Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів
Зміна температурного поля впливає на робочі характеристики мехатронічних систем. Системи електричного приводу є найбільш важливими джерелами теплової емісії всередині пристрою. Робота присвячена проблемам моделювання й ідентифікації змін температурного поля в електродвигуні. Розглянуто метод ідентиф...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України
2007
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21114 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів / Б. Благітко, І. Заячук, І. Ярмоловський // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2007. — Вип. 6. — С. 109-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859481732858773504 |
|---|---|
| author | Благітко, Б. Заячук, І. Ярмоловський, І. |
| author_facet | Благітко, Б. Заячук, І. Ярмоловський, І. |
| citation_txt | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів / Б. Благітко, І. Заячук, І. Ярмоловський // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2007. — Вип. 6. — С. 109-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології |
| description | Зміна температурного поля впливає на робочі характеристики мехатронічних систем. Системи електричного приводу є найбільш важливими джерелами теплової емісії всередині пристрою. Робота присвячена проблемам моделювання й ідентифікації змін температурного поля в електродвигуні. Розглянуто метод ідентифікації, який базується на спільному використанні вейвлет-перетворення та нечіткої логіки. Проаналізовано основні принципи розроблених вимірювальних систем для проведення температурних вимірювань параметрів електродвигунів.
Thermal phenomena occurring in mechatronic devices may effect on device performance characteristics in various ways. Electrical drive systems are among the most significant sources of heat emission inside of the device. The paper concerns the problems of modelling and identification of thermal changes of drive systems. The identification method based on wavelet transform and fuzzy logic has been applied. The designed measuring systems for implementation of temperature measuring of parameters of electromotor are discussed.
Изменение температурного поля влияет на рабочие характеристики электромеханических систем. Системы электрических приводов относятся к одним из наиболее важных источников тепловой эмиссии внутри приборов. Работа посвящена проблемам моделирования и идентификации влияния изменений температурного поля на параметры электромотора. Рассмотрен метод идентификации, базирующийся на совместном применении вейвлет-преобразования и нечеткой логики. Проанализированы основные принципы разработанных измерительных систем для выполнения температурных измерений параметров электромоторов.
|
| first_indexed | 2025-11-24T15:09:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
109
Температурна діагностика привідних
систем за наявності шумів
Богдан Благітко1, Ігор Заячук2, Ігор Ярмоловський3
1 к. т. н., доцент, Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. ген. Тарнавського, 107, Львів,
e-mail: blagitko@electronics.wups.lviv.ua
2 к. т. н., с. н. с., Центр математичного моделювання IППММ ім. Я. С. Пiдстригача НАН України, вул. Дж. Ду-
даєва, 15, Львів, 79005, e-mail: igorzaj@litech.lviv.ua
3 Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. ген. Тарнавського, 107, Львів
Зміна температурного поля впливає на робочі характеристики мехатронічних систем.
Системи електричного приводу є найбільш важливими джерелами теплової емісії всере-
дині пристрою. Робота присвячена проблемам моделювання й ідентифікації змін темпера-
турного поля в електродвигуні. Розглянуто метод ідентифікації, який базується на спільно-
му використанні вейвлет-перетворення та нечіткої логіки. Проаналізовано основні принципи
розроблених вимірювальних систем для проведення температурних вимірювань параметрів
електродвигунів.
Ключові слова: мехатронічний пристрій, електричний привід, двигун по-
стійного струму, вейвлет-перетворення, нечітка логіка.
Вступ. Мехатронічні пристрої, у яких механічні функції реалізовуються як результат
збудження з керуючого модуля, можуть впливати на параметри фізичних явищ.
Багато з цих явищ залежать від температури підсистем пристрою. Ця температура ви-
значається навколишніми умовами та термічними ефектами всередині пристрою [1].
Підвищення температури підсистем, яке спричинене випромінюванням теп-
лоти, може мати як позитивний, так і негативний вплив на властивості пристрою.
Позитивним ефектом є покращення змащувальних властивостей, зріст еластичності
пластикових і гумових елементів, утворення ізоляційного шару, прискорення хі-
мічних реакцій у пристрої, який працює за низьких температур. До негативних
ефектів належать посилене старіння матеріалів, погіршення робочих характерис-
тик пристрою, незворотні магнітні втрати в постійних магнітах.
