PROJEKT ZAUTOMATYZOWANEJ WIELOZADANIOWEJ HAMOWNI SILNIKÓW BLDC

Transkrypt

1 irosław NOWAKOWSK, Jarosław CSZKOWSK, Sebastian RUTKOWSK, Karol ŁOSEK, Wojciech LORENC PROJEKT ZAUTOATYZOWANEJ WELOZADANOWEJ HAOWN SLNKÓW BLDC W artkule omówion ostał projekt koncepcjn hamowni silników bescotkowch wchodącch w skład espołu napędowego beałogowch statków powietrnch. Celem projektu jest wkonanie stanowiska do pomiaru parametrów espołu napędowego. Analiie będą podlegał takie parametr jak: moment obrotow silnika, siła ciągu, temperatura silnika, prędkość obrotowa silnika, prąd pobieran pre układ napędow, sprawność silnika, wibracje. Analia w/w parametrów powoli na opracowanie metod detekcji i kompensacji defektów silnika, określenie resursu układu napędowego, opracowanie ba danch espołów napędowch, co umożliwi sbkie i efektwne projektowanie BSP. WSTĘP Dnamicn rowój elektrcnch silników bescotkowch prądu stałego (BLDC) sprawia, że najdują one astosowanie w nowch gałęiach premsłu, w tm także w lotnictwie beałogowm. Wspomniane silniki posiadają sereg alet, dięki którm mogą bć one stosowane w espołach napędowch beałogowch statków powietrnch, jak również do stabiliacji i sterowania głowic obserwacjnch. ch główną aletą w porównaniu e stosowanmi dawniej silnikami elektrcnmi wposażonmi w komutator mechanicne ora scotki jest duż stosunek uskanej moc w relacji do mas własnej. Ponadto silniki bescotkowe BLDC cechują się dłużsą żwotnością w porównaniu do popredników. Podwżsona żwotność wnika głównie braku grafitowch scotek, które dociskane do komutatora wcierał się w casie eksploatacji. Silnik BLDC pokaano na rsunku 1. prędkość obrotowa, moment obrotow, wmiar ewnętrne. Różnorodność potreb użtkowników BSP wmusa na producentach beałogowców koniecność preprowadania testów espołów napędowch, celem ocen parametrów i charakterstk prac silnika w całm jego akresie użtkowm. Wieda ta powoli na optmalne projektowanie BSP e wględu na asięg i długotrwałość lotu, więksą prędkość prelotową c masę prenosonego ładunku. 1. BUDOWA ZASADA DZAŁANA HAOWN Projekt hamowni prewiduje jej modułową konstrukcję, powalającą na modfikowanie budow w sbki i łatw dla użtkownika sposób, w ależności od potreb. Hamownia umożliwi testowanie espołów napędowch w następującch konfiguracjach: pojednc silnik e śmigłem ciągnącm/pchającm (rs. 2), dwa silniki w układie preciwbieżnm (dwa śmigła ustawione współosiowo, obracające się w preciwnch kierunkach), (rs. 3). Rs. 1. Budowa silnika BLDC Elementami jakich składa się silnik BLDC są najcęściej: wirująca obudowa magnesami, statcn korpus nawiniętmi uwojeniami, element mocujące obudowę korpusem: oś, podkładka i pierścień Seegera. Z uwagi na brak mechanicnego komutatora w celu uruchomienia silnika BLDC koniecne jest astosowanie komutatora elektronicnego. Podstawowmi parametrami silników BLDC są: napięcie asilania, Rs. 2. Pojednc silnik e śmigłem ciągnącm 6/2017 AUTOBUSY 985

