ÊÇÍÑÕW ËXÛÒS ÌÛÝØÒ×ÝÕW Ê ÞÎÒT ÞÎÒÑ ËÒ×ÊÛÎÍ×ÌÇ ÑÚ ÌÛÝØÒÑÔÑÙÇ
ÚßÕËÔÌß ÍÌÎÑÖÒSØÑ ×Ò’ÛÒCÎÍÌÊS FÍÌßÊ ßËÌÑÓßÌ×ÆßÝÛ ß ×ÒÚÑÎÓßÌ×ÕÇ ÚßÝËÔÌÇ ÑÚ ÓÛÝØßÒ×ÝßÔ ÛÒÙ×ÒÛÛÎ×ÒÙ ×ÒÍÌ×ÌËÌÛ ÑÚ ßËÌÑÓßÌ×ÑÒ ßÒÜ ÝÑÓÐËÌÛÎ ÍÝ×ÛÒÝÛ
ÎÛßÔ×ÆßÝÛ HSÆÛÒS ÍÌÛÖÒÑÍÓTÎÒCÝØ ÛÔÛÕÌÎÑÓÑÌÑÎG ×ÓÐÔÛÓÛÒÌßÌ×ÑÒ ÑÚ ÝÑÒÌÎÑÔ ß ÜÝ ÓÑÌÑÎÍ
ÞßÕßÔ_HÍÕ_ ÐÎ_ÝÛ ÞßÝØÛÔÑÎùÍ ÌØÛÍ×Í
ßËÌÑÎ ÐÎ_ÝÛ
Ó×ÎÑÍÔßÊ ÎÑÆÕÑ–ÒC
ßËÌØÑÎ
ÊÛÜÑËÝS ÐÎ_ÝÛ ÍËÐÛÎÊ×ÍÑÎ
ÞÎÒÑ îðïð
ײ¹ò ÐßÊÛÔ ØÑË–Õßô иòÜò
ʧ-±µ7 «8»²3 ¬»½¸²·½µ7 ª Þ®²4ô Ú¿µ«´¬¿ -¬®±¶²3¸± ·²‚»²#®-¬ª3 F-¬¿ª ¿«¬±³¿¬·¦¿½» ¿ ·²º±®³¿¬·µ§ ßµ¿¼»³·½µ# ®±µæ îððçñîðïð
ÆßÜ_ÒS ÞßÕßÔ_HÍÕW ÐÎ_ÝÛ -¬«¼»²¬øµ¿÷æ Ó·®±-´¿ª ᦵ±†²# µ¬»®#ñµ¬»®? -¬«¼«¶» ª ¾¿µ¿´?(-µ7³ -¬«¼·¶²3³ °®±¹®¿³« ±¾±®æ ß°´·µ±ª¿²? ·²º±®³¿¬·µ¿ ¿ (3¦»²3 øíçðîÎððï÷ H»¼·¬»´ &-¬¿ª« Ê?³ ª -±«´¿¼« -» ¦?µ±²»³ 8òïïïñïççè ± ª§-±µ#½¸ †µ±´?½¸ ¿ -» ͬ«¼·¶²3³ ¿ ¦µ«†»¾²3³ (?¼»³ ÊËÌ ª Þ®²4 «®8«¶» ²?-´»¼«¶3½3 ¬7³¿ ¾¿µ¿´?(-µ7 °®?½»æ λ¿´·¦¿½» (3¦»²3 -¬»¶²±-³4®²#½¸ »´»µ¬®±³±¬±®' ª ¿²¹´·½µ7³ ¶¿¦§½»æ ׳°´»³»²¬¿¬·±² ±º ½±²¬®±´ ¿ ÜÝ ³±¬±®Í¬®«8²? ½¸¿®¿µ¬»®·-¬·µ¿ °®±¾´»³¿¬·µ§ &µ±´«æ Ю?½» -» ¦¿¾#ª? °®±¾´»³¿¬·µ±« (3¦»²3 -¬»¶²±-³4®²#½¸ »´»µ¬®±³±¬±®'ô ª8»¬²4 -²3³?²3 ²¿¬±8»²3ô °±´±¸§ ¿ ³4(»²3³ ±¼»¾3®¿²7¸± °®±«¼« ³±¬±®»³ò Ý3´»³ °®?½» ¶» ¦°®¿½±ª¿¬ ¶»¼²±¼«½¸±« ³»¬±¼·µ«ô ¶¿µ ¦ª±´·¬ ³±¬±® ¿ °±¬(»¾²7 -²3³¿8»ô °®±ª7-¬ ¶»¶·½¸ ·¼»²¬·º·µ¿½· ¿ ²¿ ¦?µ´¿¼4 ª#-´»¼µ' ·¼»²¬·º·µ¿½» ²¿ª®¸²±«¬ (3¦»²3 ³±¬±®«ò Ý3´» ¾¿µ¿´?(-µ7 °®?½»æ ïò Ю±-¬«¼«¶¬» °®±¾´»³¿¬·µ« (3¦»²3 -¬»¶²±-³4®²#½¸ ³±¬±®' îò λ¿´·¦«¶¬» -²3³?²3 ²¿¬±8»²3 ®±¬±®« ¿ ³4(»²3 °®±«¼« ³±¬±®»³ íò Ю±ª»1¬» ·¼»²¬·º·µ¿½· °¿®¿³»¬®' -¬»¶²±-³4®²7¸± ³±¬±®« °®± °±¬(»¾§ ²?ª®¸« (3¦»²3 ìò Ò¿ª®¸²4¬» ¿ ®»¿´·¦«¶¬» (3¦»²3 -¬»¶²±-³4®²7¸± ³±¬±®« ëò λ¿´·¦±ª¿²7 (3¦»²3 ±ª4(¬»ò
Í»¦²¿³ ±¼¾±®²7 ´·¬»®¿¬«®§æ Åïà пª»´µ¿ Öòô X»(±ª-µ# Æòô Ö¿ª'®»µ Öòô Û´»µ¬®·½µ7 °±¸±²§ô Ò¿µ´¿¼¿¬»´-¬ª3 XÊËÌô Ю¿¸¿ îððí Åîà ұ-µ·»ª·8ô Ðòæ Ó±¼»´±ª?²3 ¿ ·¼»²¬·º·µ¿½» -§-¬7³'ô Ó±²¬¿²»¨ ¿ò-òô Ñ-¬®¿ª¿ ïçççô ×ÍÞÒ èðóéîîëóðíðóî Åíà ͵¿´·½µ# Öòô Û´»µ¬®·½µ7 -»®ª±°±¸±²§ô Ò¿µ´¿¼¿¬»´-¬ª3 ÊËÌô Þ®²± Åìà ҿ¬·±²¿´ ײ-¬®«³»²¬-æ Ô¿¾Ê×ÛÉ Ý±²¬®±´ Ü»-·¹² Ë-»® Ó¿²«¿´Å±²´·²»Ãô Ö«²» îððçô íéïðëéÙóðïô ¼±-¬«°²7 ¦ ËÎÔæ丬¬°æññ©©©ò²·ò½±³â Åëà ҿ¬·±²¿´ ײ-¬®«³»²¬-æ Ô¿¾Ê×ÛÉ Ú«²¼¿³»²¬¿´-ô ß«¹«-¬ îððëô íéìðîçÝóðïô ¼±-¬«°²7 ¦ ËÎÔæ丬¬°æññ©©©ò²·ò½±³â
Ê»¼±«½3 ¾¿µ¿´?(-µ7 °®?½»æ ײ¹ò пª»´ ر«†µ¿ô иòÜò Ì»®³3² ±¼»ª¦¼?²3 ¾¿µ¿´?(-µ7 °®?½» ¶» -¬¿²±ª»² 8¿-±ª#³ °´?²»³ ¿µ¿¼»³·½µ7¸± ®±µ« îððçñîðïðò Ê Þ®²4ô ¼²» ïèòïïòîððç ÔòÍò
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ײ¹ò Ö¿² α«°»½ô иòÜò H»¼·¬»´ &-¬¿ª«
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ °®±ºò ÎÒÜ®ò Ó·®±-´¿ª ܱ«°±ª»½ô Ýͽò Ü4µ¿² º¿µ«´¬§
Strana 5
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá základním rozdělením stejnosměrných elektromotorů a principy jejich řízení. V další části práce jsou rozebrány způsoby měření proudu a polohy. Dále jsou zde rozebrány základní způsoby regulací, které jsou následně realizovány pomocí vývojového prostředí NI LabVIEW a experimentálně ověřeny. Výsledky jednotlivých experimentů s různými typy regulátorů jsou porovnány a analyzovány.