У системах електричного приводу зміна температури інтенсивно впливає
на електричні та фізичні явища в них. Якщо в пристрої відбувається перетворення
енергії, то випромінюється теплова енергія. У модулях живлення випромінювання
теплоти призводить до електричних втрат. Зменшити вплив теплової енергії на чут-
ливі до температурних змін елементи можна шляхом їх віддалення від модулів
пристрою, які випромінюють тепло. Також негативним є вплив теплової емісії на
роботу двигуна. Ця емісія зумовлена взаємним розміщенням його елементів. Для
прикладу, висока температура вала двигуна спричиняє деформацію пластикових шес-
терень, які передають його обертання навантажувальному пристрою.
УДК 612.372.061
Богдан Благітко, Ігор Заячук, Ігор Ярмоловський
Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів
110
1. Розробка математичної моделі
У процесі побудови температурної моделі пристрою використовують результати
аналізу впливу температури на характеристики пристрою, а також дані про шля-
хи теплових потоків. Базова математична модель двигуна постійного струму опи-
сується системою диференціальних рівнянь [2]
ω++= Et K
dt
diLiRu , (1)
( ) sign( )ω
= + + ω+ ω +T s h D F h
dK i J J K M M
dt
, (2)
де i — струм у роторі, Jh та Js — моменти інерції привідних елементів і ротора
відповідно, KD — константа в’язкого затухання, KE — константа напруги, KT —
обертова константа, L — індуктивність ротора, MF — статичний коефіцієнт тертя
обертового моменту, Mh — початковий обертовий момент, Rt — опір ротора, u —
контрольна напруга, ω — кутова швидкість обертання ротора.
Підвищення температури елементів двигуна, яке спричинене його роботою,
зумовлює зміну характеристик двигуна. Особливо зростає опір ротора
( )[ ]00 1 TTRR rt −α+= , (3)
де R0 — опір ротора при температурі T0, α — температурний коефіцієнт магнет-
ної індукції, T0 — задана температура, Tr — миттєва температура ротора. Резуль-
тат цієї зміни проявляється у збільшенні електромеханічних часових констант
двигуна. Зростання температури, спричинене магнетною індукцією, зумовлює
зменшення індукції в повітряному проміжку й обертового моменту. В результаті
зменшуються напругові константи, а саме
( )[ ]00 1 TTKK sEE −β−= , (4)
( )[ ]00 1 TTKK sTT −β−= , (5)
де KE0 — константа напруги при температурі T0, KT0 — обертова константа при
температурі T0, Ts — миттєва температура статора, β — термічний коефіцієнт
магнетної індукції. Співвідношення (3)-(5) можуть використовуватися лише тоді,
коли відомі збільшення температури ротора та температури, спричиненої магнет-
ною індукцією.
При розробці температурної моделі необхідно розрізняти щонайменше два
термічних тіла, температура яких впливає на параметри двигуна. Ця модель
включає рівняння термічного балансу ротора та статора [3].
Джерелами теплоти є електричні втрати в обмотках і струмові вихори. По-
дамо втрати в обмотках ротора у вигляді
tr RiP 2= . (6)
Для визначення термічної потужності всередині статора маємо
( )srrsrs TTRP −= /1 , (7)
де Rrs — термічний опір між ротором і статором.
ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2007, вип. 6, 109-115
111
2. Моніторинг залежних від температури параметрів
Застосування моделі в інженерних і дослідницьких роботах вимагає знання як
електромеханічних, так і термальних параметрів двигуна. Під час розрахунку тер-
мічної ємності й опору незнання конструктивних особливостей приводить до ва-
гомих помилок. Зокрема, для розрахунку термічного опору необхідно враховувати
механізми проходження теплового потоку через внутрішні складові мехатронічної
системи. Для проведення моніторингу температурних параметрів двигуна ско-
ристаємося температурним методом і методом, основою якого є вейвлет-перетво-
рення та нечітка логіка.
У температурному методі максимум різниці між температурами у вибраних
точках статора приймаємо за критерій виявлення підвищення його температури.
Обчислити величини опору можна, якщо відомі температура аналізованого
тіла, температура оточуючого середовища, а також тепловий потік між тілом і зов-
нішнім середовищем у рівноважному стані. Теоретично можна реалізувати два
підходи. Згідно з першим, приймають, що різниця температури двох тіл є постій-
ною упродовж вимірювання теплового потоку. Другий підхід полягає у забезпе-
ченні теплового потоку визначеної величини та вимірюванні температури між
тілом і оточуючим середовищем. Суттєвою проблемою є вимірювання теплового
потоку між об’єктами, тому другий метод є прийнятливіший.
