AGH, Wydział EAIiE KATEDRA AUTOMATYKI NAPĘDU I URZĄDZEŃ PRZEMYSŁOWYCH			Cezary Klimasz
LABORATORIUM TEORII STEROWANIA I TECHNIKI REGULACJI				Semestr: letni
Rok szkolny: 2006/2007	Rok studiów II			Grupa 3.2
Kierunek: Elektrotechnika
Temat ćwiczenia: Serwomechanizm działający w układzie regulacji automatycznej (sprawozdanie)
Data wykonania ćwiczenia: 21.05.07		Data zaliczenia sprawozdania:

Wprowadzenie

Celem poniższego ćwiczenia była prezentacja podstawowych możliwości serwomechanizmu cyfrowego. Wykorzystano serwomechanizm AXV. W ćwiczeniu realizowane były dwa układy pracy: prędkościowy (podstawowy) oraz pozycyjny. Zmieniając odpowiednie parametry określono ich przydatność, oraz przeanalizowano niektóre aspekty pracy napędu, takie jak np. przeciążenie układu.

W wyniku przeprowadzonych symulacji napędu zdefiniowano i zanalizowano takie funkcje jak: Ramp=0, Fast/stop czy Reference=0. Poniższe sprawozdanie opiera się o: część opisową, w której wyjaśnione zostają pojęcia wymagane przez prowadzącego, oraz o część graficzną w której przeprowadzono analizę przebiegów prądu, prędkości, położenia.

1. Częśc I - Opisowa

Serwomechanizm pracujący w trybie prędkościowym - opis funkcji zatrzumujących napęd

- Ramp=0 - po naciśnięciu przycisku odpowiadającemu za hamowanie funkcją Ramp=0 silnik zatrzymuje się z uwzględnionym programowo współczynnikiem hamowania. W momencie zatrzymania, prąd działa dalej na napęd - utrzymując wał w jednym położeniu.

- Fast/stop - jest to funkcja alarmowa, wyzwalana brakiem napięcia. Po uruchomieniu tej funkcji napęd zostaje zatrzymany w możliwie krótkim czasie, praktycznie bez opóźnienia. Siła hamowania była na tyle duża, że napęd poruszył się względem powierzchni na której stał, mimo swojej znacznej masy. Po zadziałaniu Fast/stop zostaje odcięty dopływ prądu. Aby uruchomić napęd należy załączyć ponownie zasilanie.

- Reference=0 - jest to funkcja półalarmowa. Silnik zatrzymuje się natychmiast. Funkcja podobna do fast/stop. Różnicą jest to, że po zatrzymaniu, nie trzeba odłączać zasilania aby uruchomić ponownie silnik.

Symulacja obciążenia wału w silniku

Jednym z możliwych sposobów było oczywiście umieszczenie na wale znacznego obciążenia, ale związane to było z niebezpieczeństwem uszkodzenia obsługi oraz innych elementów. Zastosowano zatem inny sposób, mianowicie zmniejszając maksymalny prąd silnika do 0,1A. Zatrzymaniem sterowała funkcja Reference=0. Przy takim prądzie (0,1A) siła hamująca wał nie była dostatecznie duża aby wyhamować silnik bez opóźnienia. W przebiegu pojawiły się tłumione wahania prądu i obrotów wału, do czasu zatrzymania się w ostatecznej pozycji.

Niekorzystne zjawisko występujące w momencie uruchomienia silnika

Przy nastawie parametrów zmuszających silnik do jak najkrótszego w czasie osiągnięcia zadanej prędkości obrotowej na przebiegach rejestruje się znaczny wzrost prądu. Może to być niebezpieczne dla silnika jak i obsługi. Aby wyeliminować to zjawisko podczas rozruchu ogranicza się napięcie zasilania oraz dobiera się przyspieszenie (czas rozpędzania) silnika odpowiednio do jego waruków pracy.

Dokładność funkcjonowania serwonapędu w trybie pozycynym

Serwomechanizm może pracować w trybie pozycyjnym. Po wykonaniu zaprogramowanej ilości obrotów silnik powinien zatrzymać się. Jeśli jednak wał jest za bardzo obciążony, oraz założono za dużą prędkość obrotową, może dojść do wahań w momencie dotarcia do pkt. zatrzymania.