Abstract The bacheleor thesis deals with the basic classification of DC electromotors and with the principles of their operation. Another part of the thesis describes ways of measuring current and position. Consequently, it describes basic ways of regulation which are then realised with the help of the developing environment NI LabVIEW and experimentally verified. The results of individual experiments with different types of regulators are compared and analysed.
Klíčová slova Stejnosměrný elektromotor, snímač, regulátor, řízení
Keywords DC motors, sensor, regulátor, kontrol
Strana 6
Strana 7
Bibliografická citace mé práce: ROZKOŠNÝ, M. Realizace řízení stejnosměrných elektromotorů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 48 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Pavel Houška, Ph.D.
Strana 8
Strana 9
Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci na téma: „Realizace řízení stejnosměrných elektromotorů“, vypracoval samostatně pod vedením Ing. Pavla Houšky, Ph.D., na základě dostupné literatury a dostupných informačních zdrojů, které jsem všechny odcitoval v seznamu použité literatury.
V Brně dne ……………………
podpis…………….…….
Strana 10
Strana 11
Poděkování Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Pavlu Houškovi Ph.D., za odborné vedení, ochotné poskytnutí cenných rad a zkušeností při vypracování mé bakalářské práce
Strana 12
Strana 13
Obsah 1
Úvod.................................................................................................................. 15
2
Stejnosměrný elektromotor............................................................................ 16
3
2.1
Princip stejnosměrného elektromotoru ...................................................... 16
2.2
Konstrukce stejnosměrných elektromotorů ............................................... 17
2.3
Rozdělení elektromotorů podle řiditelnosti rychlosti otáčení.................... 18
2.4
Rozdělení stejnosměrných elektromotorů podle zapojení ......................... 19
Řízení rychlosti otáčení stejnosměrných elektromotorů ............................. 21 3.1
Změnou celkového odporu v obvodu kotvy .............................................. 21
3.2
Změnou magnetického toku Φ................................................................... 21
3.3
Změnou napětí na kotvě............................................................................. 22
3.3.1 Pomocí řízeného tyristorového usměrňovače ...................................... 22 3.3.2 Pulzní šířkovou modulací – PWM ....................................................... 22 3.4 4
Řízením napětím kotvy i budícího proudu statoru ..................................... 25
Snímače ............................................................................................................ 27 4.1
Snímání proudu.......................................................................................... 27
4.1.1 Odporový bočník.................................................................................. 27 4.1.2 Proudový transformátor ....................................................................... 27 4.1.3 Snímače proudu s Hallovou sondou..................................................... 28 4.2
Snímání otáček motoru .............................................................................. 29
4.2.1 Tachodynama ....................................................................................... 29 4.2.2 Resolvery ............................................................................................. 30 4.2.3 Inkrementální rotační snímače (IRC)................................................... 30 4.2.4 Absolutní enkodéry.............................................................................. 32 5
Principy řízení ................................................................................................. 33 5.1
PSD regulátory........................................................................................... 33
Strana 14
5.2 6
Kaskádové regulátory ................................................................................ 34
Realizace řízení stejnosměrného motoru ...................................................... 35 6.1
Struktura realizovaného software............................................................... 37
6.1.1 Začlenění řízení do software ................................................................ 37 6.2
Realizace řízení .......................................................................................... 38
6.2.1 Zapojení PID regulátoru....................................................................... 38 6.2.2 PSD regulátor ....................................................................................... 38 6.2.3 PSD s lichoběžníkovou metodou ......................................................... 39 6.2.4 PSD s aproximovanou derivací a filtrem ............................................. 40 6.2.5 PSD s rekurzivní integrací.................................................................... 41 6.2.6 Regulace pomocí kaskádového zapojení regulátorů ............................ 42 6.3
Ověření řízení............................................................................................. 43
7
Závěr................................................................................................................. 45
8
Literatura ......................................................................................................... 47
Strana 15
1 Úvod Stejnosměrné elektromotory je velmi rozšířeným zdrojem krouticího momentu. Tyto motory mají proti spalovacím motorům výhodu, že při chodu nejsou zdrojem plodit, mají nízkou úroveň hluku a mohou pracovat ve všech čtyřech kvadrantech. Naopak značnou nevýhodou elektromotorů je jejich závislost na nepřetržité dodávce elektrické energie. Základní rozdělení stejnosměrných elektromotorů je podle způsobu zapojení rotoru a budícího vynutí. V dnešní době se používají čtyři způsoby těchto zapojení: stejnosměrný motor s cizím buzením, s paralelním buzením, se sériovým buzením a s kompoudním buzením. Stejnosměrné elektromotory lze řídit pomocí změny napětí na kotvě, které lze realizovat několika způsoby. Jeden z nejnovějších způsobů je použití PWM modulace, pomocí které lze motor řídit ve všech čtyřech kvadrantech momento-otáčkové charakteristiky motoru. Aby bylo možné motor spolehlivě řídit je zapotřebí snímání rychlost a natočení rotoru a také proudu protékajícího motorem. Pro snímání natočení rotoru lze použít absolutní nebo inkrementální snímače. Inkrementální snímače jsou schopny snímat pouze otáčky a rychlost rotoru, při jejich opětovném zapnutí si nepamatují předchozí polohu na rozdíl od absolutních, které si tuto polohu pamatují a tím jsou schopny určovat přesnou polohu rotoru. Pro měření proudu se dá použít odporový bočník, který je jeden z nejznámějších způsobů pro měření proudu, ale také například snímač s Hallovou sondou, který je přesnější a pro jeho použití není zapotřebí elektrický obvod rozpojovat. V další kapitole je popsán diskrétní PSD regulátor, který je díky rozšiřování diskrétních systému častěji používán než spojitý PID regulátor. V této práci je pomocí grafického vývojového prostředí LabVIEW od firmy National Instruments realizováno zapojení několika druhů regulátorů. Tyto zapojení byly nejdříve odzkoušeny virtuální úloze a následně prakticky realizovány na dvou motorech.