2 Rs. 3. Układ preciwbieżn śmigieł Zasada diałania hamowni sprowadałab się do pomiaru w casie recwistm następującch parametrów: napięcia U [V], natężenia prądu pobieranego pre układ napędow [A], prędkości obrotowej silnika nmotor [obr/min], momentu obrotowego silnika o_motor [Nm], temperatur silnika T [ o C], sił ciągu F [N], wibracji silnika i be śmigła. 2. CZUJNK POAROWE Pomiar poscególnch parametrów będą realiowane pre odpowiednie cujniki do pomiaru danch wielkości. Pregląd cujników wra ich krótkim opisem będą stanowił kolejne podrodiał Pomiar sił ciągu i momentu obrotowego Do pomiaru sił ciągu ora momentu obrotowego ostanie astosowan cujnik w postaci belki tensometrcnej. W prpadku pomiaru sił ciągu wstarc astosować jedną belkę prostopadłą do wektora sił ciągu, natomiast w prpadku momentu obrotowego koniecne jest astosowanie dwóch belek ułożonch w jednej płascźnie, do którch silnik będie prmocowan pregubowo popre specjalnie aprojektowane łoże. Zastosowanie pregubów płaskich, w postaci awiasów weliminuje negatwne diałanie momentów skręcającch belki, a tm samm wpłnie na dokładność wników. Opisaną powżej ideę preentują rsunki 2 i 3. Rdeń belki tensometrcnej wkonan jest metalu. Kstałt ewnętrn rdenia ora wdrążone w nim otwor apewniają jednokierunkow i jednorodn rokład naprężeń ora maksmalne odkstałcenie. Ponadto wspomniane otwor wpłwają potwnie na więksenie wtrmałości belki na diałanie momentów skręcającch. Na rsunku 4 ostała predstawiona budowa belki tensometrcnej. Na podstawie powżsch danch, program komputerow wnacać będie następujące wielkości pochodne: prędkość kątową silnika ωmotor [rad/s]: 2 motor n motor (1) 60 moc mechanicną silnika Pm_motor [W]: Pm _ motor o _ motormotor (2) moc elektrcną silnika Pe_motor [W]: P e _ motor U (3) sprawność silnika ηmotor [%]: Pm _ motor motor (4) P sprawność śmigła ηpropeller [%]: propeller e _ motor F P (5) m _ motor Należ wrócić uwagę na fakt, że moc mechanicna silnika jest równa moc mechanicnej śmigła. Wnika to stąd, że cała moc mechanicna silnika jest bepośrednio prekawana na śmigło popre wał napędow (nie wstępuje redukcja moc). Całkowita sprawność espołu napędowego ależ od prawidłowego doboru silnika e śmigłem i jest definiowana worem: (6) ZN propeller motor Pomiar parametrów niebędnch do wnacenia poscególnch sprawności ostanie wkonan na asadie jednocesnej rejestracji napięcia, natężenia prądu, prędkości obrotowej, momentu obrotowego ora sił ciągu. Rs. 4. Budowa belki tensometrcnej Budowa i asada diałania tensometrów oporowch Podstawowm elementem wchodącm w skład belki tensometrcnej jest tensometr restancjn. dea pomiarów tensometrcnch sprowada się do pomiaru odkstałceń na powierchni danego ciała. Tensometria restancjna oparta jest na powsechnie nanej własności ficnej prewodników, polegającej na mianie restancji, wskutek mian preeń długości. Zasadę diałania tensometru można opisać w następując sposób. Cujnik umiescon na badanej powierchni, nie poddanej odkstałceniu posiada opór elektrcn opisan worem (7): R l S (7) gdie: ρ- opór właściw l długość prewodnika S- pole prekroju poprecnego prewodnika Jeżeli tensometr ulegnie odkstałceniu wra elementem konstrukcji, które wrośnie o Δl, to wór (7) prjmie postać: l R (8) S Powżsa ależność ma charakter uproscon, gdż prrost długości wpłwa na strukturę wewnętrną materiału, stąd ρ musi ulec mianie. Według uogólnionego prawa Hooke a prekrój poprecn również ulegnie mianie (wpłw współcnnika Poissona ν). 986 AUTOBUSY 6/2017

