Метод оценки текущей и дополнительной нагрузки на систему электрических приводов механизмов параллельной кинематической структуры
Автор: Круглова Т.Н.
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 3 т.21, 2021 года.
Бесплатный доступ
Введение. В статье рассматривается проблема нагрузки на систему электрических приводов в параллельной кинематической структуре. Описана задача разработки отказоустойчивой системы, позволяющей выполнять заданный технологический процесс при отказе одного или нескольких приводов. Цель работы - создание метода оценки текущей и дополнительной нагрузки на каждый привод механизма параллельной кинематической структуры. Решение позволяет корректировать режим эксплуатации при выполнении заданного технологического процесса без ущерба для исправных приводов.Материалы и методы. Ранее разработан метод диагностирования, который базируется на расчете и анализе коэффициентов прямых, аппроксимирующих огибающие значений коэффициентов вейвлет-преобразования сигналов тока электродвигателя с учетом характерных масштабов. Это дает возможность определить текущее техническое состояние электродвигателя и найти неисправности. Логическое продолжение данного подхода - предлагаемый метод оценки текущей и дополнительной нагрузки. Он позволяет на основе коэффициентов прямых, аппроксимирующих огибающие вейвлет-коэффициентов токового сигнала, найти текущую нагрузку на привод. Для расчета дополнительной нагрузки учитываются количество и местоположение неисправных приводов.Результаты исследования. Для каждого масштаба вейвлет-коэффициентов определены относительные коэффициенты и текущая нагрузка на каждый привод. Проверена возможность перераспределения нагрузки на два соседних домкрата, исследовано поведение системы в этом случае. Нагрузка, перемещаемая неисправным домкратом, перераспределяется на два соседних домкрата в равных долях - по 14,76 %. Общая нагрузка на приводы - 44,28 %, что безопасно для сервопривода. Нагрузка на привод четвертого домкрата не меняется (29,52 %). Приводы имеют достаточный запас надежности. Установлено, что все три режима эксплуатации допустимы для исследуемого сервопривода, не ведут к динамическим перегрузкам и преждевременному отказу.Обсуждение и заключения. Экспериментальные исследования метода оценки текущей и дополнительной нагрузки показали его адекватность и высокую эффективность. Установлено, что при отключении приводов одной из стоек механизма система выполнила перераспределение нагрузки на приводы. Таким образом удалось избежать их динамических перегрузок и преждевременного отказа. Значит, решение способно обеспечить надежное функционирование комплекса на время ремонтных работ.
Механизм параллельной кинематической структуры, система приводов, оценка текущей и дополнительной нагрузки, вейвлет-преобразование, аппарат нечеткой логики
Короткий адрес: https://sciup.org/142231886
IDR: 142231886 | DOI: 10.23947/2687-1653-2021-21-3-268-274
Текст научной статьи Метод оценки текущей и дополнительной нагрузки на систему электрических приводов механизмов параллельной кинематической структуры
Введение. В процессе функционирования механизмов параллельной кинематической структуры возможны отказы одного или нескольких приводов. Среди вероятных последствий: наклон платформы, искривление или заклинивание стойки, недопустимые перегрузки, преждевременный отказ механизма, остановка производства и существенные финансовые потери. Для решения данной проблемы следует создать отказоустойчивую систему приводов механизмов параллельной кинематической структуры, позволяющей корректировать режим эксплуатации с учетом технического состояния. С этой целью необходимо определить текущую нагрузку на каждый исправный привод, а затем, зная количество и взаимное расположение неисправных приводов, рассчитать дополнительную нагрузку на каждый исправный.
Машиностроение и машиноведение
Материалы и методы. Надежное функционирование систем приводов механизмов параллельной кинематической структуры обеспечивается постоянным контролем и оценкой технического состояния каждого исполнительного элемента в режиме реального времени [1]. Для этого разработан высокоэффективный метод диагностирования, основанный на анализе тока электродвигателя с помощью вейвлет-преобразования [2]. Суть метода можно описать так: с учетом характерных масштабов рассчитываются значения вейвлет-коэффициентов тока электродвигателя, затем строится огибающая и рассчитывается ее аппроксимирующая прямая. Анализ коэффициентов k и b полученной прямой позволяет определить текущее техническое состояние привода. Если для всех характерных масштабов к < 0, то привод исправен, если к > 0 — неисправен. Таким образом, зная знаки коэффициентов k аппроксимирующих прямых, можно определить текущее состояние каждого привода, рассчитать количество и расположение неисправных приводов относительно друг друга [3].
Для последующей корректировки режима эксплуатации механизма параллельной кинематической структуры необходимо определить текущую и дополнительную нагрузки на каждый привод системы. Расчет текущей нагрузки на привод основывается на анализе всех параметров аппроксимирующей прямой для заведомо исправного ненагруженного электропривода, работающего в номинальном режиме. Полученные данные являются эталонными коэффициентами k0,b0, с которыми сравниваются текущие значения параметров k, b . Значение максимально допустимых коэффициентов kmax,bmax можно рассчитать по перегрузочной способности электродвигателя по току KT [4]. Тогда возможные изменения коэффициентов k, b вычисляются из соотношений:
∆ k =
k - k 0 k - k, max 0
∆ b =
b - b 0 b - b.
max 0
Для определения возможности повышения нагрузки на приводы системы разработана модель на базе аппарата нечеткой логики. Входы модели — относительные коэффициенты Δk, Δb (рис. 1), выход — соответствующий коэффициент, показывающий процент нагрузки на двигатель. Если данный параметр равен нулю, то привод работает в номинальном режиме без нагрузки. Если он равен 100 %, то двигатель имеет


