Rigg for turtallsregulering av likestr�msmotor

TechTeach disponerer 4 stk identiske DC-motorrigger for undervisningsform�l.

Oversikt

Figur 1 viser motorriggen, IO-komponent og b�rbar PC som kj�rer 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). Ogs� posisjonsregulering er mulig siden motorens vinkelposisjon m�les.

�       Motoren er en DC-motor fra Faulhaber.

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

�       En kodeskive (encoder) m�ler b�de rotasjonsposisjonen og rotasjonshastigheten. Kodeskiven har en oppl�sning p� 360 pulser per omdreining.

�       Et tachometer m�ler rotasjonshastigheten. Et tachometer er en likespenningsgenerator som gir en spenning som er proporsjonal med hastigheten. Proporsjonalfaktoren er angitt i appen som brukes til � styre motoren.

�       Motoren kan bremses med en bremsekraft (eller bremsemoment). Bremsekraften kan justeres med et h�ndtak. Et potensiometer er montert p� stanga med bremseh�ndtaket. Potensiometerspenningen gir en indikasjon p� bremsekraften. Potensiometerspenningen er i omr�det fra 0 V (ingen bremsekraft) til ca. 3 V (maks bremsekraft). Bremsem�lingen kan brukes bl.a. til foroverkopling.

Figur 3 viser et tydeligere bilde av kontaktene p� motorriggen.

Figur 3: Kontaktene p� motorriggen

Teknisk dokumentasjon:

�       Koplingsskjema v/Cody AS, Skien

�       Motor (kommer)

�       Kodeskive

�       IO-komponenten USB-6001

PC

Til hver rigg er det en b�rbar PC (Acer Inspire) med f�lgende programvare:

�       LabVIEW Runtime Engine inkl. NI-DAQmx-drivere

�       Python (Anaconda-distribusjonen) og Python Control Package

�       OpenOffice

�       Nettleseren Microsoft Edge

LabVIEW-app

Det er laget en LabVIEW-app (ikke fritt tilgjengelig) for hastighetsregulering av motoren med IO-komponenten nevnt ovenfor. Appen forutsetter at LabVIEW Runtime Engine Q3 2022 og NI DAQ Runtime Engine er installert (disse er fritt tilgjengelige fra ni.com). Appen brukes av TechTeach i undervisning.

Prosessregulator

Prosessregulatoren PXU PID Controller (Red Lion), som implementerer b�de en PID-regulator og en av/p�-regulator, kan benyttes til � regulere motoren.

Tema

Med ovennevnte utstyr og programvare kan riggen brukes til oppgaver om f�lgende tema:

�       Instrumentering av reguleringssystem for turtallsregulering

�       M�lesignalomregning fra tachometerspenning til krpm (kilo revolutions per minute)

�       M�lesignalomregning fra enkoderpulstog til krpm

�       M�lesignalfiltrering med tidskonstantfilter og middelverdifilter

�       Manuell regulering

�       Automatisk regulering med av/p�- regulator

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

�       Regulatorinnstilling (Ziegler-Nichols, �str�m-H�gglund (rele-metoden), Good Gain, Skogestad)

�       Foroverkopling fra turtallsreferanse og prosessforstyrrelse (bremsekraftm�ling)

�       Lagring av dataserier p� fil og videre behandling i regneark eller Python

�       Simulering (ovennevnte app inneholder en simulator som kj�rer i parallell med den virkelige motoren). Simulatoren er basert p� en �tidskonstant-modell� inkl. lastmoment i form av en ekvivalent �lastspenning� som er addert til p�dragsspenningen:
S� = [Ku*u + KL*L � S]/Tm
der S er hastighet, S� er hastighetens tidsderiverte (endring av S per tidsenhet), u er p�dragsspenning, L er lastspenning, Ku er p�dragsforsterkning, KL er lastspenningsforsterkning og Tm 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 � finne de verdiene av modellparametrene (f.eks. Km, Tm og L) som gir beste overensstemmelse mellom eksperimentell og simulert tidsserie. Med �beste� menes minste sum av kvadratisk avvik (prediksjonsfeil) mellom de to tidsseriene.

�       Bruk av industriell prosessregulator (PXU PID Controller, Red Lion).

7.3 2023. Finn Aakre Haugen (finn@techteach.no).