3 S Stosując podstawienie na odkstałcenie wględne l l l Logartmując a następnie różnickując wiąek (8) otrmujem: dr d dl ds (9) R l S Dla skońconch prrostów formuła (9) wnosi: R l S (10) R l S Dla prewodnika o prekroju kwadratowm i boku równm a mam ależność: S a 2 (11) S a a po uwględnieniu prawa Hooke a: S l 2 (12) otrmujem wór na wględn prrost oporu: R 2 (13) R Podstawiając stałą k opisaną równaniem (14): 1 k 1 2 (14) do równania (13) otrmujem podstawową ależność tensometrii oporowej w postaci: gdie: R k R (15) k- stała tensometru ależna od materiału, którego jest wkonan R- oporność elektrcna tensometru ΔR- prrost restancji tensometru wwołan odkstałceniem próbki ε- odkstałcenie wględne cujnika Z ależności (15) jasno wnika, że odkstałcenie wględne ε badanego obiektu jest wprost proporcjonalne do wględnego prrostu oporu ΔR/R naklejonego na nim tensometru. Jest to bepośredni sposób powiąania e sobą jawisk achodącch w badanej próbce i naklejonm na niej tensometre. Układ pomiarowe W pomiarach metodą tensometrii oporowej wkorstuje się układ pomiarowe składające się cterech podstawowch cęści (rs. 5): źródła prądu, mostka tensometrcnego wra tensometrem pomiarowm, wmacniaca sgnału pomiarowego, urądenia rejestrującego mian mieronej wielkości. Rs. 5. Kolejność elementów w tore pretwarania Zasada diałania mostka tensometrcnego oparta jest na mostku Wheatstone a (rs. 6). Rs. 6. Prkład mostka tensometrcnego Elementami mostka mogą bć włącnie tensometr (pełn mostek), dwa tensometr (półmostek) lub jeden tensometr (ćwierćmostek). Na rs. 6 tensometr o restancji R1 jest głównm elementem pomiarowm, aś tensometr o oporności R2 jest tensometrem kompensacjnm. W prpadku, gd tensometr nie tworą pełnego mostka, należ wówcas uupełnić mostek restorami. Pomiar momentu gnącego metodą tensometrcną W roważaniach prjęto belkę (rs. 7) o prekroju bxh pracującą w stanie prostego ginania. Rs. 7. Proste ginanie belki Pojednc tensometr o osi pomiarowej równoległej do osi x belki, naklejon na powierchni belki, prejmuje odkstałcenie obciążonego ustroju. Znając odct napięcia cujnika, a atem i wartość odkstałcenia ε, wnacm moment gnąc ależności ujętch w teorii ginania: g (16) W gdie: W - wskaźnik wtrmałości na ginanie, σ - naprężenie normalne wdłuż osi, g() - moment gnąc wględem osi. Wskaźnik wtrmałości na ginanie wnacam e woru W (17) gdie: - moment bewł. prekroju belki wględem osi, współrędna osi. Dla belki o prekroju prostokątnm, w której b onaca serokość belki, aś h wsokość belki, moment bewładności prekroju ora wskaźnik wtrmałości na ginanie wnosą odpowiednio: 3 bh (18) 12 6/2017 AUTOBUSY 987

4 2 bh W 6 (19) Prekstałcając równanie (16) uwględnieniem równania (17) otrmujem następującą ależność na moment gnąc: g (20) Pr ałożeniu, że belka będie obciążana włącnie w akresie stosowalności prawa Hooke a, możem skorstać e nanej ależności: (21) gdie: E E - moduł sprężstości Younga, ε - odkstałcenie wględne badanej belki. Wówcas równanie (20) prbiere postać: g E (22) Wnacenie sił ciągu espołu napędowego W celu wnacenia sił ciągu espołu napędowego posłużm się następującm schematem (rs. 8): Rs. 8. Schemat obciążenia belki tensometrcnej Belka tensometrcna obciążona siłą ciągu F podlega ginaniu. Wówcas w prekroju pomiarowm odległm od wektora sił F o wartość f wstępuje moment gnąc opisan poniżsm równaniem: Ff (23) g Podstawiając równanie (23) do równania (22) ora porądkując stronami uskujem następując wór na siłę ciągu: Wnacenie momentu obrotowego silnika F E (24) f W celu wnacenia momentu obrotowego silnika posłużm się następującm schematem (rs. 9): Rs. 9. Stanowisko do pomiaru momentu obrotowego Para belek tensometrcnch, położonch w jednej płascźnie połącona jest pregubowo stwnm łożem silnika, w którego płascźnie smetrii najduje się