Po określonej chwili czasu wał zatrzyma się w danej pozycji. Zjawisko oscylacji należy wyeliminować. Można to zrobić dobierając odpowiedni czas rozpędzania się wału (przyspieszenie) - wał wtedy hamuje z tym przyspieszeniem.

2. Część II - Graficzna

Wykres nr 1

Podstawowy tryb pracy - zmiana kierunku obrotów i zatrzmanie funkcją Ramp=0

Opis wykresu

Początkowo silnik nie porusza się. Następuje załączenie zasilania. Widoczny jest skok prądu (P1). Spowodowany jest dużym przyśpieszeniem i osiąganymi wysokimi obrotami. Prędkość obrotowa stabilizuje się. W (P2) następuje załączenie funkcji Inverse (odwracającej kierunek obrotów). Ponownie załączana jest funkcja Inverse. W punkcie (P3) nie widać skoku prądu, wynika to z błedów przetwarzania analogowo-cyfrowego (błąd kwantowania). Następuje jeszcze jedna zamiana kierunków obrotów. W (P4) następuje uruchomienie funkcji Ramp=0 - zatrzymania wału. Prąd spada do pewnej wartości, obroty spadają do zera. W punkcie (P5) widać, że prąd nie osiąga wartości 0. Tak wygląda działanie funkcji Ramp=0, która po zadziałaniu trzyma prądem wirnik w jednym położeniu.

Wykres nr 2

Podstawowy tryb pracy - dwa sposoby zatrzymania: Fast/stop i Reference=0.

Opis wykresu

W powyższej symulacji porównywano dwa sposoby zatrzymania wału silnika. Mianowicie Fast/stop i Reference=0.

Następuje załączenie zasilania silnika. W (P1) widać widoczny skok prądu spowodowany rozpędzaniem się silnika. Obroty silnika stabilizują się na pewnej wartości. Następuje użycie funkcji Fast/stop (P2). Obroty natychmiastowo spadają do zera, to samo dzieje się z prądem (P3). Jak widać jest to szybkie zatrzymanie, bez współczynnika hamowania.

Po użyciu funkcji Fast/stop załączono ponownie zasilanie do obwodu. Rozpędzono do silnik do max. obrotów. W (P4) następuje załączenie funkcji Reference=0. Obroty bardzo szybko spadają do zera. Prąd ustala się na pewnej wartości (P5), co jest podstawową różnicą pomiędzy Fast/stop i Ramp.

Wykres nr 3

Zastosowano tutaj parametry determinujące silnik przeciążony (mały prąd silnika - 0.1A). Zatrzymanie odbywało się za pomocą funkcji Reference=0.

Opis wykresu

Silnik rozpędza się do ustalonych obrotów. Widać mały skok prądu (P1). W (P2) następuje załączenie funkcji reference. Obroty spadają, prąd maleje poniżej 0. Nie udaje się jednak całkowicie wyhamować napędu. W (P3) widać wahania obrotów, związane ze skokami prądu (P4). Wynika to ze zbyt małej stałej hamowania. Obciążenie wału powoduje działanie siły bezwładności i związane z tym oscylacje. Widać, że gdy w momencie (P3) następuje zadziałanie siły obracającej wał, przeciwdziała temu skok prądu. Sytuacja powtarza się kilkukrotnie aż do momentu pełnego wyhamowania prędkości obrotowej wału (P5) - siła przestaje działać, wał się zatrzymuje.

Wykres nr 4

W trybie prędkościowym następuje zatrzymanie silnika ze współczynnikiem Ramp małym (0,1).

Opis wykresu

Start pracy układu następuje w (P1). Widać gwałtowny wzrost obrotów i prądu. Zauważalny skok prądu (P2). Obroty stabilizują się w momencie stabilizacji prądu (P3). W (P4) następuje załączenie funkcji Ramp, ze współczynnikiem 0,1. Jest to zatrzymanie b. szybkie, natychmiastowe. W (P5) widać jeszcze jak prąd trzyma wał. W punkcjie (P6) widać całkowite zatrzymanie wału - wyłączenie zasilania.

Wykres nr 5

W trybie prędkościowym następuje zatrzymanie silnika ze współczynnikiem Ramp dużym (8,7).