Рис. 1. Входные данные нечеткой модели определения нагрузки на электропривод
Корреляция введенных множеств может быть записана с помощью следующих нечетких правил: R 1: если k есть k 0 и b есть b0 , то Load ПД =l1;
R 2: если k есть k max и b есть bmax , то Load ПД =l2.
Для определения значения выходной переменной используется алгоритм нечеткого логического вывода Sugeno [5–14].
Предложенная модель позволяет по результатам анализа коэффициентов прямой, аппроксимирующей огибающую значений вейвлет-коэффициентов, определить текущую нагрузку на электропривод в процентах от предельно допустимой. В случае отказа одного или нескольких приводов системы и допустимой текущей нагрузки на исправные приводы возможна ко k0 рректировка режима эксплуатации и перераспределение высвободившейся нагрузки на исправные приводы. Для этого необходимо разработать модель расчета дополнительной нагрузки.
Рассмотрим решение данной задачи на примере платформы с двенадцатью параллельными стойками, каждая из которых представляет собой электромеханический домкрат. Равномерный подъем платформы обеспечивается синхронным, равномерным движением всех стоек с заданной скоростью. Для выполнения этого условия при проектировании механизмов параллельной кинематической структуры закладывается равность нагружения подъемных колонн. В этом случае при исправной работе механизма все приводы должны иметь примерно одинаковую внешнюю нагрузку
Ь^ ПД 1 ~ Load 2 ~ •••• ~ LoadПД,1 . (2)
При отказе одного из приводов перемещаемая им нагрузка перераспределяется на два соседних примерно в равных долях (рис. 2).

Рис. 2. Взаимное положение неисправных приводов домкратов и возможная коррекция нагрузки
+0,5 • Loadnn

В данном случае дополнительная нагрузка рассчитывается из соотношения (3) и зависит от коэффициента изменения нагрузки ( Lch )
^ Load„„ = L. • Load„„ . (3) ПДj ch ПД i
Этот коэффициент зависит от количества и взаимного расположения неисправных приводов домкратов. Теоретически коэффициент изменяется в диапазоне от 0 до n с шагом 0,5. Коэффициент увеличения нагрузки является определяющим при расчете дополнительной нагрузки на привод механизма. Для его расчета разработана модель, основанная на применении аппарата нечеткой логики [7]. Входы модели — техническое состояние каждого привода механизма параллельной кинематической структуры, выходы — коэффициент изменения нагрузки на привод каждого домкрата. В результате диагностирования устанавливается текущее техническое состояние приводов: «исправен» или «неисправен». Поэтому для каждого входа системы на интервале [0 1] задаются Z - и S -образные функции принадлежности (рис. 3 а ). Исправному приводу будет соответствовать значение входа 1, неисправному — 0. Увеличение коэффициента роста нагрузки больше 2 приводит к критическим перегрузкам домкрата, поэтому в диапазоне L h е [ 0 , 2 ] задаем пять треугольных функций принадлежности с шагом 0,5 (рис. 3 б ).
Машиностроение и машиноведение

