Navodila za izdelavo diplomske naloge · be controlled properly. Commercial Servo drive DPCANTE-020B080, developed by Advanced Motion Controls company, has its own original software,

Tadej Kociper

IZGRADNJA KASKADNE REGULACIJE ZA

LINEARNI ELEKTRIČNI MOTOR

Diplomsko delo

Maribor, september 2010

I

Diplomsko delo interdisciplinarnega univerzitetnega študijskega programa

IZGRADNJA KASKADNE REGULACIJE ZA LINEARNI ELEKTRIČNI

MOTOR

Študent: Tadej Kociper

Študijski program: UNI Mehatronika

Smer: -

Mentor(ica): red. prof. dr. Riko Šafarič

Somentor(ica): izr. prof. dr. Karel Gotlih

Lektor(ica): Cvetka Tropenauer Martinčič

Maribor, september 2010

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema red. prof. dr. Riku

Šafariču in izr. prof. dr. Karlu Gotlihu za pomoč

in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Prav tako se zahvaljujem mlademu raziskovalcu

g. Francu Hanţiču za pomoč pri izdelavi

diplomske naloge.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij.

IV

IZGRADNJA KASKADNE REGULACIJE ZA LINEARNI

ELEKTRIČNI MOTOR

Ključne besede: regulacija, linearni električni motor

UDK: 621.314.1:681.5.015(043.2)

Povzetek

Linearni električni motor ima pred rotirajočim mnogo prednosti, vendar more biti

ustrezno reguliran. Komercialni krmilnik DPCANTE-020B080, ki ga je razvilo podjetje

Advanced Motion Controls, ima lastno programsko opremo, preko katere je potrebno

izvesti tokovno, hitrostno in poloţajno PID regulacijo pri različnih obremenitvah proge.

Za laţje razumevanje delovanja je potrebno opisati najpomembnejše elemente sistema

drsnih vrat.

V

DEVELOPMENT OF LINEAR ELECTRONIC MOTOR CASCADE

CONTROL

Key words: control, linear electric motor

UDK: 621.314.1:681.5.015(043.2)

Abstract

Linear electric motor has a lot of advantages in comparison to rotary motor, but it has to

be controlled properly. Commercial Servo drive DPCANTE-020B080, developed by

Advanced Motion Controls company, has its own original software, which will be used

for parameter set-up of current, velocity and position PID controller, under different

loads on the set-up. Most important elements of the slide door system must be described

for better understanding of its working.

VI

VSEBINA

1 UVOD ...................................................................................................................... 1

2 PREDSTAVITEV TESTNE PROGE ................................................................... 2

2.1. LINEARNI ELEKTRIČNI MOTOR ........................................................................... 3

2.2. LINEARNI MAGNETNI DAJALNIK ......................................................................... 7

2.3. KOMERCIALNI KRMILNIK DPCANTE – 020B080 ........................................... 10

2.4. NAPAJALNIK .................................................................................................... 11

3 IZGRADNJA KASKADNE REGULACIJE PREKO SERIJSKEGA VHODA .. 12

3.1. PID REGULACIJA ............................................................................................. 12

3.2. PRIMER REGULACIJE ........................................................................................ 16

3.3. UPORABA PROGRAMA ...................................................................................... 18

3.4. ROČNO NASTAVLJANJE PARAMETROV IN DOBLJENI ODZIVI .............................. 21

4 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 29

5 VIRI, LITERATURA ........................................................................................... 30

6 PRILOGE .............................................................................................................. 31

6.1. SEZNAM SLIK ................................................................................................... 31

6.2. SEZNAM PREGLEDNIC ...................................................................................... 32

6.3. NASLOV ŠTUDENTA ......................................................................................... 33

6.4. KRATEK ŢIVLJENJEPIS...................................................................................... 33

VII

UPORABLJENI SIMBOLI

RP - izhod proporcionalnega regulatorja

RI - izhod integralnega regulatorja

RD - izhod diferencialnega regulatorja

RPID - izhod regulatorja

KP - proporcionalno ojačanje

KI - integracijska časovna konstanta

KD - diferencialno ojačanje

e(t) - pogrešek oz. razlika med referenčno in dejansko vrednostjo regulirane

veličine

tv - čas vzpona

tn - nastavitveni čas

Apr - amplituda prenihaja

εs - statični pogrešek

VIII

UPORABLJENE KRATICE

PID regulator - proporcialno integralni diferencialni regulator

SVM - prostorska vektorska modulacija

PWM - pulzno širinska modulacija

Izgradnja kaskadne regulacije za linearni električni motor Stran 1

1 UVOD

V vsaki trgovini ali drugi stavbi, kjer je pretok ljudi skozi vhode večji, so avtomatsko

pomična vrata skoraj nepogrešljiv element. Teh vrat je v Sloveniji ter drugod po svetu

ogromno in ţe manjša izboljšava bi lahko bistveno pripomogla k uporabnosti, zanesljivosti

in razvoju tega izdelka.

Da se vrata odpirajo dovolj hitro, z mehkim prehodom iz stanja mirovanja v premikanje in

obratno, tiho, zanesljivo in natančno, je potrebna dobra regulacija motorja, ki jih poganja.

V našem primeru je to linearni električni motor, ki sicer ni bil delan za ta namen, saj je

načrtovan za precizne, hitre in linearne gibe obdelovalnih strojev, kot recimo rezalnikov z

vodnim curkom.

