbudzanie odbywa się przy pomocy magnesu stałego. Tak więc można założyć istnienie stałego strumienia magnetycznego Φ, nie podlegającego wpływom zmian momentu obciążenia ani sterowań elektrycznych. Jako opis zachowania stacjonarnego i dynamicznego stale wzbudzanego silnika stałoprądowego otrzymuje się zatem rozwiązywalny analitycznie układ równań liniowych opierający się na dwóch równaniach różniczkowych podanych poniżej:

A - Mn,₉es ^{+ e}A.g«s gt (14)

V, = ^{ł (l5)}

W powyższym układzie równań różniczkowych napięcie twomika U_A i moment oporu M*_w,_ges stanowią zmienne matematyczne o charakterze zaburzenia, podczas gdy prąd twornika I_A oraz prędkość kątowa ω_Α stanowią zmienne stanu układu. Moment oporu wynika z rozwiązania tego układu równań różniczkowych przy użyciu zmiennych U_A, I_A i ω, które mogą być zmierzone bezpośrednio w układzie silnika.

Aby rozwiązać układ równań różniczkowych określonych przez równania (14) i (15) trzeba ustalić niezbędne parametry modelu.

Pierwszym parametrem jest stała silnika k^ która jest bezpośrednią charakterystyką silnika. Parametr ten może być przeto bezpośrednio wyznaczony przy projektowaniu silnika stałoprądowego, i może być wykorzystany przy obliczeniach jako stała niezależna od obciążenia. Punktem początkowym wyznaczania stałej silnika jest równanie - podane poniżej - opisujące wewnętrzny moment skręcający maszyny stałoprądowej:

= k^I_A (16) =» uM_T = uk₃<pI_A = k₃φI_Λ (17)

182 144 w którym:

u - przełożenie przekładni.

Wyprowadzenie pochodnej cząstkowej dla prądu twomika prowadzi do zależności:

d(uM_z) A.(uM_r) (18) (19)

Wynika stąd, że stała silnika dla danej krzywej charakterystyki I_A = f(Mj) może być określona ilościowo w sposób prosty, przy użyciu otrzymanej zależności opisanej równaniem (19).

Prędkość kątowa jest określana przy pomocy cyfrowego pomiaru obrotów. W celu zmierzenia liczby obrotów można użyć, na przykład, krokowego przetwornika położenia, który dostarcza ustalonej liczby impulsów na obrót. Częstotliwość impulsów f, może zostać wyznaczona w sposób pokazany poniżej:

T_L = k -T, (20) (21)

Wystąpienie impulsu w sygnale wyjściowym krokowego przetwornika położenia powoduje przerwanie w mikrosterowaniu. Kiedy procedura jest odpowiednio zaprogramowana, tak, aby obsłużyć to przerwanie, impulsy mogąbyć sumowane w liczniku.

Zliczanie w liczniku w okresie czasu T_M prowadzi do zależności opisującej liczbę impulsów z: _r„ f- 4 ”- t( ^C* 2 z = f f,dt=k f f_Ldt = kT_HT_L (22) gdzie:

Zgodnie z równaniem (23) /_L oznacza średnią liczbę obrotów osi napędu silnika w przedziale czasu [to-T_M/2, to+T_M/2].

W odniesieniu do średniej wartości prędkości kątowej ©l otrzymuje się z równania (22) następujący wynik:

= 2ΤΤΪ7 = (24) £ kT_a

Dalszym parametrem, którego wartość musi być wyznaczona, jest masowy moment bezwładności elementu napędzanego przez napęd stałoprądowy. Wartość masowego momentu bezwładności zależy od konkretnego przypadku zastosowania i wobec tego powinna zazwyczaj być wyznaczona przy próbnych przebiegach napędu.

182 144

Dla całości masowego momentu bezwładności 0^_ges liczonego względem osi napędu 4 prawdziwa jest następująca zależność:

β, = Θ dr = 6 . + —6,

A, ges rotor L rotor .. ₂ L (25) w której ii jest wartością przełożenia przekładni, zaś wskaźnik L oznacza składnik związany z obciążeniem. Przekształcenie tej zależności tak, by otrzymać wartość dla osi napędzanej, przy użyciu znanej równości:

(26) daje w wyniku θ, = ΐί^'θ . + Θ,

L^ges rotor L (27) gdzie 0L^_es oznacza całościowy masowy moment bezwładności względem osi napędzanej. Jeśli w konsekwencji dużej wartości przełożenia moment bezwładności rotora przeniesiony na wyjście jest znacznie większy niż moment bezwładności obciążenia, to ten ostatni może być pominięty. Jeśli jednak tak nie jest, to moment bezwładności jest wyznaczany w sposób podany poniżej.

