Έλεγχος Ταχύτητας και Θέσης

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Έλεγχος Ταχύτητας και Θέσης Φοιτητής Εισηγητής & Επιβλέπων Καθηγητής Τσιριγώτης Γεώργιος

2 Περιεχόμενα Ι.Εισανω νή 1.1 Εξοικείωση τ. ε. ι - * ^ "if ΤΜΗΜΑ <2, ' Ο y Σελίδα Μηχανική μονάδα Ψηφιακή μονάδα 1.2 Αρχές μετατροπής A/D και D/A Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D) Διαμόρφωση πλάτους παλμού (Pulse Width Modulation) 2. Πρακτικό υέοος 2.1 Ένα απλό σύστημα A/D 2.2 Γραφική αναπαράσταση αναλογικού σε ψηφιακό 2.3 Δημιουργία κυματομορφών Έλεννος κινητήρα Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό DAC Ταχύμετρα Στατικές τριβές κινητήρα Απλός έλεγχος κινητήρα 3.3 Μέτρηση απόκρισης κινητήρα 3.4 Χαρακτηριστικά οδήγησης κινητήρα 4. Avαλovικόc έλενχος vωvιακήc 90anc ά^ονα 4.1 Τα ποτενσιόμετρα σαν αισθητήρες θέσης 4.2 Το ποτενσιόμετρο σαν είσοδος στον A/D μετατροπέα 4.3 Χαρακτηριστικά ποτενσιόμετρων Ψnφιακόc έλεννος νωνιακής θέσης ά ονα Απόλυτος κωδικοποιητής Αυξητικός κωδικοποιητής Ψηφιακοί κωδικοποιητές αξόνων 5.2 Απόλυτος κωδικοποιητής

3 5.3 Έλεγχος ταχύτητας και φοράς με αυξητικό κωδικοποιητή Βρόχοι ελένχου 90anc 6.1 Μηχανισμοί έλεγχου θέσης Αναλογικός έλεγχος με αναλογικό αισθητήρα Αναλογικός έλεγχος με ψηφιακό αισθητήρα Βρόϊοι ελένγου TaY0TnTac 7.1 Σερβομηχανισμοί ελέγχου ταχύτητας Έλεγχος ταχύτητας με αναλογικό αισθητήρα Έλεγχος ταχύτητας με ψηφιακό αισθητήρα Έλεvyoc P.I.D. 8.1 Αναλογικός - διαφορικός έλεγχος Αναλογικός - ολοκληρωτικός έλεγχος Αναλογικός-ολοκληρωτικός-διαφορικός έλεγχος Δειγματοληψία Αναλογικός - διαφορικός έλεγχος Αναλογικός - ολοκληρωτικός έλεγχος Αναλογικός - ολοκληρωτικός - διαφορικός έλεγχος 67

4 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 1. Εισαγωγή 1.1 Εξοικείω ση Σ αυτό το κεφάλαιο χρειάζεται να γίνει μία περιγραφή των στοιχείων έτσι ώ στε να κατανοήσουμε πώ ς θα θέσουμε σε εφαρμογή όλες τις γνώσεις σχετικά με τις αρχές του ψηφιακού ελέγχου. Το εκπαιδευτικό πακέτο Digital Servo Fundamentals είναι ένας συνδυασμός από ηλεκτρονικά και μηχανικά εξαρτήματα, τα οποία μαζί με το λογισμικό για τον ηλεκτρονικό υπολογιστή χρησιμοποιούνται για την κατανόηση των αρχών του ψηφιακού ελέγχου και την πραγματοποίηση των ασκήσεων. Ο εξοπλισμός αποτελείται από δύο μονάδες : Μηνανική υονάδα : Περιέχει όλα τα ηλεκτρονικά και μηχανικά εξαρτή- IjaTa, όπως τη μηχανή, κάποιους αισθητήρες και μετατροπείς, τα οποία χρησιμοποιούνται στις ασκήσεις. Ψηφιακή υονάδα ; Αυτή η μονάδα διαθέτει ένα ψηφιακό interface έτσι ώστε σε συνδυασμό με την προηγούμενη (33-100) να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διδασκαλία των αρχών του ψηφιακού ελέγχου. Υπάρχει η δυνατότητα το σύστημα μας να συνδεθεί με έναν μικροεπεξεργαστή για τον έλεγχο του Μηχανική μονάδα : Η μηχανική μονάδα περιέχει αισθητήρες και ελεγκτές οι οποίοι χρησιμοποιούνται για τη κατανόηση των αρχών του ψηφιακού ελέγχου. Αγγελόπουλος Οαναγιώτης

5 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Η μονάδα στο μπροστινό μέρος έχει τρεις διακόπτες και ένα ποτενσιόμετρο. RPM/DVM Switch : Με αυτόν το διακόπτη αλλάζουμε την απεικόνιση της ο θόνης υγρών κρυστάλλων (LCD ) από RPM (στροφές ανά λετπό) σε DVM (ψηφιακό βολτόμετρο) V+/V- : Ελέγχει τη λειτουργία του κινητήρα. Σπρώχνοντας τον διακότττη προς την επάνω θέση (V+) εφαρμόζεται θετικός έλεγχος τάσης και ο κινητήρας κινείται σύμφωνα με τη φορά του ρολογιού. Στην κάτω θέση του διακότπη (V-) έχουμε φορά αντίθετη με τους δείκτες του ρολογιού. Ηζ Potentiom eter: Με αυτό το ποτενσιόμετρο ρυθμίζεται η συχνότητα του σήματος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της μηχανικής μονάδας. Ηζ Sw itch : Επιλέγουμε το φάσμα συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε. Δύο επιλογές υπάρχουν, από 0.1 έως 1 Ηζ και 1 έως 10 Ηζ Ψηφιακή μονάδα : Η ψηφιακή μονάδα χρησιμοποιείται ως διασύνδεση ανάμεσα στον υπολογιστή και τη μηχανική μονάδα. Επίσης επιτρέπει την συνδεσμολογία διάφορων κυκλωμάτων ελέγχου με τη χρήση ακροδεκτών. Σγήυα 1.2 : Ψηφιακή υονάδα Επάνω στη πλακέτα υπάρχουν δύο ποτενσιόμετρα ελέγχου. Το ποτενσιόμετρο στην κάτω αριστερή γωνία της πλακέτας, ελέγχει τη διέγερση ή το πλάτος των σημάτων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της μηχανικής μονάδας. Το άλλο ποτενσιόμετρο χρησιμοποιείται για την ακινητοποίηση του κινητήρα στην μηχανική μονάδα, όταν δεν υπάρχει κάποιο σήμα από τον υπολογιστή.

6 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 1.2 Αρχές μετατροττήζ AID και D/A METaTpoTTEac αναλογικού σήματος σε ΦΠΦίακό (A/D) Όταν χρειάζεται να γίνει επεξεργασία ενός σήματος το οποίο είναι αναλογικό, (π.χ. έχει τη μορφή μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής), από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή, πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακή (δυαδική) μορφή. Αυτό γίνεται από έναν A/D μετατροπέα, ο οποίος στην ουσία κάνει δειγματοληψία του αναλογικού σήματος σε σταθερά χρονικά διαστήματα, με τέτοιο ρυθμό ώστε όλες οι πληροφορίες από το αρχικό αναλογικό μας σήμα να περιέχονται στο νέο ψηφιακό σήμα. Σύμφωνα με το θεώρημα του Shannon- Nyquist για να διατηρηθούν όλες οι πληροφορίες του αναλογικού σήματος στο ψηφιακό, η δειγματοληψία πρέπει να γίνει με τουλάχιστον διπλάσια συχνότητα από τη μέγιστη συχνότητα που εμπεριέχεται. Σγήυα 1.3 : Αοχή λειτουονίας δεινματοληιμίας Μετά τη δειγματοληψία κάθε αναλογικό δείγμα κβαντοποιείται και κωδικοποιείται, δηλαδή στρογγυλοποιείται στο πλησιέστερο ψηφιακό πλάτος σήματος, ανάλογα με τον αριθμό των bits που χρησιμοποιούνται για τη διαδικασία της μετατροπής.