Strana 16
2 Stejnosměrný elektromotor Stejnosměrný elektromotor je elektrický točivý stroj, který převádí elektrickou energii na mechanickou.
2.1 Princip stejnosměrného elektromotoru Stejnosměrný elektromotor pracuje na elektromagnetickém principu, jehož základem je vzájemné silové působení magnetických polí magnetu a magnetického pole vytvořeného vodičem, kterým protéká elektrický proud. Flemingovo pravidlo: Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby indukční čáry vstupovaly do dlaně a natažené prsty ukazovaly směr proudu, ukazuje odchýlený palec směr působící síly. Tento princip je znázorněn na obr. 2.1.[1]
Obr. 2.1 Síla působící na vodič v magnetickém poli [1] Tento jediný vodič nahradíme smyčkou, umístěnou v homogenním magnetickém poli, a její konce připevníme ke dvěma segmentům zhotovených z rozříznutého vodivého válce. Jednotlivé segmenty válce jsou od sebe odizolovány a jsou na ně přiloženy uhlíky tzv. kartáče a to v poloze naznačené v obr 2.2. Poloha těchto kartářů je velmi důležitá pro správnou funkci motoru. Přes kartáče je smyčka vodivě připojena ke svorkám zdroje stejnosměrného napětí a začne jí protékat elektrický proud. Protékající proud vytváří okolo vodiče magnetické pole, interakcí magnetického pole vodiče a magnetického toku homogenního magnetického pole statoru působí na vodič síla. Síla má směr kolmý k magnetickým siločárám a zároveň k směru proudu, působí tedy vždy „do stran“. Síla způsobuje točivý moment sil a jeho působením se smyčka začne otáčet ve směru působení momentu. Jakmile se smyčka dostane do vodorovné polohy tak se pomocí válce na chvíli odpojí od zdroje stejnosměrného napětí, pohybuje se setrvačností, a následně se změní směr proudu procházejícího smyčkou a celý děj se opakuje.
Obr. 2.2Pohybující se smyčka v homogenním poli [2]
Strana 17
2.2 Konstrukce stejnosměrných elektromotorů Hlavní části stejnosměrného elektromotoru jsou znázorněny na obr. 2.3. Nosné části jsou ložiska, ložiskové štíty, hřídel, ventilátor a držáky kartáčů. Motor má dva magnetické obvody – magnetický obvod rotoru a magnetický obvod statoru. Magnetický obvod statoru vytváří magnetické pole působící na magnetický obvod rotoru. Vinutí magnetického obvodu rotoru jsou připojena na komutátor, který je napájen prostřednictvím kartáčů.
Obr. 2.3 Hlavní části stejnosměrného elektromotoru [3] Stator je nehybná část motoru, na které je upevněn magnetický obvod statoru. Tento magnetický obvod může být tvořen buď permanentními magnety, nebo budícím vynutím. Statory mohou být z lité oceli, svařovány z ocelových plechů nebo profilového železa. Stator stejnosměrných elektromotorů je většinou válcový, jiný tvar statoru mají např. trakční motory, které mají čtvercový průřez. Rotor neboli kotva má válcový tvar. Může být složen z elektrických plechů, které jsou mezi sebou odizolovány papírem nebo lakem. Plechy rotorů malých motorů jsou nalisovány přímo na hřídel, u větších na svařovanou nebo litinovou hvězdici. Po obvodu je stator rovnoměrně drážkovaný, což je znázorněno na obr. 2.4. V drážkách jsou umístěny cívky stejnosměrného vinutí. Začátky a konce vinutí jsou čelními vývody vyvedeny na lamely komutátoru, tyto lamely jsou od sebe odizolovány. Sběrací ústrojí se skládá z komutátoru a kartáčů. Přes toto sběrací ústrojí se zajišťuje přívod a odvod proudu vinutí otáčejícího se rotoru. Komutátor se skládá z lamel klínového tvaru sestavených do dutého válce. Lamely jsou vyrobeny z tvrdé tažené mědi. Na obr. 2.4 je vidět že lamely jsou od sebe i proti nosné kostře odizolovány. Na komutátor dosedají uhlíkové kartáče, které jsou umístěny v tzv. drážkách kartáčů, ve kterých se volně pohybují. Kartáče je možné natáčet do nejvýhodnější polohy. Kartáče se používají grafitové, elektrografitové nebo kartáče se směsí grafitu a kovu, např. měďografitové nebo bronzografitové. Druh kartáčů je závislý na provozních podmínkách.
Strana 18
Obr. 2.4 Řez stejnosměrným elektromotorem [4] Ventilátor je jedna z nedílných součástí motorů, které pracují v horších podmínkách nebo jsou přetěžovány a je nutno je aktivně chladit. Ventilátor je připevněn na hřídeli rotoru, ale má-li motor pracovat v celém rozsahu otáček s plným momentem, je nutné takový motor chladit, nezávisle na otáčkách, přídavným ventilátorem.
2.3 Rozdělení elektromotorů podle řiditelnosti rychlosti otáčení Motory rozdělujeme na jedno, dvou nebo vícerychlostní a na motory s plynule nastavitelnou rychlostí. Vztah mezi momentem a úhlovou rychlostí je znázorněn v diagramu na obr. 2.5.
Obr. 2.5 Momento-otáčková charakteristika [5] V tomto diagramu je na vodorovné ose vynesen moment M a na svislé ose úhlová rychlost ω. Osy rozdělují rovinu na čtyři kvadranty, které se číslují proti směru hodinových ručiček. VI. a III. kvadrantu je součin momentu a úhlové rychlosti kladný a proto tyto kvadranty nazýváme motorické. Podobně je ve II. a IV. kvadrantu je součin těchto dvou složek záporný a proto tyto kvadranty nazýváme generátorové.
Strana 19
Jednokvadrantové motory Pracovní bod jednokvadrantových motorů se nalézá v I. kvadrantu. Proto tyto motory mohou pracovat pouze s jedním směrem otáčení a nelze je elektricky brzdit. Dvoukvadrantové motory Tyto motory dovolují měnit smysl momentu při jednom směru otáčení tj. v I a II kvadrantu, nebo naopak dovolují měnit smysl otáčení bez možnosti změny smyslu momentu tj. v I a IV kvadrantu. Pracovní bod těchto motorů se vždy nalézá ve dvou sousedních kvadrantech. Čtyřkvadrantové motory U těchto motorů lze měnit smysl momentu i směr otáčení, a proto se pracovní bod může nacházet ve všech čtyřech kvadrantech diagramu. [5]
2.4 Rozdělení stejnosměrných elektromotorů podle zapojení
Obr. 2.6 Druhy zapojení stejnosměrných motorů: a) s cizím buzením, b) s paralelním buzením c) se sériovým buzením, d) s kompoudním buzením [5] Motor s cizím buzením Tyto motory mají dva elektrické obvody. Obvod buzení je od obvodu rotoru oddělen a každý z nich je napájen ze samostatného vnějšího zdroje, které mohou mít odlišnou velikost napětí. Schéma motoru s cizím buzením je na obr. 2.6a. Řízení rychlosti otáček je umožněno v maximálním rozsahu při optimální účinnosti. Otáčky jsou stabilní i při kolísání napětí. Před připojením rotoru ke zdroji musí být motor nabuzen, jinak nebezpečně narůstají oráčky a může dojít k mechanickému poškození rotoru. Motor s paralelním buzením Schéma zapojení motoru s paralelním buzením je na obr. 2.6b. Budicí vinutí je připojeno paralelně k vinutí rotoru, nesmí rovněž dojít k odbuzení rotoru. Motor má menší rozsah regulace otáček než motor s cizím buzením. Motor s paralelním buzením se v praxi používá jen tehdy, není-li nutné měnit rychlost otáček v širokých mezích. Oproti motoru s cizím buzením má výhodu jednoduššího napájení. K provozu stačí pouze jediný zdroj napětí U, realizovaný zpravidla jako neřízený usměrňovač.