W celu ustalenia wartości parametru _ges, który, zgodnie z właśnie otrzymaną zależnością opisaną równaniem (27), jest - między innymi - zależny od masowego momentu bezwładności po stronie obciążenia, sformułowano układ równań liniowych, podany w dalszym ciągu, który wywodzi się z zależności ustalonej na podstawie równań (34) do (41).

τ _______ = ^M^_S ^{T + + T})(28) ⁿ 1'1

Gdy weźmie się pod uwagę równanie (28) dla dwóch różnych przedziałów czasowych, [t_b t] + T] i [t₂, t₂ + T], które nie będą tutaj na razie szczegółowiej rozważane, to otrzymuje się:

ⁿ 1«1(29) = x₀<X.<.^<X_nT

Χί^ΐ^ί oraz i‘i(30) t₂ = y^y^···^

182 144

Aby ten układ równań liniowych był rozwiązywalny, zakłada się ponadto, że średni moment oporu jest jednakowy w obu przedziałach czasowych. Nieznany moment oporu może być zatem wyeliminowany z układu. W zapisie macierzowym, układ równań może być sformułowany w sposób następujący:

T [o_L(t_x + T) - o_Ł(t_t)]

T [o_L(t₂ + T) - <^(t₂)] (31)

Gdy zastosuje się do rozwiązywania tego układu regułę wyznacznika Cramera, to poszukiwany masowy moment bezwładności otrzymuje się w postaci:

_Ί ^{n η}ί·ι Γ ⁺ T) Γ [o_L(t₂ * T) - O₄(t₂)l] (32)

Wyliczając w znany sposób dwa wyznaczniki występujące w równaniu (32) można otrzymać jako przybliżenie parametru 0L_ges poniższe wyrażenie:

ΛA ω_£(ζ₂ + T) - u_Ł(t₂) a_Ł(t_x * T) TT

W celu wyznaczenia wartości parametru _ges wykonuje się jeden lub kilka próbnych przebiegów napędu. Na podstawie porównania pomiędzy fazą ruchu przyśpieszonego i fazą ruchu jednostajnego otrzymuje się przy pomocy przybliżonej równości (33) moment bezwładności w zależności od zmierzonego prądu silnika i przyspieszenia wyznaczonego poprzez uwzględnienie liczby impulsów krokowego przetwornika położenia.

Przedziały czasowe [t_b t] + T] i [t₂, t₂ + T], są wyznaczane podczas przebiegów próbnych w taki sposób, by średni moment oporu był identyczny w odniesieniu do tych przedziałów.

182 144

W związku z ograniczonymi mocami obliczeniowymi stosowanych mikrosterowników iteracyjne rozwiązywanie numeryczne układu równań różniczkowych opisanego poprzednio jest w większości przypadków niemożliwe. W dalszym ciągu opisana zostanie próba rozwiązania układu równań różniczkowych, w której odpowiednie równanie różniczkowe zostanie przeformułowane do postaci równania całkowego. Punktem wyjściowym jest następujące równanie różniczkowe:

δω_Α

L —A,ges (34) w którym:

= Ml W przy oznaczeniach:

M*_l - moment obciążenia obliczony dla osi napędu poprzez przekładnię

M_ar - momenty tarcia po stronie napędowej

M*_lr - momenty tarcia po stronie obciążenia obliczone względem osi napędu.

Przekształcenie zależności różniczkowej do postaci względem osi napędzanej prowadzi do następującego równania:

k₃$i_A = ⁺ at (36) przy czym:

M^ aes = « 'Mw,™ = Mr + U + Mrg UD

Gdy to równanie różniczkowe zostanie scałkowane względem okresu czasu T, o którym na razie nic szczegółowszego się nie mówi, to otrzyma się najpierw następującą zależność:

f k₃^I_A(t)dt = / M_a^(t)dt + / θ^—^dt (38) t» te t, ^σ

Całka po lewej stronie równania (38) może być obecnie przekształcana w sposób opisany poniżej.