Opis wykresu

Symulacji poddano napęd z dużymi współczynnikami Ramp stanowiącymi długie czasy rozpędzania i hamowania. Widać dość duży wzrost prądu rozruchu (P1) i (P2). Silnik powoli zwiększa swoją prędkość (P3). Osiąga wymierzoną wartość maksymalną (P4). W (P5) następuje rozpoczęcie wyhamowywania wału. Jak widać odbywa się to bardzo łagodnie. Prąd zmniejsza swoją wartość. W (P6) następuje ostateczne wyhamowanie przy pomocy Ramp=0. Wał zatrzymuje się (P7).

Tryb pozycyjny pozwala nam określić z pewną dokładnością ile obrotów ma wykonać wał względem określonej pozycji zerowej. W tym przypadku można określać parametry: odpowiedzialne za czas, w którym mają być te obroty wykonane, ilość tych obrotów i wiele innych.

Wykres nr 6

Opis wykresu

Rejestracja przebiegu odbywała się ze zmiennymi parametrami Ramp. Dzięki temu możliwa była regulacja czasu wykonania danej ilości obrotów. Widać jak na wykresie zaczyna narastać prędkość wału (P1). Pozycja jednocześnie też się zaczyna zmieniać łagodnie. W (P2) zostają osiągnięte maksymalne obroty. Następnie obroty zaczynają maleć. Pozycja osiągana przez wał ustala - prędkość obrotowa jest równa zero (P3) - wał znalazł się w żadanej pozycji. Następuje uruchomienie przycisku powrotu do pozycji początkowej. Wał zaczyna obracać się przeciwnym kierunku . W krótkim czasie zostaje osiągnięta maksymalna prędkość (P4). Wał ponownie robi nawrót (P5). Zaczyna hamować - osiąga stałą prędkość (P6). Po chwili (P7) pozycja wału ustala się na zerze. Wał zatrzymuje się, predkość spada do zera.

Widoczne na wykresie są dwie wyraźnie odrębne części. Pierwsza, w której czas dany na rozpędzenie wału był duży. Wał powoli się rozpędzał i hamował, przebieg wykresu był łagodne.

Druga część wykresu to ta w której czas na rozpędzenie wału był mniejszy niż poprzednio. Silnik musiał szybko reagować i rozpędzać się, i hamować.

Wykres nr 7

Opis wykresu

W (P1) widać, że silnik rusza z dużą szybkością. Obroty silnika rosną (P2) . Napęd osiąga wartość maksymalną. W (P3) widać objaw dużego obciążenia wału. Silnik nie był w stanie wyhamować, wystąpiły oscylacje. Uzyskując zadaną ilość obrotów silnik zaczyna hamować. W (P4) widać jak następuje korygacja prędkości, aby wał znalazł się w zadanym położeniu. W (P5) następuje zmiana kierunku obrotów. Silnik osiąga mniejsze obroty niż poprzednio (P6), następuje hamowanie mechanizmu. Nie widać żadnych fluktuacji. Silnik miał dostatecznie małą prędkość, aby mógł bez problemu wyhamować. W (P7) prędkość spada do zera. Wał zatrzymuje się. Została osiągnięta zadana pozycja.

PODSUMOWANIE PRZEPROWADZONEGO ĆWICZENIA

W ćwiczeniu zostały zaprezentowane podstawowe funkcje i układy pracy serwomechanizmu. Jak się okazało badany serwomechanizm AVX ma bardzo dużą ilość różnych funkcji. Praktycznie każde założenia projektowe można zrealizować za pomocą tego napędu. Można określić wiele rzeczy, od najprostszych jak prędkość obrotów do bardziej skomplikowanych jak np. określenie ilości obrotów i czasu potrzebnego na wykonanie tych obrotów. Ograniczenia, które występują związane są wyłącznie z konstrukcją silnika (np. obroty nie wyższe niż 3000ob/min).

Po wykonanej analizie przebiegów prądu, prędkości, położenia zbadano wpływ kilku podstawowych parametrów na działanie układu. Przekonano się o ogromnych możliwościach tego typu napędów.

Serwomechanizmy znajdują zastosowanie w szeroko rozumianej technice. Od prostych zastosowań np. w drukarce, po bardziej skomplikowane, jak np. roboty, taśmy produkcyjne.

---