Zato je v okviru projekta »Avtomatska drsna vrata z linearnim motorjem«, ki ga je

razpisalo in financiralo podjetje DOORSON d. o. o., potrebno raziskati smotrnost uporabe

linearnega električnega motorja kot pogona drsnih vrat, saj ima tako dobre, kot tudi slabe

lastnosti.

To diplomsko delo, kot del skupnega projekta, obravnava izgradnjo tokovne, hitrostne in

poloţajne PID regulacije za linearni električni motor avtomatskih drsnih vrat, raziskovanje

pa zajema tudi študij obstoječe literature najpomembnejših komponent sistema, ki bodo po

posameznih poglavjih tudi predstavljene.

Pri linearnem električnem motorju podjetja H2W Technologies Inc. bodo predstavljene

lastnosti izbranega motorja, prednosti in slabosti pred rotacijskim motorjem ter opis

delovanja. Prav tako bo opisano delovanje linearnega magnetnega dajalnika podjetja RLS

d. o. o. in njegove lastnosti. Predstavljena pa bosta tudi komercialni krmilnik in napajalnik

podjetja Advanced Motion Controls.

Podan bo opis in primer PID regulacije in izvedba regulacije za pomična vrata. Na kratko

bo predstavljena uporaba programskega vmesnika za regulacijo, zajete pa bodo tudi

omejitve motorja, ki jih bo potrebno vpeljati v regulacijo. Sledil bo postopek ročnega

iskanja parametrov in prikaz rezultatov.


2 PREDSTAVITEV TESTNE PROGE

Na sliki 1 je prikazan celoten sistem drsnih vrat. Vrata poganja trifazni linearni električni

motor BLDA-02 podjetja H2W Technologies, Inc., ki je krmiljen s komercialnim

krmilnikom DPCANTE-020B080 podjetja Advanced Mootion Controls, vse skupaj pa

napaja napajalnik PS16H40 istega podjetja. Za določanje poloţaja vrat je uporabljen

linearni magnetni dajalnik LM10IB001CB10F00 slovenskega podjetja RLS d. o. o.

Ogrodje z vsemi nosilci in leţaji je narejeno po naročilu, izdelalo pa ga je pokroviteljsko

podjetje DOORSON d. o. o.

Slika 1: Testni postroj drsnih vrat


2.1. Linearni električni motor

Linearni električni motor je naprava, ki električno energijo pretvarja direktno v linearno

gibanje ţelenega objekta, saj ne vsebuje nobenih rotirajočih se delov. Njegovo zgradbo si

predstavljamo tako, da rotacijski motor prereţemo na pol, izravnamo rotor in stator in ju

poloţimo enega nad drugega, kot lahko vidimo na sliki 2. Pri linearnem motorju se delu, ki

nadomesti stator, reče primar, premikajočemu se delu, ki nadomesti rotor, pa sekundar.

Slika 2: Shema rotacijskega in linearnega motorja

V primerjavi s podobnimi rotacijskimi motorji, linearni električni motor omogoča

premočrtne gibe z velikimi pospeški. Pri pretvarjanju rotacije motorja v linearno gibanje je

potrebno uporabiti še sistem vretena in matice. Rotacijski motor se mora vrteti z občutno

višjo hitrostjo, kot je na koncu hitrost linearnega gibanja. Zaradi vztrajnosti in na splošno

neprimernosti te izvedbe tudi ne doseţemo dobre natančnosti in ponovljivosti.


Pri linearnem električnem motorju je princip delovanja drugačen, saj premikajoči se rotor

nadomesti sekundar, ki potuje po primarju iz trajnih magnetov. Poleg tega med primarjem

in sekundarjem ni dejanskega stika, in je zato manj izgub zaradi trenja, prav tako pa se

podaljša ţivljenjska doba motorja. Zaradi odprave vretena in matice se poveča tudi togost,

zanesljivost in ponovljivost sistema.

Slika 3: Linearni električni motor, primar in sekundar

Tabela 1: Prednosti in slabosti linearnega električnega motorja

Prednosti Slabosti

velika hitrost visoka cena (predvsem zaradi potrebe po

trajnih magnetih po celotni dolţini proge)

natančnost segrevanje

dobra ponovljivost

tiho delovanje

dolga življenjska doba

velika statična in dinamična togost

majhna skupna masa

malo število komponent


Najpomembnejši del sekundarja trifaznega linearnega motorja so trije pari navitij, ki so

zamaknjeni za 120° glede na razporejenost trajnih magnetov na primarju. Na sliki 4 se vidi

polariziranost posameznega para navitja glede na poloţaj sekundarja ter medsebojna

zamaknjenost za 120°.

Slika 4: Zamik navitij za 120°

Na sliki 5 je prikazana shema delovanja linearnega motorja, ki smo ga testirali, le da je

primar na sredini, sekundar pa v obliki U-profila ovit okoli njega.

Slika 5: Shema delovanja linearnega motorja [1]


Rdeča črta ponazarja poloţaj zgornje polovice sekundarja ter kako so navitja AZ, BZ in CZ

polarizirana. Navitje AZ je prvo navitje na zgornji strani, BZ navitje na zgornji strani, ki je

za 120° zamaknjeno glede na AZ, in tako dalje. Modra črta kaţe polariziranost spodnje

polovice sekundarja ki je za 180° pred zgornjo, torej je točno nasprotno polarizirana. Ko

skozi navitja prehaja zgoraj opisani sinusni tok, se zaradi polariziranosti magnetov in

magnetnega polja, ustvarjenega v navitju, nekatera navitja in magneti privlačijo ter vlečejo

sekundar v neko smer, drugi pa se začnejo odbijati in potiskati sekundar v isto smer, kot ga

prvi vlečejo. Na sliki 6 je prikazano spreminjanje polaritete na sekundarju glede na

spremembo polaritete primarja, ki nastane zaradi gibanja. Prikazani so poloţaji, kjer je

polariteta maksimalna. Če hočemo premikati motor v drugo smer, pošljemo skozi navitja

tok v nasprotni smeri. Od amplitude toka je odvisna moč motorja, od frekvence pa hitrost.

Slika 6: Shema delovanja linearnega motorja [1]


Za naš motor smo izbrali trifazni linearni električni motor podjetja H2W Technologies Inc.

in sicer model BLDA-02.

Tabela 2: Lastnosti motorja BLDA-02 [2]

2.2. Linearni magnetni dajalnik

Tako kot v večini primerov se je tudi v našem kombinirala uporaba linearnega električnega

motorja z linearnim magnetnim dajalnikom, s pomočjo katerega se določa poloţaj motorja.

Za naš primer smo izbrali linearni magnetni dajalnik LM10IB001CB10F00 iz druţine

LM10, ki ga sestavlja merilna glava, postavljena na sekundar motorja, in magnetni trak,

nalepljen na primar motorja.

Slika 7: Linearni magnetni dajalnik LM10

Model BLDA-02

Kp [N/amp] 13.7

F konstantna [N] 45

F konica [N] 202

I konstanten [A] 3.1

I konica [A] 9.3

Ve [V/m/s] 15.7

Rc [Ω] 7.6

L [mH] 2

Dolţina sekundarja [mm] 142.2

Teţa sekundarja [kg] 0.22


Merilna letev je sestavljena iz magnetnih območij, ki so nasprotno polarizirana. Drsnik

navadno vsebuje dva magnetoresistivna elementa, ki omogočata zaznavanje magnetnega

polja. Da lahko določimo smer gibanja drsnika, sta magnetnoresistivna elementa

razmaknjena za razdaljo večkratnika parov magnetnih območij plus ¼ te periode.

Ko glava dajalnika drsi nad magnetno letvijo, magnetoresestivna elementa dajeta dva

sinusna analogna signala, zamaknjena za 90°.

Slika 8: Analogni izhodni signal senzorjev

S pomočjo notranje interpolacije, ki dosti bolj natančno izračuna točen poloţaj glede na

razliko kotov med dvema signaloma, lahko zelo izboljšamo ločljivost. Digitalni izhodni

signal, ki ga peljemo v regulator, pa izgleda takole:

Slika 9: Digitalni izhodni signal dajalnika


Pa še nekaj lastnosti našega dajalnika LM10IB001CB10F00. IB pomeni, da je izhod

inkrementalni, z odprtim kolektorjem, daje pa signale od 5 V do 30 V. Pri podobnih LM10

dajalnikih je lahko ločljivost nastavljiva na 1 µm, 2 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm in 50 µm,

oznaka 001 na našem pa pove, da je naša ločljivost določena na 1 µm, zaradi česar ima

linearni dajalnik največjo hitrost premikanja omejeno na 4 m/s. [3]

LM10 lahko meri dolţine do 100 m, reţa med magnetnim trakom in merilno glavo pa mora

biti v področju od 0,1 mm do 1,5 mm. Če pride do izpada električne energije, se mora

dajalnik vrniti do referenčne točke. S pomočjo posebnega orodja smo jo lahko natančno

nalepili na magnetni trak, vendar je morala biti v tem predelu razdalja med dajalnikom in

trakom med 0,7 mm in 1,5 mm. V drugih primerih se da referenčno značko tudi vdelati na

magnetno letev, vendar naknadni popravki niso mogoči. [3]

Dajalnik je narejen za ekstremne razmere, saj deluje pri temperaturah od -20 °C do +85 °C,

v 100% vlaţnosti, je odporen na udarce, vibracije in pritisk, prav tako pa nanj ne vplivajo

prah ali opilki. Ker senzor zaznava gradient magnetnega polja, je zato skoraj neobčutljiv na

zunanja homogena magnetna polja. Magnetni trak je odporen na kemikalije, kot so

motorno in zavorno olje, antifriz, kerozin in druge, ki se v proizvodnji pogosto uporabljajo.

Za laţjo in čim bolj natančno vgradnjo magnetnega traku se lahko uporabi posebno orodje,

sicer pa so tolerance pri vgradnji kar velike. Prav tako lahko z vgrajeno LED diodo na

enostaven način preverimo, če merilna glava deluje pravilno. [3]

Zaradi brezkontaktnega sistema merjenja, ni obrabe, prav tako pa je povratni vpliv manjši,

saj ni trenja med premikajočimi se deli. Če se pojavi histereza, je ta ponovljiva, torej se

lahko meri in kompenzira pri montaţi. To nam omogoča zelo dobro natančnost pri visokih

hitrostih in pospeških. Zaradi svoje robustnosti in delovanja pod ekstremnimi pogoji je

LM10 primeren za večino zahtevnih aplikacij v kovinarstvu, avtomatizaciji, pri rezanju z

vodnim curkom ipd. [3]


2.3. Komercialni krmilnik DPCANTE-020B080

Za naše raziskovanje smo izbrali krmilnik DPCANTE-020B080, ki ga je razvilo podjetje

ADVANCED Motion Controls pod serijo izdelkov DigiFlex® Performance™. Narejen je

za reguliranje servomotorjev, izbrali pa samo ga tudi zato, ker podpira CANopen

komunikacijo, preko katere so kolegi pri drugi diplomski nalogi naredili povezavo z

računalnikom . [4]

