Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
* Mgrinż.PiotrHabel,drhab.inż.JacekSnamina,KatedraAutomatyzacjiProcesów,WydziałInży-nieriiMechanicznejiRobotyki,AkademiaGórniczo-HutniczawKrakowie.
PIOTRHABEL,JACEKSNAMINA*
REGULATORPRĄDUSPRĘŻYNYMAGNETYCZNEJ
CURRENTREGULATOROFMAGNETICSPRING
S t r e s z c z e n i e
Artykuł dotyczy zastosowania regulatora prądu do sterowania siłą sprężynymagnetycznej.PrzedstawionokoncepcjęwykorzystaniageneratoraPWMdosterowanianatężeniemwobwo-dzieelektrycznymsprężynymagnetycznej.WykorzystanozasilaczstałoprądowyMeanWellSP-320-24.NatężenieprąduzmierzonoprzetwornikiemprądowymLEMLTS15-NP.Wyzna-czono stałą czasową obwodu elektrycznego sprężynymagnetycznej i jejwynik porównano zrezultatemobliczeńanalitycznych.Wwynikuprzeprowadzonychbadańsporządzonocharak-terystykinatężeniaprądupłynącegowcewkachwfunkcjinapięciawejściowegoregulatoradlazakresuczęstotliwościod0,1Hzdo20Hz.
Słowa kluczowe: sprężyna magnetyczna, sterowanie, regulator prądu
A b s t r a c t
Thearticlepresentsthespecialcurrentregulatordesignedtosupplythemagneticspring.Itwasdescribedthemethodofcurrentcontrolbyusingtheregulator.InthesupplyingsystemtheDCpowersupplyadaptorMeanWellSP-320-24wasemployed.ThemeasurementofthecurrentwasrealizedusingthecurrenttransducerLEMLTS15-NP.Thetime-constantofthemagneticspringcircuit,determinedfromexperiments,wascomparedtotheresultofcalculations.Thefinaleffectofexperimentswasthecurrent-voltagecharacteristicdoneforthecurrentregulatorforfrequencyrange0,1–20Hz.
Keywords: magnetic spring, control, current regulator
94
1. Wstęp
Artykułdotyczyistotnegozpraktycznegopunktuwidzeniazagadnieniatłumieniadrgańmechanicznychprzywykorzystaniuinnowacyjnychukładów.Takimukłademjeststerowanasprężynamagnetycznaprzestawionanarys.1.Sprężynamagnetycznajestukładem,wktó-rymsztywnośćjestefektemoddziaływaniaspecjalniekształtowanegopolamagnetycznego.Sprężynęzaprojektowanowceluwykorzystania jejwukładach redukcji drgań.Do reali-zacji założonych algorytmów wibroizolacji w rzeczywistych układach należy zbudowaćodpowiedniregulatorprąduzasilającegocewkisprężynymagnetycznej.Gotowesterowal-nezasilaczestałoprądoweumożliwiajązmianynatężeniaprąduwmałymzakresie,częstozwyłączeniemzmianykierunkupolaryzacji.ZaistniałasytuacjaspowodowałakoniecznośćzmodyfikowaniaistniejącegorozwiązaniaregulatoraPWMdlapotrzebobwoduelektryczne-gosprężynymagnetycznej.