7 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε έναν A/D μετατροπέα 8-bit θα έχουμε 2 =256 levels (ψηφιακά επίπεδα) στην έξοδο, με έναν AJD μετατροπέα 10-bit θα έχουμε 2^ =1024 levels. Βλέπουμε πως όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των bits τόσο υψηλότερη η ανάλυση του σήματος, αυτό όμως σημαίνει και πιο πολύπλοκο και ακριβό μετατροπέα. Συχνά το σήμα εισόδου περνά μέσα από μια προσωρινή μνήμη (buffer), έτσι ώστε να ρυθμίζεται το μέγεθος του ανάλογα με το μέγεθος του μετατροπέα. Σε πολλές εφαρμογές, ο χρόνος που απαιτείται για την μετατροπή του σήματος είναι σημαντικός, γι αυτό υπάρχουν πολλών ειδών μετατροπείς. Γενικά η πολυπλοκότητα αυξάνει με την ταχύτητα, ένας γρήγορος μετατροπέας μπορεί να κάνει μια μετατροπή σε χρόνο μικρότερο του ενός microsecond. Ο AID μετατροπέας της ψηφιακής μονάδας είναι ένας 8-bit μετατροπέας με μέγιστο χρόνο μετατροπής τα 500 microsecond. Το πεδίο τιμών της τάσης εισόδου είναι από -1 0 έως +10 volts Διαυόρφωση πλάτους παλμού (Pulse Width Modulation) Στα συστήματα ελέγχου συχνά χρησιμοποιούνται κινητήρες συνεχούς ρεύματος επειδή η ταχύτητα και η φορά τους ελέγχονται από την ένταση και τη φορά του ρεύματος. Επειδή το σήμα οδήγησης του κινητήρα είναι χαμηλής ισχύος, ένας ενισχυτής είναι απαραίτητος για την οδήγηση του. Ο ενισχυτής πρέπει να είναι γραμμικός, δηλαδή η έξοδος ανάλογη της εισόδου, αλλά αυτό μας δημιουργεί προβλήματα στη σχεδίαση και την ψύξη. Μία εναλλακτική μέθοδος χρησιμοποιεί έναν switching amplifier ο οποίος ε ναλλάσσει τη φορά του κινητήρα σε πλήρη ισχύ. Ο λόγος ανάμεσα στην ισχύ της ορθής και ανάστροφης φοράς ποικίλλει, με τον όρο ότι η εναλλαγή είναι στιγμιαία, ο κινητήρας ανταποκρίνεται στον μέσο όρο της ισχύος. Το σήμα που εφαρμόζεται στον κινητήρα είναι ένας τετραγωνικός παλμός, με σταθερή συχνότητα αλλά μεταβαλλόμενο πλάτος. Αυτή η μέθοδος ελέγχου ονομάζεται διαμόρφωση πλάτους σήματος. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι τα διακοπτόμενα (switching) κυκλώματα είναι πιο εύκολα στον σχεδιασμό τους σε σχέση με τα γραμμικά και έχουν χαμηλότερες απώλειες θερμοκρασίας. Η συχνότητα του παλμού διαμόρφωσης πλάτους της μονάδας μας είναι 330 Ηζ.

8 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 2. Πρακτικό UEpoc : 2.1 Ένα αττλό σύστημα A/D Σε αυτό το κεφάλαιο θα δούμε πώς να πάρουμε ένα αναλογικό σήμα, να το μετατρέψουμε σε ψηφιακό και να το εισάγουμε στον υπολογιστή. Τότε μπορεί να απεικονιστεί στον υπολογιστή ή να σταλεί σε ψηφιακή μορφή στον D/A μετατροπέα και την έξοδο του να τη παρατηρήσουμε στην οθόνη ενός παλμογράφου. Παρακάτω βλέπουμε το block διάγραμμα και το κύκλωμα της συνδεσμολογίας που θα ακολουθηθεί. Block δισνραμμα 2.1 : Απλό σύστημα A/D Κύκλωμα 2.1 : Απλό σύστημα A/D

9 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Πραγματοποιώντας τη σύνδεση που βλέπουμε στο παραπάνω σχέδιο θα πρέπει να παρατηρήσουμε στον παλμογράφο την κυματομορφή εξόδου του D/A μετατροπέα, η οποία θα έχει σχεδόν την ίδια μορφή με την κυματομορφή εισόδου που εμφανίζεται στον υπολογιστή. "1 / \ Σχήμα 2.1 : Κυματομορφή εισόδου Σχήμα 2.2 : Κυματομορφή εξόδου Ερωτήσεις 1. Εξηγήστε σύντομα και με αναφορά στους όρους δειγματοληψία, κβαντοποίηση και κωδικοποίηση, τη διαδικασία μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό. 2. Για ποιόν λόγο χρησιμοποιούνται οι μετατροπές από αναλογικό σε ψηφιακό (A/D) και ψηφιακό σε αναλογικό (D/A) σε αυτήν την άσκηση; Ποιες οι επιτπώσεις στο σήμα εισόδου μετά τη μετατροπή του, όπως αυτές φάνηκαν στην ο θόνη του υπολογιστή. 3. Τι εννοούμε με τον όρο ανάλυση σε έναν A/D μετατροπέα και πώς μπορεί να αυξηθεί; Βρείτε την ανάλυση του σήματος που απεικονίζεται στην οθόνη. Τι συμβαίνει στην ανάλυση του, όταν η συχνότητα του τριγωνικού σήματος μεταβάλλεται από το μαύρο ποτενσιόμετρο επάνω στη μηχανική μονάδα; Δικαιολογήστε το.

10 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 2.2 Γραφική ανατταράσταση αναλογικού σε ΦΠΦίακό Σε αυτήν την άσκηση θα δούμε πως λειτουργεί η διαμόρφωση πλάτους παλμού. Εφαρμόζουμε ένα τριγωνικό σήμα στην είσοδο του μετατροπέα A/D, το οποίο περνά μέσω του υπολογιστή και στη συνέχεια είναι αυτό που καθορίζει τη διαμόρφωση πλάτους του παλμού (PWM). Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στον παλμογράφο και μπορείτε να δείτε πώς ο λόγος αναλογίας μετώπων του τετραγωνικού παλμού είναι ανάλογη με του σήματος εισόδου. Για να είναι συγχρονισμένα τα σήματα μας υπάρχει ένα ρολόι στην ίδια συχνότητα με τον PWM. Στο block διάγραμμα και το κύκλωμα που ακολουθεί βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα ακολουθηθεί στην πορεία της άσκησης. l;u : 'm W' ' ;Ι;ϋα '*' II Κύκλωμα 2.2 : αναπαράσταση αναλογικού σε αιηα>ιακό Αγνελόπουλος Παναγιώτης

11 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Block διάγραμμα 2.2 : αναπαράσταση αναλογικού σε ιμηφίακό Αφού πραγματοποιήσουμε τη συνδεσμολογία του κυκλώματος μας θα πρέπει να μπορούμε να παρατηρήσουμε στην οθόνη του παλμογράφου πώς οι τετραγωνικοί παλμοί επηρεάζονται από το πλάτος του σήματος εισόδου. Σχήμα 2,3 : Κυματομοοιρή εισόδου Σχήμα 2.4 : Έξοδος PWM

12 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Ερω τήσεις : 1. Εξηγήστε εν συντομία τι είναι η διαμόρφωση πλάτους παλμού, πώς και γιατί χρησιμοποιείται στην οδήγηση D.C. κινητήρων; 2. Τί εννοούμε με τον όρο λόγος αναλογίας μετώπων ενός σήματος; Πώς επηρεάζεται ο λόγος αναλογίας μετώπων του PWM σήματος σε σχέση με το πλάτος του σήματος εισόδου? 3. Τι επιπτώσεις έχει η μεταβολή της συχνότητας του σήματος εισόδου στο PWM σήμα; Αλλάζει η περίοδος του PWM σήματος και γιατί; 2.3 Δημιουρνία κυματομορφών Σε αυτήν την άσκηση θα δούμε πώ ς μπορούμε να στείλουμε ένα ψηφιακό σήμα, δημιουργημένο από τον υπολογιστή, στον D/A μετατροπέα. Μετά από αυτό μπορούμε να συνδέσουμε έναν παλμογράφο στην έξοδο του μετατροπέα και να δούμε το σήμα μας στην οθόνη του. Με αυτήν τη διαδικασία σχεδόν όλες οι κυματομορφές μπορούν να αναπαραχθούν, αν και αυτές που προέρχονται από απλές μαθηματικές συναρτήσεις είναι οι πιο εύκολες. Στο παρακάτω κύκλωμα και block διάγραμμα βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα πραγματοποιήσουμε. Block διάνραμμα 2.3 : Δημιουρνία κυυατουορφών

13 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 1:Π> Κύκλωμα 2.3 : Δπυιουρνία κυυατομορφών Με την ολοκλήρωση του κυκλώματος και αναλόγως με τι σήμα έχουμε εττιλέξει να παράγεται, θα πρέπει να βλέπουμε στην οθόνη του παλμογράφου μας την έξοδο του D/A μετατροπέα, δηλαδή σχεδόν ότι και στον υπολογιστή μας. S IM M Σγήμα 2.5 : Τετραγωνικό σήμα εισόδου Σχήμα 2.6 : Τετραγωνικό σήμα εξόδου 10

14 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σ I εξόδου Σχήμα 2.11 : Τριγωνικό σήμα εισόδου Σχήμα 2.12 : Τριγωνικό σήμα εξόδου Ερω τήσεις : 1. Σχεδιάστε και περιγράψτε μαθηματικά τα τέσσερα είδη κυματομορφών ττου συναντήσαμε στην άσκηση. 2. Ποιος ο ρόλος του D/A μετατροπέα σε αυτήν την άσκηση; Δικαιολογήστε τη χρήση του σε συνδυασμό με τη χρήση του A/D μετατροπέα.