oś silnika BLDC. Silnik wra łożem jest sprężon połąceniami śrubowmi. W trakcie prac silnika na łożu powstaje moment reakcjn równ co do wartości momentowi obrotowemu silnika lec preciwnie skierowan. Wspomnian moment można łatwością amienić na parę sił F1 i F2, o preciwnch wrotach diałającch na ramieniu r, które obciążają belki tensometrcne. W tm momencie, każdą belek możem analiować osobno, analogicnie jak w prpadku sił ciągu. oment obrotow wnika e woru poniżej: obr F F ) r (25) ( 1 2 Wprowadając do równania (25) równanie (24) odpowiednimi indeksami dolnmi otrmam równanie momentu obrotowego w funkcji odkstałceń poscególnch belek tensometrcnch: obr re 1 2 (26) f 2.2. Pomiar prędkości obrotowej Pomiar prędkości obrotowej espołu napędowego ostanie realiowan pr użciu enkodera optcnego. Do jego najważniejsch alet możem alicć odporność na pole magnetcne silnika, sbkość diałania ora dokładność pomiarów. Enkoder optcn składa się diod nadawcej, odbiorcej (fotodiod) ora tarc posiadającej nacięte scelin. Wirująca na wale silnika tarca będie precinać wiąkę światła wsłaną pre diodę nadawcą w kierunku diod odbiorcej. W fotodiodie będie generowane napięcie impulsowe. Enkoder posiada wjście cfrowe, którego sgnał trafi dalej do procesora Pomiar napięcia Napięcie będie mierone pred regulatorem prędkości ESC (ang. electronic speed controller), pr pomoc pretwornika analogowo-cfrowego ADC (ang. analog to digital converter). Pretworon sgnał prejdie pre procesor, któr to kolei apise informacje na karcie SD lub bepośrednio na komputere Pomiar natężenia prądu Pomiar natężenia prądu pobieranego pre espół napędow ostanie wkonan pred regulatorem prędkości ESC, pr pomoc cujnika prądu. Następnie sgnał trafi do pretwornika analogowocfrowego i dalej do procesora Współcnnik wpełnienia Współcnnik wpełnienia jest wielkością której nie będiem mierć, lec adawać do regulatora prędkości ESC. Dięki temu będiem mogli wpłwać na prędkość obrotową silnika. Proporcjonalnie do współcnnika wpełnienia będie mieniać się prędkość Pomiar temperatur silnika Pomiar temperatur silnika będie się odbwał w oparciu o cfrow cujnik temperatur DS18B20 firm Dallas, któr komunikuje się pr użciu interfejsu 1-wire. W celu więksenia dokładności wskaań, cujnik ostanie odiolowan od środowiska ewnętrnego specjalną termoiolacjną obudową Pomiar wibracji Pracując w warunkach nominalnch silnik elektrcn generuje drgania mechanicne o różnch cęstotliwościach. Sgnał te w postaci wibracji od poscególnch elementów silnika, w więksości prpadków nie stanowią agrożenia dla prac całego układu. Niemniej jednak, w trakcie eksploatacji danego urądenia 988 AUTOBUSY 6/2017

5 może dojść do uskodenia całego układu lub podespołu. W dalsch nasch roważaniach prjmijm, że jeden elementów tocnch łożska ulega uskodeniu i wówcas silnik acna generować drgania o cęstotliwości i amplitudie nie wstępującej podcas normalnego trbu prac. Analię uskodeń silnika preprowadać będiem w oparciu o sbką transformatę Fouriera FFT (ang. Fast Fourier Transform). etoda ta akłada, iż każd sgnał okresow można apreentować w postaci sum sgnałów sinusoidalnch o różnch cęstotliwościach i różnch amplitudach. Pomiar wibracji będie się odbwał popre astosowanie układu do pomiaru prspieseń (trosiow akcelerometr). Sgnał arejestrowan pre akcelerometr predstawia rs. 10. Analiując rs.10 możem aobserwować, że sgnał nie jest cstą sinusoidą lec składową wielu sinusoid. Zastosowanie Sbkiej Transformat Fouriera powala na natchmiastową i dokładną ocenę składowch danego sgnału. Wnik preentowan jest na wkresie gdie oś Y onaca amplitudę danej składowej aś oś X wskauje jakimi cęstotliwościami mam do cnienia. Wnik FFT stanowi spektrum. Poddanie sgnału rs. 10 Sbkiej Transformacie Fouriera skutkuje otrmaniem spektrum jak na rs. 11. Jak widać, astosowanie Sbkiej Transformat Fouriera powala na błskawicną i precjną werfikację c składowe sgnału wjściowego należą do charakterstki prac sprawnego silnika c niektóre komponentów są onaką pogorsania się stanu technicnego silnika. 3. OPROGRAOWANE Opiswan projekt koncepcjn hamowni akłada również opracowanie interfejsu w postaci aplikacji komputerowej umożliwiającej wgodną obsługę hamowni ora akwicje i obraowanie danch. Dane pomiarowe miałb bć preentowane w postaci wgodnej do odctania (np. wkresów) w casie recwistm na monitore komputera PC. Ponadto istniałab możliwość rejestracji mieronch wielkości w postaci plików tekstowch, które w łatw sposób mogą bć poddane późniejsej analiie. Prkładow wgląd interfejsu aplikacji predstawiono na rsunku 12. Rs. 12. Propocja interfejsu użtkownika oprogramowania Rs. 10. Zarejestrowan sgnał w diedinie casu Rs. 11. Wnik astosowania FFT PODSUOWANE W prac omówiono projekt koncepcjn automatowanej wieloadaniowej hamowni silników BLDC wchodącch w skład espołu napędowego beałogowch statków powietrnch. W projekcie ostał podane metod pomiaru poscególnch parametrów prac espołu napędowego, wra opisem cujników i asadami ich diałania. Projekt miał na celu stworenie podstaw do wkonania recwistego obiektu. Wkorstanie hamowni powalałob redukować cas badań ora kost budow bardiej skomplikowanch urądeń. BBLOGRAFA 1. ep.com.pl/files/1703.pdf 2. djęcie budową silnika BLDC Kopkowic., Wtrmałość materiałów Laboratorium, Oficna Wdawnica Politechniki Resowskiej, Resów /2017 AUTOBUSY 989

6 Project of full automated multi-purpose BLDC motor test stand Paper discussed the conceptual project of BLDC motor test stand being a part of UAV power unit. The aim of the project is to make a station for measuring power unit performance parameters. Following parameters will be analed: torque, thrust, motor temperature, motor rotational speed, voltage, electric current, motor efficienc, vibrations with and without propeller. The analsis of above mentioned parameters allow us to: map out a detection and compensation method for motor defects, estimate motor life, create power unit database which enable us to design new UAVs in faster and more effective wa. Autor: mgr inż. Jarosław Ciskowski nsttut Technicn Wojsk Lotnicch, Zakład Samolotów i Śmigłowców; Warsawa; ul. Księcia Bolesława 6; jaroslaw.ciskowski@itwl.pl mgr inż. Sebastian Rutkowski nsttut Technicn Wojsk Lotnicch, Zakład Samolotów i Śmigłowców; Warsawa; ul. Księcia Bolesława 6; sebastian.rutkowski@itwl.pl prof. nw. dr hab. inż. irosław Nowakowski - nsttut Technicn Wojsk Lotnicch, Zakład Samolotów i Śmigłowców; Warsawa; ul. Księcia Bolesława 6; miroslaw.nowakowski@itwl.pl inż. Karol iłosek nsttut Technicn Wojsk Lotnicch, Zakład Samolotów i Śmigłowców; Warsawa; ul. Księcia Bolesława 6; karol.milosek@itwl.pl mgr inż. pil. Wojciech Lorenc nsttut Technicn Wojsk Lotnicch, Zakład Samolotów i Śmigłowców; Warsawa; ul. Księcia Bolesława 6; wojciech.lorenc@itwl.pl 990 AUTOBUSY 6/2017