Rys.1.Sprężynamagnetyczna
Fig.1.Magneticspring
2. Charakterystyka regulatora prądu
Przedstawionenarys.2.urządzeniejestregulatoremprąduwzakresie0–5Azmożliwo-ściązmianypolaryzacji.Opisanyregulatorprądujestzmodyfikowanymregulatoremszerzejopisanymw[3].Parametrytechniczneregulatoraprzedstawionowtabeli1.PracąurządzeniasterujemikrokontrolerATiny45.Stabilizator78L05wraz zkondensatorami100nFMKTi100µF/25Vdostarczanapięcie5VdlamikrokontroleraATiny45,któryjeststerownikiemPWM.TranzystoryBC547wrazzrezystorami4,7kΩdopasowująpoziomynapięćdlabra-mekukładuHEF4069UBbędącegosterownikiemtranzystorówwyjściowych.WewnętrznytimermikrokontrolerapełnifunkcjęgeneratoraPWM,wktórymwypełnienieimpulsujestproporcjonalnedonapięcianawejściuprzetwornikaanalogowo-cyfrowegowbudowanegowmikrokontroler.CzęstotliwośćpracygeneratoraPWMwynosi500Hz.Pracęregulatora
95
sygnalizujeżółtadiodaLED.Parametremregulującymnatężenieprądujestnapięcie(wza-kresieod0do5V),którejestzadawanezapomocąkartykontrolno-pomiarowej.Możemyzatem uzyskać efektmodulacji PWMzadany przebiegiem zmiennym.Układ pracuje po-prawniedlanapięciado24V.WstawionoukładzabezpieczającywpostacidiodyZenera20V,którachroniukładHEF4069UBprzedwzrostemnapięciaponad20V.Wwynikupra-cyimpulsowej,natranzystorachwyjściowychIRF3205orazIRF4905wydzielasięciepło.Wceluzwiększeniachłodzeniawstawionowentylator12VzukłademzasilaniaKA7812.TranzystoryIRF320iIRF4905orazukładKA7812umieszczononaradiatorzechłodzonymdodatkowowentylatorem.
Rys.2.Regulatorprądusprężynymagnetycznej
Fig.2.CurrentregulatorofmagneticspringT a b e l a 1
Parametry techniczne regulatora prądu
Parametr WartośćNapięciezasilaniaU 24VNapięciewejścioweUr 0–5V
Maksymalnyprądwyjściowyi ±5ACzęstotliwośćpracyregulatoraPWM 500Hz
WcelupomiarunatężeniaprąduwykorzystanoprzetwornikprądowyLEMLTS15-NPprzedstawionynarys.3.,natomiastparametryprzetwornikazawartowtabeli2.
96Ta b e l a 2
Parametry techniczne przetwornika prądu
Parametr WartośćNapięciezasilania 5VNapięciewyjściowe 0–5V
Maksymalnyprądwejściowy ±5ARezystancjaprzetwornika 0,18mΩIndukcyjnośćprzetwornika 0,013µH
Czułość 41,6mV/A
Rys.3.Przetwornikprądu
Fig.3.Currenttransducer
3. Zastosowanie
Regulatorprądusprężynymagnetycznejzostałprzetestowanynastanowiskulaboratoryj-nym.Pomiaryzostaływykonanewukładzieotwartymregulatora.Wynikizaprezentowanowpostaciwykresównapięciaoraznatężeniaprądu.Stanowiskolaboratoryjneskładasięze:sprężynymagnetycznej,regulatoraprąduzzasilaczemstałoprądowymMeanWellSP-320-24,przetwornikaprąduLEMLTS15-NPorazukładukontrolno-pomiarowego(komputerPCzkartąwejść/wyjśćNationalInstrumentUSB-6341orazśrodowiskiemLabVIEW).Schematstanowiskaprzedstawiononarys.4.
97
Rys.4.Schematblokowysprężynymagnetycznejzregulatoremprądu
Fig.4.Blockdiagramofmagneticspringwithcurrentregulator
NapięcieUjestzadaneprzezkartękontrolno-pomiarową.Natężenieprąduijestwielkościązmienianąnasygnałnapięciowywzakresieod0do5Vipróbkowanązczęstotliwością20kHz.Przykładowyprzebiegczasowynapięciainatężeniaprąduzostałprzedstawionynarys.5.
Rys.5.PrzebiegczasowynapięciaUoraznatężeniaprądui
Fig.5.TimehistoriesofvoltageUandcurrenti
Otrzymanysygnałnatężeniaprąduijestodpowiedziąnazadanyprostokątnysygnałna-pięciowyUoczęstotliwości2Hzorazamplitudzie2Vdlaprzesunięciawynoszącego2,5V.
