Разработка лабораторного стенда для исследования электропривода постоянного тока с использованием АЦП и ПК

 

Для получения статических  и динамических характеристик работы привода необходимо:

1. Включить испытательную установку.
2. Запустить программу Diagnostic и нажать на кнопку “Старт”.
3. В течение времени, пока программа производит измерение параметров работы привода, плавно изменять момент сопротивления на валу электродвигателя.
4. После завершения программой процесса измерения отключить испытательный стенд.

Результаты каждого  замера, снятого в течение всего  времени проведения испытания работы двигателя, записываются в оперативную память компьютера, а также сохраняются в указанный с помощью кнопки “Записывать” файл на жестком диске. В последующем, для повторного исследования характера поведения привода в различных режимах, данные из этого файла могут быть загружены в программу с помощью кнопки “Загрузить”.

 

Рисунок 5. Пример Окна с осциллограммой работы привода

 

Для просмотра снятых с АЦП при последнем испытании  или загруженных из файла значений измеренных переменных необходимо запустить файл adcshow.exe. На экране компьютера появится новое окно (Рисунок 5). Затем нажать кнопку «Загрузить» и выбрать в появившемся окне файл temp.adc, представляющий собой массив данных. После обработки массива на экране отобразятся осциллограммы изменения во времени тока якорной цепи двигателя и частоты вращения. Движок “Время” служит для перемещения просматриваемого участка осциллограммы от начала до завершения времени проведения испытания работы привода. Положение переключателя “Развертка”  определяет продолжительность временного интервала, который отображается в окне осциллограмм и может принимать следующие значения: 0.005c, 0.01c, 0.02c, 0.05c, 0.1c, 0.5c, 1c, 5c, 10c, 50c, 100c.  Для сохранения отображаемой на экране компьютера осциллограммы в виде рисунка в .bmp формате требуется нажать на кнопку “Сохранить”, после чего указать имя, под которым нужно сохранить рисунок.  После закрытия окна с осциллограммами пользователь возвращается к основному окну программы Diagnostic.

По завершению программой процесса измерения или после  загрузки файла с сохраненными результатами предыдущего измерения полученные с АЦП данные упорядочиваются, и по ним в памяти компьютера формируется график зависимости угловой скорости от момента.

Для просмотра построенных  графиков необходимо нажать на кнопку “Нагр. хар.”, в основном окне программы  Diagnostic – на экране компьютера появится новое окно “Зависимость…”, общий вид которого  приведен на рисунке 6. Выбор типа отображаемого в окне графика осуществляется через горизонтальное меню “График” в верхней части окна. После каждого последующего запуска процесса снятия характеристик с работающего привода на графиках зависимостей будут добавляться новые линии, определяющие характер поведения привода при последнем измерении. При этом линии, полученные по результатам предыдущих измерений, будут сохранены с целью получения семейства характеристик работы привода в различных режимах.

 

Рисунок 6. Пример окна с характеристиками работы привода.

 

Очистить поля всех графиков можно выбором пункта “Очистить” в меню “График”. Для сохранения отображаемого на экране графика  в виде рисунка в .bmp формате необходимо в разделе горизонтального меню “Файл” выбрать пункт “Сохранить”, после чего требуется указать имя, под которым необходимо сохранить рисунок.  После закрытия окна с графиками пользователь возвращается к основному окну программы Diagnostic.

 

 

 

 

 

2. Экспериментальная часть

1. Краткие теоретические сведения по статическим характеристикам  исследуемого  электропривода

 

В предположении, что  в рабочем диапазоне зависимость  выходного напряжения генератора от входного напряжения  транзисторного усилителя линейная, выражения для скоростных характеристик электропривода имеют вид

 

- для разомкнутого электропривода,

 

- для замкнутого электропривода,

где Ω, I – угловая частота вращения и ток электродвигателя;

        U_ВХ – задающее напряжение;

К₀ – коэффициент усиления транзисторного усилителя и генератора;

К – общий коэффициент  усиления разомкнутой системы;

С_Е – коэффициент пропорциональности между угловой частотой и ЭДС вращения якоря;

R_Э – суммарное сопротивление якорной цени электродвигателя.

 

Как следует из приведенных  формул, при одной и той же величине задающего напряжения при введении обратной связи угловая скорость идеального холостого хода (при токе якоря I = 0) уменьшается в 1+К раз. Во столько же раз уменьшается коэффициент наклона скоростной характеристики, т.е., благодаря обратной связи, характеристика становиться более жесткой, а привод менее чувствительным к изменению нагрузки на валу электродвигателя.

 

 

Рисунок 7. Графики скоростных характеристик

2. Измерение частоты вращения выходного вала

 

При разработке стенда с учетом использования его в базовом (без применения компьютера) варианте для контроля угловой скорости и возможности тарировки был применен блок «Частотомер-генератор» лабораторного стенда по электротехнике ЛСЭ-2 и фотоэлектрический датчик скорости.

Второй примененный способ для измерения частоты вращения выходного вала – пропорциональное преобразование в напряжение тахогенератором постоянного тока.

Напряжение, вырабатываемое тахогенератором, составляет 10-12В. Для  обеспечения возможности измерения  этого напряжения с помощью приборов с допустимым входным напряжением от 0 до 5В и последующим преобразованием в частоту вращения выходного вала установлен делитель напряжения. Величина напряжения в этом случае определяется по формуле:

,

где U_д – напряжение на выходе делителя.

3. Измерение тока двигателя

 

Для измерения тока двигателя  в цепи якоря установлен измерительный  шунт. Косвенное измерение тока производится по величине падения напряжения на этом шунте согласно формуле формуле:

.