182 144

Można podzielić przedział czasowy [t₀, t₀ + T] na podprzedziały przez wprowadzenie punktów podziału x, o wskaźniku i = 0,1,..., n, takich, że x₀<x₁ <... <x_n= t₀ + T, zaś całka może być przybliżona zgodnie z następującą zależnością:

t„+T / Κ₃φΙ_Α(ί)άί * y with (39) t_e ^icl

W przypadku podziału okresu (U, t₀ + T] na odcinki równie prawdziwa jest oczywiście zależność:

Zakładając, że tak jest, można przepisać przybliżoną zależność (39) w uproszczonej postaci jako:

W tym miejscu odwołuje się do faktu, że wyrażenie (1/n) ΣΙ_Α(τ_;) odpowiada średniej arytmetycznej zbioru n wartości próbek prądu twomika I_A.

Ponadto, można stwierdzić, że prawa strona równania (40) zbiega dla n -> oo do wartości całki i że im wyższa wartość wybrana dla n, tym w zasadzie mniejszy błąd wynikający z przybliżenia.

Biorąc za podstawę powyższą analizę można w końcu zapisać równanie (38) w postaci uproszczonej jako:

- M„_rg0ST + * T) -o_£(t₀)] (41) gdzie:

t_e*T (42)

Zgodnie z równaniem (42) wielkość M_Wges opisuje średnią wartość momentu oporu w przedziale [t^, t₀ + T].

182 144

Przy pomocy prostego przeformułowania równania (41) średni moment oporu dla przedziału [t₀, tg + T] może być wyznaczony w przybliżeniu przy pomocy równania (43):

M--- Λ - O_r(t₀) k₃9 — Ą ^(^ϊ) -------y------- <⁴³)

W celu wyznaczenia średniego momentu oporu według zależności wyprowadzonej z równania (43) wystarczy znać zmienne stanu, prędkość kątową i prąd twomika, zmierzone przy pomocy odpowiednich procedur pomiarowych, oraz, dodatkowo, masowy moment bezwładności działający na napęd stałoprądowy, jak również stałą silnika.

Wynika stąd, że zgodnie z korzystną realizacją sposobu według wynalazku najpierw otrzymywane są wartości dwóch zmiennych stanu napędu stałoprądowego, a potem moment oporu działający na napęd stałoprądowy jest wyznaczany na podstawie otrzymanych zmiennych stanu, jak również parametrów napędu stałoprądowego oraz elementu poruszanego przez przedmiotowy napęd stałoprądowy. Preferowanymi zmiennymi stanu są: prędkość kątowa oraz prąd twomika napędu stałoprądowego, zaś wspomniane parametry to masowy moment bezwładności elementu poruszanego przez napęd stałoprądowy i stała silnika samego napędu stałoprądowego. Parametry konieczne do wyznaczenia momentu oporu są wyznaczane podczas próbnych przebiegów napędu odbywających się bez zakłóceń i są zapamiętywane. Podobnie, wyznaczony z góry moment oporu jest otrzymywany podczas takiego funkcjonowania próbnego napędu stałoprądowego bez zakłóceń i zapamiętywany.

Korzystnie sposób według wynalazku jest stosowany w napędzie stałoprądowym do poruszania drzwi. W tym przypadku sytuacja awaryjna występuje wtedy, gdy drzwi napotykają na swej drodze na przeszkodę i kiedy taka sytuacja zostanie wykryta, napęd stałoprądowy jest wyłączany i/lub zostaje odwrócony jego bieg.

Realizacja sposobu według wynalazku została szczegółowo opisana w nawiązaniu do diagramu przedstawionego na fig. 2 i fig. 4. Zgodnie ze sposobem według wynalazku wystąpienie sytuacji awaryjnej lub niebezpiecznej, na przykład utrudnienie lub zablokowanie ruchu napędowego, jest rozpoznawane na podstawie związanego z tym wzrostu wartości momentu oporu. Do tego celu moment oporu, który jest w rzeczywistości zależny od położenia, może być wyznaczony podczas niezakłóconego przebiegu ruchu i zapamiętany. Sterowanie zgodne z niniejszym wynalazkiem jest wówczas wykonywane przez porównywanie wartości momentu oporu traktowanych jako wartości odniesienia z wyznaczonymi na bieżąco wartościami chwilowymi momentu oporu.

