Stanowisko pomiarowe do badania stanów przejściowych silnika krokowego

Stanowisko pomiarowe do badania stanów przejściowych silnika krokowego

1. Specyfikacja...3 1.1. Przeznaczenie stanowiska...3 1.2. Parametry stanowiska...3 2. Elementy składowe...4 3. Obsługa...6 3.1. Uruchomienie...6 3.2. Sterowanie pracą silnika z komputera...9 3.2.1. Komendy...9 3.2.2. Manualne zdejmowanie charakterystyk...11 3.2.3. Menu automatycznego zdejmowania charakterystyki granicznej i rozruchowej...12 3.3. Sterowanie manualne pracą silnika krokowego (przełączniki + potencjometr)...14

1. Specyfikacja 1.1. Przeznaczenie stanowiska Badania silnika krokowego na stanowisku dotyczą pomiaru momentu obciąŝenia, prędkości obrotowej, jak równieŝ napięcia i prądu w uzwojeniu silnika. Cały proces pomiarowy jest skomputeryzowany. MoŜliwa jest automatyzacja czynności związanych z wyznaczaniem parametrów charakterystycznych silnika w stanach dynamicznych. Stanowisko umoŝliwia jednocześnie sterowanie pracą silnika krokowego i wartością momentu oporowego wytwarzanego przez hamulec z cieczą magnetoreologiczną. Prędkość obrotowa silnika i moment oporowy hamulca moŝna nastawiać ręcznie lub automatycznie. Realizuje się to za pomocą układu pomiarowo-sterującego zamontowanego na stanowisku. 1.2. Parametry stanowiska Na stanowisku jest moŝliwy: pomiar prędkości obrotowej silnika (wartość maksymalna zaleŝy między innymi od zastosowanego enkodera, np. dla 1024imp/obrót, wynosi ona 1125 obr/min), pomiar momentu obciąŝenia w zakresach: 7,5Nm do +7,5Nm, 3,5Nm do +3,5Nm, pomiar prądu uzwojenia stojana w zakresach: - 8A do +8A, - 3A do +3A, pomiar napięcia zasilania uzwojenia stojana w zakresach: -75V do +75V, -36V do +36V, Przesył informacji pomiędzy komputerem za pomocą interfejsu RS 232,

2. Elementy składowe Na rysunku 2.1 przedstawiono stanowisko do badania silnika krokowego. Rys. 2.1. Stanowisko pomiarowe 1 - Hamulec z cieczą magnetoreologiczną 2 - Enkoder 3 - Sprzęgła 4 - Momentomierz 5 - Silnik krokowy 6 - Zasilacz sterownika silnika krokowego 36V/2A 7 - Zasilacz do zasilania pozostałych układów elektronicznych 5V i 12V 8 - Układ sterujący pracą stanowiska (US-1) 9 - Generator (GEN-2) 10 - Sterownik silnika krokowego SMC 64 11 - Sterownik silnika krokowego SMC 116 12 - Układ zasilania hamulca

Silnik krokowy (5) (rys. 2.1) współpracuje ze sterownikiem (11), zasilanym z zasilacza prądu stałego 36V (6). Zasilacz jest niestabilizowany, co umoŝliwia zwrot energii podczas hamowania silnika. Prędkość obrotową moŝna zadawać za pomocą generatora GEN-2 (9), bądź z komputera PC za pośrednictwem układu pomiarowo-sterującego US-1 (8). UmoŜliwia on takŝe pomiar napięcia i prądu badanego silnika. Pomiar momentu odbywa się za pomocą momentomierza (4) firmy FAST Technology. Uzyskany z niego sygnał napięciowy jest przekazany do wejścia analogowego układu sterującego US-1. Poprzez zmianę wzmocnienia tego wejścia uzyskuje się, bez utraty rozdzielczości, dwa zakresy pomiarowe (-7,5Nm do +7,5Nm; -3,5Nm do +3,5Nm). Prędkość obrotowa lub przesunięcie kątowe silnika krokowego mierzy się za pomocą enkodera (2). Sygnały cyfrowe z tego przetwornika są przekazywane do wejść układu US-1, w którym dzięki konwersji kwadraturowej następuje czterokrotne zwiększenie liczby impulsów. W wyniku uzyskuje się zwiększenie dokładności pomiaru kąta połoŝeniawału badanego silnika. Momentomierz i enkoder zasilane są z zasilacza o dwóch separowanych wyjściach napięciowych 5V i 12 V. Silnik krokowy obciąŝony jest hamulcem z cieczą magnetoreologiczną (1). Wartość momentu oporowego wzrasta przy zwiększaniu prądu płynącego w uzwojeniu hamulca. Komunikacja z komputerem odbywa się za pomocą interfejsu RS 232. Wyniki pomiarów rejestrowane są w komputerze. Na ich podstawie moŝna dokonać wizualizacji charakterystyki granicznej i rozruchowej.