15 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 3. Τί είδους κυματομορφή εμφανίζεται στην οθόνη του παλμογράφου κάθε φορά που αλλάζουμε την επιλογή μας από το μενού; Είναι όμοια με αυτή που εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή; 3. Έλεννος κινητήρα Σε αυτή την άσκηση θα μάθουμε πώ ς γίνεται ο έλεγχος ενός κινητήρα σε τρία απλά βήματα; 1. Έλεγχος της τάσης που εφαρμόζεται στον κινητήρα μέσω της εξόδου του D/A και του υπολογιστή 2. Εφαρμογή βηματικής εισόδου στον κινητήρα και μέτρηση της απόκρισης του με το ταχύμετρο συνδεδεμένο στην είσοδο του A/D. 3. Έλεγχος της απόκρισης του κινητήρα σε διαφορετικά επίπεδα οδήγησης Μετατροπέας ΦΠΦίακού σήματος σε αναλογικό DAC Στην ουσία ένα ψηφιακό σήμα είναι μία ακολουθία παλμών, όπου ο κάθε παλμός αντιπροσωπεύεται από μία ψηφιακή λέξη (digital word) αποτελούμενη από πεπερασμένο αριθμό bits (δυαδικά ψηφία). Σε πολλές εφαρμογές υπάρχει η ανάγκη μετατροπής των ψηφιακών σημάτων, προερχόμενα συνήθως από έναν υπολογιστή, σε συνεχή (αναλογική μορφή). Τυπικά παραδείγματα τέτοιων περιπτώσεων είναι ο έλεγχος κινητήρων και τα σήματα που έχουν σχέση με ήχο, σε ψηφιακά συστήματα τηλεπικοινωνιών. Ένα ς DAC είναι το κύκλωμα που παρέχει μία αναλογική τάση (ή ρεύμα) το οποίο είναι το άθροισμα γινομένων των bits κάθε ψηφιακής λέξης. Σε έναν A/D μετατροπέα, η αναλογική κυματομορφή περνάει από δειγματοληψία και τα διαχωρισμένα στον διακριτό χρόνο πλέον (discrete-time) αναλογικά δείγματα κβαντοποιούνται, γίνεται στρογγυλοποίηση, και τελικά αυτές οι κβαντοποιημένες τιμές κωδικοποιούνται σε μία ψηφιακή λέξη. Σε αντίθεση με την μετατροπή A/D, η D/A μετατροπή είναι μοναδική. Υπάρχει μία αντιστοιχία ένα προς ένα ανάμεσα σε μία ψηφιακή λέξη και μία αναλογική τιμή. Παρόλα αυτά υπάρχουν κενά ανάμεσα στα ψηφιακά επίπεδα προερχόμενα από τις κβαντοποιημένες τιμές. Αόγω αυτού το σήμα που έχουμε μετά την D/A μετατροπή έχει απότομες ασυνέχειες και σαν σύνολο έχουμε μια κυματομορφή με τη μορφή σκάλας. Για την ελάττωση αυτού του φαινομένου συχνά χρησιμοποιούνται φίλτρα, ώστε να εξομαλυνθεί το αποκατεστημένο αναλογικό σήμα αφαιρώντας τις υψηλές συχνότητες.

16 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Ταχύμετρα Υπάρχουν πολλά είδη αισθητήρων στα συστήματα ελέγχου, τα πιο συνηθισμένα είναι αισθητήρες θέσης, ταχύτητας και επιτάχυνσης. Μία συνηθισμένη απαίτηση σε συστήματα ελέγχου που σχετίζονται με κίνηση είναι η μέτρηση της ταχύτητας ενός κινητήρα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέτρησης, όπως η μέτρηση της γωνιακής θέσης του άξονα και στη συνέχεια η διαφόριση του σήματος. Αυτή η μέθοδος συνήθως περιέχει λάθη, ειδικά όταν η μέτρηση της θέσης περιέχει υψηλόσυχνο θόρυβο (το πλάτος του θορύβου αλλάζει πολύ απότομα). Το πλάτος αυτού του θορύβου αυξάνει με τη διαφόριση που γίνεται, από τη στιγμή που η έξοδος του διαφοριστή ισούται με το ρυθμό μεταβολής του πλάτους του σήματος, με αποτέλεσμα την απώλεια κάποιων στοιχείων από τα δεδομένα. Μία καλύτερη μέθοδος είναι η απευθείας μέτρηση της ταχύτητας του κινητήρα χρησιμοποιώντας ένα ταχύμετρο. Το ταχύμετρο, ή ταχυγεννήτρια, στην ουσία είναι μία γεννήτρια συνεχούς τάσης, η οποία παράγει μία αντι-ηλεκτρεργετική δύναμη (back β.πι.ί.) ανάλογη με τη ταχύτητα του άξονα του κινητήρα. Η πολικότητα του ταχύμετρου αλλάζει σύμφωνα με τη φορά περιστροφής του άξο- 9 Η έξοδος ενός ιδανικού ταχύμετρου, ή πιο σωστά ταχογεννήτριας, είναι συνεχής τάση με κάποια ίχνη a.c. κυμάτωσης. Εξειδικευμένα κυκλώματα μπορούν να ελαχιστοποιήσουν αυτό το φαινόμενο. Αυτή η κυμάτωση μπορεί σε ένα σύστημα ελέγχου να ενισχυθεί σε τέτοιο βαθμό, ώστε να επιφέρει μείωση της απόδοσης του. Για την αφαίρεση της μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάποιο φίλτρο, αλλά η προσθήκη του μπορεί να προσθέσει περαιτέρω προβλήματα εισάγοντας καθυστέρηση στην απόκριση Στατικές τριβέζ κινητήρα Ένας ιδανικός κινητήρας περιστρέφεται πολύ αργά όταν τροφοδοτείται με χαμηλή τάση. Στην πράξη όμως υπάρχουν τριβές εξαιτίας των ψηκτρών του (καρβουνάκια), οι οποίες δεν επιτρέπουν στον κινητήρα να περιστραφεί σε χαμηλές τάσεις τροφοδοσίας. Οι επιπτώσεις αυτών των τριβών είναι πιο εμ

17 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας φανείς στη περίπτωση που, η τάση τροφοδοσίας του κινητήρα αυξάνει σταδιακά από το μηδέν και ο κινητήρας παραμένει ακίνητος μέχρις ότου η ροπή του ξεπεράσει τις τριβές των ψηκτρών. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται στατική τριβή κινητήρα (Stiction) και επηρεάζει αρνητικά τα συστήματα ελέγχου ακριβείας. Λόγω των δονήσεων μπορεί να μειωθεί με τη χρήση PWM ή, όπως στη περίπτωση της ψηφιακής μονάδας, με έναν ενισχυτή για το σήμα οδήγησης με μη γραμμική απόκριση σε χαμηλές τάσεις οδήγησης. 3.2 Απλός έλενγοο κινητήρα Σε αυτή την άσκηση θα δούμε με ποιόν τρόπο η εφαρμογή διάφορων τιμών, μέσω ενός D/A μετατροπέα και ενός ενισχυτή, μπορούν να μεταβάλουν την τάση τροφοδοσίας ενός κινητήρα. Αυτό σημαίνει πω ς και η ταχύτητα και η φορά μπορούν να είναι ελεγχόμενες, παρόλο που ο έλεγχος ταχύτητας είναι ανακριβής με αυτόν τον τρόπο. Στην οθόνη του υπολογιστή, με τη μορφή μπάρας, θα εμφανίζονται οι τιμές που θα στέλνονται στον D/A μετατροπέα, έτσι ώστε να μπορείτε να τις βλέπετε και να τις ρυθμίζετε. Με τη χρήση παλμογράφου μπορείτε να μετρήσετε την ακριβής τιμή της τάσης που εφαρμόζεται. Η σχέση της τάσης με την τιμή που εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή εκφράζεται με τον τύπο: ν = 10 χ η /128, όπου ν είναι η τάση, και η η τιμή μας. Στο block διάγραμμα και το σχήμα που ακολουθεί βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα γίνει σε αυτήν την άσκηση. Block διάνοαυυα 3.1 : Απλός έλεγχο Kivnincxi

18 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Κύκλωμα 3.1 : Απλός έλεγχος κινητήρα Μετακινώντας τη μττάρα στο κουτάκι ελέγχου ελέγχουμε την ταχύτητα και τη φορά του κινητήρα. Στο μηδέν ο κινητήρας είναι ακινητοποιημένος, στο +127 έχουμε μέγιστη ταχύτητα δεξιόστροφα και στο -127 έχουμε μέγιστη ταχύτητα αριστερόστροφα. Ερω τήσεις : 1. Περιγράψτε με λίγα λόγια τη διαδικασία μετατροπής ενός ψηφιακού σήματος σε αναλογικό και συγκρίνετε τη με τη διαδικασία μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Ποια η σπουδαιότητα του D/A μετατροπέα σε αυτό το πείραμα; 2. Με τον παλμογράφο μετρήστε την τάση (ν) που εφαρμόζεται στον κινητήρα (η έξοδος του D/A) για διάφορες τιμές που δίνουμε (η). Σχεδιάστε τη γραφική παράσταση της τάσης συναρτήσει της τιμής και δώστε μια προσεγγιστική σχέση των δύο μεταβλητών.

19 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 3.3 Μέτρηση απόκρισης κινητήρα Σε αυτό το πείραμα θα αναλύσουμε τα χαρακτηριστικά ενός κινητήρα. Η συμπεριφορά στην μεταβατική και στην στατική κατάσταση είναι αυτά που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά ενός συστήματος. Αυτή η άσκηση θα ασχοληθεί μόνο με το φαινόμενο μετάβασης, όπως η απόκριση σε απότομες μεταβολές της εισόδου. Για την εύρεση των χαρακτηριστικών ενός συστήματος συχνά χρησιμοπσισύνται σήματα ελέγχου, όπως σήματα ημιτονικά, βηματικά και ράμπας. Εφαρμόζοντας μία βηματική τάση στον κινητήρα, χρησιμοποιώντας τον υπολογιστή και τον D/A μετατροπέα, έχουμε τη δυνατότητα μεταβολής της ταχύτητας του. Μία βηματική είσοδος στον κινητήρα όμως είναι απότομη αλλαγή κατάστασης, οπότε είναι αναμενόμενο να υπάρχει κάποια καθυστέρηση στην απόκριση του κινητήρα. Αυτή η καθυστέρηση οφείλεται κυρίως σε δύο παράγοντες, στην αδράνεια του οπλισμού και σε οποιοδήποτε επιπλέον φορτίο (στην περίτττωση μας το φρένο). Αυτή η καθυστέρηση ονομάζεται σταθερά χρόνου του κινητήρα και είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μεταβεί η ταχύτητα του κινητήρα από την μία σταθερή τιμή στην άλλη. Στο παρακάτω κύκλωμα και block διάγραμμα βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα ακολουθήσουμε για την πραγματοποίηση του πειράματος. Block διάγραμμα 3.2 : Μέτρησης απόκρισης κινητήρα

20 Τεχνολογιχό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Κύκλωμα 3.2 : Μέτρησης αττόκρισης κινητήρα Μία Ρηματική είσοδος οδηγεί την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα και παρατηρούμε πως η ταχύτητα του καθυστερεί να αυξομειωθεί σε σχέση με την είσοδο. Τ achonieterjp_utput_ Σχήμα 3.1: Απόκριση ταχύμετρου

21 ΤεχνολονΊκό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Ερω τήσεις : 1- Περιγράψτε την αρχή λειτουργίας μιας ταχογεννήτριας και το ρόλο της στην άσκηση. 2. Τι εννοούμε με τον όρο μεταβατική απόκριση ενός κινητήρα σε βηματική είσοδο και τι την προκαλεί; Προσδιορίστε τη σταθερά χρόνου σε αυτή την περίτπωση. 3. Παρατηρείστε τη μεταβατική απόκριση στην οθόνη του υπολογιστή και σημειώστε την επιπρόσθετη κυμάτωση. 3.4 Χαρακτηριστικά οδήγησης κινητήρα Σε αυτή την άσκηση θα δούμε τη συμπεριφορά ενός κινητήρα σε διάφορα στάδια οδήγησης. Εξαιρετικού ενδιαφέροντος είναι η στιγμή που ο κινητήρας ξεκινά να περιστρέφεται, όταν δηλαδή η τάση τροφοδοσίας του αυξανόμενη αργά από το μηδέν καταφέρνει να υπερνικήσει την στατική τριβή του κινητήρα. Για να μελετήσουμε αυτό το φαινόμενο, οπήν άσκηση μας, θα συνδέσουμε τον κινητήρα μας στην έξοδο του D/A μετατροπέα μας και από τον υπολογιστή θα αυξάνουμε αργά την τάση. Το ταχύμετρο είναι συνδεδεμένο ςττην είσοδο του AID μετατροπέα, έτσι ώεττε να μπορούμε να δούμε ςπην οθόνη του υπολογιστή μας τη γραφική παράσταση, στην οποία θα φαίνεται πότε ο κινητήρας ξεκινά να περιστρέφεται. Στο block διάγραμμα και το σχέδιο που ακολουθεί φαίνεται με ποιόν τρόπο θα γίνει η συνδεσμολογία του κυκλώματος. Block διάνραμμα 3.3 : Χαρακτηριστικά οδήνησης κινητήρα

22 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Κύκλωμα 3.3 : Χαρακτηριστικά οδήγησης κινητήρα ptt Point I.alsil Σχήμα 3.2 : Απόκριση κινητήρα Από τη γραφική μας βλέπουμε ότι ο κινητήρας θα ξεκινήσει να περιστρέφεται μετά από μία συγκεκριμένη τάση τροφοδοσίας. Ερω τήσεις : 1. Τι ονομάζουμε στατική τριβή ενός κινητήρα και τι την πρσκαλεί; 2. Με ποιους τρόπους μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε το φαινόμενο της στατικής τριβής;

23 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 4. Αναλογικός έλεγχος vωvιακήc 9 anc άξονα Σε αυτήν την άσκηση θα δούμε πως μπορεί ένα ποτενσιόμετρο να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της γωνιακής θέσης του άξονα ενός κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την είσοδο του A/D μετατροπέα και το ποτενσιόμετρο εισόδου, ή χρησιμοποιώντας την είσοδο του A/D μετατροπέα και το ποτενσιόμετρο θέσης άξονα με τον κινητήρα να περιστρέφεται. 4.1 Τα ττοτενσιόαετρα σαν αισθητήρες θέσπ Ένα ποτενσιόμετρο (μία μεταβλητή αντίσταση) είναι ένα εξάρτημα που βρίσκεται σχεδόν σε όλα τα ηλεκτρονικά συστήματα σήμερα. Το ποτενσιόμετρο είναι ένα αναλογικό ηλεκτρονικό εξάρτημα, πολύ απλής κατασκευής, που χρησιμοποιείται στα κυκλώματα ως μεταβλητή αντίσταση. Έχει τρεις ακροδέκτες από τους οποίους οι δύο είναι τα άκρα μιας αγώγιμης πλάκας σχήματος Ω, πάνω στην οποία γυρίζει, με τη βοήθεια ενός στροφέα, η τρίτη επαφή. Α -. νάλογα με την απόσταση της επαφής από την είσοδο του ρεύματος στο ποτενσιόμετρο μεταβάλλεται και η αντίσταση. Είναι ο πιο απλός αισθητήρας που μπορεί να βρεθεί στα συστήματα ελέγχου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση και της γραμμικής και της περιστροφικής θέσης. Αν πούμε R* την μεταβλητή αντίσταση (το μετακινούμενο μέρος) και R την ο λική αντίσταση του ποτενσιόμετρου, τότε σύμφωνα με τον διαιρέτη τάσης έ χουμε Vx = [Rx/R]V. Όπου Vx είναι η έξοδος του αισθητήρα, V η τάση που εφαρμόζεται. Η Rx είναι ανάλογη προς τη μετατόπιση του κινούμενου άκρου της. Η παραπάνω σχέση ισχύει για τη μέτρηση της πλευρικής και της γωνιακής θέσης. Στη μονάδα μας το ένα άκρο της αγώγιμης πλάκας είναι συνδεδεμένο με τον άξονα και το κινούμενο άκρο γυρίζει επάνω στην αγώγιμη πλάκα καθώς ο άξονας περιστρέφεται. Η τάση \/χ σε αυτήν την περίπτωση είναι ανάλογη της γωνιακής θέσης του άξονα. Το κύκλωμα που περιγράψαμε έχει αυτήν τη μορφή

24 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Τα πλεονεκτήματα που έχει η χρήση ενός ποτενσιόμετρου ως αισθητήρα θέσης είναι η χαμηλή τιμή του και η δυνατότητα του να παρέχει σχετικά υψηλή τάση από την έξοδο του. Υπάρχουν όμως και κάποια μειονεκτήματα όπως η φθορά του με το πέρασμα του χρόνου και η έλλειψη ακρίβειας λόγω του ανθρώπινου παράγοντα. Όταν χρειάζεται ακριβής έλεγχος και υψηλή απόδοση χρησιμοποιούμε ψηφιακούς αισθητήρες θέσης, οι οποίοι θα συζητηθούν σε παρακάτω πειράματα. 4.2 Το ττοτενσιόυετρο σαν είσοδος στον A/D μετατροττέα Σε αυτό το πείραμα θα δούμε πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα ποτενσιόμετρο, το οποίο δίνει μία τάση ανάλσγη με τη γωνιακή του θέση, για να δίνουμε πληροφορίες στον υπολογιστή μας μέσω του A/D μετατροπέα. Η θέση του ποτενσιόμετρου υπολογίζεται και εμφανίζεται στο καταγραφικό μας. Πιο κάτω βλέπουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου το οποίο βρίσκεται στο μπροστινό μέρος της μηχανικής μονάδας και το block διάγραμμα Ε3 Block διάνραμυα 4.1 : Το ποτενσιόμετρο σαν είσοδος στον A/D μετατροπέα

25 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Το κύκλωμα μας θα έχει την παρακάτω συνδεσμολογία Κύκλωμα 4.1 : Το ποτενσιόμετρο σαν είσοδος στον A/D μετατροπέα Με την πραγματοποίηση της συνδεσμολογίας μας. στην οθόνη του υπολογιστή μας θα εμφανιστούν οι παρακάτω κυματομορφές, αναλόγως της φοράς κίνησης του ποτενσιόμετρου. Σγήμα 4.2 : Είσοδος A/D μετατροπέα νια θέση ποτενσιόμετρομ από 0 έως 150

26 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχήμα 4,3: Είσοδος A/D μετατοοττέα νια θέση ποτενσιόμετρου αττό 0 iωc -150 Από τις κυματομορφές μας μπορούμε να δούμε πως η τάση εξόδου είναι ά μεσα συσχετισμένη με τη θέση του ποτενσιόμετρου δίνοντας μας τάση ανάλογη με πόσες μοίρες και πολικότητα ανάλογη της φοράς στρέψης. Η σχέση που συνδέει την τάση με τις μοίρες μπορεί να υπολογιστεί ί ''' V o lts - = Volts / 1=101'" Οπότε από τη σχέση μας συμπεραίνουμε πως για να έχουμε μεταβολή 1 Volt θα πρέπει να στρέψουμε το ποτενσιόμετρο κατά 15 Ερωτήσεις 1. Εξηγήστε πώς ένα ποτενσιόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ελεγκτής θέσης, και δώστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. 2. Πώς διαμορφώνεται σε αυτό το πείραμα το ποτενσιόμετρο εισόδου, και τι μετρά; 3. Με αναφορά στο πείραμα που κάναμε, βρείτε την κατάλληλη έκφραση που να συνδέει τη θέση, σε μοίρες, του ποτενσιόμετρου εισόδου με την τιμή που απεικονίζεται στην οθόνη του υπολογιστή. 4. Ποιο είναι το ποσοστό επί τοις εκατό του σφάλματος σε αυτή την έκφραση και από πού προέρχεται αυτό; 5. Ποιο το πεδίο τιμών του ποτενσιόμετρου. 4.3 Χαρακτηριστικά ποτενσιόμετρων Στο πείραμα αυτό θα δούμε πως ένα ποτενσιόμετρο συνδεδεμένο με την έξοδο του άξονα του κινητήρα, μπορεί να ρυθμίσει την τάση ανάλογα με τη γωνιακή θέση του άξονα. Αυτή η τάση οδηγείται στον A/D μετατροπέα και από εκεί στον υπολογιστή. Ο υπολογιστής ελέγχει τον κινητήρα μέσω ενός A/D μετατροπέα και η μετρούμενη θέση του άξονα μπορεί να απεικονιστεί. Όταν το πο

27 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας τενσιόμετρο φτάσει στο τέλος της διαδρομής του έχουμε μία απότομη αλλαγή της τιμής μας, από το ελάχιστο στο μέγιστο, σε επανάληψη, επειδή μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε ένα εύρος 360 μοιρών. Πιο κάτω βλέπουμε το κύκλωμα προς συναρμολόγηση Κύκλωμα 4.2 : Χαρακτηριστικά ποτενσιόμετρων Και στο block διάγραμμα βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα ακολουθήσουμε - Β - - Block διάνοαμμα 4.2 : Χαρακτηριστικά ποτενσιόμετρων Αφού ολοκληρωθεί η συνδεσμολογία, με τη χρήση του ποτενσιόμετρου ελέγχου μπορούμε να ρυθμίσουμε τη φορά περιστροφής και την ταχύτητα του κινητήρα. Ανάλογα με τη φορά που θα στρέψουμε το ποτενσιόμετρο θα έχουμε την ανάλογη κυματομορφή.

28 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 157 I ^ ί Σχήμα 4.4: Είσοδος A/D μετατροττέα με τον κινητήρα να κινείται δεξιόστροφα Σχήμα 4.5: Είσοδος A/D μετατροπέα με τον κινητήρα να κινείται αρ/στροφα Ερωτήσεις 1. Με ποιόν τρόπο χρησιμοποιήσαμε το ποτενσιόμετρο σαν αισθητήρα γωνιακής θέσης σε αυτό το πείραμα; 2. Σχεδιάστε το block διάγραμμα του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στο πείραμα μας, ξεχωρίζοντας κάθε μονάδα και κατανοώντας το ρόλο κάθε μίας στη λειτουργία του συστήματος μας. 3. Τι αντιπροσωπεύει η απεικονιζόμενη κυματομορφή; 4. Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στο σήμα που εμφανίζεται στην οθόνη μας και τη γωνιακή θέση του άξονα;

29 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 5. Τι μορφή έχει η κυματομορφή που εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή μας και γιατί; Ποια χαρακτηριστικά της εμφανιζόμενης κυματομορφής ελέγχονται μεταβάλλοντας την οδήγηση του κινητήρα; 5. Ψηφιακός έλεγχος γωνιακής θέσης άξονα Στα επόμενα πειράματα θα ασχοληθούμε με τον έλεγχο της θέσης του άξονα χρησιμοποιώντας δύο είδη ψηφιακών κωδικοποιητών. Έναν απόλυτο κωδικοποιητή με κώδικα Gray και έναν αυξητικό κωδικοποιητή για τον έλεγχο φοράς και ταχύτητας του άξονα. Στα προηγούμενα πειράματα είδαμε πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα ποτενσιόμετρο σαν αισθητήρα θέσης του άξονα του κινητήρα. Σε αυτήν την αναλογική μέθοδο ελέγχου η μετατόπιση του ολισθαίνοντος άκρου του ποτενσιόμετρου είναι ανάλογη με την τάση στα άκρα του, η οποία αντιπροσωπεύει τη μετατόπιση του άξονα. Όταν όμως θέλουμε ακριβή έλεγχο θέσης ή ταχύτητας χρησιμοποιούμε ψηφιακές μεθόδους. Σε αυτή την περίπτωση ένας περιστροφικός κωδικοποιητής χρησιμοποιείται σαν αισθητήρας θέσης ή ταχύτητας Απόλυτος κωδικοποιητής Ένας απόλυτος κωδικοποιητής στην έξοδο του δίνει μία δυαδική τιμή, συνήθως σε κώδικα Gray, η οποία αντιπροσωπεύει την απόλυτη θέση, στην περίπτωση μας, του άξονα. Ο κωδικοποιητής έχει έναν δίσκο επάνω στον οποίο υπάρχουν τυπωμένα κάποια σχέδια, κάθε σχέδιο αντιστοιχεί σε ένα bit και κάθε γωνιακός τομέας σχεδίων αναπαριστά τη θέση του δίσκου με έναν αριθμό σε κώδικα Gray. Ο δίσκος του κωδικοποιητή που έχουμε στη μηχανική μονάδα και η κωδικοποίηση που χρησιμοποιεί φαίνεται παρακάτω Decimal Pure Binary Gray Code ο S

30 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Οι τιμές του κώδικα Gray ξεκινούν από την αρχή με τη μηδενική κατάσταση και περνούν στην επόμενη αλλάζοντας μόνο το λιγότερο σημαντικό bit (Isb), με την παλιά και τη νέα κατάσταση να διαφέρουν μόνο σε αυτό το bit. Το θετικό αυτής της μεθόδου είναι ότι ο δίσκος μπορεί να διαβαστεί οποιαδήποτε στιγμή και όχι μόνο όταν βρίσκεται στο κέντρο της κάθε θέσης. Αν χρησιμοποιούσαμε καθαρά δυαδική κωδικοποίηση θα είχαμε πολλά σφάλματα στην περίπτωση που δεν είχαμε συγχρονισμένη αλλαγή των σχεδίων. Αν πάμε από το δυαδικό 7 (0111) στο δυαδικό 8 (1000), στην έξοδο μας θα μπορούσαμε να πάρουμε το 15 (1111) αν το σημαντικότερο ψηφίο (msb) άλλαζε πρώτο. Για την ίδια περίπτωση σε κώδικα Gray, δεν θα υπήρχε περίπτωση λάθους αφού το 7 και το 8 αναπαριστούνται με 0100 και 1100 αντίστοιχα, το οποίο σημαίνει ότι μόνο το msb χρειάζεται να αλλάξει. Η αντιστοίχηση από τον κώδικα Gray σε έναν δυαδικό ή δεκαδικό αριθμό γίνεται από τον υπολογιστή με τη χρήση ενός πίνακα, αφού ένας αριθμός σε κώδικα Gray έχει ισοδύναμο δεκαδικό αριθμό Αυξητικός κωδικoττoιnτήc Ο οπτικός αυξητικός κωδικοποιητής είναι λιγότερο περίπλοκος από τον απόλυτο κωδικοποιητή. Αποτελείται από έναν περιστρεφόμενο δίσκο με διαφανή σημεία. Από την μία μεριά του δίσκου υπάρχει μία πηγή φωτός και ακριβώς απέναντι, από την άλλη μεριά του δίσκου, έχουμε έναν αισθητήρα φωτός οι οποίοι φαίνονται παρακάτω. Ο κωδικοποιητής μας δίνει σαν έξοδο έναν παλμό τάσης, κάθε φορά που ένα από τα διαφανή σημεία του περνούν από την πηγή φωτός. Με αυτή τη μέθο

31 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας δο χρειαζόμαστε και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για τη μέτρηση των παλμών, έτσι ώστε να υπολογιστεί η γωνία περιστροφής. Αυτός ο κωδικοποιητής ονομάζεται αυξητικός γιατί η παραγωγή ενός παλμού σημαίνει μία αυξητική αλλαγή της θέσης και όχι την πραγματική (απόλυτη) θέση. Έ ν α σημείο αναφοράς χρειάζεται για τον καθορισμό της απόλυτης θέσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την έναρξη, αντιπροσωπεύοντας τη θέση «0». Για να μπορεί να γίνει αντιληπτή και η φορά περιστροφής από το σύστημα, ένας δεύτερος αισθητήρας φωτός τοποθετείται σε άλλο σημείο στοχεύοντας αυτή τη φορά στο άκρο του διαφανούς κομματιού, ενώ ο προηγούμενος αισθητήρας στόχευε στο κέντρο. Κατά συνέπεια για σταθερή ταχύτητα, ο πρώτος αισθητήρας παράγει μία τετραγωνική κυματομορφή η οποία προηγείται φασικά της εξόδου του δεύτερου αισθητήρα κατά 90 για τη μία φορά περιστροφής και έπεται κατά 90 για την αντίθετη φορά. Μπορείτε να δείτε τους δύο κωδικοποιητές στη μηχανική μονάδα και τους σχετικούς υπέρυθρους αισθητήρες τους. Στην πράξη περιλαμβάνονται σε μια σφραγισμένη μονάδα και είναι πολύ μικρότεροι. Οι περισσότεροι κωδικοποιητές είναι του αυξητικού τύπομ, επειδή αυτοί μπορούν να έχουν υψηλότερη ανάλυση, λόγω της απλούστερης λειτουργίας τους και είναι πολύ φτηνότεροι Ψηφιακοί Ku5iKOTTOinTEc αξόνων Εκτός από ένα ποτενσιόμετρο για τον έλεγχο της θέσης του άξονα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν ψηφιακό κωδικοποιητή. Έχοντας σαν μειονεκτήματα την πολυπλοκότητα και την υψηλότερη τιμή σε σχέση με ένα ποτενσιόμετρο, τα αντισταθμίζει με πολλά βασικότερα πλεονεκτήματα όπως την μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, λιγότερο επιρρεπής στον θόρυβο και τα λάθη, εύκολο καθορισμό της φοράς περιστροφής και της απόλυτης θέσης καθώς και τον αριθμό πλήρων περιστροφών του δίσκου. Επίσης αν χρειάζεται ψηφιακός έ λεγχος μέσω υπολογιστή, δεν υπάρχει η ανάγκη για έναν A/D μετατροπέα με τα προβλήματα ρυθμίσεων που συνήθως προκύπτουν. Επιπλέον είναι εύκολη και η μέτρηση ταχύτητας, μετρώντας τους παλμούς του κωδικοποιητή, εκεί που στην περίπτωση του ποτενσιόμετρου θα χρειαζόταν και ένα ταχύμετρο. 5.2 Απόλυτος κωδικοποιητής Υπάρχουν δύο είδη ψηφιακού κωδικοποιητή αξόνων, ο αυξητικός κωδικοποιητής και ο απόλυτος κωδικοποιητής. Σε αυτό το πείραμα θα δούμε πώ ς οι πληροφορίες θέσης μπορούν να ληφθούν χρησιμοποιώντας έναν απόλυτο κωδικοποιητή. Ο κωδικοποιητής χρησιμοποιεί έναν δίσκο προσαρμοσμένο στον άξονα του κινητήρα. Επάνω στον δίσκο υπάρχουν τυπωμένα έξι tracks, τα οποία όταν διαβαστούν από τον αισθητήρα υπερύθρων, μας δίνουν τη γωνιακή θέση. Οι ψηφιακοί αριθμοί διαβάζονται σε κώδικα Gray και μετατρέπονται σε δεκαδικούς αριθμούς. Αφού ο δίσκος έχει έξι tracks, η ανάλυση της γωνιακής θέσης είναι περιορισμένη σε 2 = 64 ψηφιακά επίπεδα. Για την κατανόηση της λειτουργίας του κωδικοποιητή, η μηχανική μονάδα συνδεσμολογείται σαν ένας απλός seγvoκιvητήpας θέσης χρησιμοποιώντας το αναλογικό κανάλι σφαλμάτων της ψηφιακής μονάδας. Αυτό γίνεται για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί η γεννήτρια τριγωνικού παλμού έτσι ώστε να κινήσει τον δίσκο προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση χωρίς να υπάρχει ο φόβος βαθμιαία να απομακρυνθεί

32 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας ΤΟ σημείο εκκίνησης από το σημείο «0». Η έξοδος του δίσκου απεικονίζεται μαζί με την έξοδο του ποτενσιόμετρου. Ένα Παράδειγμα κβαντοποίησης, με 64 και 256 επίπεδα για μια είσοδο ράμπας, φαίνεται παρακάτω. R I C Z!) Ανάλυση A/D μετατροπέα 2 = 256 ψηφιακά επίπεδα > ^ = 4 ' 64 Ανάλυση κωδικοποιητή 2 = 64 ψηφιακά επίπεδα Ο ADC αποκτά τέσσερα επίπεδα για κάθε επίπεδο του κωδικοποιητή κβαντοποίησης. Σνπυα 5.5 : Παράδεινμα κβαντοποίησης με 64 και 256 επίπεδα νια μια είσοδο ράμπας Στο block διάγραμμα παρακάτω βλέπουμε πως θα γίνει η συνδεσμολογία του κυκλώματος μας. Αννελόπουλος Παναγιώτης

33 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Block διάνοαιιμα 5.1 : Απόλυτος κωδικοττοιητης Στη συνέχεια βλέπουμε τη συνδεσμολογία που θα πραγματοποιηθεί επάνω στην ψηφιακή μονάδα. Κύκλωμα 5.1 : Απόλυτος κωδικοποιητής Ο μεγάλος δίσκος στην εμπρός όψη της μηχανικής μονάδας είναι το ποτενσιόμετρο εισόδου, βάλτε το στο μηδέν. Βάλτε τον επιλογέα συχνότητας στην μηχανική μονάδα στη θέση Ό.1-1. Γυρίστε το ποτενσιόμετρο της γεννήτριας στο ελάχιστο. Ρυθμίστε τη συχνότητα χρησιμοποιώντας το ποτενσιόμετρο της γεννήτριας συχνοτήτων της μηχανικής μονάδας και ρυθμίστε το πλάτος χρησιμοποιώντας το disturbance control (ελεγκτής διατάραξης) στην ψηφιακή μονάδα (το ποτενσιόμετρο στην αριστερή πλευρά της πλακέτας). Παρατηρείστε την ανάλυση των δύο εξόδων.

34 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχήμα 5.1 : Έξοδος ττοτενσιόυετοου και κωδικοττοιητή (με χαμηλή συχνότητα και χαμηλή διατάοασπί Σχήμα 5.2 : 'EtoSoc ποτενσιόμετρου και κωδικοποιητή (με μιιιηλή συχνότητα και χαμηλή διατάοοσπί

35 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχήμα S.3 : Έ ξο δ ο ς ττοτενσιόμετοου και κωδικοττοιητή (με χαμηλή συχνότητα και υφηλή διατάραξη) (με υιμηλή συχνότητα και υιμηλή διατάραξη) Οι κορυφές στην κυματομορφή μας δημιουργούνται στο τέλος του κάθε κύκλου μετρήματος του κωδικοποιητή. Με τον A/D μετατροπέα έχουμε μεγαλύτερο εύρος τιμών, όμως ο κωδικοποιητής κάνει κωδικοποίηση των ίδιων τιμών ξανά, οπότε με μεγαλύτερες διαταραχές έχουμε μεγαλύτερα σφάλματα στην έξοδο του.

36 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Ερωτήσεις Περιγράψτε τη λειτουργία του απόλυτου κωδικοποιητή θέσης και εξηγείστε τη χρήση του στο πείραμα μας. Συγκρίνετε την ανάλυση των δύο (αναλογικής και ψηφιακής) κυματομορφών θέσης άξονα που εμφανίζονται στην οθόνη για διάφορες τιμές ταχύτητας και πλάτους. Τί συμπεραίνετε και πώς θα μπορούσε να βελτιωθεί η ανάλυση του απόλυτου κωδικοποιητή; 5.3 Έλεγχος ταχύτητας και Φοράς ρε αυξητικό κωδικοποιητή Σε αυτήν την άσκηση θα δούμε πως μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα με έναν αυξητικό κωδικοποιητή. Ο υπολογιστής μπορεί να μετρήσει τον αριθμό των παλμών σε έναν δεδομένο χρόνο και από εκεί να υπολογίσει την ταχύτητα περιστροφής. Η φορά μπορεί να εντοπιστεί από το δεύτερο track. Στο block διάγραμμα και το κύκλωμα που ακολουθεί φαίνεται η συνδεσμολογία που θα κάνουμε. Κύκλωμα 5.2 : Έλεγχος ταχύτητας και φοράς ρε αυξητικό κωδικοποιητή

37 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας - m - ;is rl- Block διόνραυυα 5.2 : Έλεννος ταϊύτητοτ και ipopac ut ουεητικό κωδικοποιητπ Στο πείραμα μας θα χρησιμοποιήσουμε το ταχύμετρο, επειδή οι αυξητικοί κωδικοποιητές είναι αισθητήρες ταχύτητας, αν και μπορούμε να υπολογίσουμε και την γωνιακή θέση. Με τη χρήση της μπάρας ελέγχου στην οθόνη του υπολογιστή μεταβάλουμε την οδήγηση του κινητήρα. Συγκρίνετε την έξοδο του ταχύμετρου με την υπολογισμένη έξοδο του αυξητικού κωδικοποιητή. Μετά την ολοκλήρωση του πειράματος θα εμφανιστούν οι παρακάτω κυματομορφές στην οθόνη μας, από τις οποίες μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι οι έξοδοι μας μοιάζουν περισσότερο μεταξύ τους σε σχέση με τις ε ξόδους του απόλυτου κωδικοποιητή.

38 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σγήμα 5.7 : Έξοδος κωδικοποιητή και ταγύμετρου με αριστερόστροφη φορά κινητήρα Ερωτήσεκ 1. Σχεδιάστε το block διάγραμμα του συστήματος μας και εξηγείστε τη λειτουργία κάθε μονάδας του. Πώς χρησιμοποιείται ο κωδικοποιητής σαν μετρητής ταχύτητας: 2. Συγκρίνετε την απόδοση του κωδικοποιητή με του ταχύμετρου. Πώς μπορεί ένας απόλυτος κωδικοποιητής να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της ταχύτητας: 6. Βρόχοι ελέγχου θέσης Σε αυτήν την εργασία θα ασχοληθούμε με τον έλεγχο της γωνιακής θέσης του άξονα ενός κινητήρα χρησιμοποιώντας αναλογική και ψηφιακή μέτρηση θέσης. Έχουμε δύο πειράματα γι αυτόν τον λόγο 1. Έλεγχο θέσης που χρησιμοποιεί αναλογικό έλεγχο και αναλογικό αισθητήρα. 2. Έλεγχο θέσης που χρησιμοποιεί αναλογικό έλεγχο και ψηφιακό αισθητήρα. 6.1 Μηγανισμοί έλενχου θέσης Ο σκοπός ενός συστήματος ελέγχου θέσης είναι να ακολουθεί η έξοδος, η θέση του μηχανισμού κίνησης, όσο πιο πιστά γίνεται τις δεδομένες επιθυμητές τιμές. Ένα παράδειγμα αναλογικού ελέγχου είναι όταν έχουμε έναν κινητήρα συνδεδεμένο με τον δρομέα ενός ποτενσιόμετρου, έτσι ώστε όταν ο κινητήρας πε

39 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας ριστρέφεται να αλλάζει και η θέση του δρομέα, οπότε και η αντίσταση, του ποτενσιόμετρου. Στα πειράματα μας θα χρησιμοποιήσουμε ένα απλό σύστημα που ονομάζεται αναλογικός έλεγχος κλειστού βρόχου. Το σήμα οδήγησης του κινητήρα προκύπτει από τη διαφορά ανάμεσα στην είσοδο του συστήματος μας, την τιμή δηλαδή που δίνουμε σαν επιθυμητή θέση του άξονα του κινητήρα, και την πραγματική θέση του. Αυτή η διαφορά είναι το σήμα σφάλματος. Το σήμα σφάλματος ενισχύεται και στη συνέχεια αυτό είναι που οδηγεί τον κινητήρα, αυτό σημαίνει πως η οδήγηση του κινητήρα είναι ανάλογη του σφάλματος. Σε μερικές περιπτώσεις η έξοδος είναι ένας μεγάλος μηχανισμός κίνησης και η είσοδος ένα μικρό σήμα ελέγχου ή, η είσοδος με την έξοδο να είναι σε μεγάλη απόσταση. Όπως και να έχει η κατάσταση τα επιτρεπτά όρια του σφάλματος χρειάζονται πολύ προσοχή. Όταν η τιμή που αντιπροσωπεύει τη θέση του κινητήρα είναι κοντά στην τιμή εισόδου, δηλαδή την επιθυμητή θέση του κινητήρα, το σήμα σφάλματος θα είναι μικρό. Χωρίς ενίσχυση το σήμα ο,δήγησης μπορεί να μην είναι αρκετό ώστε να υπερνικήσει τις τριβές και να θέσει σε κίνηση τον κινητήρα. Υπάρχει όμως περιορισμός στην ενίσχυση που μπορούμε να εφαρμόσουμε, αν είναι πολύ μεγάλη θα καταλήξουμε με ένα μικρό σήμα σφάλματος να παίρνουμε μία μεγάλη οδήγηση η οποία όποτε υπάρχει κάποια μεγάλη αλλαγή στο σήμα εισόδου θα παρουσιάζει υπερύψωση. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα το σύστημα μας να είναι ασταθές. Σε πιο περίπλοκα συστήματα η ενίσχυση μπορεί να αυξηθεί αρκετά, με τη προσθήκη επιπλέον παραμέτρων όπως η ταχύτητα από ένα ταχύμετρο, χωρίς να έχουμε προβλήματα αστάθειας. Η ανάλυση ενός σύνθετου κλειστού βρόχου μπορεί να είναι μία περίπλοκη διαδικασία αλλά είναι απαραίτητο επειδή τα χαρακτηριστικά κάθε εφαρμογής είναι διαφορετικά. 6.2 Avαλovικόc έλενγος, με αναλογικό αισθητήρα Σε αυτό το πείραμα θα χρησιμοποιήσουμε τον υπολογιστή μας, σε συνδυασμό με ένα ποτενσιόμετρο σαν αισθητήρα, για να συνθέσουμε ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου. Η γεννήτρια τριγωνικών παλμών θα μας παρέχει την είσοδο του συστήματος, την οποία θα προσπαθεί να ακολουθήσει η έξοδος. Η είσοδος ονομάζεται επιθυμητή τιμή (set value) και μέσω του A/D μετατροπέα οδηγείται στον υπολογιστή. Η πραγματική θέση του άξονα (η μετρούμενη τιμή) ανιχνεύεται από το ποτενσιόμετρο και στέλνεται και αυτή στον υπολογιστή μέσω του ίδιου A/D μετατροπέα χρησιμοποιώντας έναν ελεγχόμενο διακόπτη για τη πολυπλεξία των σημάτων εισόδου του Α/Ό μετατροπέα. Η διαφορά ανάμεσα στις δύο εισόδους, το σφάλμα δηλαδή, υπολογίζεται και το αποτέλεσμα μέσω του D/A μετατροπέα καταλήγει στον κινητήρα για την οδήγηση του. Στην περίπτωση μας το σύστημα ελέγχου που έχουμε πρέπει να ακολουθεί μία σταθερά μεταβαλλόμενη αλλαγή θέσης,προκαλούμενη από το τριγωνικό σήμα. Αυτό θα προκαλέσει τη κίνηση του άξονα με σταθερή ταχύτητα. Το σήμα σφάλματος ανάμεσα στην απαιτούμενη θέση του άξονα και την πραγματική ονομάζεται ακόλουθο σφάλμα (following οποτ). 36

40 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Το σήμα σφάλματος που οδηγεί τον κινητήρα πρέπει να μεγεθυνθεί έτσι ώστε ακόμα και μικρά σφάλματα να είναι ικανά να κάνουν διόρθωση στην έξοδο. Αυτή η μεγέθυνση ονομάζεται ενίσχυση. Η τιμή της ενίσχυσης επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη συμπεριφορά του συστήματος μας και στην περίπτωση πολύ μεγάλης ή πολύ μικρής προκαλούνται προβλήματα. Σε αυτό το πείραμα θα δούμε αυτές τις δύο περιπτώσεις. Πιο κάτω βλέπουμε το block διάγραμμα και το κύκλωμα αυτού του πειράματος. Block διάνραμμα 6.1 : Αναλονικός έλεγχος με αναλονικό αισθητήρα Κύκλωμα 6.1 : Αναλογικός έλεγχος U αναλονικό αισθητήρα Με την ολοκλήρωση της συνδεσμολογίας του κυκλώματος ρυθμίζουμε το μέγεθος της επιθυμητής τιμής (set value), με τον ρυθμιστή πλάτους στην ψηφια

41 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας κή μονάδα και τον ρυθμιστή συχνότητας στη μηχανική μονάδα. Χρησιμοποιείστε το κουτάκι επιλογής στο παράθυρο του καταγραφικού για να παρατηρήσετε τη συμπεριφορά του σφάλματος και της μετρούμενης τιμής για διάφορες τιμές ενίσχυσης. Παρατηρήστε πως με μικρή ενίσχυση το σφάλμα είναι μεγάλο ενώ με μεγάλη ενίσχυση είναι ασταθές.

42 Τεχνολονακό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Στα σχήματα 6.1 και 6.2 με ενίσχυση 1 και 2 αντίστοιχα βλέπουμε πως το σύστημα μας λειτουργεί σωστά, ενώ στο σχήμα 6.3 με ενίσχυση 3.3 μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι το σύστημα μας έχει οδηγηθεί στην αστάθεια και η έ ξοδος του δεν ακολουθεί την είσοδο. Σχήμα 6.4 : Σφάλμα νια ενίσχυση=1 Αγγελόπουλος Παυανιώτης

43 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας ρ - Από τα σχήματα 6.4 και 6.5 βλέπουμε πως αυξάνοντας την ενίσχυση το σφάλμα μικραίνει αλλά αρχίζουν και πληθαίνουν οι διακυμάνσεις στην κυματομορφή του. Στο σχήμα 6.6 βλέπουμε πως το σύστημα μας έχει οδηγηθεί στην αστάθεια παρόλο που αυξήσαμε περαιτέρω την ενίσχυση και το σφάλμα θα έπρεπε να πλησιάσει ακόμα πιο κοντά το μηδέν.