Техническое состояние двигателя

б )
Рис. 3. Функции принадлежности нечеткой модели расчета коэффициентов изменения нагрузки
Для расчета коэффициента увеличения нагрузки на электроприводы механизмов параллельной кинематической структуры использован алгоритм Mamdani [8–10]. Полученная модель основывается на анализе количества и взаимного расположения неисправных стоек механизма параллельной кинематической структуры. Эти данные позволяют определить коэффициент дополнительной нагрузки на каждый исправный привод.
Взаимосвязь между введенными множествами записывается в виде базы знаний, фрагмент которой приведен в таблице 1.
Таблица 1
Нечеткая база знаний модели расчета коэффициента дополнительной нагрузки
Номер домкрата |
Коэффициент изменения нагрузки домкрата |
||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
… |
n |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
… |
n |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
… |
… |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
… |
… |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
… |
… |
0,5 |
0 |
0,5 |
0 |
0 |
0 |
… |
… |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
… |
… |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
… |
… |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
… |
… |
1,5 |
0 |
0 |
0 |
1,5 |
0 |
… |
… |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
… |
… |
2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
… |
… |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
… |
… |
0,5 |
0 |
1 |
0 |
0,5 |
0 |
… |
… |
….. |
… |
… |
… |
… |
Объединив две разработанные модели, получим общую модель определения текущей и дополнительной нагрузок на приводы механизма параллельной кинематической структуры (рис. 4).

Рис. 4. Структура модели расчета текущей и дополнительной нагрузок на приводы механизма параллельной кинематической структуры
Приведенная модель базируется на количестве и взаимном расположении исправных приводов механизма параллельной кинематической структуры. При этом с учетом характерных масштабов анализируются относительные коэффициенты прямых, аппроксимирующих огибающие значений коэффициентов вейвлет-преобразования тока электродвигателей. Эти данные и аппарат нечеткой логики позволяют определить текущую и дополнительную нагрузку для обеспечения надежности электродвигателей.
Результаты исследования. Для проверки работоспособности предложенного метода расчета текущей и дополнительной нагрузки использовали стенд (рис. 5), состоящий из четырех электромеханических подъемных домкратов с приводом постоянного тока KY110AS0415-15B-Д2, синхронно перемещающих груз.
+ 0 , 5 Loadnn
+ 0 , 5 Loadnn