Strana 20
Motor se sériovým buzením Zapojení motoru je naznačeno na obr. 2.6c. Budící vynutí o velkém průřezu a několika závitech je zapojeno do série s kotvou. Jedna z nejzávažnějších nevýhoda tohoto motoru je že při chodu naprázdno rotor dosáhne nebezpečně velkých otáček, musíme proto zajistit, aby motor se sériovým buzením pracoval vždy alespoň s minimální zátěží. Otáčky jsou velmi závislé na zatížení, sériový motor je značně přetížitelný, používá se tam, kde je nutný velký moment po krátkou dobu a kde přitom nevadí pokles otáček. Nevýhodou sériového morou je nemožnost brzdění pomocí rekuperace. Motor s kompoudním buzením Tyto typ motorů má sériové i paralelní budicí vinutí, což vidíme na obr. 2.5d, při chodu naprázdno se chová jako derivační motor. Při zatížení klesají otáčky rychleji než u derivačního motoru. Díky kombinaci je umožněn vyšší výkon. [5]
Strana 21
3 Řízení rychlosti otáčení stejnosměrných elektromotorů V následujících kapitolách jsou popsány používané způsoby řízení rychlosti otáčení stejnosměrných motorů. Některé způsoby se již nepoužívají pro nové stroje, protože jsou energeticky nevýhodné, ale stále se s nimi můžeme setkat ve straších zařízeních.
3.1 Změnou celkového odporu v obvodu kotvy K řízení rychlosti je použit rezistor Rs, který je zapojený do obvodu kotvy motoru tak jako na obr. 3.1a. Napětí Us i magnetický tok Φ se nemění. Rychlost naprázdno Ω0 je konstantní a sklon charakteristiky se nastavuje velikostí odporu RS . Na tomto odporu vznikají trvale ztráty. Pro svoji nehospodárnost lze řízení pomocí odporu použít jen u motoru velmi malých výkonu, nebo pouze pro rozběh motoru. [6]
a) Schéma zapojení b) Mechanické charakteristiky Obr. 3.1 Řízení rychlosti změnou odporu RS v obvodu kotvy. [6]
3.2 Změnou magnetického toku Φ K řízení rychlosti je použit rezistor Rs, který je zapojený do obvodu kotvy motoru tak jako na obr. 3.1a. Napětí Us i magnetický tok Φ se nemění. Rychlost naprázdno Ω0 je konstantní a sklon charakteristiky se nastavuje velikostí odporu RS . Na tomto odporu vznikají trvale ztráty. Pro svoji nehospodárnost lze řízení pomocí odporu použít jen u motoru velmi malých výkonu, nebo pouze pro rozběh motoru. [6]
a) Schéma zapojení b) Mechanické charakteristiky Obr. 3.2 Řízení rychlosti změnou budícího napětí [6]
Strana 22
3.3 Změnou napětí na kotvě V této části kapitoly jsou rozepsány dva způsoby změny napětí na kotvě. Při této změně napětí nedochází k poklesu proudu ani magnetického toku. Tyto způsoby řízení jsou hospodárnější než již zmíněné způsoby řízení rychlosti otáčení stejnosměrných elektromotorů. 3.3.1
Pomocí řízeného tyristorového usměrňovače
Změna velikosti přiváděného svorkového napětí U na svorky kotvy motoru lze provést pomocí fázově řízeného tyristorového usměrňovače. Schéma zapojení je znázorněno na obr. 3.3a. Změnou řídícího úhlu α u tyristoru lze řídit střední hodnotu výstupního napětí usměrňovače tj. napětí na kotvě motoru, proud Ib i magnetický tok Φ se nemění, čímž se mění pouze rychlost naprázdno. Na obr. 3.3b vidíme, že sklon mechanických charakteristik zůstává zachován. Výhodou tohoto řízení je plynulá změna rychlosti otáčení motoru v širokém rozsahu od nuly až do jmenovité rychlosti. Maximální moment motoru je dán nastaveným proudovým omezením v usměrňovači. Pro možnost řízení rychlosti a toku výkonu v obou směrech (motor - brzda) se používá k napájení kotvy motoru antiparalelní spojení usměrňovačů. Toto řízení je v důsledku velmi malých ztrát v motoru hospodárné. [6]
a) Schéma zapojení b) Mechanické charakteristiky Obr. 3.3 Řízení rychlosti změnou napětí na kotvě Ua [6] 3.3.2
Pulzní šířkovou modulací – PWM
Je to nejvíce používaný způsob řízení. Na obr. 3.4 je vidět že, základem této modulace je pevná nosná vlna fop = 1/Top a měronosnou veličinou je šířka impulzu T. PWM se modifikuje podle požadavků dané aplikace. Jednou z nejdůležitějších okolností je výběr počtu kvadrantů, se kterými se bude v dané aplikaci operovat. Aplikace mohou být jednokvadrantové, dvoukvadrantové a čtyřkvadrantové. [7]
Strana 23
Obr. 3.4 Průběh PWM modulace [7] Jednokvadrantové řízení PWM modulátor převádí vstupní napětí ui na interval T, a pomocí spínače periodicky řídí příkon motoru. Antiparalelní ochranná dioda je zapojena z důvodu vyloučení napěťové špičky při vypnutí spínače. Jednokvadrantovým řízením nelze řídit brzdění (obr. 3.5).
Obr. 3.5 Jednokvadrantové řízení unipolární PWM modulací [7] Dvoukvadrantové řízení Toto řízení dává obecnější možnosti řízení výkonu oproti řízení jednokvadrantovému. Dvoukvadrantové řízení umožňuje nejen řídit velikost výkonu, ale také určovat směr řízeného výkonu. Řídící napětí se pohybuje v rozsahu –Ui max ≤ ui ≤ +Ui max. Při dvoukvadrantovém řízení se používají dva spínače, které se řídí pulzní šířkovou modulací s několika možnými formáty, existuje několik možností, jak oba spínače řídit vhodnou PWM. Když je přívod energie na hřídel motoru z vnějšího zdroje větší, motor se změní v generátor a dvoukvadrantové řízení umožňuje řízené brzdění motoru. Základní zapojení dvojice spínačů pro dvoukvadrantové řízení je na obr. 3.6.