3. Obsługa 3.1. Uruchomienie PoniŜej przedstawiono algorytm uruchomienia stanowiska: 1 - podłączyć przewód sieciowy do gniazdka 230V, 2 - ustawić napięcie zasilacza hamulca za pomocą przełącznika (P) (rys. 3.1) na 10V/1A (dla silnika o momencie mniejszym niŝ 3Nm) lub 20V/1A (dla silnika o momencie powyŝej 3Nm), Rys. 3.1. Zasilacz hamulca z przełącznikiem napięcia (P) 3 - połączyć gniazdo RS 232 układu sterowania US-1 (rys. 3.2) z komputerem, Rys. 3.2. Układ sterowania US-1 i generator GEN-2 4 - uruchomić w komputerze dowolny terminal znakowy np. HyperTerminal, 5 - ustawić parametry transmisji:

Zmianę parametrów transmisji wykonuje się po wybraniu z menu odpowiednio: PLIK -> WŁAŚCIWOŚCI - KONFIGURUJ Pojawi się wówczas na monitorze okno przedstawione na rys. 3.3. Rys. 3.3. Okno ustawień transmisji terminala komunikacyjnego HyperTerminal NaleŜy ustawić wszystkie parametry w taki sposób jak na rys. 3.3. 6 - w celu kontroli poprawności połączenia moŝna zresetować układ przyciskiem reset umieszczonym w układzie sterowania US-1 (rys. 3.4), Rys. 3.4. Wykorzystanie przycisku reset w układzie sterowania

Okno terminala powinno wówczas wyglądać jak na rys. 3.5. Rys. 3.5. Okno HyperTerminala po uŝyciu przycisku reset. 7 po przyciśnięciu na klawiaturze litery i układ US-1 prześle do komputera informację o komendach sterujących pracą silnika krokowego i hamulca oraz umoŝliwiających zdejmowanie wyników pomiarów. Wybór komendy odbywa się poprzez wciśnięcie odpowiednich przycisków na klawiaturze (rys. 3.6) Rys. 3.6. Okno HyperTerminala po wciśnięciu klawisza i

Diody sygnalizacyjne D1, D2, D3, D4 umieszczone w układzie sterowania US-1 (rys. 3.7) informują o stanie jego pracy. KaŜda dioda określa inny stan: D1 - wysyłanie danych do PC poprzez RS 232, D2 - odbiór komend uŝytkownika z PC, D3 - automatyczne wyznaczanie charakterystyki granicznej, D4 - automatyczne wyznaczanie charakterystyki rozruchowej, Rys. 3.7 Rozmieszczenie diod sygnalizacyjnych i gniazda RS 232 3.2. Sterowanie pracą silnika z komputera 3.2.1. Komendy Sterowanie stanowiskiem z komputera odbywa się poprzez wysyłanie odpowiednich komend (tab. 3.1) w kodzie ASCII do układu sterowania US-1. Sprowadza się to do przyciskania odpowiednich liter na klawiaturze. Zmienia się w ten sposób ustawienia układu US-1. PoniŜej przedstawiono wykaz zaprogramowanych komend.

Tabela 3.1 Zaprogramowane komendy I lub i informacja o stanowisku Komendy sterujące pracą stanowiska: - główne komendy sterujące: R - start (uruchomienie silnika i rozpoczęcie pomiarów) S - stop (zatrzymanie silnika i zakończenie pomiarów) - sterowanie hamulcem H - zmniejszenie zadanego momentu obciąŝenia o 0,5Nm h - zmniejszenie zadanego momentu obciąŝenia o 0,01Nm J - zwiększenie zadanego momentu obciąŝenia o 0,5Nm j - zwiększenie zadanego momentu obciąŝenia o 0,01Nm - sterowanie silnikiem K - zmniejszenie zadanej częstotliwości pracy silnika o 10Hz k - zmniejszenie zadanej częstotliwości pracy silnika o 1Hz L - zwiększenie zadanej częstotliwości pracy silnika o 10Hz l - zwiększenie zadanej częstotliwości pracy silnika o 1Hz Komendy obsługi automatycznego wyznaczania charakterystyk: G - wejście w menu automatycznego wyznaczania charakterystyki granicznej Z - wejście w menu automatycznego wyznaczania charakterystyki rozruchowej Q - wyjście z menu automatycznego wyznaczania charakterystyk Komendy sterujące zmianą zakresów pomiarowych: P - zmiana zakresu pomiaru prądu w uzwojeniu silnika do 8A p - zmiana zakresu pomiaru prądu w uzwojeniu silnika do 3A N - zmiana zakresu pomiaru napięcia w uzwojeniu silnika do 75V n - zmiana zakresu pomiaru napięcia w uzwojeniu silnika do 36V T - zmiana zakresu pomiaru momentu obciąŝenia do 7,5Nm t - zmiana zakresu pomiaru momentu obciąŝenia do 3,5Nm Komendy wyboru mierzonych parametrów: F - pomiar częstotliwości i prędkości obrotowej silnika krokowego f - pomiar liczby impulsów silnika i enkodera D - pomiar momentu średniego d - pomiar momentu chwilowego