Na regulatorju DPCANTE-020B080 lahko reguliramo navor, hitrost in poloţaj. Parametre

tokovne regulacijo pa izračuna sam. Regulator je popolnoma digitaliziran in uporablja

prostorsko vektorsko modulacijo (SVM). Ta vsebuje posebno shemo, s pomočjo katere

regulator ve, kako mora vklopiti določene tranzistorje, ob souporabi halove sonde, ki mu

sporoča poloţaj. Zaradi SVM lahko uporabljamo višje Bus napetosti, zmanjša pa se tudi

izguba toplotne energije v primerjavi s tradicionalnim pulzno širinskim modulatorjem

(PWM).[4]

Slika 10: Regulator DPCANTE-020B080

Ukazne signale lahko generira regulator sam, ali pa se napajajo od zunaj. Regulator ima

tudi namenske programabilne digitalne in analogne vhode in izhode za okrepitev povezav

med zunanjimi krmilniki in napravami. Napajamo ga lahko z enosmerno napetostjo od 20

V do 80 V. DC Bus napetost pa je v mejah 17,5 – 89 V. [4]


Na izhodu je lahko največji konstanten tok 10 A, konica pa je lahko 20 A. Največja trajna

izhodna moč je omejena na 760 W. Za povezavo med napravami se uporablja CANopen

vmesnik, RS-232 vmesnik pa je za konfiguracijo in nastavitev pogona. Vsi parametri

regulatorja so shranjeni v trajnem pomnilniku. [4]

2.4. Napajalnik

Za napajanje smo izbrali napajalnik istega proizvajalca kot za regulator, torej Advanced

Motion Controls. Izbrali smo nereguliran napajalnik PS16H40, saj nam sluţi kot vir

enosmerne napetosti, ki jo koristimo na vseh aplikacijah, reguliramo pa z regulatorjem

DPCANTE-020B080.

Slika 11: Napajalnik PS16H40

Napajalniki pod serijo PS16 so vgrajeni na osnovne plošče za večosne aplikacije,

načrtovani pa so tako, da dobimo najboljše razmerje glede cene na Watt moči. Prilagojeni

so tako ameriškemu kot evropskemu trgu, saj so modeli PS16L delani za 120 V izmenične

vhodne napetosti, modeli PS16H pa za 240 V izmenične napetosti. Vsak izmed teh

modelov ima različna navitja za izhodne enosmerne napetosti po 30 V, 36 V, 40 V, 60 V,

72 V, 80 V, 120 V, 160 V in 170 V. Vsi delujejo v frekvenčnem področju 50-60 Hz.

Naš regulator smo napajali z 40 V enosmerne napetosti. Izbrali smo napajalnik PS16H40,

ki nudi 40 V izhodne enosmerne napetosti in izhodni tok 20 A. Za delovanje motorja pri

normalnem delovanju se porablja tok 3,1 A, pri kratkotrajnem pulznem delovanju pa 9,3

A, tako da je tudi izhodnega toka na napajalniku več kot dovolj.


3 IZGRADNJA KASKADNE REGULACIJE PREKO

SERIJSKEGA VHODA

Kaskadna regualcija zajema tokovno, hitrostno in poloţajno regulacijo. Uporabljena bo

PID regulacija, ki nam glede na nastavljene parametre spreminja odziv motorja. Ţelimo, da

ima motor takšen odziv, da premika vrata z hitrimi, tihimi in ne agresivnimi gibi, kjer ne

pride do sunkov.

3.1. PID regulacija

Naloga PID regulatorja je kar se da zmanjšati nastavitveni čas, torej čas, v katerem se

dejanska vrednost izenači z ţeleno vrednostjo, odstraniti ali vsaj zmanjšati pogrešek in

nastaviti ustrezni prenihaj. To lahko doseţemo z uvedbo povratne vezave. Pogrešek najprej

izmerimo, torej od ţelene vrednosti hitrosti, poloţaja ipd. odštejemo dejansko vrednost.

Potem na to vrednost učinkujemo z diferencialno enačbo PID regulatorja, da se dejanska

vrednost čim bolj pribliţa ţeleni.

PID regulator je ločen na tri komponente, ki predstavljajo konstante, s katerimi regulator

operira. To so: proporcionalni ali v nadaljevanju P-del, integralni ali I-del ter diferencialni

ali D-del.

KP vpliva na čas vzpona, na primer s kakšnim pospeškom se povečuje ali zmanjšuje odziv,

torej koliko časa potrebuje, da je velikost dejanske vrednosti enaka velikosti ţelene

vrednosti. Če je KP prevelik, pride do prenihaja, to je, ko dejanska vrednost preseţe ţeleno.

Pri še večjih vrednostih P-dela pa lahko pride celo do nestabilnosti sistema. Vrednost na

izhodu regulatorja izračunamo po naslednji enačbi [6]:

( )P P tR K e

kjer je:

RP - izhod regulatorja

KP - konstanta ojačanja

e(t) - pogrešek


Slika 12: Vpliv konstante ojačanja na odziv regulacije

KI skrajša nastavitveni čas, torej čas, ki ga regulator porabi, da umiri odziv. Na sliki 13 je

prikazan nastavitveni čas za regulacijo pri konstanti KI=2. S pravilno uporabo KI lahko

tudi odstranimo statični pogrešek, torej razliko med dejansko in ţeleno vrednostjo pri ţe

zregulirani vrednosti. Enačba I dela se glasi [6]:

( )

0

t

I I tR K e dt

kjer je:

RI - izhod regulatorja

KI - integratorska konstanta

e(t) - pogrešek


Slika 13: Vpliv integratorske konstante na odziv regulacije

KD upočasni izhod regulatorja, torej se podaljša nastavitveni čas, najbolj pa vpliva v

območju nastavljene veličine. Zaradi tega ga uporabljamo za dušenje prenihajev, če je to

potrebno.


Enačba D-dela [6]:

( )D D t

dR K e

dt

kjer je:

RD - izhod regulatorja

KD - diferenciatorska konstanta

e(t) - pogrešek

Slika 14: Vpliv konstante diferenciatorja na odziv regulacijskega sistema

Tabela 3: Odzivi proge na povečevanje konstant [6]

Parameter Čas vzpona Prenihaj Nastavitveni

čas

Statični

pogrešek

Stabilnost

KP - povečamo Se zmanjša Se poveča Mala

sprememba

Se zmanjša Se poslabša

KI – povečamo Se zmanjša Se poveča Se poveča Se odpravi Se poslabša

KD - povečamo Se malo

zmanjša

Se malo

zmanjša

Se malo

zmanjša

Nima vpliva Pri malih

vrednostih KD

se izboljša


Na izhodu regulatorja torej dobimo vsoto izhodov vseh treh komponent. Enačba zgleda

takole [6]:

PID P I DR R R R

kjer je:

RPID - izhod regulatorja

RP - izhod P dela

RI - izhod I dela

RD - izhod D dela

Slika 15: Blokovna shema PID regulatorja v regulacijski progi

3.2. Primer regulacije

Da bi pravilno izvedli regulacijo, moramo vedeti, kaj ţelimo. Pri poloţajni regulaciji

ţelimo dobiti čim bolj idealen odziv, torej da sta čas vzpona (tv) in nastavitveni čas (tn) čim

krajša ter da sta prenihaj (Apr) in statični pogrešek (εs) čim manjša:


Slika 16: Primer slabe poloţajne regulacije

Na sliki 16 je prikazan slab primer poloţajne regulacije, saj je statičen pogrešek še vedno

prisoten, poleg tega pa pri poloţajni regulaciji praviloma ne sme priti do prenihaja. Tudi

nastavitveni čas je dolg, saj zaradi prenihaja sistem potrebuje čas, da se izniha.

Dober primer regulacije nam prikazuje slika 17, saj se statični pogrešek in prenihaj

pribliţujeta ničli, nastavitveni čas pa je enak času vzpona. V realnem sistemu časa vzpona

ne moramo odpraviti, saj je vedno prisotna vztrajnost motorja, tako da čistega

stopničastega odziva ni.

Pri hitrostni regulaciji teţimo k istim zahtevam, s tem da je dovoljen rahel prenihaj, za

največ 10 %.


Slika 17: Primer dobre poloţajne regulacije

Obstaja več metod iskanja parametrov PID regulatorja. Prva metoda, ki smo jo tudi sami

uporabili, je ročno nastavljanje parametrov, pri čemer ni potrebno ničesar računati, so pa

potrebne izkušnje.

Druga moţnost je metoda ziegler-nicholas, ki je nastala z eksperimentalnim delom, torej

po kakšnem ključu najhitreje priti do grobih nastavitev. Poleg nenatančnih rezultatov je

slabost te metode še agresivno delovanje proge med iskanjem parametrov, saj metodo

izvajamo na delujočem procesu in iščemo njegove meje, tako da v določenih primerih ni

izvedljiva.

Določanja parametrov se lahko lotimo tudi z uporabo programske opreme (kot na primer

Matlab, Simulink), tako da naredimo simulacijo pogojev na dejanski progi, kar pa nikoli ne

more biti čisto realno. Poleg tega je programska oprema dodaten strošek, potrebno pa se jo

je tudi naučiti uporabljati.

3.3. Uporaba programa

Za izvedbo regulacije je bila uporabljena programska oprema DriveWare Version 5.8.5, ki

jo je razvilo podjetje ADVANCED Motion Controls in sodi k regulatorju. S pomočjo

programske opreme lahko zaznavamo in upravljamo več signalov. Med najpomembnejšimi

so tok, hitrost, poloţaj. Ker se regulacija izvaja na delujočem sistemu, obstaja nevarnost,


da zaradi napačnega vnašanja podatkov pride do poškodbe katerega od elementov. Zato je

najprej potrebno nastaviti limite, da zmanjšamo moţnost usodnih napak.

Slika 18: Diagram programske opreme

Pod gumbom »Limits & Options« je bilo potrebno nastaviti omejitve našega motorja. Pod

»Drive Current Limits« smo nastavljali limite toka. Konstantni tok smo nastavili na 3,1 A,

konico toka pa na 9,3 A, kar smo razbrali iz podatkov o motorju. Trajanje te konice je

omejeno na 2 s.

Slika 19: Omejitve toka

Pod »Voltage Limits« smo omejili napetost od 18 – 88 V, nominalno DC Bus napetost pa

nastavili na 48 V.


Slika 20: Omejitve napetosti

Da motorja ne bi poslali izven njegovega delovnega polja in posledično z vrati udarili v

varnostne gumijaste odbijače, ki so bili predhodno vgrajeni, smo omejili pozicijo. Omejili

smo tudi hitrost, da ne bi bili ti sunki premočni, če bi ţe prišlo do njih.

Slika 21: Hitrostne in poloţajne omejitve

Da lahko vidimo grafe poljubnih veličin, moramo pod gumbom »scope/tuning« pod »Add

Signal« najprej izbrati signale, ki jih ţelimo opazovati. Če nas na primer zanima, kakšen

tok se porablja pri premikanju vrat, izberemo »Velocity Measured«, ki nam pove, kakšna

je dejanska hitrost motorja, »Current Target« nam prikaţe ţeleni tok, ki ga potrebujemo pri

določenem gibu in »Current Measured« nam pove, kolikšen tok je bil v resnici uporabljen.

Pod zavihkom »Scope Settings« izberemo nastavitve prikaznega ekrana. Pod time/div

izberemo 200 ms, kar nam pove, da nam en kvadratek predstavlja 200 ms. Skalo pri obeh

tokih nastavimo na 2 A/Div, pri hitrosti pa na 100 mm/s.


Slika 22: Prikaz signalov toka in hitrosti

Na sliki 22 je prikazan odziv delovanja motorja z ţe izvedeno hitrostno regulacijo. Z

rumeno barvo je prikazan tok, ki ga potrebujemo, da bi se vrata gibala z ţeleno hitrostjo, z

rdečo pa je označen dejanski tok, ki je omejen na 3,3 A, saj so takšne omejitve motorja.

3.4. Ročno nastavljanje parametrov in dobljeni odzivi

Slabost PID regulatorja je, da je pri različnih obremenitvah motorja potrebno vedno znova

nastavljati parametre regulatorja, zato smo se odločil, da izvedemo tri regulacije pri

različnih obremenitvah. Prva bo pri motorju, obremenjenem samo z lastno teţo vrat in

trenjem, ki nastaja pri premikanju, pri drugi dodamo eno uteţ za 15 kg, pri tretji pa

dodamo še eno enako uteţ. Ni vseeno, za kakšno dolţino se premikajo vrata. Določili smo

premik za 1 m.

Pri vsaki obremenitvi je bilo nastavljanje parametrov razdeljeno na 3 področja: tokovna

regulacija, hitrostna regulacija in poloţajna regulacija. Cilj poloţajne regulacije je čim

hitrejši in mehek premik vrat, brez prenihaja. Da pa pravilno nastavimo poloţajno

regulacijo, je najprej potrebno izvesti regulacijo hitrosti in toka.

Regulator DPCANTE-020B080 zna glede na podatke o motorju, ki jih vnesemo v

program, sam izračunati parametre za tokovno regulacijo, tako da je bil potreben točen


vnos podatkov pod gumbom »Motor/Fdbk«, prikazan pa je na sliki 23. Ker smo regulacijo

izvajali prvič, smo zaradi varnosti hitrost omejil na 2 m/s.

Slika 23: Podatki motorja

Ker se ročno nastavljanje parametrov izvaja na delujoči sistemu, samo najprej morali

omogočiti progo. To smo naredili z pritiskom na gumb »Enable Bridge«. Fizično je to

tranzistorski most, sestavljen iz 6 močnostnih tranzistorjev, s pomočjo katerih se iz 40 V

enosmerne napetosti generirajo 3 faze, zamaknjene za 120°.

Regulacijske parametre lahko nastavljamo pod gumbom »Scope / Tuing«. Z pritiskom na

gum »Add Signal« smo izbrali signale, ki smo jih ţeleli opazovati, torej »Velocity Target«

in »Velocity Measured«. Da bi izvedli hitrostno regulacijo, je potrebno vrata spraviti v

gibanje, kar smo naredili pod zavihkom »Waveform«. Tu je bilo potrebno najprej

odkljukati okence »Waveform Enabled«.

Pri linearnem motorju hitrostne regulacije ni mogoče izvajati z ţelenim stopničnim

odzivom, saj smo omejeni s prostorom, sicer bi se vrata pri največji hitrosti zaletela v

konec proge. Zato smo se odločili za ponavljajoče se sinusno gibanje, torej smo izbrali

moţnost »Sinusoidal« pod »«Waveform Type«, nato pa nastavili atribute.


Slika 24: Atributi

Ker ţelimo, da se vrata pri hitrostni regulaciji gibajo za pribliţno enako dolţino kot potem

pri poloţajni, samo nastavili frekvenco na 0,5 Hz, amplitudo pa na 1 m/s. Tako se bodo

vrata premikala levo in desno za 1 m dolţine. Da bi se vrata začela premikati, pa je

vzporedno potrebno nastaviti tudi hitrostno regulacijo, zato smo pod »Waveform Into The«

izbrali »Velocity Loop«.

Pod zavihkom »Current Loop« smo s pritiskom na gumb »Calculate Gains« sproţili

samodejen izračun parametrov tokovne regulacije. Odvisni so samo od podatkov motorja,

ki smo jih vnesli v program.

Slika 25: Samodejen izračun parametrov tokovne regulacije

Pod zavihkom »Velocity Loop« smo nastavljali parametre za hitrostno regulacijo. Najprej

smo povečali P na pribliţno 1,4, da smo dobili rahel prenihaj, ki je pri hitrostni regulaciji

dovoljen, nato pa nastavili I na 0,005, da je bila dejanska vrednost čim bolj podobna ţeleni.

Pomembno vlogo je imela tudi konstanta »Feedback Filter Cut Off Freq.«, ki nam zaduši


ali ojača šume. Nastavili smo jo na minimalno vrednost 0,97. Če bi bila premajhna, bi

prišlo do daljšega nastavitvenega časa in slabšega odziva, če pa prevelika, bi pri poloţajni

regulaciji prišlo do glasnega šumenja motorja, posebej v mirovanju, ko bi motor zaradi

velike natančnosti iskal točno pozicijo in vibriral okoli nje.

Slika 26: Hitrostna regulacija brez uteţi

Ko smo nastavili hitrostno regulacijo, lahko preidemo na pozicijsko. Pri pozicijski

regulaciji smo najprej pod zavihkom »Position Loop« nastavili KP na 11, saj je to meja,

nad katero pride do prenihaja. Vmesen rezultat nam je dal odziv na sliki 27.


Slika 27: Odziv poloţajne regulacije brez uteţi

Da bi odpravili nihanje je bilo potrebno povečati »Feedback Filter Cut Off Freq.« pri

hitrostni regulaciji. Povečali smo ga na 10, vendar smo morali zaradi glasnega šumenja

motorja spremenili KP na 0,53 in KI na 0,0016. Odziv poloţajne regulacije je prikazan na

sliki 28.

Slika 28: Odzivi poloţajne regulacije brez uteţi


Če bi vrata obremenjena s 15 kg uteţjo, regulirali z istimi parametri, bi zaradi povečane

vztrajnosti dobili odziv s prenihajem, kot je prikazano na sliki 29.

Slika 29: Vmesni odziv poloţajne regulacije, obremenitev 15 kg

Najprej je bilo potrebno spremeniti parametre hitrostne regulacije. KP smo povečali na 1,5,

saj zaradi večje mase potrebujemo večjo moč. KI smo nastavili na 0,00017, KD pa na 0,31.

Zaradi šumenja smo zmanjšali tudi »Feedback Filter Cut Off Freq.« na 4.


Slika 30: Ponovno nastavljanje hitrostne regulacije

Pri poloţajni regulaciji smo KP zmanjšali na 5, nastavili pa smo tudi KD na 1,85, da smo

odpravili prenihaj.

Slika 31: Odziv poloţajne regulacije, obremenitev 15 kg


Pri obremenitvi vrat s 30 kg smo pustili hitrostno regulacijo enako kot pri obremenitvi s 15

kg, saj ne glede na spremembe, ki bi jih uvedli pri hitrostni regulaciji, hitrosti več ne

moramo izboljšati, zaradi omejitev motorja. Spremenili smo samo parametre poloţajne

regulacije, saj je bila ta premočna in je prihajalo do prenihaja. Da bi ga odpravili, smo po

večkratnih poizkusih KP spustili na 3,87, KD pa povečali na 7. Dobljeni odziv vidimo na

sliki 32, kjer je prikazana tudi primerjava grafov poloţajnih regulacij pri različnih

obremenitvah.

Slika 32: Primerjava odzivov poloţajne regulacije pri različnih obremenitvah


4 ZAKLJUČEK

Najprej je bilo potrebno pridobiti znanje o najpomembnejših sestavnih delih, ki sestavljajo

sistem drsnih vrat. Posebnost tega sistema je bil linearni električni motor, saj se v ta namen

še ni uporabljal. Ugotovil sem, da omogoča zelo natančne gibe z velikimi pospeški, vendar

je potrebna dobra regulacija, da se obnaša kot ţelimo. Za določanje poloţaja kril vrat, je bil

uporabljen linearni magnetni dajalnik, ki je prav tako zelo natančen. Podatke iz dajalnika

in motorja peljemo v regulator, s katerim lahko komuniciramo preko osebnega

računalnika, s pomočjo programske opreme, ki je priloţena regulatorju. Na regulatorju sem

izvajal PID regulacijo z ročnim nastavljanjem parametrov, s čimer sem ţelel doseči

pravilno delovanje motorja.

PID regulacija se je izkazala za delno primerno, saj se vrata premikajo z ţelenim odzivom,

torej dovolj hitro, vendar brez prenihaja ter z nesunkovitimi gibi. Pomanjkljivost PID

regulacije je ta, da je potrebno ob spremembi obremenitve vrat spreminjati parametre

regulacije. To se v praksi pokaţe, ko pride do povečanega trenja, na primer zaradi prahu, ki

se nabere na vodilih. Takrat je potrebna ponovna nastavitev parametrov, kar pa v praksi ni

zaţeleno.

Pravilnost delovanja lahko izboljšamo tako, da poskušamo čim bolj omejiti spremembo

obremenitve, na primer z zaprtimi vodili. Izberemo lahko tudi drugačen tip regulacije, kot

je na primer adaptivna regulacija s pomočjo nevronskih mreţ, katera sproti nastavlja

parametre regulatorja in vedno išče najboljši odziv.

Pri izdelavi diplomske naloge so bili zastavljeni cilji doseţeni, saj sem preučil delovanje

vseh uporabljenih komponent, ki sestavljajo sistem avtomatskih drsnih vrat. Izdelal sem

tudi tri različne PID regulacije, vsako za svojo obremenitev. Z odzivi sem zadovoljen, saj

pri danih omejitvah dajejo optimalne rezultate.

Moţnosti za nadaljnje delo obstajajo, saj bi bilo potrebno nastaviti hod vrat za izbrano

širino in dodati senzorje, ki dajejo ukaze, kdaj se naj vrata odprejo in zaprejo. Potem bi

bilo potrebno poskrbeti še za varnost in določiti, kako naj se vrata odzovejo, če pride med

zapiranjem do zapore vrat.


5 VIRI, LITERATURA

[1] Shema linearnega motorja, (online), 2010, (15.9.2010), Dostopno na naslovu:

http://www.freepatentsonline.com/5072144.pdf

[2] H2W Technologies, Inc., 3 Phase Brushless Linear Motor, (online), 2010, (citirano

15.9.2010), Dostopno na naslovu:

http://www.h2wtech.com/dcbrushless.htm

[3] RLS d.o.o., LM10 magnetni sistem merjenja pomika (online), 2010, (citirano

15.9.2010), dostopno na naslovu:

http://www.rls.si/default.asp?prod=lm10&lang=slovene

[4] ADVANCED Motion Controls, , Komercialni regulator DPCANTE-020B080

(online), 2010, (citirano 15.9.2010), dostopno na naslovu:

http://www.a-m-c.com/download/datasheet/dpcante-020b080.pdf

[5] ADVANCED Motion Controls, napajalnik serija PS16 (online), 2010, (citirano

15.9.2010), dostopno na naslovu:

http://www.a-m-c.com/download/datasheet/ps16h40.pdf

[6] Wikipedia, PID controller (online), 2010, (citirano 15.9.2010), dostopno na naslovu:

http://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

http://www.freepatentsonline.com/5072144.pdf

http://www.h2wtech.com/dcbrushless.htm

http://www.rls.si/default.asp?prod=lm10&lang=slovene

http://www.a-m-c.com/download/datasheet/dpcante-020b080.pdf

http://www.a-m-c.com/download/datasheet/ps16h40.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller


6 PRILOGE

6.1.Seznam slik

SLIKA 1: TESTNI POSTROJ DRSNIH VRAT ............................................................................. 2

SLIKA 2: SHEMA ROTACIJSKEGA IN LINEARNEGA MOTORJA ................................................ 3

SLIKA 3: LINEARNI ELEKTRIČNI MOTOR, PRIMAR IN SEKUNDAR ......................................... 4

SLIKA 4: ZAMIK NAVITIJ ZA 120° ....................................................................................... 5

SLIKA 5: SHEMA DELOVANJA LINEARNEGA MOTORJA [1] ................................................... 5

SLIKA 6: SHEMA DELOVANJA LINEARNEGA MOTORJA [1] ................................................... 6

SLIKA 7: LINEARNI MAGNETNI DAJALNIK LM10 ................................................................ 7

SLIKA 8: ANALOGNI IZHODNI SIGNAL SENZORJEV .............................................................. 8

SLIKA 9: DIGITALNI IZHODNI SIGNAL DAJALNIKA ............................................................... 8

SLIKA 10: REGULATOR DPCANTE-020B080 .................................................................. 10

SLIKA 11: NAPAJALNIK PS16H40 .................................................................................... 11

SLIKA 12: VPLIV KONSTANTE OJAČANJA NA ODZIV REGULACIJE ...................................... 13

SLIKA 13: VPLIV INTEGRATORSKE KONSTANTE NA ODZIV REGULACIJE ............................ 14

SLIKA 14: VPLIV KONSTANTE DIFERENCIATORJA NA ODZIV REGULACIJSKEGA SISTEMA... 15

SLIKA 15: BLOKOVNA SHEMA PID REGULATORJA V REGULACIJSKI PROGI ....................... 16

SLIKA 16: PRIMER SLABE POLOŢAJNE REGULACIJE ........................................................... 17

SLIKA 17: PRIMER DOBRE POLOŢAJNE REGULACIJE .......................................................... 18

SLIKA 18: DIAGRAM PROGRAMSKE OPREME ..................................................................... 19

SLIKA 19: OMEJITVE TOKA ............................................................................................... 19

SLIKA 20: OMEJITVE NAPETOSTI ....................................................................................... 20

SLIKA 21: HITROSTNE IN POLOŢAJNE OMEJITVE ............................................................... 20

SLIKA 22: PRIKAZ SIGNALOV TOKA IN HITROSTI ............................................................... 21

SLIKA 23: PODATKI MOTORJA ........................................................................................... 22

SLIKA 24: ATRIBUTI ......................................................................................................... 23

SLIKA 25: SAMODEJEN IZRAČUN PARAMETROV TOKOVNE REGULACIJE ............................ 23

SLIKA 26: HITROSTNA REGULACIJA BREZ UTEŢI ............................................................... 24

SLIKA 27: ODZIV POLOŢAJNE REGULACIJE BREZ UTEŢI ..................................................... 25

SLIKA 28: ODZIVI POLOŢAJNE REGULACIJE BREZ UTEŢI .................................................... 25


SLIKA 29: VMESNI ODZIV POLOŢAJNE REGULACIJE, OBREMENITEV 15 KG ........................ 26

SLIKA 31: ODZIV POLOŢAJNE REGULACIJE, OBREMENITEV 15 KG ..................................... 27

SLIKA 32: PRIMERJAVA ODZIVOV POLOŢAJNE REGULACIJE PRI RAZLIČNIH OBREMENITVAH

......................................................................................................................................... 28

6.2. Seznam preglednic

TABELA 1: PREDNOSTI IN SLABOSTI LINEARNEGA ELEKTRIČNEGA MOTORJA ..................... 4

TABELA 2: LASTNOSTI MOTORJA BLDA-02 [2] ................................................................. 7

TABELA 3: ODZIVI PROGE NA POVEČEVANJE KONSTANT .................................................. 15


6.3. Naslov študenta

Tadej Kociper

Borštnikova 112

2000 Maribor

Tel.študenta: 040161772

e-mail študenta: [email protected]

6.4. Kratek življenjepis

Rojen: 3.6.1988, Maribor

Šolanje: Osnovna šola Tabor I, Maribor

Škofijska gimnazija Antona Martina Slomška, Maribor

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor

smer: Mehatronika UN




Documents

Navodila za izdelavo diplomske naloge · be controlled properly. Commercial Servo drive DPCANTE-020B080, developed by Advanced Motion Controls company, has its own original software,