Strana 24
Unipolární modulace pro ui ≥ 0, kdy spínač T1 je ovládán unipolární modulací PWM1 při zavřeném spínači T2 (tlustá charakteristika obr. 3.6) a pro ui ≤ 0 je T2 ovládán unipolární modulací PWM2 při zařeném spínači T1 (tenká charakteristika obr. 3.6 ). Bipolární modulace, kdy v celém rozsahu napětí –Ui max ≤ ui ≤ +Ui max platí: (středně tenká charakteristika obr. 3.6). Při této modulaci platí pro ui = 0, že poměr T/Top = 0,5. [7]
Obr. 3.6 Dvoukvadrantové řízení výkonu na zátěži s modulací PWM [7] Čtyřkvadrantové řízení Čtyřkvadrantové řízení pomocí PWM umožňuje příkonu v obou smyslech otáčení motoru a umožňuje řízené rekuperační brzdění. Čtyřkvadrantové řízení je důležitým základem všech rychlostních i polohových servomechanismů. Nejběžnější zapojení tvoří můstkové uspořádání čtyř hlavních spínačů tak jako v obr. 3.7. Spínače 1 až 4 jsou tvořeny pomocí tranzistorů a podle aplikace buď unipolárních, nebo bipolárních. Nedílnou součástí každého spínače je antiparalelně zapojená dioda, která je u většiny používaných spínačů již obsažena v pouzdru. H můstek lze několika typy PWM. Nejčastěji se požaduje, aby se smysl otáčení řídil podle znaménka řídícího napětí ui. Použít lze PWM unipolární nebo bipolární.
Obr. 3.7 Čtyřkvadrantové řízení PWM modulací [7]
Strana 25
Unipolární modulace je na obr. 3.7znázorněna středně tenkou charakteristikou. Pří tomto druhu modulace se v první částí periody sepnou současně spínače 1,2 a v druhé části spínače 3,4. Důležitým stavem této modulace je stav kdy Ui = 0, při níž je poměr aktivní části periody k délce periody PWM rovna 1. T/Top = 1. Při tomto stavu se střední hodnota napětí na zátěži rovná nule, ale efektní nikoliv. Při tomto stavu se křídel motoru neotáčí, ale protéká jím proud, který se mění na teplo. Bipolární modulace PWM je na obr. 3.7 znázorněna tlustou čárou. Spínač 1 je pro kladné řídící napětí trvale sepnut T/Top = 1, spínač 2 je řízený PWM podle obr. 3.7 a spínače 3 a 4 jsou vypnuty. Pro záporná řídící napětí je trvale sepnut spínač 3 a PWM řídí spínač 4, spínače 1 a 2 jsou vypnuty. Při této modulaci je při nulovém řídícím napětí všechny spínače vypnuty a řízeni je téměř ideální. [7]
3.4 Řízením napětím kotvy i budícího proudu statoru Řízení se provádí změnou magnetického toku. Používá se pro řízení rychlosti motoru ve dvou rozsazích. V rozsahu od nuly po jmenovitou rychlost jde o řízení napětím kotvy při konstantním buzení. Nad rychlost jmenovitou jde o řízení zmenšováním budícího při konstantním jmenovitém napětí, kdy dojde k odbuzování. K realizaci se používá dvou řízených usměrňovačů, jejich zapojení je na obr. 3.4a.
a) Schéma zapojení b) Mechanické charakteristiky Obr. 3.4 Řízení rychlosti napětím kotvy Ua a budícím proudem Ib [6]
Strana 26
Strana 27
4 Snímače Pro řízení stejnosměrných komutátorových motorů je třeba snímat rychlost jejich otáčení, natočení a proud. Které z těchto veličin bude potřeba snímat, závisí na řízené veličině (rychlost/poloha) a na požadované dynamice řízení.
4.1 Snímání proudu 4.1.1
Odporový bočník
Bočník je nejznámější snímač proudu, který je tvořený úsekem vodiče s malým odporem Rb, zařazené do série s měřeným obvodem. Aby měřené napětí na bočníku nezáviselo na kmitočtu proudu, je nenutné minimalizovat jeho parazitní indukčnost a kapacity. Proto jsou bočníky pro široké pásmo kmitočtu konstrukčně značně náročné. Dosažení frekvenční chyby převodu menší než 0,1% pro vysoké kmitočty je jen velmi obtížné. Snímače pro měření velmi malých proudů, řádově pA, se principem neliší od bočníku, avšak jejich odpory dosahují hodnot až TΩ. Aby zapojením velkého Rb nedošlo k ovlivnění činnosti zdroje měřeného proudu, je nutné dodržet nerovnost Ri>>Rb, kde Ri je vnitřní odpor zdroje. Základním požadavkem je, aby spád minimálního měřeného proudu na Rb byl větší než šumové napětí zesilovače, použitého pro zesílení napětí na bočníku. Pro vstupní odpor zesilovače musí platit Rv >> Rb. 4.1.2
Proudový transformátor
Průvlečný proudový snímač je realizován proudovým transformátorem, který je zobrazen na obr. 4.1. V cestě měřeného proudu je primární vinutí transformátoru s malým počtem závitů, pro velké proudy stačí průvlek vodiče jádrem transformátoru. Jádro transformátoru je odklápěcí, aby nebylo nutné rozpojovat měřený obvod před měřením proudu. Pro průvlečný proudový snímač platí
(4.1) kde M je vzájemná indukčnost mezi primárním vodičem a sekundárním vinutím s počtem závitů N, indukčností L2 a odporem R2. Proudové transformátory se obvykle užívají při měření v rozvodných sítích, pro účely snímačů proudu musí být doplněny obvody pro získání aritmetické střední hodnoty nebo efektivní hodnoty měřeného proudu. Napájení těchto obvodů je většinou odvozeno přímo z měřeného zdroje. Výstupní veličinou je stejnosměrný proud. Tvarové zkreslení a přetížení mohou vést ke značným chybám. [8]
Strana 28
Obr. 4.1 Průvlečný snímač proudu [8] 4.1.3
Snímače proudu s Hallovou sondou
Snímače proudu s Hallovou sondou je jeden z nejpřesnějších snímačů. Magnetické pole vyvolané proudem v okolí vodiče má ve vzdálenosti r od středu tangenciální složku o hodnotě
(4.2) Tangenciální složka H je měřena buď jednou sondou, nebo pro zvýšení citlivosti celou řadou symetricky rozložených Hallových sond. Takto lze měřit pouze velké proudy I, výhodou je linearita a jednoduchá konstrukce. Známe dva principy takto měřeného proudu: -
princip uzavřené smyčky princip otevřené smyčky
Princip uzavřené smyčky Při tomto principu snímač detekuje odchylku od vyvážené polohy, kterou oproti magnetickému toku primárního vynutí vyrovnává vynutí kolem magnetického obvodu. Výhodou je vysoká přesnost v celé jeho veliké šířce pásma a to s vysokou přesností měření (Obr. 4.2a)
Obr. 4.2a Hallova sonda s uzavřenou smyčkou [8]
Strana 29
Indikuje-li Hallova sonda nulové pole v mezeře feromagnetického obvodu, pak platí (4.3) a výstupní napětí U2 je určeno vztahem
(4.4) Kompenzační metoda je vhodná i pro měření malých proudů a vyšší přesnost. Velké proudy v rozsahu jednotek A až několik kA jsou měřeny snímačem bez zpětné vazby, tj. měřením výstupního napětí Hallovy sondy z GaAs nebo InSb umístěné v mezeře o rozměrech 0,2 až 1 mm. Je nutno počítat s chybami nelinearitou a magnetickou remanencí materiálu feromagnetického obvodu. [8] Princip otevřené smyčky Pro tento princip je důležitá lineární závislost mezi Hallovým napětím a magnetickým tokem. Výhodou je nízká proudová spotřeba, která není závislá na měřené hodnotě. Tento princip neobsahuje sekundární vinutí, tak jako uzavřená smyčka. Tato smyčka je velmi odolná proti přetížení.(Obr 4.2b)
Obr. 4.2b Hallova sonda s otevřenou smyčkou [8]
4.2 Snímání otáček motoru Mezi tzv. „snímače otáček“ řadíme absolutní i inkrementální snímače natočení a snímače úhlové rychlosti. Snímače natočení se velmi často používají i k určování rychlosti otáčení (úhlové rychlosti), kdy se počítá rozdíl aktuálního a předchozího natočení. Ale většinu snímačů rychlosti otáčení nezle použít k určování celkového natočení, protože šum těchto snímačů znehodnocuje výsledky integrace. 4.2.1
Tachodynama
Tachodynamo (obr. 4.3) je stejnosměrný komutátorový generátor obvykle s kovovými kartáči, jehož rotor bývá nasazen na prodlouženém hřídeli motoru. Na kartáčích tohoto generátoru naměříme stejnosměrné napětí úměrné rychlosti otáčení rotoru generátoru.