3.2.2. Manualne zdejmowanie charakterystyk W celu manualnego pomiaru charakterystyk po włączeniu stanowiska do sieci naleŝy nacisnąć klawisz R. W wyniku uruchamia się silnik krokowy i rozpoczynają się pomiary momentu obciąŝenia, napięcia i prądu w uzwojeniu silnika, liczby impulsów przesyłanych do sterownika silnika oraz liczby impulsów przesyłanych z enkodera. Wyniki pomiarów wyświetlane są na ekranie monitora w przedstawionej poniŝej kolejności: moment [Ncm] prąd [x10ma] napięcie [x10mv] impulsy silnik [imp] impulsy enkoder [imp] MoŜna równieŝ dokonać pomiaru częstotliwości sygnału przesyłanego do sterownika silnika oraz prędkości obrotowej wału napędowego, po wciśnięciu klawisza f. Kolejność wyświetlanych na ekranie wyników będzie wówczas następująca: moment [Ncm] prąd [x10ma] napięcie [x10mv] częstotliwość [Hz] prędkość [obr/min] Przy czym wartości momentu, prądu i napięcia wpisywane w pierwsze trzy kolumny będą równe zero. Włączając odpowiednie zakresy momentu (T, t ), prądu (P, p) i napięcia (N, n), układ automatycznie rozpoczyna pomiary tych wielkości. Rezultaty tych pomiarów wyświetlone są w odpowiednich kolumnach powyŝszego diagramu. W oknie edycyjnym wyświetlana jest chwilowa wartość momentu obciąŝenia. W celu pomiaru momentu średniego naleŝy przycisnąć klawisz D. Moment obciąŝenia w hamulcu z cieczą magnetoreologiczną zmienia się wciskając odpowiednie klawisze: H, h zmniejszenie momentu obciąŝenia odpowiednio o 0,5Nm i 0,01Nm, J, j zwiększenie momentu obciąŝenia odpowiednio o 0,5Nm i 0,01Nm. Prędkość obrotową silnika krokowego reguluje się zmieniając częstotliwość impulsów przesyłanych do sterownika silnika. Wciśnięcie klawiszy: K, k spowoduje odpowiednio wzrost częstotliwości o 10Hz i 1Hz; L, l zmniejszenie częstotliwości o 10Hz i 1Hz. Klawisz S powoduje zatrzymanie silnika i kończy pomiary.

3.2.3. Menu automatycznego zdejmowania charakterystyki granicznej i rozruchowej Stanowisko pomiarowe umoŝliwia automatyczne wyznaczanie charakterystyk granicznych i rozruchowych. Wciskając klawisz G, uzyskuje się dostęp do menu automatycznego wyznaczania charakterystyki granicznej. NaleŜy wówczas dokonać wyboru: długości nominalnej skoku silnika podanej w stopniach (rys. 3.8) w zaleŝności od typu silnika krokowego (przyciskając klawisz 1 do 6), Rys. 3.8. Okno terminala przy wyborze nominalnej długości kroku silnika krokowego podziału kroku (rys. 3.9) wynikającego z ustawień na sterowniku silnika krokowego (przyciskając klawisz 1 do 5), Rys. 3.9. Okno terminala podczas wyboru podziału kroku wynikającego z ustawień na sterowniku silnika krokowego przyrostu momentu obciąŝenia w hamulcu magnetoreologicznym (rys. 3.10), (przyciskając klawisz 1 do 9), Rys. 3.70. Okno terminala przy wyborze przyrostu momentu obciąŝenia Przyrost momentu naleŝy dobrać w taki sposób, aby charakterystyka miała, co najmniej kilkanaście punktów na przykład dla silnika z momentem 4 Nm maksymalny przyrost momentu naleŝy ustawić na 30 Ncm (uzyskuje się wówczas 13 punktów pomiarowych), a jeszcze lepiej 20 Ncm (20 punktów pomiarowych).