Для обчислення опорів Rrs і Rsa (термічний опір між статором і зовнішнім
середовищем) необхідно знати температури ротора, статора й оточуючого сере-
довища, а також потужності Pr і Prs. При цьому, динамічними компонентами ми
нехтуємо, оскільки величини ємностей Cr і Cs є незначними [3].
Програмне забезпечення для розрахунку такої моделі запропоновано в [3].
Для проведення експерименту потрібно вибрати область всередині двигуна,
у якій встановлюється температурний сенсор. Окрім цього, необхідно забезпе-
чити задану величину теплового потоку, рівноважний термічний стан в об’єкті,
вимірювання температури досліджуваного тіла в рівноважному стані. Об’єктом
дослідження вибрано мікродвигун PBM-40 [4]. Двигун має зовнішній діаметр
40 мм, його максимальна потужність — 5 Вт.
Приймаємо, що двигун постійного струму містить лише електромеханічні
підсистеми [3]. Тому використаємо рівняння стану для опису електромеханічної
частини двигуна. У загальному випадку рівняння (1), (2) можна записати так
( ) ( ) ( ) ( ) ( ), ,z t P A P z t P B P r t
⋅
= + , (8)
де z — вектор стану змінних i, ω ; ( )r t — вектор заданих сигналів u(t); у векто-
рі P згруповані електромеханічні параметри (Jh , Js , KD ,KE , KT , L, Rt , Mh).
При застосуванні описаного методу для діагностики мехатронічної системи
та моніторингу залежних від температури параметрів двигуна постійного струму
необхідно зробити наступні логічні кроки:
• виміряти сигнали реального двигуна;
• провести симуляцію сигналів номінального двигуна;
Богдан Благітко, Ігор Заячук, Ігор Ярмоловський
Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів
112
• застосувати вейвлет-перетворення для усунення шуму з суміші сигнал-шум;
• для побудови засад прийняття рішення скористатися правилами нечіт-
кої логіки;
• визначити параметри для моніторингу температурних ефектів.
3. Результати експериментальних досліджень
Для аналізу температурних явищ системи електричного приводу проведено тем-
пературні вимірювання.
У методі температурного вимірювання використано контактний сенсор резис-
тивного типу. Сенсор достатньо малий (∅ 2 мм), щоб його можна було вмонтувати
у виділеному місці. Опір виконує функцію давача тепла для безконтактного ви-
мірювання температури пірометром. У такий спосіб доцільно вимірювати темпе-
ратуру рухомих поверхонь. Однак дослідження показали, що вимірювання темпе-
ратури в рухомих частинах мікродвигуна з допомогою контактного методу є
ефективнішим і точнішим. Застосування контактного сенсора для вимірювань на
рухомому роторі вимагає застосування спеціального модуля для передачі сигналу.
Під час тестів із рухомим ротором використовується модуль із ковзкими кільцями.
Основним критерієм при дослідженнях є дотримання стабільного значення
потужності двигуна. Необхідна величина потужності забезпечується з допомогою
контрольного модуля у вигляді програмного забезпечення. Цифроаналоговий пе-
ретворювач (ЦАП) є частиною контрольного модуля, розміщеного зовні комп’ю-
тера. ЦАП перетворює величину потужності в аналоговий сигнал, який поступає
до PD-контролера. Контролер слідкує за тим, щоб фактична потужність не пере-
вищувала допустиму.
Електронний модуль вимірює миттєві значення величини струму та напруги
й обчислює активну електричну потужність. Сигнал контрольного каналу забез-
печує ефективну стабілізацію потужності в процесі першого етапу експерименту.
Це суттєво для визначення температурно-часової константи ротора на основі
температурної характеристики елементів двигуна. Залежність температурної
константи від часу для двигуна РМВ-40 ілюструють криві на рис. 1.
Для вибраного двигуна опір дає можливість забезпечити стабільну електричну
потужність до 100 Вт, якщо струм і напруга не перевищують 10 A і 10 В відповід-
но. У процесі вимірювання важливо знати величину постійної напруги, а також
проводити неперервне вимірювання швидкості. Аналіз отриманих експеримен-
тальних даних показав, що всередині широкого часового вікна систематична по-
хибка при визначенні температурно-часової константи ротора не перевищує 6 %.
