RU94728U1

RU94728U1 - ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE CONTROL DEVICE WITH DETECTING FAULT SOURCES

Info

Publication number: RU94728U1
Application number: RU2010101587/22U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Николаевич Дианов; Иван Михайлович Белоусов; Александра Андреевна Никольская; Владимир Юрьевич Сорокин
Original assignee: Вячеслав Николаевич Дианов; Иван Михайлович Белоусов; Александра Андреевна Никольская; Владимир Юрьевич Сорокин
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-05-27

Abstract

1. Устройство управления асинхронным электроприводом с обнаружением источников сбоев, содержащее микроконтроллер, связанный с пользовательским интерфейсом и подключенный к асинхронному электроприводу через управляемый преобразователь, причем микроконтроллер соединен с датчиком температур непосредственно, а с датчиками вибрации (шума), скорости (тахогенератором) и электромагнитным датчиком Холла через последовательно включенные коммутатор, управляемый от микроконтроллера, и аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в качестве источников сбоев обнаруживаются и регистрируются датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, асинхронный электропривод, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитные воздействия (помехи). ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в указанные блоки включаются бесконтактные и контактные датчики сбоев, а также добавляются алгоритмы обработки сигналов с указанных датчиков. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве информативных признаков при обнаружении источников сбоев используются повышенное электромагнитное излучение, эффект дифференцирования и интегрирования сигналов. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц и установлены на линиях связи с соединителями или в непосредственной близости (1-2 см) от элемента (линии связи) или узла (соединителя) электрической цепи. ! 5. Устройство по п.1, отл 1. A control device for an asynchronous electric drive with the detection of sources of failures, containing a microcontroller connected to the user interface and connected to the asynchronous electric drive through a controlled converter, and the microcontroller is connected to a temperature sensor directly, and to vibration (noise), speed (tachogenerator) sensors and an electromagnetic sensor Hall through a series-connected switch controlled by a microcontroller and an analog-to-digital converter, characterized in that temperature and vibration (noise) sensors, an electromagnetic Hall sensor, a tachogenerator, a switch, an analog-to-digital converter, a microcontroller are detected and recorded as sources of failures. asynchronous electric drive, user interface, as well as external and internal electromagnetic influences (interference). ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the said blocks include contactless and contact fault sensors, and also add algorithms for processing signals from said sensors. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that increased electromagnetic radiation, the effect of differentiation and integration of signals are used as informative signs when detecting sources of failures. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the contact and non-contact fault sensors are designed to operate in the frequency range from fractions of hertz to gigahertz units and are installed on communication lines with connectors or in the immediate vicinity (1-2 cm) of the element ( communication lines) or a node (connector) of an electrical circuit. ! 5. The device according to claim 1, ex

Description

Полезная модель относится к устройствам управления электроприводами и может быть использована при производстве и эксплуатации асинхронных электроприводов с микроконтроллерным управлением. С помощью контактных и бесконтактных датчиков сбоев, выполненных с возможностью работы в широком диапазоне частот (от долей герца до единиц гигагерц) и установленных на линиях связи или в непосредственной близости (до 1-2 см) от них в качестве источников сбоев (скрытых дефектов) обнаруживаются и регистрируется: датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, асинхронный электропривод, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитное воздействие (помеха).The utility model relates to control devices for electric drives and can be used in the production and operation of asynchronous electric drives with microcontroller control. Using contact and non-contact fault sensors, configured to operate in a wide range of frequencies (from fractions of a hertz to gigahertz units) and installed on communication lines or in close proximity (up to 1-2 cm) from them as sources of faults (hidden defects) detected and recorded: temperature and vibration (noise) sensors, electromagnetic Hall sensor, tachogenerator, analog-to-digital converter, microcontroller, asynchronous electric drive, user interface, as well as external and internal electromagnets nitrous effect (interference).

Эффект достигается вследствие включения в указанные элементы контактных и бесконтактных датчиков сбоев, а также добавлением алгоритмов обработки электрических сигналов с указанных блоков. При этом в качестве информативных параметров датчиков сбоев используется повышенное электромагнитное излучение, а также появление эффекта дифференцирования и (или) интегрирования электрических сигналов.The effect is achieved due to the inclusion of contact and non-contact fault sensors in these elements, as well as the addition of algorithms for processing electrical signals from these blocks. In this case, as the informative parameters of the fault sensors, increased electromagnetic radiation is used, as well as the appearance of the effect of differentiation and (or) integration of electrical signals.