Рис. 5. Расположение неисправного домкрата и возможный вариант коррекции режима эксплуатации механизма параллельной кинематической структуры
Текущая нагрузка на приводы оценена по итогам анализа всех параметров прямой, аппроксимирующей огибающие коэффициентов вейвлет-преобразования с учетом характерных масштабов для заведомо исправного привода, работающего в номинальном режиме. В нашем случае речь идет о результатах первого замера токового сигнала приводов при их установке на электромеханические домкраты. Полученные данные использованы в качестве эталонных k 0 ,b 0. С ними сравниваются текущие значения измеряемых параметров k , b.
Для каждого масштаба вейвлет-коэффициентов рассчитаны относительные коэффициенты A k, A b, определена текущая нагрузка на каждый привод. Расчеты показали, что средняя нагрузка на все приводы примерно одинаковая — 29,52 % от максимальной. Задача эксперимента — проверка возможности перераспределения нагрузки на два соседних домкрата и исследование поведения системы в этом случае. Нагрузка, перемещаемая неисправным домкратом, перераспределяется на два соседних домкрата в равных долях — по 14,76 %. Тогда общая нагрузка на приводы 1 и 3 (рис. 5) — 44,28 %. Согласно нагрузочной диаграмме это безопасно для сервопривода. Нагрузка да привод четвертого домкрата остается неизменной — 29,52 %. Поскольку коэффициент k для всех приводов отрицателен, а их абсолютные значения значительно больше 0, то приводы имеют достаточный запас надежности.
Для определения влияния данного перераспределения нагрузки на техническое состояние приводов проанализированы механические и электромеханические характеристики сервоприводов. Установлено, что все три режима эксплуатации допустимы для исследуемого сервопривода. Они не ведут к динамическим перегрузкам и преждевременному отказу. Это позволяет обеспечить надежное функционирование комплекса
Машиностроение и машиноведение
при проведении ремонтных работ.
Обсуждение и заключения. Разработана модель оценки текущей и дополнительной нагрузки на электрические приводы механизмов параллельной кинематической структуры. Получаемые таким образом данные необходимы для коррекции режима эксплуатации системы приводов в случае отказа исполнительных элементов. Для расчета нагрузки использованы коэффициенты прямой, аппроксимирующей огибающую вейвлет-коэффициентов тока с учетом характерных масштабов. Кроме того, учитывается количество и взаимное положение неисправных домкратов относительно друг друга. Эксперименты показали адекватность представленных методов.
Список литературы Метод оценки текущей и дополнительной нагрузки на систему электрических приводов механизмов параллельной кинематической структуры
- Альван, Х. М. Декомпозиция задачи силового анализа многоподвижного механизма параллельной структуры / Х. М. Альван, А. В. Слоущ // Теория механизмов и машин. — 2005. — Т. 3, № 1. — С. 35-39.
- Круглова, Т.Н. Исследование технического состояния электропривода при различных условиях нагружения / Т. Н. Круглова // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2019. — № 3. — С. 112-113.
- Булгаков, А. Г. Диагностирование технического состояния электропривода на основе применения вейвлет-преобразования / А. Г. Булгаков, Т. Н. Круглова // Бюллетень строительной техники. — 2019. — № 8 (1020). — С. 46-50.
- Aksenov, Y. On line PD Diagnostic on Medium Voltage Motors and Cable Lines: Useful Tool for the Maintenance Manager / Y. Aksenov, I. Arces, G. Noe // IEEE — URL : https://ieeexplore.ieee.org/document/1380497 (accessed: 24.08.2021). 10.1109/ELINSL.2004.1380497
- Isermann, R. Fault-Diagnosis Applications. Model-Based conditions monitoring: Actuators, drives, plants, sensors and fault-tolerant systems / Rolf Isermann. — Berlin : Springer, 2011. — 466 p.
- Cruz, S. M. A. Rotor cage fault diagnosis in three-phases induction motors by extended Park's Vector Approach / S. M. A. Cruz, A. J. M. Cardoso // Electric Machines & Power Systems. — 2000. — Vol. 28 (4). — P. 289-299.
- Гаскаров, Д. В. Искусственные информационные системы / Д. В. Гаскаров. — Москва : Высшая школа. — 2003. — 435 с.
- Заде, Л. А. Понятие лингвистической переменной, его применение к принятию приближенных решений / Л. А. Заде. — Москва : Мир, 1976. — 77 с.
- Круглов, В. В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика / В. В. Круглов, В. В. Борисов. — Москва : Телеком, 2002. — 382 с.
- Noninvasive detection of broken rotor bars in operating induction motors / G. B. Kliman, R. A. Koegl, J. Stein [et al.] // IEEE Transactions on Energy Conversion. — 1988. — Vol. 3 (4). — Р. 873-879. 10.1109/60.9364
- Jee-Hoon Jung. Online Diagnosis of Induction Motors Using MCSA / Jee-Hoon Jung, Jong-Jae Lee, Bong-Hwan Kwon // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2006. — Vol. 53 (6). — P. 1842-1852. 10.1109/TIE.2006.885131
- Investigation of torque security problems in electrified vehicles / Jiyu Zhang, Alessandro Amodio, Bilin Aksun Guvenc [et al.] // In: Proc. ASME 2015 Dynamic Systems and Control Conference. — URL : www.researchgate.net/publication/281295777 DSCC2015-9627 investigation of torque security problems in electrified vehicles (accessed: 24.08.2021). 10.1115/DSCC2015-9627-9627
- Jiyu Zhang. Fault diagnosis for electric drive systems of electrified vehicles based on structural analysis / Jiyu Zhang, Hongyang Yao, Giorgio Rizzoni // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2016. — Vol. 66 (2). — P. 1027-1039. — URL : https://www.researchgate.net/publication/301571844 Fault Diagnosis for Electric Drive Systems of Electrified Vehicles Based on Structural Analysis (accessed: 24.08.2021). 10.1109/TVT.2016.2556691
- Thomson, W. T. Current signature analysis to detect induction motor faults / W. T. Thomson, M. Fenger // IEEE Industry Applications Magazine. — 2001. — Vol. 7 (4). — P. 26-34. 10.1109/2943.930988