Ilości impulsów z enkodera na jeden obrót (w zaleŝności od parametrów enkodera) Rys. 3.11. Okno terminala podczas wyboru ilości impulsów enkodera Po wprowadzeniu wyŝej przedstawionych nastaw na ekranie monitora pojawi się okno menu jak rys. 3.12: Rys. 3.12. Okno główne menu Informacja na ekranie!!! Nalezy ustawic zakres momentu!!! przypomina o ustawieniu zakresu pomiarowego momentu obciąŝenia, jeŝeli wcześniej nie był on ustawiony. Jeśli uŝytkownik tego nie dokona wyboru tego zakresu (przyciskając klawisz T lub t ) hamulec zostanie ustawiony automatycznie na moment maksymalny i silnik wypadnie z synchronizmu! Wybierając klawisz R rozpoczyna się automatyczne wyznaczanie charakterystyki granicznej. Gdy silnik osiągnie maksymalny moment naleŝy zatrzymać pomiary przyciskając klawisz S. W przeciwnym przypadku po przekroczeniu momentu maksymalnego dla danego silnika układ US-1 będzie zwiększał moment obciąŝenia do maksimum swojego zakresu. Po czym pomiary ulegną zatrzymaniu. Przy automatycznym wyznaczaniu charakterystyki granicznej na ekranie monitora pojawi się wydruk wyników według kolejności jak poniŝej: moment średni [Ncm] moment zadany [Ncm] częstotliwość maksymalna [Hz] Przy automatycznym wyznaczaniu charakterystyki rozruchowej procedura pomiarów jest identyczna i rozpoczyna się od wciśnięcia klawisza Z.

3.3. Sterowanie manualne pracą silnika krokowego (przełączniki i potencjometr) Stanowisko pomiarowe umoŝliwia równieŝ ręczną zmianę prędkości obrotowej silnika krokowego, poprzez zmianę ustawień wieloobrotowego potencjometru i wybranie odpowiedniej częstotliwości w sterowniku z pomocą przełączników C, B, A pokazanych na rys. 3.13. Częstotliwość kluczowania sterownika silnika krokowego moŝna zmieniać przez podział częstotliwości podstawowej generatora, załączając napięcie lub masę do odpowiednich wejść C, B, A generatora. Sygnał wyjściowy bez podziału częstotliwości wymaga zwarcia wyprowadzeń C, B i A z masą (GND). Takie rozwiązanie pozwala uzyskać 7-stopniowy podział nastawionej częstotliwości w stosunku od 1:1 do 1:512. W tabeli 3.2 przedstawiono sposoby załączania odpowiednich wejść C, B, A generatora (0-napięcie, 1-masa) umoŝliwiające uzyskanie siedmiu podziałów częstotliwości podstawowej (rys. 3.13). Następnie potencjometrem (7) reguluje się płynnie tą częstotliwość od podanej w tabeli 3.2 (dla wybranego podziału), aŝ do zera. Oczywiście w zaleŝności od zastosowanego podziału częstotliwości, strojenie to odbywa się z większą lub mniejszą precyzją. C B A f[hz] podział 0 0 0 6755,0 1:1 0 1 0 3377,5 1:2 1 1 0 1688,8 1:4 1 0 0 844,4 1:8 0 1 1 422,2 1:16 1 0 1 105,5 1:64 0 0 1 13,2 1:512 Tabela 3.2. Wartości częstotliwości sterującej pracą silnika dla róŝnych podziałów częstotliwości podstawowej generatora GEN-1, wraz z ustawieniem włączników C, B, A

Rys. 3.13. Panel umoŝliwiający ręczne sterowanie prędkością obrotową silnika krokowego Funkcje przełączników: 1 - Zmiana kierunku obrotów (realizowane równieŝ podczas zdalnego sterowania pracą silnika krokowego przy wykorzystaniu komputera) 2 - Start/stop silnika (funkcja aktywna tylko przy ręcznym sterowaniu) 3, 4, 5 (C,B,A) - przełączniki zmieniające podział częstotliwości podstawowej generatora (tabela 3.2) 6 - Zmiana źródła sygnału kluczującego (generator GEN-2 + potencjometr lub układ sterujący US-1 + PC) 7 - Potencjometr zmiany częstotliwości (przy sterowaniu ręcznym)