Moment oporu wyznaczony w napędzie składa się z zasady z trzech momentów składowych:

- momentu obciążenia,

- tarcia po stronie obciążenia,

- tarcia po stronie napędu (silnika i przekładni).

Przy pomocy odowiedniej oceny, sposób według wynalazku pozwala także na kompensowanie wpływu tarcia, który mógłby przeszkadzać w śledzeniu momentu obciążenia w jego niezakłóconej postaci.

Ani tarcie stałe ani zależne od położenia (po stronie napędzanej) nie jest decydujące dla funkcjonowania sposobu, ponieważ występująca siła związana z tarciem może być wyznaczona podczas przebiegu próbnego i dodana do docelowego momentu obciążenia wartości odniesienia momentu lub uwzględniona w wielkości tego momentu.

Jeśli występujące tarcie (zarówno po stronie napędu, jak i po stronie napędzanej) jest zależne od prędkości, to przebiegi próbne mogą być wykonywane przy różnych prędkościach. Wartości wyznaczone w trakcie tych przebiegów są wprowadzane do tabeli i są następnie

182 144 odejmowane od wartości momentów obciążenia otrzymanych według chwilowych prędkości w celu wprowadzenia korekty.

W nawiązaniu do fig. 2 i fig. 3 opisana została realizacja sposobu według wynalazku. Wykresy pokazane na fig. 2 i fig. 3 zostały wyznaczone przy pomocy układu, w którym silnik stałoprądowy podnosi ciężar. Symulowano sytuację niebezpieczną, co polegało na tym, że ciężar został nagle zwiększony podczas podnoszenia. Na rysunku pokazano prąd silnika, liczbę obrotów oraz wyznaczony moment oporu - w funkcji czasu. Na fig. 2 widać skok przy t = 2,8 sek, odpowiadający wzrostowi obciążenia o 86 N. Również krzywa prądowa z fig. 2 pokazuje początkowy wzrost prądu, który jest niemal całkowicie zrekompensowany w wyliczeniu momentu obciążenia. Krzywe z fig. 2 zostały wyznaczone dla przypadku napędu działającego ze stałą prędkością.

Na figurze 3, krzywe prądu silnika, momentu obciążenia i prędkości obrotów są pokazane w funkcji czasu. W tym przypadku napęd stałoprądowy nie fiinkcjonował ze stałą prędkością. Jak można łatwo zobaczyć na fig. 3, kompensacja początkowego prądu działa również dla zmiennych prędkości. W momencie t = 3,5 sek, obciążenie zostało zwiększone o 40 N. Zmiana wartości momentu obciążenia jest wyraźnie widoczna, zważywszy, że prąd silnika jest także poddany silnym zmianom związanym z przyspieszeniami i opóźnieniami.

Na figurze 4 zmienne pokazane w funkcji czasu to prąd silnika, liczba obrotów oraz moment obciążenia, których to zmiennych wartości zostały określone podczas funkcjonowania napędu drzwi garażowych z nagłym wzrostem momentu obciążenia. W momentach t = 3,3 sek i t = 8,5 sek brzeg drzwi został w obu przypadkach poddany działaniu dodatkowej siły o wartości 50 N. Te dodatkowe siły są wyraźnie widoczne na krzywej obliczonego momentu obciążenia M_L(t). Jak można łatwo zauważyć na fig. 4, krzywa momentu obciążenia wykazuje wyraźne skoki we wskazanych momentach, także z fig. 4 wynika jasno, że obliczanie momentu obciążenia pozwala na znacznie bardziej dokładne określanie zmian obciążenia niż to byłoby możliwe przy pomocy, na przykład, śledzenia wartości prądu, co nietrudno zauważyć obserwując krzywą prądu silnika I_A(t).

Sposób według wynalazku jest odpowiedni dla wszystkich typów napędów stałoprądowy ch, w których niezbędne jest wykrywanie wzrostów obciążenia w celu uniknięcia sytuacji awaryjnych.

