ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΕΡΒΟΚΙΝΗΤΗΡΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εργαστηριακή Άσκηση Σερβοκινητήριο Σύστημα με Επαγωγικό Κινητήρα ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009 1

1. Εισαγωγή Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα εξεταστεί ένα σερβοκινητήριο σύστημα με επαγωγικό κινητήρα. Θα μελετηθεί η τεχνική του έμμεσου ανυσματικού ελέγχου, θα ρυθμιστούν οι παράμετροι των ελεγκτών ταχύτητας και θέσης για διάφορες περιπτώσεις φόρτισης, και τέλος θα εξεταστεί η λειτουργία του συστήματος σε μεταβατικές καταστάσεις απότομων μεταβολών της ροπής φόρτισης. Το σύστημα ελέγχου είναι σχεδιασμένο στο πρόγραμμα Matlab/Simulink και τρέχει στη ψηφιακή κάρτα DS1104 της εταιρίας dspace. Η κάρτα DS1104 είναι ένας ψηφιακός ελεγκτής ανοικτής αρχιτεκτονικής ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν διάφορες τεχνικές ψηφιακού ελέγχου. Ο χειρισμός του σερβοκινητήριου συστήματος γίνεται μέσω του υπολογιστή στον οποίο τρέχει ένα ειδικά διαμορφωμένο πρόγραμμα (Control-Desk) που δίνει τη δυνατότητα άμεσης επέμβασης στη λειτουργία της κάρτας ελέγχου DS1104. Η διάρκεια της εργαστηριακής άσκησης είναι περίπου 2,5 ώρες. Πολύ σημαντικό είναι πριν από την εκτέλεση της άσκησης να έχει προηγηθεί μια πολύ προσεκτική μελέτη της εκφώνησης καθώς επίσης και των σχετικών με το αντικείμενο της εργαστηριακής άσκησης κεφαλαίων του βιβλίου. 2. Περιγραφή του συστήματος Στο Σχ. 1 παρουσιάζεται το γενικό λειτουργικό διάγραμμα του σερβοκινητήριου συστήματος. Αποτελείται από έναν επαγωγικό κινητήρα, το κύκλωμα ισχύος, το σύστημα τροφοδοσίας, το σύστημα ελέγχου υλοποιούμενο στην κάρτα dspace DS1104, οι μετρητικές διατάξεις και ο Η/Υ στον οποίο τρέχει το πρόγραμμα Control-Desk μέσω του οποίου γίνεται ο χειρισμός του συστήματος. Ως μηχανικό φορτίο στον κινητήρα χρησιμοποιείται μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης σε συνδυασμό με μια αντίσταση φορτίου. Εδώ πρέπει να επισημάνουμε ότι επειδή το μηχανικό φορτίο είναι η dc γεννήτρια, δεν μπορούμε να έχουμε στο εργαστήριο συνθήκες σταθερού φορτίου. Το φορτίο που μπορούμε να επιβάλλουμε στον υπό εξέταση επαγωγικό κινητήρα έχει τη χαρακτηριστική ροπής-ταχύτητας που δίνει η dc γεννήτρια. Οι αρχικές ενέργειες για την εκκίνηση της διάταξης είναι να φορτωθεί το Simulink πρόγραμμα του ελεγκτή στην κάρτα dspace DS1104 η οποία βρίσκεται στον Η/Υ και να ξεκινήσει το πρόγραμμα Control-Desk. Στη συνέχεια το σύστημα ελέγχου λειτουργεί εντελώς ανεξάρτητα ως προς τον Η/Υ, ο οποίος παραμένει μόνο ως ένα μέσο επικοινωνίας του χειριστή με το σύστημα ελέγχου. Μέσω του προγράμματος Control Desk μπορούν να γίνονται κάποιοι βασικοί χειρισμοί της διάταξης και ρυθμίσεις του συστήματος ελέγχου. Επίσης, λειτουργεί ως πολλαπλός παλμογράφος και ως μέσο αποθήκευσης των αποτελεσμάτων και των μετρήσεων. Δηλαδή, εμφανίζονται στην οθόνη οι κυματομορφές διαφόρων μεταβλητών του συστήματος (π.χ. ρεύματα φάσεων, τάσεις, ταχύτητα, θέση κλπ.) και τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να αποθηκευτούν σε αρχεία κειμένου (.txt) ή Matlab ώστε να μπορεί αργότερα ο χρήστης να τα επεξεργαστεί.. 2

