Likestrømsmotor med turtallsregulering

TechTeach disponerer 4 stk identiske DC-motorrigger for undervisningsformål.

Oversikt

Figur 1 viser motorriggen, IO-komponent og bærbar PC som kjører en LabVIEW-app utviklet for turtallsregulering av motoren.

Figur 1: System for turtallsregulering av motor

Beskrivelse av motorriggen

Figur 2 viser motorriggen.

Figur 2: Motorrigg

Beskrivelse av motorriggen:

· Motorriggen kan brukes til hastighetsregulering (turtallsregulering). Også posisjonsregulering er mulig siden motorens vinkelposisjon måles.

· Motoren er en DC-motor fra Faulhaber.

· Motoren kan styres med et spenningssignal i området +/- 10 V. (I studentoppgaver brukes oftest området 0-5 V.)

· En kodeskive (encoder) måler både rotasjonsposisjonen og rotasjonshastigheten. Kodeskiven har en oppløsning på 360 pulser per omdreining.

· Et tachometer måler rotasjonshastigheten. Et tachometer er en likespenningsgenerator som gir en spenning som er proporsjonal med hastigheten. Proporsjonalfaktoren er angitt i appen som brukes til å styre motoren.

· Motoren kan bremses med en bremsekraft (eller bremsemoment). Bremsekraften kan justeres med et håndtak. Et potensiometer er montert på stanga med bremsehåndtaket. Potensiometerspenningen gir en indikasjon på bremsekraften. Potensiometerspenningen er i området fra 0 V (ingen bremsekraft) til ca. 3 V (maks bremsekraft). Bremsemålingen kan brukes bl.a. til foroverkopling.

Figur 3 viser et tydeligere bilde av kontaktene på motorriggen.

Figur 3: Kontaktene på motorriggen

Teknisk dokumentasjon:

· Koplingsskjema v/Cody AS, Skien

· Motor (kommer)

· Kodeskive

· IO-komponenten USB-6001

PC

Til hver rigg er det en bærbar PC (Acer Inspire) med følgende programvare:

· LabVIEW Runtime Engine inkl. NI-DAQmx-drivere

· Python (Anaconda-distribusjonen) og Python Control Package

· OpenOffice

· Nettleseren Microsoft Edge

LabVIEW-app

En LabVIEW-app (ikke fritt tilgjengelig) brukes for regulering av motoren. Appen kjøres på PC-ene nevnt ovenfor. Figur 4 viser appens frontpanel.

Figur 4: LabVIEW-appens frontpanel.

Tema

Med ovennevnte utstyr og programvare kan riggen brukes til oppgaver om følgende tema:

· Instrumentering av reguleringssystem for turtallsregulering

· Målesignalomregning fra tachometerspenning til krpm (kilo revolutions per minute)

· Målesignalomregning fra enkoderpulstog til krpm

· Målesignalfiltrering med tidskonstantfilter og middelverdifilter

· Prosessdynamikk: Forsterkning, tidskonstant, tidsforsinkelse

· Manuell regulering

· Automatisk regulering med av/på- regulator

· Automatisk regulering med PID-regulator (P, PI, PID)

· Regulatorinnstilling (Ziegler-Nichols, Åstrøm-Hägglund (rele-metoden), Good Gain, Skogestad)

· Foroverkopling fra turtallsreferanse og både virkelig og estimert prosessforstyrrelse (bremsekraft).

· Lagring av dataserier på fil og videre behandling i regneark eller Python

· Simulering (ovennevnte app inneholder en simulator som kjører i parallell med den virkelige motoren). Simulatoren er basert på en «tidskonstant-modell» inkl. lastmoment i form av en ekvivalent «lastspenning» som er addert til pådragsspenningen:

S’ = (K_u*u + K_L*L – S)/t_c

der S [krpm] er hastighet, S’ [krpm/s] er hastighetens tidsderiverte (endring av S per tidsenhet), u [V] er styresignal (pådragssignal), L [V] er lastspenning, K_u [krpm/V] er pådragsforsterkning, K_L [krpm/V] er lastspenningsforsterkning og t_c [s] er motor-tidskonstant.

· Tilstandsestimering med Kalman-filter (estimering av lastspenning («lastmoment»))

· Modelltilpassing (optimal estimering av modellparametre fra eksperimentelle tidsserier). Til modelltilpassingen kan en bruke et ferdigutviklet Python-program som tilpasser modellen ved å finne de verdiene av modellparametrene (f.eks. K_m, tc og L) som gir beste overensstemmelse mellom eksperimentell og simulert tidsserie. Med «beste» menes minste sum av kvadratisk avvik (prediksjonsfeil) mellom de to tidsseriene.

Lab-rigger som TechTeach disponerer

Oppdatert 26. september 2024