Strana 30
Obr. 4.3. Rozložené tachodynamo [9] 4.2.2
Resolvery
Resolver je transformátor se dvěma sekundárními cívkami ve statoru, natočenými o 90°, jeho zapojení je na obr 4.4. Primární cívka je součástí rotoru, budicí cívka s externím napájením, která indukuje střídavé napětí. Napětí obou sekundárních cívek se s otáčením rotoru mění podle sinusovky s fázovým posunutím 90° elektrických. Resolver poskytuje přesnou informaci o poloze i rychlosti rotoru. [10]
Obr. 4.4. Elektrické schéma revolveru [10] 4.2.3
Inkrementální rotační snímače (IRC)
Rotační inkrementální snímač neboli enkodér, převádí rotační pohyb na elektrické impulzy. Je realizovaný kotoučem se značkami a příslušným snímačem na detekování přítomnosti a nepřítomnosti značky. Enkodér se používá v jednou, dvou nebo tří-kanálovém provedení. Pro zjištění informace o rychlosti otáčení stačí zjistit počet impulzů za určitý časový úsek, k čemu nám postačí použít pouze jediný kanál. Abychom zjistili i směr otáčení je nutno použít dvou signálů A a B, které jsou od sebe vzájemně posunuty o 90° elektrických stupňů. Třetí kanál se nazývá nulový impulz, který se provede vždy jednou za otáčku. Slouží k zjištění uhlu natočení. Opticky snímač pracuje na principu přerušování paprsku světla mezi zdrojem a snímačem. Světlo je vyzařováno diodou nebo laserem. Pro příjímání signálu jsou využity fotovoltajické součástky, kterou je například fototranzistor. K přerušování paprsku světla se využívá disku, který má po svém obvodu štěrbiny. Tento disk je spojen s hřídelí snímače. Při přerušování světelného paprsku dochází na fotovoltaickém prvku ke generování impulzu. Princip snímače je znázorněn na obr. 4.5. Optické snímače jsou nejpřesnější z používaných snímačů.
Strana 31
Obr. 4.5. Princip funkce inkrementálního rotačního snímače [11] Hall snímače a magnetické značky. Tyto snímače se používají tam, kde optické nejsou vhodné z důvodů náročných pracovních podmínek. Základem snímače jsou dva díly, čip s maticí hallových sond a dvoupólový magnet. Snímač reaguje pouze na složky kolmé k povrchu čipu, takže se snímače dají použít i v prostředí s magnetickým rušením. Hallovy sondy snímají změnu magnetického toku a vytvářejí napětí úměrné této změně. Hall snímače a ozubené kolo. Snímač zde detekuje změnu vzdálenosti, která je způsobena otáčením ozubeného kola kde se střídají výstupky a prohlubně. Měření je realizováno pomocí permanentního magnetu umístěného za Hallovým snímačem. Magnet generuje magnetické pole, jehož velikost se mění podle vzduchové mezeny před snímačem (obr. 4.6).
Obr. 4.6 Hall snímače a ozubené kolo [12] Indukční snímače a ozubené kolo. Tento snímač je založen na vzájemném působení mezi střídavým elektromagnetickým polem a kovovými vodiči. Indukční snímač vyhodnocuje změnu velikosti oscilační amplitudy, která je způsobena odebíráním energie z pole vlivem indukování vířivých proudu ve snímaném kovovém materiálu (obr. 4.7).
Obr. 4.7 Indukční snímače a ozubené kolo [13]
Strana 32
4.2.4
Absolutní enkodéry
Kromě inkrementálních enkodérů máme i tzv. absolutní. Zatím co inkrementální enkodéry detekují pouze změnu polohy o pevně daný minimální krok, absolutní enkodéry nám udávají polohu v rámci 360 stupňů. Toho je dosaženo zakódováním každé polohy natočení kotouče, tzn. že každému určitému úhlovému rozsahu odpovídá určitá jedinečná kombinace impulsů. Absolutní enkodéry v optickém provedení potřebují větší počet optických snímačů, jejichž počet odpovídá požadovanému rozlišení. Nejběžnější je provedení dle obr. 4.8, kde kotouč obsahuje 8 paralelních drah. Pro detekci je zapotřebí 8 optických snímačů, kde každý má vlastní dráhu. Pak informace o natočení může být binární posloupnost 11001110. [14, 15]
Obr. 4.8 Princip absolutního optického rotačního enkodéru [15]
Strana 33
5 Principy řízení 5.1 PSD regulátory PSD regulátor je odvozen z PID regulátoru [16, 17]. Tvoří jeho diskrétní formu a uplatňuje se v diskrétních systémech. Spojitý řídicí algoritmus PID regulátoru
(5.1) je pomocí metody zpětné diference nahrazen diskrétní verzí
(5.2) Značnou nevýhodou tohoto řídícího algoritmu je nutnost si pamatovat veškerou historii regulační odchylky e(iT). Tuto nevýhodu lze obejít pomocí výpočtu akčního zásahu u(kT) v aktuálním k-tém kroku. Náhrada PID regulátoru je znázorněna na obr. 5.1.
Obr. 5.1 Diskrétní náhrada regulátoru [16] Výpočet diference (5.3) kde
Následným přičtením vypočítané diference k minulé hodnotě akční veličiny získáme její aktuální stav (5.4) Tento upravený algoritmus potřebuje k výpočtu aktuální veličiny pouze dvě starší a současnou hodnotu, čímž se výpočet značně urychluje a odpadají nároky na paměť počítače. Známe-li nastavení spojitého PID regulátoru, tak lze jednoduše nalézt jeho ekvivalent pro PSD regulátor.