Στο Σχ. 2 παρουσιάζεται το κύκλωμα ισχύος του μετατροπέα που αποτελείται από μια τριφασική μη-ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα, την αντίσταση για ελεγχόμενη δυναμική πέδηση, μια συστοιχία πυκνωτών για την εξομάλυνση της συνεχούς τάσης εισόδου στον αντιστροφέα και ο τριφασικός αντιστροφέας αποτελούμενος από 6 IGBTs και 6 διόδους ελεύθερης ροής. Το κύκλωμα του μετατροπέα ισχύος λειτουργεί με εναλλασσόμενη τάση εισόδου 220 V (πολική τάση) και η dc τάση της ανορθωτικής γέφυρας είναι περίπου 300 V. Στην πλακέτα των μετρητικών διατάξεων μετρούνται σε πραγματικό χρόνο τα ρεύματα και οι τάσεις δύο φάσεων του κινητήρα. Η μέτρηση των ρευμάτων είναι απαραίτητη για την υλοποίηση του ανυσματικού ελέγχου ενώ οι δύο τάσεις είναι μόνο για παρατήρηση ή για τη μελέτη του συστήματος. Τέλος, στο Σχ. 3 παρουσιάζεται μια γενική εικόνα του προγράμματος χειρισμών Control- Desk. Στους Πίνακες Ι και ΙΙ παρουσιάζονται τα ονομαστικά στοιχεία και τα στοιχεία του μοντέλου του επαγωγικού κινητήρα. Τα στοιχεία του μοντέλου του κινητήρα έχουν προσδιοριστεί με πειραματικές μετρήσεις (πειράματα κενού και βραχυκύκλωσης) και είναι απαραίτητα για την υλοποίηση του ανυσματικού ελέγχου. Στον Πίνακα ΙIΙ παρουσιάζονται οι χρόνοι δειγματοληψίας του ψηφιακού ελεγκτή. Σχ. 1 Γενικό λειτουργικό διάγραμμα του σερβοκινητήριου συστήματος Σχ. 2 Κύκλωμα ισχύος στατικού μετατροπέα ισχύος για τον ανυσματικό έλεγχο επαγωγικού κινητήρα 3

Σχ. 3 Κονσόλα χειρισμών του σερβοκινητήριου συστήματος μέσω προγράμματος Control-Desk ΠΙΝΑΚΑΣ Ι ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Ισχύς 1.5 kw Τάση 230/400 V (Δ/Υ) Ρεύμα 5.6/3.2 Α (Δ/Υ) Ταχύτητα 1450 rpm Συχνότητα 50 Hz Συντελεστής ισχύος (cosφ) 0.8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΙI ΜΕΤΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Ονομαστική πεπλεγμένη ροή (λ m ) 0.8 Vs Ωμική αντίσταση στάτη (R s ) 4.5 Ω Ωμική αντίσταση δρομέα, αναγόμενη 2.7 Ω στο στάτη, ( R ) r Αυτεπαγωγή μαγνήτισης (L m ) 0.45 H Αυτεπαγωγή σκεδάσεως στάτη ( L ls ) 0.016 H Αυτεπαγωγή σκεδάσεως δρομέα, αναγόμενη στο στάτη, ( L ls ) 0.016 H 4

ΠΙΝΑΚΑΣ ΙII ΧΡΟΝΟΙ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Χρόνος δειγματοληψίας του ελεγκτή ρεύματος 0.08 ms Χρόνος δειγματοληψίας του ελεγκτή ταχύτητας 8 ms Χρόνος δειγματοληψίας του ελεγκτή θέσης 0.08 ms 3. Πειραματικό μέρος Κατά τη διάρκεια του πειράματος θα πρέπει η dc τάση τροφοδοσίας του αντιστροφέα να είναι σταθερή, περίπου 300 V. Οι χειρισμοί του συστήματος και οι αλλαγές των ρυθμίσεων θα γίνονται μέσω του προγράμματος Control/Desk. Τα διαγράμματα των μεταβλητών μπορούν να αποθηκευτούν σε αρχεία text ή Matlab μέσω του μενού Χειρισμός παλμογράφου. Η λειτουργία του παλμογράφου και οι οδηγίες για τον τρόπο αποθήκευσης των αποτελεσμάτων στον Η/Υ δίνεται στην επόμενη ενότητα. Για τη μέτρηση της ταχύτητας και της θέσης του δρομέα χρησιμοποιείται ένας οπτικός κωδικοποιητής θέσης