Prądwobwodziezindukcyjnościąniemożesięnaglezmieniać.Szybkośćnarastaniaprą-duijestzwiązanazestałączasowąτobwodu.Obwódelektrycznysprężynymagnetycznejzawieraczterycewkipołączonerównolegle.Parametrycewekorazsposóbichwyznaczeniazostałopisanyw[1].Rezystancjapojedynczejcewkiwynosi3,2Ω.Indukcyjnośćcewkijestfunkcjąnieliniowąwspółrzędnejodpowiadającejpołożeniuwałkaprowadzącego.Wartośćindukcyjnościwpołożeniurównowagistatycznejukładuwynosi12mH.ObwódelektrycznysprężynymagnetycznejmożebyćrozpatrywanyzdobrymprzybliżeniemjakoobwódRL.WrozpatrywanymobwodzieelektrycznymRLstałaczasowaτRL(przyzałożeniusindukcyjno-ściwpołożeniurównowagistatycznejsprężyny)wynosi:
τRLL x
R=
== =
( ) mH,
, s0 123 2
0 00375Ω
(1)
98
Stałączasowąmożnarównieżwyliczyćnapodstawieodpowiedziukładunasygnałsko-ku.Zarejestrowanysygnałskokuiodpowiedźukładuprzedstawiononarys.6.
Rys.6.Przebiegiczasowe:(a)zadanyskoknapięciaU,(b)odpowiedźprądui
Fig.6.Timehistoriesof:(a)impulsefunctionofvoltageU,(b)currentresponsei
Wrozpatrywanymprzypadkuwchwilit1=5,1094szadanoskoknapięciaodwartości 2,5Vdowartości4,5V.Wartośćnapięcia4,5Vnawejściuukładusterowaniaodpowiadawartościprądui1=2,75Awstanieustalonym.Wyznaczonowartośćnatężeniaprądui2poupływieczasurównegostałejczasowej,liczącodchwiliwystąpieniaskokunapięcia.
i e i21
11 0 6321 2 75 1 738= − = ⋅ =−( ) , , , A (2)
Napodstawieobliczonejwartościi2odczytanozprzebieguczasowegoi(t)(rys.6b)wartośćt2=5,1132s.Stałączasowąmożnawyznaczyćobliczającróżnicę:
τskok , , , s= − = − =t t2 1 5 1132 5 1094 0 0038 (3)
Błądbezwzględnywyznaczeniastałejczasowejwynosi:
∆τ τ τ= − = − =skok , , , sRL 0 0038 0 00375 0 00005 (4)
abłądwzględnypomiarustałejczasowejmawartość:
δτ
ττ= =∆
RL
0 000050 00375,,
1,33% (5)
Błądwzględnynapoziomieok.1%świadczyopoprawniewykonanychpomiarachpara-metrówelektrycznychobwoduRLsprężynymagnetycznej.
99
Istotnym elementem badania układów automatyki jest analiza zachowania się układuprzywymuszeniu sinusoidalnie zmiennymo różnych częstotliwościach.Wyznaczonodo-świadczalnie charakterystyki napięciowo-prądowe rozważanegoukładudla częstotliwości{0,1;5;10;15;20}Hz.Wynikiprzedstawiononarys.7.
Rys.7.Charakterystykanapięciowo-prądowa
Fig.7.Voltage-currentcharacteristic
4. Wnioski
Wpracyprzedstawionobudowęorazwyniki badań laboratoryjnych sterownikaprąduskonstruowanegodozasilaniaobwodusprężynymagnetycznej.Zaproponowanysterownikpozwalanauzyskanieprąduwcewkachwzakresieod–5do5A.Wyznaczonastałaczaso-waobwoduelektrycznegosprężynymagnetycznejzostałapotwierdzonaobliczeniamianali-tycznymi.Wyznaczonocharakterystykinapięciowo-prądowesterownikadlaczęstotliwościzzakresuod0,1do20Hz.Zastosowaniezasilaczaowiększejwartościnapięciapozwoliłobynauzyskaniewiększejwartościprądu,wówczasukładzabezpieczeniamusiałbyzostaćzmo-dyfikowany.
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr N N501 228940.
L i t e r a t u r a
[1] SnaminaJ.,Habel P.,Wyniki badań symulacyjnych układu sterowania napięciem za-silania sprężyny magnetycznej,ModelowanieInżynierskie,Nr43,PolitechnikaŚląska,Gliwice2012.
[2] SnaminaJ.,Habel P.,Magnetic spring as the element of vibration reduction system.MechanicsandControl,Vol.29,No.1,AGH,Kraków2010.
[3] Sosnowski D., Generator PWM – regulator mocy silnika DC,ElektronikaPrakty-cznaNr8,2008.