Известно устройство для сигнализации неисправности контролируемого объекта, содержащее в каждом канале контроля объекта модуль автоматического контроля исправности датчика (Патент РФ №2278414. МПК G08B 23/00 от 20.06.2006). Недостатком устройства является его сложность и ограниченная функциональная возможность по рабочему диапазону сигналов, не позволяющая, в частности, вести высокочастотную (единицы гигагерц) бесконтактную регистрацию сигналов неисправности.A device for signaling a malfunction of a monitored object is known, which contains a module for automatically monitoring the health of the sensor in each object control channel (RF Patent No. 2278414. IPC G08B 23/00 of 06/20/2006). The disadvantage of this device is its complexity and limited functionality for the working range of signals, which does not allow, in particular, to conduct high-frequency (gigahertz units) contactless registration of fault signals.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство управления асинхронным электроприводом, содержащее микроконтроллер, связанный с пользовательским интерфейсом и подключенный к асинхронному электроприводу через управляемый преобразователь, причем микроконтроллер соединен с датчиком температуры непосредственно, и с датчиками вибрации (шума), скорости (тахогенератором) и электромагнитным датчиком Холла через последовательно включенные коммутатор, управляемый от микроконтроллера, и аналого-цифровой преобразователь (Терехов М.В., Осипов О.И. Управление электроприводами. М., изд-во «Академия», 2005).The closest technical solution to the proposed device is an asynchronous electric drive control device containing a microcontroller connected to the user interface and connected to the asynchronous electric drive via a controlled converter, the microcontroller being connected directly to the temperature sensor and to vibration (noise) sensors, speed sensors (tachogenerator) and electromagnetic Hall sensor through a series-connected switch, controlled by a microcontroller, and analog-to-digital oh converter (Terekhov MV, Osipov OI Management of electric drives. M., publishing house "Academy", 2005).

Задача, решаемая полезной моделью - расширение функциональных возможностей по обнаружению сбоев, являющихся, в частности, следствием скрытых дефектов в элементах и узлах за счет введения бесконтактных и контактных датчиков сбоев с соответствующей обработкой информации (сигналов).The problem solved by the utility model is to expand the functionality for detecting failures, which are, in particular, a consequence of latent defects in elements and nodes due to the introduction of contactless and contact fault sensors with appropriate processing of information (signals).

Поставленная задача решается тем, что в качестве источников сбоев обнаруживаются и регистрируются датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитные воздействия (помехи).The problem is solved in that as sources of malfunctions, temperature and vibration (noise) sensors, an electromagnetic Hall sensor, a tachogenerator, a switch, an analog-to-digital converter, a microcontroller, a user interface, as well as external and internal electromagnetic influences (interference) are detected and recorded.

Поставленная задача решается также тем, что в указанные блоки включаются бесконтактные и контактные датчики сбоев, а также добавляются алгоритмы обработки сигналов с указанных датчиков.The problem is also solved by the fact that the contact blocks and contact fault sensors are included in these blocks, and signal processing algorithms from these sensors are added.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве информативных признаков при обнаружении источников сбоев используются повышенное электромагнитное излучение, эффект дифференцирования и интегрирования сигналов.The problem is also solved by the fact that as informative signs when detecting sources of failure, increased electromagnetic radiation, the effect of differentiation and integration of signals are used.

Поставленная задача решается также тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц и установлены на линиях связи с соединителями или в непосредственной близости (1-2 см) от элемента (линия связи) или узла (соединителя) электрической цепи.The problem is also solved by the fact that contact and non-contact failure sensors are capable of operating in the frequency range from fractions of a hertz to units of gigahertz and are installed on communication lines with connectors or in close proximity (1-2 cm) from an element (communication line) or node (connector) electrical circuit.

Поставленная задача решается также там, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах и микроемкостях (сотые доли пикофарада).The problem is also solved there that contact fault sensors are implemented on CMOS inverters and micro capacities (hundredths of picofarad).

Поставленная задача решается также тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L, C - элементах) микрорезонансных контурах.The problem is also solved by the fact that non-contact failure sensors are implemented on passive (L, C - elements) microresonant circuits.

Поставленная задача решается также тем, что при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоев в качестве источника сбоя определяется узел или элемент с более ранним по времени срабатыванием датчика.The problem is also solved by the fact that when two or more contact fault sensors are triggered, a node or element with an earlier-in-time sensor response is determined as a source of failure.

Поставленная задача решается также тем, что при срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоев, расположенных вблизи различных линий связи, в качестве источника сбоя определяется внешнее электромагнитное воздействие (помеха).The problem is also solved by the fact that when two or more contactless fault sensors located near various communication lines are triggered, an external electromagnetic effect (interference) is determined as a source of failure.

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты как причины сбоев элементов и узлов на начальной стадии своего развития регистрируются контактными датчиками КМОП-стуктуры по дифференциальному информативному признаку.The problem is also solved by the fact that latent defects as the causes of failures of elements and nodes at the initial stage of their development are detected by contact sensors of the CMOS structure according to a differential informative attribute.

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты элементов и узлов на конечной стадии своего развития (перед отказом, например, обрывом линии связи) регистрируются контактными датчиками (например, микроемкостями) по интегральному информативному признаку.The problem is also solved by the fact that latent defects of elements and assemblies at the final stage of their development (before failure, for example, a break in the communication line) are detected by contact sensors (for example, micro capacities) by an integral informative feature.

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты асинхронного электропривода (например, короткозамкнутые витки в обмотках), приводящие к его сбоям (например, изменение скорости вращения), регистрируют при воздействии на электропривод кодоимпульсных сигналов с различными постоянными времени электропривода в импульсах и паузах.The problem is also solved by the fact that latent defects of an asynchronous electric drive (for example, short-circuited turns in the windings) leading to its malfunctions (for example, a change in the rotation speed) are recorded when a code-pulse signal is applied to the electric drive with various electric drive time constants in pulses and pauses.

Решение поставленной задачи определения скрытых дефектов, а в дальнейшем источников сбоев, в линиях связи и соединителях по информативным параметрам дифференцируемости электрических сигналов и повышенного электромагнитного излучения основано на представлении скрытых дефектов упомянутых элементов аппаратуры в виде микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов и образования вследствие этого микрорезонансных контуров.The solution of the problem of identifying latent defects, and later sources of failures, in communication lines and connectors according to informative parameters of differentiability of electrical signals and increased electromagnetic radiation is based on the presentation of latent defects of the mentioned equipment elements in the form of micro-gaps, microroughnesses, microcracks, partial microcracks and formation as a result microresonant circuits.

Решение поставленной задачи определения скрытых дефектов в линиях связи и соединителях по информативному параметру интегрируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов названных элементов аппаратуры в виде повышенного (в десятки и сотни раз) омического сопротивления, составляющего совместно с последующей включенной микроемкостью (например, сотые доли пикофарада) интегрирующее звено.The solution of the problem of determining latent defects in communication lines and connectors by the informative parameter of integrability of electrical signals is based on the representation of latent defects of the above-mentioned equipment elements in the form of increased (tens and hundreds of times) ohmic resistance, which, together with the subsequent included micro-capacitance (for example, hundredths of picofarad ) integrating link.

На фиг.1 представлена схема устройства для управления асинхронным электроприводом с дополнительно введенными датчиками сбоев.Figure 1 presents a diagram of a device for controlling an asynchronous electric drive with additionally entered fault sensors.

Схема содержит асинхронный электропривод 1 с управляемым преобразователем 2, микроконтроллер 3 с подключенными к нему записывающим устройством (ЗУ) 4 и пользовательским интерфейсом 5, датчики вибраций 6, скорости (тахогенератор) 7, электромагнитный датчик Холла 8, связанные через коммутатор 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 с микроконтроллером 3, а также датчик температуры 11, подключенный напрямую к микроконтроллеру 3. Схема также содержит контактные датчики сбоев (КДС) 12-15. Количество КДС на одной линии связи зависит от размера дискретизации конкретной линии связи, на которой желательна фиксация скрытого дефекта.The circuit contains an asynchronous electric drive 1 with a controlled converter 2, a microcontroller 3 with a recording device (memory) 4 and a user interface 5 connected to it, vibration sensors 6, speed sensors (tachogenerator) 7, an electromagnetic Hall sensor 8 connected via a switch 9 and analog-digital a converter 10 with a microcontroller 3, as well as a temperature sensor 11 connected directly to the microcontroller 3. The circuit also contains contact failure sensors (KDS) 12-15. The number of CDS on one communication line depends on the discretization size of a particular communication line on which fixing a latent defect is desired.

На схеме (фиг.1) показаны и бесконтактные датчики сбоев (БДС) 16-18, установленные в непосредственной близости от диагностируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается исходя из их чувствительности, протяженности линий связи и, в общем случае, может быть большим.The diagram (Fig. 1) shows non-contact failure sensors (BDS) 16-18 installed in the immediate vicinity of the diagnosed elements or nodes. The number of BDS is selected based on their sensitivity, the length of communication lines and, in the general case, can be large.

КДС 12-15 устанавливаются (например, с помощью клипс) в начале линии связи (12, 14) либо в ее конце (13, 15). КДС, также как и БДС, могут иметь любо автономную индикацию (на фиг.1 не показано), либо индикацию в системе автоматического контроля (например, иметь выход на микроконтроллер 3 - КДС 13, БДС 17).KDS 12-15 are installed (for example, using clips) at the beginning of a communication line (12, 14) or at its end (13, 15). KDS, as well as BDS, can have any autonomous indication (not shown in Fig. 1), or an indication in the automatic control system (for example, have an output to microcontroller 3 - KDS 13, BDS 17).

Реализация контактных датчиков сбоев (12-15) достаточно проста и заключается, например, в подключении к соответствующим точкам интегральных микросхем структуры КМОП (комплиментарной металл-окисел полупроводниковой), имеющей большое (от 10⁷ Ом и выше) входное сопротивление, а при наличии микрозазоров, микротрещин, шероховатостей, неровностей и т.п. в диагностируемых элементах емкостную составляющим и, следовательно, создающих условия дифференцируемости проходящих сигналов, что и может быть зафиксировано как автономными, так и централизованными средствами.The implementation of contact fault sensors (12-15) is quite simple and consists, for example, of connecting a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) structure to the corresponding points of integrated circuits, which has a large input impedance (from 10 ⁷ Ohms and above), and in the presence of microgaps , microcracks, roughnesses, bumps, etc. in diagnosed elements, capacitive components and, therefore, creating conditions for the differentiability of transmitted signals, which can be fixed both by autonomous and centralized means.

Вместо контактных датчиков сбоев (или дополнительно к ним) в аппаратуру могут вводиться и бесконтактные датчики сбоев (16-18). Принцип действия БДС основан на регистрации дополнительного (сверх допустимого) электромагнитного излучения источника сбоев (скрытых дефектов) за счет образованию микрорезонансных контуров на линиях связи или соединителях. Реализация достаточно проста и, в частном случае, может быть построена на пассивных L, С - элементах, установленных на расстоянии 1-2 см от предполагаемого источника сбоев (скрытых дефектов). Число БДС на одной линии связи может быть любым и зависит от необходимости обнаруживать скрытый дефект, как во всем элементе (линии связи), так и в его фрагменте (отдельном отрезке линии связи). На фиг.1 для упрощения показаны только под одному БДС на некоторых линиях (в данном случае число таких линий равно 3). Естественно БДС могут (при необходимости) устанавливаться и в непосредственной близости и от соединителей (на фиг.1 не показаны). Также, как и КДС, БДС могут иметь автономную или централизованную систему индикации и регистрации.Instead of contact fault sensors (or in addition to them), non-contact fault sensors (16-18) can also be introduced into the equipment. The principle of operation of the BDS is based on the registration of additional (in excess of the permissible) electromagnetic radiation of the source of failures (hidden defects) due to the formation of microresonant circuits on communication lines or connectors. The implementation is quite simple and, in the particular case, can be built on passive L, C elements installed 1-2 cm from the supposed source of failures (hidden defects). The number of OBDs on one communication line can be any and depends on the need to detect a hidden defect, both in the entire element (communication line) and in its fragment (a separate segment of the communication line). In Fig. 1, for simplicity, only one BDS is shown on some lines (in this case, the number of such lines is 3). Naturally, BDS can (if necessary) be installed both in the immediate vicinity and from the connectors (not shown in FIG. 1). As well as KDS, BDS can have an autonomous or centralized system of indication and registration.

Одновременное срабатывание БДС на различных линиях связи (каналах) свидетельствует о наличии внешней электромагнитной помехи. Одновременное срабатывание КДС и БДС говорит а внутренней электромагнитной помехе. Идеология включения БДС, а также алгоритм их функционирования в аппаратуре аналогичен КДС. Основное отличие в величине фиксируемого сигнала в зависимости от расстояния до источника скрытых дефектов.The simultaneous operation of the BDS on various communication lines (channels) indicates the presence of external electromagnetic interference. The simultaneous operation of the CDS and BDS speaks of internal electromagnetic interference. The ideology of turning on the BDS, as well as the algorithm for their functioning in the equipment is similar to the BDS. The main difference in the magnitude of the recorded signal depending on the distance to the source of hidden defects.