182 144

Mw (Nm

Ia (A' C«)L(sec.

	ł·-'·	“**·<}—-i—4—1	1	ΪΑ U) Ml ii) Mw (i)	..Q·.
l 4 / / 1 1			/	ο*ο$£δί':
i i t t t			0
> ?·* । - ο- ι; E F	ο-°·’α--ο^₀.	,α.-α—o-q..^
< 1 $
i 1 1 1 I

i (sec.)

182 144

A

Ml (Mm) Ia (A 00 (sec. -¹)

i (sec.)

182 144

-----------------1-------------OTWARTE

ZAMKNIĘTE POŁOŻENIE

FIG. 5

182 144

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób sterowania napędem stałoprądowym, zwłaszcza sterowania napędem stałoprądowym drzwi, znamienny tym, że na początku określa się wartość prądu twomika oraz prędkość kątową napędu stałoprądowego, następnie na podstawie wartości tych dwóch zmiennych stanu i na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznacza się średni moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy, po czym porównuje się wyznaczony średni moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu oraz wykrywa się sytuację awaryjną gdy wyznaczony średni moment obciążenia lub oporu przekracza wartość określonego uprzednio momentu obciążenia lub oporu, oraz zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej, przy czym średni moment obciążenia lub oporu wyznacza się z następującego przybliżonego równania ^MW.geS =^Φ'-Σ^ΙΑ Vi L,ges--~------« i=l ¹ w którym:

M_Wges jest średnim momentem obciążenia lub oporu, k₃0 jest stałą silniką

I_A j est stałą twomiką

0l ges jest masowym momentem bezwładności, i j est prędkością kątową.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznacza się średni moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznaczonych i zapamiętanych podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu stałoprądowego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej przez jego wyłączenie i/lub odwrócenie jego biegu.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej polegającej na napotkaniu przez drzwi przeszkody na drodze ruchu.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że porównuje się wyznaczony średni moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu wyznaczonym i zapamiętanym podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu stałoprądowego.
6. Sposób sterowania napędem stałoprądowym, zwłaszcza sterowania napędem stałoprądowym drzwi, znamienny tym, że na początku określa się wartość prądu twomika oraz prędkość kątową napędu stałoprądowego, następnie na podstawie wartości tych dwóch zmiennych stanu i na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznacza się moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy, po czym porównuje się wyznaczony moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem

182 144 obciążenia lub oporu oraz wykrywa się sytuację awaryjną, gdy wyznaczony moment obciążenia lub oporu przekracza wartość określonego uprzednio momentu obciążenia lub oporu, oraz zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej, przy czym moment obciążenia lub oporu wyznacza się przez rozwiązanie następujących równań różniczkowych:

, λ ~ M_{W ges} + 0_Ages &

U a ⁼RaI a ⁺ ^2Φ^ωΑ ⁺ ^a &

w których:

I_A jest prądem twomika,

U_A jest napięciem twomika,

R_a jest oporem twomika,

L _A j est indukcyj nością twomika, ω_Α j est prędkością kątową,

0_A^_es J^est masowym momentem bezwładności, M _Wges jest momentem oporu, Φ jest strumieniem magnetycznym pojedynczego bieguna przez zwoje, k^ jest stałą silnika, i k^A ⁼ Mi jest wewnętrznym momentem skręcającym.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że wyznacza się moment obciążenia lub oporu działającego na napęd stałoprądowy na podstawie uprzednio określonych parametrów napędu stałoprądowego oraz uprzednio określonych parametrów elementu poruszanego napędem stałoprądowym wyznaczonych i zapamiętanych podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu stałoprądowego.
8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej przez jego wyłączenie i/lub odwrócenie jego biegu.
9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że zmienia się działanie napędu stałoprądowego w przypadku wykrycia sytuacji awaryjnej polegającej na napotkaniu przez drzwi przeszkody na drodze ruchu.
10. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że porównuje się wyznaczony moment obciążenia lub oporu z określonym uprzednio momentem obciążenia lub oporu wyznaczonym i zapamiętanym podczas niezakłóconych przebiegów próbnych napędu stałoprądowego.

* * *