με 2048 παλμούς/περιστροφή. Ο επαγωγικός κινητήρας είναι σε συνδεσμολογία αστέρα Υ. Η τιμή αναφοράς της πεπλεγμένης μαγνητικής ροής είναι ˆ m 0.5 Wb. Στον ΡΙ ελεγκτή ταχύτητας, ο περιοριστής του ρεύματος ροπής έχει οριστεί στα ±8 Α και ο περιοριστής στην ολοκληρωτική βαθμίδα στα ±4 Α. Στον ΡΙ ελεγκτή θέσης ο περιοριστής της ταχύτητας αναφοράς είναι 1500 rpm. Λειτουργία του παλμογράφου και αποθήκευση των διαγραμμάτων σε αρχείο excel. Εδώ θα γίνει μια σύντομη περιγραφή των επιλογών του μενού Χειρισμός παλμογράφου. Επίσης θα δοθούν οδηγίες για την αποθήκευση των αποτελεσμάτων σε αρχείο excel. α) Η επιλογή Length καθορίζει τη χρονική περίοδο παρουσίασης αποτελεσμάτων στα διαγράμματα της οθόνης καθώς και τη χρονική περίοδο αποθήκευσης των μετρήσεων σε αρχείο excel. β) Η επιλογή Downsampling καθορίζει τον αριθμό των περιόδων δειγματοληψίας που θα μεσολαβούν ανά δείγμα λήψης αποτελεσμάτων και παρουσίασής των στα διαγράμματα της οθόνης ή αποθήκευσής των σε αρχείο του υπολογιστή. Για παράδειγμα, αν θέσουμε τη τιμή 2 θα παρουσιάζονται και θα αποθηκεύονται αποτελέσματα κάθε δύο περιόδους δειγματοληψίας. Όσο μεγαλώνει η τιμή του Downsampling τόσο μικραίνει το μέγεθος του αρχείου excel, ωστόσο μειώνεται και η ακρίβεια της μέτρησης. Για την εργαστηριακή άσκηση, η βέλτιστη επιλογή στο Downsampling είναι: 4. γ) Στην επιλογή Settings, Acquisition και Autosave καθορίζετε τη διεύθυνση και το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Αν επιλέξετε να σωθούν σε format.csv, τότε θα είναι σε μορφή κειμένου και θα μπορούν να α- ναγνωστούν από κάποιο πρόγραμμα λογιστικών φύλλων (π.χ. excel). Αν επιλέξετε να σωθούν σε format Matlab, τότε η επεξεργασία των θα πρέπει να γίνει μόνο από το πρόγραμμα Matlab. Θα πρέπει πριν από κάθε αποθήκευση αποτελεσμάτων να ορίζετε το 5

όνομα του αρχείου. Για να γίνει σωστά η αποθήκευση των αποτελεσμάτων θα πρέπει καθώς θα τρέχει ο παλμογράφος, να έχει ολοκληρωθεί τουλάχιστον μια φορά το γέμισμα της μπάρας που είναι κάτω από την επιλογή Start. δ) Αν έχετε επιλέξει να σωθούν τα αποτελέσματά σε format κειμένου (.csv), όταν τα χειριστείτε από το πρόγραμμα excel αποθηκεύονται περίπου ύστερα από την 36 η γραμμή με την εξής σειρά ανά στήλη: Iq_real, Iu_ref Iu_real, Iu_ref Iv_reaf, Iv_ref n_real [rpm], n_ref [rpm] th_real [deg], th_ref [deg] το πραγματικό ρεύμα ροπής i q που εκτιμά ο ελεγκτής και το ρεύμα ροπής αναφοράς i *, αντίστοιχα, q το πραγματικό ρεύμα i u και το ρεύμα αναφοράς i * u της φάσης u, αντίστοιχα, το πραγματικό ρεύμα i v και το ρεύμα αναφοράς i * v της φάσης v, αντίστοιχα, η πραγματική ταχύτητα του δρομέα και η ταχύτητα αναφοράς σε rpm, αντίστοιχα, η πραγματική θέση του δρομέα και η θέση αναφοράς σε μοίρες, αντίστοιχα, 3.1 Επίδραση των παραμέτρων του μοντέλου του επαγωγικού κινητήρα στην λειτουργία του ανυσματικού ελέγχου Στο τμήμα αυτό θα εξεταστεί η επίδραση των παραμέτρων του μοντέλου του επαγωγικού κινητήρα στον έμμεσο ανυσματικό έλεγχο ταχύτητας. Ειδικότερα, θα εξεταστεί η επίδραση των μεταβολών της αυτεπαγωγής μαγνήτισης L m και