Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék MOTOR - BOARD
M
I. Elméleti alapok a felkészüléshez 1. A vizsgált berendezés A mérést a HPS System Technik (www.hps-systemtechnik.com) rendszereszközök segítségével hajtjuk végre. A vizsgálat fő eszköze a következő képen látható MOTOR BOARD egység. Ez a panel tartalmaz egy DC motor-generátor egységet a hozzá kapcsolódó tachogenerátorral. Ennek az eszköznek a célja, hogy bemutassa a DC szervomotor fordulatszám szabályozását, nyomaték szabályozását és a motorvezérlés módjait.
1. ábra MOTOR BOARD
A motor tengelyének forgását egy kis szemlélő nyíláson keresztül tudjuk megtekinteni, illetve LED-ek segítségével is nyomon tudjuk követni. Különböző terheléseket (mechanikai, villamos) lehet alkalmazni a vizsgálatok céljára. A beépített tehetetlenségi nyomaték és lámpa mellet még egy lámpát lehet az illesztő felület segítségével csatlakoztatni. A motor vezérelhető egy- illetve négynegyedes üzemmódban, a végfok utáni csatlakozás megválasztásával. Ha a végfok után közvetlenül a motort kötjük be, akkor négynegyedes üzemmód valósul meg. Ha a végfok után egy diódán keresztül csatlakoztatjuk a motort, akkor egynegyedes üzemmódot használhatunk. A motor forgását PWM (Pulse Width Modulation) segítségével is tudjuk vezérelni, amely azt jelenti, hogy a tápforrás feszültségét folyamatosan ki/be kapcsolgatjuk, amellyel a kitöltési tényezőt tudjuk változtatni.
M/1
2. ábra PWM áram és feszültség jelalakja
2. DC motor működése A forgórész tekercselése a motortengelyhez van erősítve, és a szénkeféken keresztül kapja az áramot. A tekercs állandó mágneses térben forog. Amint a forgórész árama átfolyik a tekercsen, a forgórészben mágneses tér keletkezik. Az elrendezés alapján mindkét mágneses mező erőt gerjeszt, ami forgásba hozza az armatúrát. Mivel a tartós mágneses indukció adott, a motorerő (a forgatónyomaték) közvetlenül az áramerősségtől függ.
3. ábra Motor mechanikai felépítése és villamos részének helyettesítő kapcsolása
M/2
UA IA RA UM
Armatúra feszültség (a motor kapcsain mérhető) Armatúra áram Armatúra ellenállás (csatlakozási ellenállások: tekercsellenállás, kefe ellenállás) Indukált belső feszültség
A mozgási indukció törvénye szerint a mozgásban lévő forgórész tekercselésében feszültség indukálódik ( U M ). Ha a motort generátorként működtetjük, akkor a terheletlen állapotban azt az indukált belső feszültséget mérhetjük a generátor kapcsain. Ha motorként üzemeltetjük, akkor az indukált belső feszültség a bemenetei kapocsfeszültséggel szemben hat. A feszültségkülönbség ekkor csökkenti az I A armatúra áramot. A helyettesítő kapcsolás alapján felírható a feszültség egyenlet az induktivitás és a kefén eső feszültség elhanyagolásával: U A = I A R A + ΔU kefe + U M ≈ I A R A + U M
4. ábra DC szervomotor struktúra gráfja
A struktúra gráfon a villamos és a mechanikai részt egy átalakító (váltó) köti össze. A váltó eltérő keresztváltozók, és átmenőváltozók között hoz létre kapcsolatot, amely forgó mozgás esetén a következő: M = (−)K M ⋅ i
Ω=
1 ⋅U KM
⎡ Nm Vs ⎤ a nyomatékállandó (gépállandó) , ahol K M ⎢ ⎣ A rad ⎥⎦ Az egyenáramú motor az alábbi paraméterekkel rendelkezik: Névleges feszültség: 12 V Üresjárati áram: 20mA Üresjárati fordulatszám: 7800 min -1 Indukált belső feszültség 1000min-1 fordulatszámnál: UM=1,55 V Indítási nyomaték: 14,9 mNm Nyomatékállandó KM: 14,8 mNm/A Belsőellenállás: 11,9 Ω Max. ajánlott tartós áram: 0,58 A M/3