44 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχήμα 6.7 : Ασταθές σύστημα με ρυθμιστή ττλάτους στο 50% και ενίσχχση=4 4 Σχήμα 6.8 : Ασταθές σύστημα με ρυθμιστή πλάτους στο 100% και Ενίσχυση=3.3 Τέλος βλέπουμε πώς σε περιπτώσεις που έχουμε μεγαλύτερα πλάτη σήματος η αστάθεια του συστήματος προκύπτει με χαμηλότερες τιμές ενίσχυσης. Ερωτήσεις 1. Με μηδενικό συντελεστή ενίσχυσης, σχεδιάστε την αναμενόμενη απόκριση του συστήματος για το σφάλμα και την μετρούμενη θέση για μια βηματική είσοδο. 2. Βάλτε στην ενίσχυση τη μέγιστη τιμή. Εξηγείστε γιατί το σύστημα γίνεται ασταθές όταν έχουμε μεγάλη ενίσχυση στο σήμα σφάλματος.

45 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 3. Βάλτε στην ενίσχυση μία μέση τιμή. Ρυθμίστε το πλάτος και τη συχνότητα του σήματος εισόδου. Πώς επηρεάζουν αυτά τα δύο μεγέθη το σφάλμα και τη μετρούμενη θέση; 6.3 Αναλογικός έλεvyoc υε ιυηφίακό αισθητήρα Σε αυτό το πείραμα θα δούμε πως μπορούμε να υλοποιήσουμε ένα σύστημα ελέγχου με σερβομηχανισμό χρησιμοποιώντας έναν ψηφιακό κωδικοποιητή γωνιακής θέσης στη θέση του ποτενσιόμετρου και του A/D μετατροπέα. Η αρχή λειτουργίας είναι η ίδια με του προηγούμενου πειράματος, με τη μόνη διαφορά ότι η μετρούμενη τιμή προέρχεται από τον απόλυτο κωδικοποιητή σε κώδικα Gray. Η τριγωνική κυματομορφή χρησιμοποιείται ως είσοδος που οδηγεί τον κινητήρα, το σήμα εισόδου μαζί με το σήμα σφάλματος ή τη μετρούμενη θέση εμφανίζονται στην οθόνη του υπολογιστή. Η ανάλυση της μετρούμενης τιμής περιορίζεται στον αριθμό tracks που έχει ο δίσκος του κωδικοποιητή. Ο κωδικοποιητής έχει έξι tracks, το οποίο σημαίνει πως θα έχει μία ανάλυση 2 =64 ε πιπέδων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η κυματομορφή που αντιστοιχεί στη μετρούμενη τιμή να έχει τη μορφή σκάλας. Στη συνέχεια βλέπουμε το block διάγραμμα και το κύκλωμα του συστήματος μας. Block διάνραμυα 6.2 : Αναλονικός έλενχος με ιτιηφιακό αισθητήρα

46 Κύκλωυα 6.2 : AvaAoviKoc έλενγος υε ^ηφίακό αισθητήρα Με την ολοκλήρωση της συνδεσμολογίας του κυκλώματος ρυθμίζουμε το μέγεθος της επιθυμητής τιμής (set value), με τον ρυθμιστή πλάτους στην ψηφιακή μονάδα και το ρυθμιστικό συχνότητας στη μηχανική μονάδα. Χρησιμοποιείστε το κουτάκι επιλογής στο παράθυρο του καταγραφικού για να παρατηρήσετε τη συμπεριφορά του σφάλματος και της μετρούμενης τιμής για διάφορες τιμές ενίσχυσης. Παρατηρήστε πως με μικρή ενίσχυση το σφάλμα είναι μεγάλο ενώ με μεγάλη ενίσχυση είναι ασταθές.

47 Τεχνολονικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχήμα 6.12 : Σφάλμα νια ενίσχυση=1

48 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Error Γ 1 ί- -. L - m - Τ ' ' - k v.. L. L 1 Σχήμα 6.14 : Σφάλμα νια ενίσγυση=4.4 Αυτό που παρατηρούμε από τις κυματομορφές μας είναι ότι η συμπεριφορά του συστήματος μας με ψηφιακό αισθητήρα είναι σχεδόν ίδια με του προηγούμενου πειράματος που είχαμε αναλογικό αισθητήρα με τη μόνη διαφορά, ότι παρατηρούμε μία υπερύψωση στην κυματομορφή εξόδου το οποίο οφείλεται στον απόλυτο κωδικοποιητή. Ερωτήσεις 1. Συγκρίνετε τις δύο μεθόδους ελέγχου. 2. Σκεφτείτε μερικές εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται ο αναλογικός έλεγχος κλειστού βρόχου για τον έλεγχο θέσης.

49 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας 7. Βρόγοι ελένγου ταγύτητας Σε αυτό το κομμάτι θα ασχοληθούμε με τον έλεγχο ταχύτητας ενός κινητήρα χρησιμοποιώντας τη μία φορά αναλογικό και την άλλη ψηφιακό αισθητήρα. 7.1 Σερβομηχανισμοί ελένγου ταχύτηταο Ένα σύστημα ελέγχου ταχύτητας κλειστού βρόχου χρησιμοποιείται όταν είναι αναγκαίο να έχουμε περιστροφή του άξονα του κινητήρα με συγκεκριμένη ταχύτητα ανεξάρτητα από το φορτίο του. Σε μερικές εφαρμογές η ταχύτητα μπορεί να είναι σταθερή, σε άλλες όμως μπορεί να πρέπει να αλλάζει ανάλογα με μεταβολές της εισόδου. Όπως στον έλεγχο θέσης έτσι και στον έλεγχο ταχύτητας χρησιμοποιούμε ένα απλό σύστημα αναλογικής ανατροφοδότησης με το σήμα σφάλματος να ελέγχει τον κινητήρα. Εννοείται ότι πρέπει πάντα να υπάρχει ένα σήμα σφάλματος αλλιώς ο κινητήρας θα σταματήσει. Πολλαπλασιάζοντας το σφάλμα με μία ε νίσχυση και χρησιμοποιώντας το για την οδήγηση του κινητήρα μπορούμε να μειώσουμε το απαιτούμενο ελάχιστο σφάλμα, υπάρχει όμως περιορισμός στο μέγεθος της ενίσχυσης που μπορούμε να εφαρμόσουμε λόγω προβλημάτων αστάθειας από ένα σημείο και μετά. Εκτός από προβλήματα αστάθειας μπορεί να παρουσιαστούν και άλλα είδη, όπως χαμηλή απόδοση εξαιτίας διακυμάνσεων του ταχύμετρου. Σε πιο πολύπλοκα συστήματα ελέγχου, τέτοιου είδους προβλήματα ξεπερνιούνται με τη χρήση άλλων μεθόδων, όπως ολοκληρωτικό έλεγχο, ο οποίος επιτρέπει στον κινητήρα να συνεχίζει να περιστρέφεται ακόμα και με μηδενικό σφάλμα. Αυτό όμως θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. 7.2 Έλενχο ToyOTHTOc αε αναλογικό αισθητήρα Σε αυτήν την εργαστηριακή άσκηση θα χρησιμοποιήσουμε τον υπολογιστή σε συνδυασμό με ένα ταχύμετρο, για να συνθέσουμε ένα απλό σύστημα ελέγχου ταχύτητας κλειστού βρόχου. Η γεννήτρια τριγωνικών παλμών θα μας παρέχει την είσοδο του συστήματος την οποία η έξοδος μας θα προσπαθεί να ακολουθεί. Η είσοδος, την οποία ονομάζουμε set value, περνάει μέσα από τον A/D μετατροπέα και από εκεί στον υπολογιστή. Η ακριβής ταχύτητα του άξονα, ή αλλιώς η μετρούμενη τιμή, προκύπτει από το ταχύμετρο και στέλνεται και αυτή σαν σήμα εισόδου στον A/D μετατροπέα μέσω ενός ελεγχόμενου διακόπτη (controlled switch) έτσι ώστε να γίνει η πολυπλεξία των σημάτων. Η διαφορά των δύο εισόδων, την οποία αποκαλούμε σφάλμα, υπολογίζεται, και το αποτέλεσμα τους χρησιμοποιείται για την οδήγηση του κινητήρα, αφού περάσει μέσα από τον D/A μετατροπέα. Στο σύνολο της η λειτουργία του συστήματος ελέγχου ταχύτητας είναι ίδια με του συστήματος ελέγχου θέσης, με τη μόνη διαφορά στο είδος του αισθητήρα που χρησιμοποιούμε. Στη συνέχεια βλέπουμε το block διάγραμμα και το κύκλωμα της άσκησης μας Αγνελόπουλος Παναγιώτης

50 Τεχνολογικό ΕκπαιδευτικόΊδρυμα Καβάλας Block διάγραμμα 7.1 : Έλεγχος ταχύτητας με αναλογικό αισθητήρα Κύκλωμα 7.1 : Έλεγχος ταχύτητας uc αναλονικό αισθητήρα Με την ολοκλήρωση της συνδεσμολογίας του κυκλώματος ρυθμίζουμε το μέγεθος της επιθυμητής τιμής (set value), με τον ρυθμιστή πλάτους στην ψηφιακή μονάδα και τον ρυθμιστή συχνότητας στη μηχανική μονάδα. Χρησιμοποιείστε το κουτάκι επιλογής στο παράθυρο του καταγραφικού για να παρατηρήσετε τη συμπεριφορά του σφάλματος και της μετρούμενης τιμής για διάφορες τιμές ενίσχυσης. Παρατηρήστε πως με μικρή ενίσχυση το σφάλμα είναι μεγάλο ενώ με μεγάλη ενίσχυση είναι ασταθές.