της σταθεράς χρόνου του δρομέα Tr Lr Rr ( Lm Llr ) Rr στο ρεύμα φορτίου και στον υπολογισμό της συχνότητας ολίσθησης, όταν ο κινητήρας λειτουργεί στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας, με σταθερή ταχύτητα και σταθερή ροπή φορτίου. Ως μέτρο σύγκρισης, μπορείτε να έχετε τον Πίνακα ΙΙ όπου δίνονται οι τιμές των παραμέτρων L m και T r που έχουν υπολογιστεί από το πείραμα κενού και βραχυκύκλωσης και για τις οποίες έχουμε τη βέλτιστη εφαρμογή του ανυσματικού ελέγχου. 3.1.1 Ρυθμίστε την ταχύτητα αναφοράς στα 500 rpm. Ελέγξτε ο ρυθμός αύξησης και μείωσης της ταχύτητας σε μεταβατικά να είναι 1000 rpm/sec και -1000 rpm/sec, αντίστοιχα. Ε- πιλέξτε τις εξής τιμές στα κέρδη του ΡΙ ελεγκτή ταχύτητας, K ps 0.015 και Kis 0.03. 3.1.2 Επιλέξτε έλεγχο ταχύτητας και στην επιλογή λειτουργιών την Χειροκίνητη λειτουργία. Επίσης, ελέγξτε ότι είναι μηδέν το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου και ότι η αντίσταση φορτίου στη θέση για ελάχιστο ρεύμα φορτίου. Επίσης, ο διακόπτης της αντίστασης φορτίου πρέπει να είναι κλειστός ΟΝ. 3.1.3 Στον πίνακα Παράμετροι μοντέλου κινητήρα επιλέξτε αρχικά Tr 0.17 sec και Lm 0.25 H. 3.1.4 Αυξήστε την τάση τροφοδοσίας ώστε η dc τάση στην είσοδο του αντιστροφέα να είναι περίπου 300V. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα και 6

φορτίστε τον κινητήρα μέσω του ροπομέτρου και της αντίσταση φορτίου ώστε η ροπή φορτίου να είναι 2 Nm. 3.1.5 Μεταβάλλετε τη τιμή της αυτεπαγωγής μαγνήτισης L m με βήματα των 0.1 Η, ξεκινώντας από τη τιμή 0.25 Η μέχρι 0.75 Η. Για κάθε βήμα σημειώνεται στον πίνακα που α- κολουθεί τις τιμές του ρεύματος του στάτη I rms [A] και τη ταχύτητα ολίσθησης Δn r [rpm]. Πίνακας 3.1 Επίδραση των παραμέτρων του μοντέλου του κινητήρα στον ανυσματικό έλεγχο (μεταβολή του L m ) L m Ρεύμα στάτη (I s ) 0.25 H 0.35 H 0.45 H 0.55 H 0.65 H 0.75 H Ταχύτητα ολίσθησης (Δn r ) 3.1.6 Επαναφέρετε την τιμή Lm 0.45 H στην επιλογή Παράμετροι μοντέλου κινητήρα και επιλέξτε τη τιμή Tr 0.11 sec ως σταθερά χρόνου του δρομέα. Η ροπή φορτίου να διατηρηθεί στα 2 Nm. 3.1.7 Μεταβάλλετε τη τιμή της σταθεράς χρόνου του δρομέα T r με βήματα των 0.2 sec, ξεκινώντας από τη τιμή 0.11 sec μέχρι τη τιμή 0.23 sec. Για κάθε βήμα σημειώνεται στον πίνακα που ακολουθεί τις τιμές του ρεύματος του στάτη I rms [A] και τη ταχύτητα ολίσθησης Δn r [rpm]. Πίνακας 3.2 Επίδραση των παραμέτρων του μοντέλου του κινητήρα στον ανυσματικό έλεγχο (μεταβολή του T r ) T r Ρεύμα στάτη (I s ) 0.11 H 0.13 H 0.15 H 0.17 H 0.19 H 0.21 H 0.23 H Ταχύτητα ολίσθησης (Δn r ) 7

3.1.8 Επαναφέρετε την τιμή Tr 0.17 sec στην επιλογή Παράμετροι μοντέλου κινητήρα και ελέγξτε ότι έχετε Lm 0.45 H. Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. 