Strana 34
5.2 Kaskádové regulátory Kaskádovou regulaci lze použít jen tehdy, můžeme-li regulovaný proces rozdělit na více samostatných částí. Na část s rychlejší dynamikou a na část s dopravním zpožděním. Základem pro použití kaskády je schopnost měřit výstupy všech částí regulovaného procesu. Kaskádové zapojení působí podstatně rychleji a kvalitněji potlačuje vliv poruchy působící na regulovanou soustavu oproti klasickému jednosmyčkovému PID regulátoru. Kaskádní regulace využívá všechny měřené veličiny jednoho procesu, tím pádem mámě větší množství informací než u jednoduchého zapojení. Větší množství informací se projevuje na lepší kvalitě regulace. Při kompenzaci poruchy se projeví až desetinásobně menším přeregulováním a více než třikrát kratší dobou ustálení [18]. Kaskádní zapojení většinou tvoří dvě smyčky: vnější neboli primární smyčka a vnitřní neboli sekundární. Blokové schéma pro dvousmyčkovou kaskádní regulaci je na obr. 5.1.
Obr. 4.8 Uspořádání smyček pro dvoustupňovou kaskádní regulaci [19] Tři základní výhody při použití kaskády: První výhodou je potlačení chyby sekundárního procesu před tím, než začne ovlivňovat primární proces. Chyba na primárním procesu bude minimální. Druhou výhodou je urychlení reakce sekundárního procesu. Časová konstanta přenosu sekundární smyčky je menší než u klasického zapojení regulátoru, a tím se zvýší rychlost odezvy v primární smyčce. Třetí výhodou je tlumení sekundárního procesu pomocí sekundárního regulátoru a tím se tím se zlepšuje celková regulace. Z těchto tří důvodu je vidět jasné zlepšení kaskádního zapojení regulátoru oproti klasickému. U smyčkové regulace je vhodné, aby hlavni poruchy celého obvodu působily na sekundární obvod, protože zde je můžeme poměrně rychle a efektivně potlačit. Také je vhodné, aby sekundární smyčka byla rychlejší než primární. Poměr doby ustálení regulačních odezev v primární oproti sekundárním měl být 5. [19]
Strana 35
6 Realizace řízení stejnosměrného motoru Řízení stejnosměrného motoru jsem realizoval na real-time řídicím systému CompactRIO firmy National Instruments, v grafickém vývojovém prostředí LabVIEW od stejné firmy. Řídicí systém CompactRIO se skládá z real-time počítače s 32bitovým mikroprocesorem, šasi pro připojování modulů typů vstupů, výstupů a komunikačních rozhraní. Propojení real-time počítače s moduly je realizováno prostřednictvím hradlového pole (FPGA) osazeného v šasi. Řízení jsem ověřil na stejnosměrných motorech firmy MAXON a firmy BAUTZ. Použitá zařízení Motory a snímače MOTORY
MAXON DC
BAUTZ DC
Jmenovité napětí [V]
24
24
Průměr [mm]
36
57
12000
5300
Jm. krouticí moment [nNm]
70
71
Jmenovitý výkon [W]
70
100
Max. otáčky [ot/min]
ENKODÉR
AVAGO HEDS-5605#A13
Dílky na otáčku
500
Počet kanálů
ZDROJ
2
COUTANT LAMBAD
Výstupní napětí [V]
24
Max. proud [A]
20
Max výkon [W]
480
Strana 36
CompactRIO Procesorový modul
NI cRIO-9022
Processor
32bit, 533 MHz
Vnitřní paměť
FLASH 2GB, RAM 256MB DDR2
USB Port
Hi-Speed
Síťové připojení
2
Chassis
NI cRIO-9111
Sloty pro moduly
4
FPGA
Virtex-5 LX30
Analogové vstupy
NI 9205
Počet vstupů
16
Rozlišení/rychlost
16-bit, 250kS/s
Programovatelné vstupní rozsahy
±200 mV, ±1, ±5 a ±10 V
Digitální výstup a pulzní generátor
NI 9401
Počet kanálů
8
Rychlost kanálu
100ns
Strana 37
Obr. 6.1 Konfigurace experimentů
6.1 Struktura realizovaného software Software je rozděleno na dvě aplikace, aplikace pro ovládání vstupů a výstupů je realizována na FPGA a řídicí aplikace, které je realizována na real-time počítači a ovládá motor prostřednictvím FPGA. Komunikace FPGA a real-time aplikace probíhá přímo v režii LabVIEW bez nutnosti realizovat další programový kód. [20] 6.1.1
Začlenění řízení do software
K porovnání různých druhů regulátorů, je třeba tyto regulátory implementovat do hlavního VI „ovládaní motoru“. Aby nebylo nutné pří každé změně regulátoru přepojovat ostatní komponenty, tak bylo použito polymorfní VI, do kterého lze načíst VI s hotovými regulátory, které pak lze rychle a jednoduše zaměňovat. Polymorfní VI s výběrem některých regulátorů je na obr. 6.3.
Strana 38
Obr. 6.3 Polymorfní VI
6.2 Realizace řízení Z důvodu že na počítači nelze sestrojit PID regulátor je v LabVIEW realizován PSD regulátor, ale je zde představován jako PID. Tento regulátor jsem použil pro realizaci první regulace. Pro další regulace jsem si sestavil vlastní verze PSD regulátorů. 6.2.1
Zapojení PID regulátoru
Zapojení PID regulátoru je na obr. 6.4. Regulátor má omezený akční zásah, aby nedošlo k případnému poškození hardwaru. Do obvodu vstupuje informace o aktuálním proudu a PID regulátor reaguje na rozdíl zadané a naměřené hodnoty.
Obr. 6.4 Zapojení PID regulátoru 6.2.2
PSD regulátor
Vlastní PSD regulátor jsem si sestavil pomocí rovnic. K aproximaci integrálu za pomocí obdélníkové metody jsem použil vztah
(6.1)
Strana 39
Pro derivaci jsem využil aproximaci zpětnou diferencí
(6.2) Tyto vztahy jsem pomocí matematických bloků a aplikace MathScript zadal do programu a tak si vytvořil VI PSD regulátor (obr. 6.5).
Obr. 6.5 PSD regulátor Při změně regulované hodnoty se regulátor snaží vykompenzovat rozdíl mezi zadanou a aktuální veličinou, je-li tento rozdíl příliš velký, tak integrace vzroste na příliš velkou hodnotu a při dosažení žádaného stavu nestihne regulátor tuto integraci eliminovat a překmitne. Z tohoto důvodu jsem integraci omezil. 6.2.3
PSD s lichoběžníkovou metodou
Při nahrazení obdélníkové metody za lichoběžníkovou jsem nezaznamenal výraznější změny v chování regulace. Pro úpravu PSD regulátoru na tento tvar jsem použil vztahu
(6.3) Tato metoda je náročnější na paměť, protože si musíme pamatovat dva předchozí stavy. Tento problém je v LabVIEW jednoduše vyřešen za pomocí Shift Registru, který je schopen si zapamatovat mnoho předchozích stavů (obr 6.6).