Наступний етап експерименту включає електромеханічні вимірювання. До-
сліджуваний двигун з’єднаний зі шпилем динамометра, який оснащений давачем де
формації для перетворення прикладеного обертового моменту. Експериментальні
дані було отримано при навантаженнях M1 = 20 Н·мм і M2 = 30 Н·мм. Кутову
швидкість двигуна вимірювали тахогенератором. Із допомогою PD-контролера об-
числювали миттєві значення величини прикладеного обертового моменту.
ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2007, вип. 6, 109-115
113
Рис. 1. Температурна характеристика елементів двигуна PMB-40
Температура (ºС)
100
80
60
40
20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Час t (c)
ротор
зовнішня
рукав
статор
На рис. 2 показані експериментально отримані залежності струму в якорі
від кутової швидкості ротора для «холодного» та «гарячого» двигуна постійного
струму. «Холодний» ротор має температуру T0 = 20 oC й опір R(T0) = 6 Ом. Засто-
сувавши вейвлет-перетворення та нечітку логіку для ідентифікації «гарячого»
двигуна постійного струму, обчислено опір R(Tr), величина якого є в межах
7,1÷7,2 Ом. З використанням рівняння (3) знайдено температуру «гарячого» дви-
гуна Tr. Ця температура дорівнює 76÷78 oC.
Рис. 2. Сигнал «холодного» та «гарячого» двигуна
постійного струму
I, мA
1500
500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
t, с
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
2000
w, рад/c
1000
0
Сигнал «холодного»-1 і «гарячого»-2 двигуна
– 500
t, с
2
1
1
2
Богдан Благітко, Ігор Заячук, Ігор Ярмоловський
Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів
114
4. Порівняльна характеристика методів моніторингу
параметрів двигуна, які залежать від температури
Температурний метод застосовується для моніторингу температури ротора та
статора. До позитивних аспектів цього методу можна віднести можливість перед-
бачення зміни температури, а основними його недоліками є тривалий час вимі-
рювань і низька точність обчислених параметрів досліджуваного об’єкта.
Метод, який базується на вейвлет-перетворенні та нечіткій логіці, застосо-
вано для розрахунку параметрів Rt , KE , KT . Використання біортогонального
вейвлета bior6.8 із рівнем розкладу j = 5 дає найкращі результати. Температуру
статора та ротора визначаємо з рівнянь (3)-(5). Перевагою цього методу є незнач-
ний час вимірювань, а недоліком — високі обчислювальні вимоги.
Результати порівняльного аналізу методів температурної діагностики, які
використовувалися для моніторингу температурно-залежних параметрів двигуна
постійного струму РВМ-40, подано у таблиці.
Таблиця
Назва методу Час вимірювання Обчислювальні
затрати
Систематична
похибка
Температурний метод 90÷120 хвилин середні 6-10%
Вейвлет-перетворення
та нечітка логіка 1 секунда високі 10-15%
Висновки. У статті проаналізовано системи діагностики експериментального
контролю теплових процесів, які відбуваються в електромеханічних системах.
Запропоновано й описано два різних методи діагностики температурних змін пара-
метрів двигуна. Результати дослідження показали, що обидва методи можуть ви-
користовуватися для моніторингу температурних змін у привідних системах.
Література
[1] Blagitko B., Brygilewich W., Yarmolovskyj I. Temperature diagnosis of drive systems
with a noise // XIII International symposium on Theoretical Electrical Engineering. —
Lviv: July 4-7, 2005. — Р. 319-322.
[2] Благітко Б. Я., Рабик В. Г. Теоретичні засади діагностики аналогових кіл постій-
ного струму // Респ. міжвуз. наук.-техн. зб. «Теоретична електротехніка». — Львів,
1985. — Вип. 44. — С. 121−129.
[3] Wierciak J. Measuring systems for investigations into thermal phenomena appearing in
drive systems with electric micromotors // Journal of Theoretical and Applied Mecha-
nics. — 2000. — № 38. — Р. 669-691.
[4] Brygilewich W., Wierciak J. Monitoring of temperature dependent parameters in drive
systems with electric micromotors // IV International Workshop «Computational Prob-
lems of Electrical Engineering». — Zakopane, 2002. — Р. 44-47.
ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2007, вип. 6, 109-115
115
Temperature diagnostics of the drive systems
at presence of noises
Bohdan Blagitko, Igor Zayachuk, Igor Yarmolovskyj
Thermal phenomena occurring in mechatronic devices may effect on device performance cha-
racteristics in various ways. Electrical drive systems are among the most significant sources of
heat emission inside of the device. The paper concerns the problems of modelling and identifi-
cation of thermal changes of drive systems. The identification method based on wavelet transform
and fuzzy logic has been applied. The designed measuring systems for implementation of tempe-
rature measuring of parameters of electromotor are discussed.
Температурная диагностика приводных
систем при наличии шумов
Богдан Благитко, Игорь Заячук, Игорь Ярмоловский
Изменение температурного поля влияет на рабочие характеристики электромеханических
систем. Системы электрических приводов относятся к одним из наиболее важных источ-
ников тепловой эмиссии внутри приборов. Работа посвящена проблемам моделирования и
идентификации влияния изменений температурного поля на параметры электромотора.
Рассмотрен метод идентификации, базирующийся на совместном применении вейвлет-
преобразования и нечеткой логики. Проанализированы основные принципы разработанных
измерительных систем для выполнения температурных измерений параметров электро-
моторов.
Отримано 07.11.07
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21114 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-1545 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-24T15:09:48Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Благітко, Б. Заячук, І. Ярмоловський, І. 2011-06-15T08:25:03Z 2011-06-15T08:25:03Z 2007 Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів / Б. Благітко, І. Заячук, І. Ярмоловський // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2007. — Вип. 6. — С. 109-115. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 1816-1545 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21114 612.372.061 Зміна температурного поля впливає на робочі характеристики мехатронічних систем. Системи електричного приводу є найбільш важливими джерелами теплової емісії всередині пристрою. Робота присвячена проблемам моделювання й ідентифікації змін температурного поля в електродвигуні. Розглянуто метод ідентифікації, який базується на спільному використанні вейвлет-перетворення та нечіткої логіки. Проаналізовано основні принципи розроблених вимірювальних систем для проведення температурних вимірювань параметрів електродвигунів. Thermal phenomena occurring in mechatronic devices may effect on device performance characteristics in various ways. Electrical drive systems are among the most significant sources of heat emission inside of the device. The paper concerns the problems of modelling and identification of thermal changes of drive systems. The identification method based on wavelet transform and fuzzy logic has been applied. The designed measuring systems for implementation of temperature measuring of parameters of electromotor are discussed. Изменение температурного поля влияет на рабочие характеристики электромеханических систем. Системы электрических приводов относятся к одним из наиболее важных источников тепловой эмиссии внутри приборов. Работа посвящена проблемам моделирования и идентификации влияния изменений температурного поля на параметры электромотора. Рассмотрен метод идентификации, базирующийся на совместном применении вейвлет-преобразования и нечеткой логики. Проанализированы основные принципы разработанных измерительных систем для выполнения температурных измерений параметров электромоторов. uk Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів Temperature diagnostics of the drive systems at presence of noises Температурная диагностика приводных систем при наличии шумов Article published earlier |
| spellingShingle | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів Благітко, Б. Заячук, І. Ярмоловський, І. |
| title | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| title_alt | Temperature diagnostics of the drive systems at presence of noises Температурная диагностика приводных систем при наличии шумов |
| title_full | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| title_fullStr | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| title_full_unstemmed | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| title_short | Температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| title_sort | температурна діагностика привідних систем за наявності шумів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21114 |
| work_keys_str_mv | AT blagítkob temperaturnadíagnostikaprivídnihsistemzanaâvnostíšumív AT zaâčukí temperaturnadíagnostikaprivídnihsistemzanaâvnostíšumív AT ârmolovsʹkiií temperaturnadíagnostikaprivídnihsistemzanaâvnostíšumív AT blagítkob temperaturediagnosticsofthedrivesystemsatpresenceofnoises AT zaâčukí temperaturediagnosticsofthedrivesystemsatpresenceofnoises AT ârmolovsʹkiií temperaturediagnosticsofthedrivesystemsatpresenceofnoises AT blagítkob temperaturnaâdiagnostikaprivodnyhsistemprinaličiišumov AT zaâčukí temperaturnaâdiagnostikaprivodnyhsistemprinaličiišumov AT ârmolovsʹkiií temperaturnaâdiagnostikaprivodnyhsistemprinaličiišumov |