3.2 Ρύθμιση των παραμέτρων του ΡΙ ελεγκτή ταχύτητας Στην άσκηση αυτή θα προσδιορίσουμε πειραματικά το αναλογικό και το ολοκληρωτικό κέρδος K ps και K is, αντίστοιχα, του σερβοκινητήριου συστήματος. Η ρύθμιση των δύο κερδών θα γίνει για τρείς λειτουργικές καταστάσεις: α) για βηματική μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς: 0 400 0 rpm, με τον κινητήρα σε λειτουργία κενού, β) για βηματική μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς: 0 400 0 rpm, με τον κινητήρα φορτισμένο και γ) για μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς με μορφή ράμπας: 0 600 0 rpm, με τον κινητήρα φορτισμένο. Κατά την ρύθμιση των δύο κερδών του ελεγκτή ταχύτητας, ο κινητήρας θα εκτελεί μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία, κάθε 4 sec, μεταβολής της ταχύτητας από την ακινησία σε θετική ταχύτητα και επιστροφή στην ακινησία. Η διάρκεια της θετικής εντολής ταχύτητας θα είναι 2 sec και ομοίως 2 sec θα είναι η διάρκεια της μηδενικής ταχύτητας. Στο Σχ. 4 φαίνονται σε ένα ενδεικτικό διάγραμμα τα σήματα της ταχύτητας αναφοράς βήματος και ράμπας, που εφαρμόζονται για την ρύθμιση των παραμέτρων του ΡΙ ελεγκτή ταχύτητας. (α) (β) Σχ. 4 Σήματα αναφοράς ταχύτητας που εφαρμόζονται για την ρύθμιση των παραμέτρων του ΡΙ ελεγκτή ταχύτητας: (α) σήμα βήματος και (β) σήμα ράμπας. 8

Οι στόχοι για την βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων των ελεγκτών περιγράφονται στο Παράρτημα Γ του βιβλίου και συνοπτικά είναι οι εξής: ο μικρότερος δυνατός χρόνος ανόδου και αποκατάστασης της μόνιμης κατάστασης με την υπερύψωση να μην υπερβαίνει το 4-6% της ταχύτητας αναφοράς. α) Βηματική μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς όταν ο κινητήρας είναι στο κενό. 3.2.1 Επιλέξετε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου 3.2.2 Επιλέξτε ταχύτητα αναφοράς 400 rpm και πολύ μεγάλο ρυθμό μεταβολής της ταχύτητας αναφοράς ώστε η μεταβολή της να είναι σχεδόν βηματική (επιλέξτε ρυθμό αύξησης ταχύτητας +10000 rpm/sec και μείωσης ταχύτητας -10000 rpm/sec). 3.2.3 Στην επιλογή λειτουργιών πρέπει να έχετε Ρύθμιση ΡΙ ταχύτητας και να έχετε επιλέξει Έλεγχος ταχύτητας. 3.2.4 Ελέγξτε ότι η αντίσταση φορτίου είναι στη θέση για ελάχιστο ρεύμα φορτίου και ότι το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου είναι μηδέν ώστε ο κινητήρας να έχει μηδενική ροπή φορτίου. 3.2.5 Επιλέξτε πολύ μικρές αρχικές τιμές για τα δύο κέρδη, K ps 0.005 και Kis 0.005. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας. Θα παρατηρείστε στο διάγραμμα μεταβολής της ταχύτητας, ότι η απόκριση του συστήματος είναι πολύ αργή και σχεδόν δεν προλαβαίνει να μηδενίσει ο χρόνος αποκατάστασης. 3.2.6 Αυξήστε σταδιακά το ολοκληρωτικό κέρδος K is με βήματα 0.001 και παρατηρείστε ότι μειώνεται ο χρόνος ανόδου και αυξάνει η υπερύψωση. Επίσης θα παρατηρείστε ότι μειώνεται ο χρόνος αποκατάστασης, ωστόσο αυξάνουν οι ταλαντώσεις της μόνιμης κατάστασης. Σταματήστε την αύξηση του ολοκληρωτικού κέρδους όταν η υπερύψωση της ταχύτητας είναι περίπου 30%. 3.2.7 Στη συνέχεια αυξήστε το αναλογικό κέρδος K ps με βήματα 0.001 και θα παρατηρείστε ότι μειώνεται η υπερύψωση και ο χρόνος αποκατάστασης. 3.2.8 Διορθώστε τις τιμές των δύο κερδών του ελεγκτή ώστε να πετύχετε τους μικρότερους χρόνους ανόδου και αποκατάστασης, ενώ η υπερύψωση να μην υπερβαίνει το 5-6%. Καταγράψετε τις τιμές των δύο παραμέτρων του ελεγκτή. Αναλογικό κέρδος K ps : Ολοκληρωτικό κέρδος K is : 9

3.2.9 Για να αποθηκευτούν τα διαγράμματα στο αρχείο που ορίσατε θα πρέπει στο μενού Χειρισμός παλμογράφου να έχετε σε λειτουργία τον παλμογράφο επιλέγοντας Start και να έχει ολοκληρωθεί τουλάχιστον μια φορά το γέμισμα της μπάρας που είναι κάτω από την επιλογή Start. Για να σταματήσει η καταγραφή θα πρέπει να επιλέξετε Stop και να μείνει στην επιλογή αυτή μέχρι να δοθεί το όνομα του αρχείου για τη νέα καταγραφή. 3.2.10 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. β) Βηματική μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος. 3.2.11 Επιλέξετε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου 3.2.12 Στο μενού Χειρισμός παλμογράφου ανοίξτε τον παλμογράφο επιλέγοντας Start και στην επιλογή λειτουργιών επαναφέρετε τη Χειροκίνητη λειτουργία. Ελέγξτε ότι η ταχύτητα αναφοράς είναι 400 rpm και ότι ο ρυθμός μεταβολής της είναι +10000 rpm/sec και -10000 rpm/sec. 3.2.13 Επαναφέρετε τις αρχικές τιμές των κερδών του ελεγκτή, δηλ. K ps 0.005 και Kis 0.005. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας. Ελέγξτε ότι ο διακόπτης της αντίστασης φορτίου είναι κλειστός ΟΝ και βάλτε τη ροπή φορτίου στα 2 Nm, μέσω του ρεύματος διέγερσης του ροπομέτρου και της αντίστασης φορτίου. 3.2.14 Επαναφέρετε την επιλογή Ρύθμιση ΡΙ ταχύτητας και επαναλάβετε τα βήματα 3.2.6 έως 3.2.8 με τον κινητήρα σε κατάσταση φόρτισης. 3.2.15 Καταγράψετε τις τιμές των δύο παραμέτρων του ελεγκτή και αποθηκεύστε τα αποτελέσματα στο νέο αρχείο όπως περιγράφεται στο βήμα 3.2.9. Για να σταματήσει η καταγραφή θα πρέπει να επιλέξετε Stop και να μείνει στην επιλογή αυτή μέχρι να δοθεί το όνομα του αρχείου για τη νέα καταγραφή. Αναλογικό κέρδος K ps Ολοκληρωτικό κέρδος K is 3.2.16 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. 10

γ) Μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς με μορφή ράμπας όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος. 3.2.17 Επιλέξετε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου 3.2.18 Στο μενού Χειρισμός παλμογράφου ανοίξτε τον παλμογράφο επιλέγοντας Start και στην επιλογή λειτουργιών επαναφέρετε τη Χειροκίνητη λειτουργία. Επιλέξτε ταχύτητα αναφοράς 400 rpm και ρυθμό μεταβολής της +1200 rpm/sec και -1200 rpm/sec (ράμπα μικρής κλίσης). Ελέγξτε ότι μηδενισμένο το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου και ότι η αντίσταση φορτίου είναι στη θέση για ελάχιστο ρεύμα φορτίου. 3.2.19 Επαναφέρετε τις αρχικές τιμές των κερδών του ελεγκτή, δηλ. K ps 0.005 και Kis 0.005. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας και δώστε ταχύτητα αναφοράς 600 rpm. Ρυθμίστε τη ροπή φορτίου στα 2 Nm, μέσω του ρεύματος διέγερσης του ροπομέτρου και της αντίστασης φορτίου. 3.2.20 Επαναφέρετε την επιλογή Ρύθμιση ΡΙ ταχύτητας και επαναλάβετε τα βήματα 3.2.6 έως 3.2.8 με τον κινητήρα σε κατάσταση φόρτισης και με τις νέες συνθήκες ταχύτητας και ρυθμών μεταβολής της ταχύτητας. 