Strana 40
Obr. 6.6 PSD regulátor s lichoběžníkovou metodou. 6.2.4
PSD s aproximovanou derivací a filtrem
Další krok správným směrem přinesla aproximace derivace. Toto řešení je prakticky nepoužitelné z důvodu příliš vysoké citlivosti na šum a jiné rušivé vlivy. Tento problém lze vyřešit dolní propusti prvního nebo druhého řádu. Jako filtraci jsem použil nejjednodušší jednokapacitní filtr.
(6.4) Doporučený rozsah parametru α je mezi 0,05 a 0,2. Zapojení tohoto regulátoru je na obr. 6.7.
Strana 41
Obr. 6.7 PSD s aproximovanou derivací a filtrem. 6.2.5
PSD s rekurzivní integrací Jako poslední úpravu jsem zvolil rekurzivní výpočet integrační složky.
(6.5) Tato modifikace nevyžaduje pamatování více předchozích stavů. Toto zapojení je na obr. 6.8.
Strana 42
Obr. 6.8 PSD s rekurzivní integrací 6.2.6
Regulace pomocí kaskádového zapojení regulátorů
Abych zlepšil dynamiku regulace, použil jsem kaskádní zapojení regulátorů, tak jako je tomu na obr. 6.8. Kaskádní zapojení lze použít jen za předpokladu, lze-li regulovaný obvod rozdělit na několik částí a je možné měřit výstupní hodnoty každé této části.
Obr. 6.8 Kaskádní zapojení regulátorů Při realizaci kaskádového zapojení jsem soustavu rozdělil na tři části: regulace proudu, rychlosti a polohy. Toto zapojení přineslo značné zlepšení regulované soustavy.
Strana 43
6.3 Ověření řízení Pro ověření správné regulace regulátoru jsem si do grafu vynášel zadanou a aktuální výstupní veličinu. Na obr. 6.9 jsou zobrazena poloha natočení hřídele a ve spodní části rychlost otáčení motoru. Červenou barvou je znázorněna aktuální hodnota dané veličiny a modrou je zakreslena požadovaná hodnota natočení. Při tomto měření jsem použil kaskádní zapojení PSD regulátoru s lichoběžníkovou metodou, aproximovanou derivací filtrem a rekurzivní integrací. Regulátor najíždí do cílové polohy s dobrou přesností a to bez jakýchkoli překmitů. Regulátor také dobře reguluje rychlost otáčení rotoru. Reakce na změnu požadované veličiny je vcelku rychlá a plynulá.
Strana 44
Obr. 6.9 Graf naměřených hodnot
Strana 45
7 Závěr Práce se zabývá možnostmi řízení stejnosměrných motorů. Na začátku práce je krátký úvod do principu činnosti a konstrukce stejnosměrných elektromotorů, včetně základních typů zapojení statorového vinutí a vynutí kotvy. V další části jsou zpracovány principy řízení rychlostí otáčení rotoru. Řízení pomocí změny celkového odporu v obvodu kotvy se již skoro nepoužívá díky ztrátám, které při tomto způsobu vznikají. Ale rozhodl jsem se ho zmínit z důvodu jeho velkého využívání před příchodem výpočetní techniky. Nyní je mnohem výhodnější a efektivnější využit k řízení PWM modulaci, kterou jsem použil při realizaci řízení stejnosměrného elektromotoru. Realizaci jsem provedl v grafickém vývojovém prostředí NI LabVIEW. Při sestavování jednotlivých regulátorů jsem vycházel z diskrétního PSD regulátoru a následně jsem ho pomocí získaných poznatků upravoval. Takto získané regulátory jsem nejdříve virtuálně a posléze i prakticky vyzkoušel a sledoval postupné změny v možnostech regulace. Finální regulátor jsem z důvodu dalšího vylepšení zapojil do kaskády, což mi umožnilo motor lépe regulovat za pomocí současné regulace proudu, rychlosti i polohy. Při sestavování regulátoru jsem získanou integraci omezil z důvodů jejího velkého růstu při větších skokových změnách požadované veličiny. Tento problém by byl zapotřebí dále prostudovat a vyřešit jej efektivnějším způsobem než jsem aplikoval v této práci. Pro měření proudy by bylo vhodné sestavit filtr k eliminaci šumu, což by vedlo k získání přesnějších výsledku a bylo by možné soustavu lépe regulovat.
Strana 46
Strana 47
8 Literatura [1] KUSALA, J. Svět energie [online]. 2003 [cit. 2010-05-20]. Dostupné z:
[2] Elektřina a magnetismus [online], [cit. 2010-01-13]. Dostupné z: http://www.vossost.cz/svab/elektross/elmotor_magnet/dc_elmotor.html> [3] Step motor & Servo motor Systems and controls. Compumotor.1996/1997. 114 s. [cit. 2010-03-19]. [4] MAXON, Malé stejnosměrné motory [online], poslední revize 18.07.2002, [cit. 201005-09]. Dostupné z: < http://www.uzimex.cz/soubory/20070103_maxon_serial.pdf> [5] PAVELKA, J. Elektrické pohony. Praha: ČVUT, 2007. 222 s. ISBN: 978-80-0103588-7. [6] SKALICKÝ, J. Elektrické servopohony. Brno: VUT V Brně,1999. 86 s. ISBN 80-2141484-7 [7] VYSOKY, O. Elektronické systémi II [online]. [cit. 2010-05-23]. Dostupné z: [8] ĎAĎO, S. Senzory a měřící obvody. ČVUT, 1996. 316s ISBN 80-01-02057-6 [9] MAXON MOTOR, Tachodynama - Snímače - maxon motor agI. [online], poslední revise 2006, [cit 18.05.2010] Dostupné z: [10] MAXON MOTOR, Resolvery - Snímače - maxon motor agI. [online], poslední revise 2006, [cit 18.05.2010] Dostupné z: [11] Ritek s.r.o. [online]. [cit. 2010-05-22]. Dostupné z: [12] Allegro MicroSystems, 2010, [online], [cit 2010-05-28]. Dostupné z: [13] Balluf [online], [cit 2010-05-12]. Dostupné z: [14] Avago Technologies, [online], 2010, [cit 2010-05-17]. Dostupné z: [15] Schmachtl [online], 2009, [cit 2010-05-14]. Dostupné z: http://jonatan.spse.pilsedu.cz/~mazanec/opticke_enkodery.htm [16] Technická univerzita v Liberci, [online], 2010, [cit 2010-05-25]. Dostupné z: < http://www.mti.tul.cz/files/zsr/cislicove-rizeni-PSD-regulator.pdf> [17] HLAVA, J. TU Liberec, Číslicové PID regulatory, [online], [cit 2010-05-26]. Dostupné z:
Strana 48
[18] SEBORG, D. – EDGAR, T. – MELLICHAMP, D. :Process Dynamics and Control. John Wiley-Sons 1989 [19] VELTERA, J. [online], 2010, [cit 2010-05-25], Dostupné z: [20] National Instruments Corporation, 2010, [2010-05-28], Dostupné z: < http://digital.ni.com/worldwide/czech.nsf/web/all/2CFA972502BEED1186256FF500494D 65?OpenDocument&node=202268_cs>