В случае, если управляемый преобразователь 2 осуществляет кодоимпульсное управление асинхронным двигателем (т.е. код управления микропроцессора, входящего в микроконтроллер 3, преобразуется в синусоидальный код питающего напряжения миную цифро-аналоговый преобразователь), также возможно фиксировать скрытые дефекты (сбои) как самого процессора, так и асинхронного двигателя. Теоретически такая возможность была показана ранее (см. журнал Российского общества по неразрушающему контролю и технической диагностике «Контроль. Диагностика», 2006, изд-во «Машиностроение» №4 (94) апрель 2006, статья Плюшкин К.В., Саркисов А.А., Власов Д.В., Дианов В.Н. Интеллектуальная диагностика сбоев исполнительных механизмов и датчиков с применением кода Вьюшкова-Дианова, стр.19-23).In the event that the controlled converter 2 carries out pulse-code control of an asynchronous motor (i.e., the control code of the microprocessor included in the microcontroller 3 is converted into a sinusoidal code of the supply voltage by the digital-to-analog converter), it is also possible to fix hidden defects (failures) as the processor itself and asynchronous motor. Theoretically, such an opportunity was shown earlier (see the journal of the Russian Society for Non-Destructive Testing and Technical Diagnostics "Control. Diagnostics", 2006, publishing house "Mechanical Engineering" No. 4 (94) April 2006, article Plyushkin K.V., Sarkisov A. A., Vlasov D.V., Dianov V.N. Intelligent diagnostics of failures of actuators and sensors using the Vyushkov-Dianov code, pp. 19-23).

Claims

1. A control device for an asynchronous electric drive with detection of sources of failure, comprising a microcontroller connected to the user interface and connected to the asynchronous electric drive through a controlled converter, the microcontroller being connected directly to the temperature sensor, and to vibration (noise) sensors, speed sensors (tachogenerator) and an electromagnetic sensor Hall through a series-connected switch controlled from a microcontroller and an analog-to-digital converter, characterized in that in as sources of malfunctions, temperature and vibration (noise) sensors, an electromagnetic Hall sensor, a tachogenerator, a switch, an analog-to-digital converter, a microcontroller, an asynchronous electric drive, a user interface, as well as external and internal electromagnetic influences (interference) are detected and recorded.

2. The device according to claim 1, characterized in that the contact blocks and contact fault sensors are included in said blocks, and signal processing algorithms from said sensors are added.

3. The device according to claim 1, characterized in that as informative signs when detecting sources of failure, increased electromagnetic radiation, the effect of differentiation and integration of signals are used.

4. The device according to claim 1, characterized in that the contact and non-contact failure sensors are configured to operate in the frequency range from fractions of a hertz to units of gigahertz and are installed on communication lines with connectors or in the immediate vicinity (1-2 cm) from the element ( communication line) or node (connector) of the electrical circuit.

5. The device according to claim 1, characterized in that the contact sensors are implemented on CMOS inverters and micro capacities (hundredths of picofarads).

6. The device according to claim 1, characterized in that the contactless fault sensors are implemented on passive (L, C-elements) microresonant circuits.

7. The device according to claim 1, characterized in that when two or more contact fault sensors are triggered, a node or element with an earlier-in-time sensor response is determined as a source of failure.

8. The device according to claim 1, characterized in that when two or more contactless fault sensors located near various communication lines are triggered, an external electromagnetic effect (interference) is determined as a source of failure.

9. The device according to claim 1, characterized in that latent defects as the causes of failures of elements and nodes at the initial stage of their development are recorded by contact sensors of the CMOS structure according to a differential informative attribute.

10. The device according to claim 1, characterized in that the latent defects of elements and assemblies at the final stage of their development (before failure, for example, a break in the communication line) are detected by contact sensors (for example, micro capacities) by an integral informative feature.

11. The device according to claim 1, characterized in that the latent defects of the asynchronous electric drive (for example, short-circuited turns in the windings) leading to its malfunctions (for example, a change in the rotation speed) are recorded when the drive is subjected to code-pulse signals with different electric drive time constants in pulses and pauses .