4. Измерительный комплекс, используемый для снятия статических и динамических характеристик работы электропривода

 

Для измерения потребляемого  двигателем тока и частоты вращения, записи и последующей обработки полученных результатов измерения используется персональный компьютер совместно с платой цифро-аналогового преобразования данных L-154 фирмы L-Card. Основное назначение платы L-154 - преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, пригодную для обработки компьютером. Кроме того, данная плата имеет ряд дополнительных возможностей, позволяющих вводить/выводить в/из компьютер(а) цифровые сигналы TTL уровня, а также выводить из компьютера аналоговый сигнал с помощью установленного на плате цифро-аналогового преобразователя. Дополнительные возможности платы в данной работе не задействованы.

Каналы АЦП платы L-154 подключены к испытательному стенду экранированным кабелем типа «витая пара» в дифференциальном режиме в следующей последовательности:

Канал 0 – Напряжение с шунта, установленного в якорной  цепи электродвигателя.

Канал 1 – Напряжение, пропорциональное вырабатываемому  тахогенертором, уменьшенное с помощью делителя напряжения.

Каналы 0 и 1 настроены  на уровень входного напряжения не превышающего ±2.56В.

L-154 – универсальная плата на шину ISA без сигнального процессора. Она обеспечивает выполнение функций АЦП, ЦАП, ввода/вывода цифровых сигналов. Ввод данных в ПК осуществляется в программном режиме или в режиме генерации прерываний. Переключение каналов при многоканальном режиме сбора данных – программное, с произвольным порядком выборки канала и коэффициента усиления.

 

 

Рисунок 8. Общий вид  программно-аппаратного комплекса.

 

 

Таблица 1. Технические характеристики платы L-154

АЦП
Количество каналов	16 дифференциальных или  32 с общей землей
Разрядность АЦП	12 бит
Эффективная разрядность  (вх. сигнал – синус 100 Гц / 2 В)	10,9 бит  (частота преобразования 1кГц)
Время преобразования	1.7 мкс
Максимальная частота  преобразования	70 кГц
Входное сопротивление	2 МОм
Диапазон входного сигнала	±5.12 В; ±2,56 В; ±1.024 В
Синхронизация	внешний сигнал / по уровню аналогового сигнала
Защита входов:  питание вкл.  питание выкл.	±20 В  ±10 В
Межканальное прохождение  на частоте 10 кГц	-72 дБ
Полоса пропускания	не более 250 кГц
ЦАП
Количество каналов		1
Разрядность		12 бит
Время установления		10 мкс
Выходной диапазон		± 5.12 В
Цифровые входы и выходы
Кол-во входов		8
Кол-во выходов		8
Тип логики		ТТЛШ
Напряжение низкого уровня		min 0.0 B, max 0.4 B
Напряжение высокого уровня		min 2.5 B, max 5.0 B
Габариты       150x115мм

 

 

5. Снятие статических характеристик электропривода постоянного тока и их анализ

 

В результате экспериментов  были получены семейства электромеханических характеристик привода (рисунки 9, 10, 11).

Вид полученных характеристик  говорит о недостаточной эффективности  примененной обратной связи для  стабилизации частоты вращения с  ростом нагрузки. Это вызвано невысоким коэффициентом усиления системы стабилизации.

 

 

Рисунок 9. Статические  характеристики системы Г-Д

без обратной связи при  различных нагрузках на валу двигателя

 

Рисунок 10. То же, но с  обратной связью по угловой скорости

 

 

Рисунок 11. Статические  характеристики системы Г-Д объединенные

Как видно из приведенных  выше графиков при введении обратной связи угловая скорость выходного вала уменьшилась. Одновременно уменьшился коэффициент наклона скоростной характеристики, т.е., благодаря обратной связи, характеристика стала более жесткой, а привод менее чувствительным к изменению нагрузки на валу электродвигателя.

6. Снятие динамических характеристик электропривода постоянного тока и их анализ

 

В результате экспериментов  были получены семейства динамических характеристик.

На рисунках 12 – 14 приведены графики  переходного процесса в системе  «Генератор – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением» без ОС при различных нагрузках на валу двигателя и при развертке 1 секунда. Характер переходного процесса – небольшая длительность при малой колебательности.

На рисунках 15 – 17 приведены графики переходного процесса в системе «Генератор – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением» с включенной ОС при различных нагрузках на валу двигателя и при развертке 1 секунда. Характер переходного процесса – небольшая длительность при малой колебательности.

На графиках четко видна зависимость  величины тока двигателя от нагрузки на валу. При включенной ОС установившееся значение угловой скорости выходного вала на 20% ниже чем при отключенной ОС. Амплитудное значение тока в момент включения и установившееся значение тока в среднем на 5% ниже  при введенной ОС. На графиках видно зависимость величины тока двигателя от нагрузки на валу.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12. Переходной процесс  в системе Г-Д.

ОС отключена. Нагрузка 0%. Развертка 1 с.

 

 

Рисунок 13. То же. Нагрузка 50%. Развертка 1 с.

 

 

Рисунок 14. То же. Нагрузка 100%. Развертка 1 с.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15. Переходной процесс  в системе Г-Д.

ОС включена. Нагрузка 0%. Развертка 1 с.

 

 

Рисунок 16. То же. Нагрузка 50%. Развертка 1 с.

 

 

Рисунок 17. То же. Нагрузка 100%. Развертка 1 с.

7. Определение параметров электропривода постоянного тока

 

Для теоретического анализа  переходных процессов и моделирования  электропривода необходимо экспериментально определить следующие параметры его элементов: