ДонНТУ   Портал магістрів

Павлій Олександр Миколайович

Електротехнічний факультет

Кафедра електроприводу і автоматизації промислових установок

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Розробка та дослідження пристроїв формування керуючих впливів і обробки сигналів в системах електроприводу

Науковий керівник: к.т.н., доц. Чекавський Гліб Станіславович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Особливості побудови цифрових систем керування електроприводом
• 2. Пристрій реєстрації сигналів на основі апаратної обчислювальної платформи Arduino
• 2.1. Актуальність проблеми
• 2.2. Цілі і завдання дослідження
• 2.3. Апаратна частина
• 2.4. Програмна частина
• 3. Розробка експериментального стенду для дослідження цифрових систем управління двигуном постійного струму на базі високошвидкісної PC сумісної плати розширення 5710
• 3.1. Структура стенду
• 3.2. Огляд тиристорних перетворювачів серії БТУ
• 3.3. Двигуни постійного струму
• 3.4. Керуюча частина
• 3.5. Програмна частина
• 3.6. Модель системи автоматичного управління ДПТ
• Висновки
• Список джерел

Вступ

У системах управління електроприводом використовується два основних способи обробки інформації: аналоговий і цифровий. На даний момент цифрова обробка сигналів майже повністю витіснила аналогову. Прогрес у цій області спричинений досягненнями в мікроелектроніці, що дозволили створити обчислювальні засоби, що володіють високою швидкодією, малими габаритами, вагою і енергоспоживанням. Інтерес до цифрової обробки сигналів викликаний тим, що на її основі можна створювати пристрої з характеристиками, недосяжними при використанні аналогових методів. Крім того, застосування пристроїв з цифровою обробкою у ряді випадків виявляється більш вигідним з технічної та економічної точок зору через їх універсальності і можливості працювати в різних режимах.

Метою даної роботи є розробка цифрових засобів формування керуючих впливів і обробки сигналів стосовно до систем управління електроприводом. Робота складається з двох етапів:

• Розробка пристрою реєстрації сигналів на основі апаратної обчислювальної платформи Аrduino
• Створення експериментального стенду для дослідження цифрових систем керування двигуном постійного струму на базі високошвидкісної PC сумісної плати розширення АЦП/ЦАП 5710 Octagon systems.

1. Особливості побудови цифрових систем керування електроприводом

До цифрових систем управління (ЦСУ) відносяться системи, що складаються з цифрових елементів. Термін цифровий елемент (ЦЕ) означає певну конструктивну електротехнічну одиницю дискретної дії, що виконує різні функції – логічні, обчислювальні, перетворюючі, запам'ятовування сигналів. У складі ЦСУ цифрові елементи утворюють вузли, які виконують ті чи інші завдання управління. На рис. 1 наведена схема ЦСУ деякої координатою х електроприводу, де ЦЗУ – цифровий керуючий пристрій, ЦС – цифровий суматор, ЦР – цифровий регулятор, ЦАП – цифроаналоговий перетворювач, АЦП – аналогово-цифровий перетворювач , УП-Д – система керований перетворювач – двигун, в якій УП є вихідною виконавчої частиною СУЕП.

Дана схема ЦСУ за своєю структурою аналогічна безперервної СУЕП з тими ж функціональними вузлами, крім ЦАП і АЦП, але виконаними на аналогових елементах.

Переваги ЦСУ визначаються достоїнствами цифрових елементів у порівнянні з аналоговими – великими перешкодостійкістю і точністю датчиків швидкості та положення, простотою і зручністю цифрового завдання програми на рухи електроприводу, неухильної тенденцією до зниження габаритів і вартості ЦЕ, до підвищення надійності і ступеня інтеграції цифрових вузлів.

Функціональні вузли ЦСУ, показані на рис. 1, можуть бути реалізовані двояко:

• Апаратно – кожен функціональний вузол являє собою самостійний окремий блок у складі ЦСУ, виконаний на мікросхемах малої і середньої ступені інтеграції;
• Програмно – функціональні вузли виконуються на комп'ютері або мікроконтролері, і алгоритм їх функціонування визначається програмою роботи цього пристрою.