3. Motorüzemek Motorüzem állandó kapocsfeszültségen: Ha a motor kapocsfeszültségét állandó értéken tartjuk, akkor a fordulatszám erősen függeni fog a tengelyen lévő terheléstől. Amint a tengelyre fékező erő hat, a fordulatszám visszaesik, U M csökken és nagyobb áram tud folyni. Ez az áramnövekedés azért szükséges, hogy a motorra ható erővel (nyomatékkal) nagyobb forgatónyomatékot tudjon szembeállítani. A konstans armatúrafeszültségű üzemmód csak vezérlőláncokban fordul elő, amelyekben az állandó fordulatszám semmilyen szerepet nem játszik. Motorüzem állandó árammal: Ha a motort egy bizonyos armatúraárammal működtetjük, anélkül hogy a tengelyt megterhelnék, akkor a gyorsulási nyomaték túlsúlyba kerül. A fordulatszám és az U M növekedni fog és csak a kapocsfeszültség felső értéke fogja behatárolni. Következésképp, a terhelés változásából származó változó fordulatszámnál a gyorsulási nyomaték és ezzel a fordulatszám is erősen ingadozni fog. Motorüzem állandó fordulatszámmal: Ha a motor fordulatszámának szabályozására szabályozókört hoznak létre, ez azt jelenti, hogy az U M -et is konstans értéken kell tartani. Ha most valamilyen erő (nyomaték) hat a tengelyre, tehát az összes terhelés változik, akkor a fordulatszám állandó értéken tartásához nagyobb armatúra áram szükséges, de ez csak akkor lehetséges, ha a kapocsfeszültség emelkedik. A váltakozó terhelés ebben az esetben azt eredményezi, hogy a fordulatszám helyett a kapocsfeszültséget kell változtatni, ha nem akarjuk a fordulatszám ingadozását. 4. Szabályozási feladat
A mérés célja az első pontban ismertetett DC motor-generátor egység fordulatszám, nyomatékszabályozásának a megvalósítása különböző szabályozási paraméterek és terhelések mellet. A szabályzó berendezés a következő képen látható PID BOARD. Ezzel az eszközzel megvalósíthatók a legfontosabb szabályozó típusok (P, PI, PD, PID), de a panelen komplett (lineáris és nemlineáris) szabályozó köröket is fel lehet építeni, mert: P, I, PI, PT1, PT3 tagok, jelkorlátozó tag, és kétpontos szabályozó található benne. Ezen túlmenően az egységugrás alapjelből egységsebesség bemenetet előállító integrátor segíti a lassú rendszerek gerjesztéséhez szükséges jel előállítását. Az alapjelet a potenciométerrel tudjuk beállítani. A dinamikai vizsgálatokhoz az egységugrást a programvezérlés szolgáltatja. Ugyanez az egység adja az oszcilloszkóp triggerjelét is. A szabályzók (P-I-D) paramétereit az alattuk található potenciométerek és értéktartomány választók segítségével lehet beállítani. Az értéktartomány megválasztása után a potenciométerrel 0-100% között tudunk értéket beállítani. (pl.: a képen V = 5 ) A különbségképzés összegző műveleti erősítőkkel van megvalósítva, ezért figyelni kell az egyes jelek előjeleire, amelyek fel vannak nyomtatva a panelre.
M/4
5. ábra PID BOARD
6. Ellenőrző kérdések Válaszolja meg a következő kérdéseket. 1. 2. 3. 4.
Műveleti erősítő összegző kapcsolása és átviteli függvénye? PID jellemzői (időtartománybeli viselkedés, frekvencia menet, alkalmazás célja)? Motor helyettesítő kapcsolása (struktúraráf, impedancia hálózat)? Motor matematikai modellek (átviteli függvény, differenciálegyenlet, állapottér modell)?
II. Mérési gyakorlat kivitelezése M1 M2 M3
Fordulatszám szabályozási szakasz jellemzői Áram-, illetve nyomatékszabályozás Fordulatszám szabályozás
M/5