Для зміни алгоритму управління ЦСУ при апаратному способі потрібна заміна відповідних блоків управління. При програмному способі для зміни алгоритму управління потрібна лише зміна програми на тій же елементній базі. Такі ЦСУ знаходять широке застосування в електроприводах виробництв, де можливі зміни технологічних процесів, отже, потрібні зміни і в завданнях управління верхнього рівня. Завдяки швидкому вдосконаленню сучасної технології виготовлення мікропроцесорних пристроїв, підвищенню їх якості та зниження вартості програмний спосіб глибоко увійшов в системи управління електроприводів [1].

2. Пристрій реєстрації сигналів на основі апаратної обчислювальної платформи Arduino

2.1. Актуальність проблеми

При проектуванні систем автоматичного керування електроприводом часто виникає необхідність комп'ютерної обробки аналогових сигналів датчиків швидкості, струму, напруги, положення, що передбачає отримання чисельних значень сигналів за допомогою аналогово-цифрового перетворювача (АЦП). Надалі цифрові сигнали можуть бути використані для організації зворотних зв'язків у системі регулювання, або ж для графічного відображення стану об'єкта регулювання. Розробка недорогого пристрою реєстрації сигналів, яке можна використовувати у навчальній та науково-дослідних робіт, представляє досить велику актуальність.

2.2. Цілі і завдання дослідження

Метою даного етапу роботи є розробка та створення пристрою реєстрації аналогових сигналів низької частоти у вигляді напруги, що змінюється в діапазоні напруг ±10В. Такий пристрій зручно використовувати в якості цифрового осцилографа для сигналів датчиків напруг, струму, тахогенераторів.

2.3. Апаратна частина

Для вирішення поставленої задачі була використана плата АЦП, реалізована на основі платформи Arduino [2], яка в даний час користується великою популярністю завдяки зручності і простоті мови програмування, відкритій архітектурі і програмному коду. Існує кілька версій платформ Arduino, що відрізняються, в основному, типом використовуваного мікроконтролера сімейства ATmega. Принципово може бути використана будь-яка з версій платформ, але, строго кажучи, далеко не всі можливості платформи будуть при цьому використані. Крім реєстрації сигналів, за допомогою Arduino можна також організувати і формування керуючих сигналів, використовуючи виходи, що підтримують ШІМ. Крім того, можлива програмна реалізація цифрових регуляторів або фільтрів будь-якого ступеня складності.

Нижче наведемо опис розробленого 4-канального цифрового реєстратора на базі платформи Arduino Mega (рис.2), що використовує мікроконтролер ATmega2560. Для роботи необхідно підключити плату Arduino Mega до порту USB персонального комп'ютера.

Аналогові входи Arduino розраховані на напругу від 0 до 5 В, тому вхідні сигнали повинні бути попередньо нормовані, для чого передбачена окрема плата. На платі нормування сигналів реалізовані инвертуючі схеми підсилення на базі операційних підсилювачів (ОУ) зі зміщенням сигналів по рівню. Для живлення ОУ використаний двуполярний блок живлення ±12,5 В (на основі 2 однополярних блоків).

На рис. 3 представлений зовнішній вигляд розробленого пристрою. Для одночасного нормування чотирьох сигналів використовується мікросхема TL074CN, в якій об'єднані чотири ОУ.

Принцип роботи пристрою реєстрації показує наступна схема:

2.4. Програмна частина

Програмна частина проекту реалізована в середовищах розробки Arduino і Processing. Програма, яка відповідає за прийом числових даних на комп'ютері, написана в середовищі розробки Arduino IDE [3] – додатку на Java, що включає в себе редактор коду, компілятор і модуль передачі прошивки в плату.

Програма візуалізації написана на відкритій мові програмування Processing [4], заснованій на Java; лістинг програми тут не наводиться.

На рис. 5 наведено приклад реєстрації трьох сигналів (напруга задатчика інтенсивності, швидкості та струму якоря двигуна постійного струму) за допомогою розробленого пристрою.