3.2.21 Καταγράψετε τις τιμές των δύο παραμέτρων του ελεγκτή και αποθηκεύστε τα αποτελέσματα στο νέο αρχείο όπως περιγράφεται στο βήμα 3.2.9. Για να σταματήσει η καταγραφή θα πρέπει να επιλέξετε ξανά την επιλογή Start και να μείνει στην επιλογή αυτή μέχρι να δοθεί το όνομα του αρχείου για τη νέα καταγραφή. Αναλογικό κέρδος K ps Ολοκληρωτικό κέρδος K is 3.2.22 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου και ελέγξτε ότι η αντίσταση φορτίου στη θέση για ελάχιστο ρεύμα φορτίου. Παρουσίαση των αποτελεσμάτων Για κάθε μια από τις παραπάνω καταστάσεις ρύθμισης των παραμέτρων του ελεγκτή ταχύτητας, να παρουσιαστούν τα διαγράμματα της απόκρισης ταχύτητας καθώς και των υπολοίπων μεταβλητών του συστήματος που αποθηκεύτηκαν στα παραπάνω αρχεία. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. 11

3.3 Ρύθμιση των παραμέτρων του ΡΙ ελεγκτή θέσης Στην άσκηση αυτή θα προσδιορίσουμε πειραματικά το αναλογικό κέρδος K pp του ελεγκτή θέσης του σερβοκινητήριου συστήματος. Η ρύθμιση του κέρδους του ελεγκτή θα γίνει για τέσσερεις λειτουργικές καταστάσεις: α) για βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς από -200 0 σε +200 0 (χωρίς υπερύψωση), με τον κινητήρα σε λειτουργία κενού, β) για βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς από -200 0 σε +200 0 (χωρίς υπερύψωση), με τον κινητήρα φορτισμένο, γ) για βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς από -200 0 σε +200 0 (με υπερύψωση μέχρι 5%), με τον κινητήρα φορτισμένο και δ) για μεταβολή της θέσης αναφοράς με μορφή ράμπας από -200 0 σε +200 0 (χωρίς υπερύψωση), με τον κινητήρα φορτισμένο. (α) (β) Σχ. 5 Σήματα θέσης αναφοράς που εφαρμόζονται για την ρύθμιση των παραμέτρων του αναλογικού ελεγκτή θέσης: (α) σήμα βήματος και (β) σήμα ράμπας. Κατά την ρύθμιση του αναλογικού κέρδους του ελεγκτή θέσης, ο κινητήρας θα εκτελεί μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία μεταβολής της θέσης από -200 0 σε +200 0 κάθε 4 sec. Η διάρκεια της θετικής εντολής θέσης θα είναι 2 sec και ομοίως 2 sec θα είναι η διάρκεια της αρνητικής εντολής θέσης. Στο Σχ. 5 φαίνονται σε ένα ενδεικτικό διάγραμμα τα σήματα της αναφοράς θέσης βήματος και ράμπας, που εφαρμόζονται για την ρύθμιση των παραμέτρων του αναλογικού ελεγκτή θέσης. Η πειραματική διαδικασία που θα ακολουθηθεί για τη ρύθμιση του κέρδους του ελεγκτή θέσης είναι παρόμοια με τη διαδικασία που ακολουθήθηκε για την ρύθμιση του ελεγκτή ταχύτητας και βασίζεται στη μεθοδολογία που παρουσιάζεται στην 8.10 του βιβλίου. Επίσης, οι στό- 12

χοι για την βέλτιστη επιλογή του κέρδους του ελεγκτή περιγράφονται στο Παράρτημα Γ του βιβλίου και συνοπτικά είναι οι εξής: ο μικρότερος δυνατός χρόνος ανόδου και αποκατάστασης της μόνιμης κατάστασης. Η υπερύψωση συνήθως δεν είναι επιθυμητή, ωστόσο εδώ θα εξετάσουμε και την περίπτωση ρύθμισης του κέρδους του ελεγκτή με μια μικρή υπερύψωση της τάξης 5% της θέσης αναφοράς. Βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς όταν ο κινητήρας είναι στο κενό (χωρίς υπερύψωση) 3.3.1 Επιλέξετε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου 3.3.2 Επιλέξτε θέση αναφοράς 200 0 και πολύ μεγάλο ρυθμό μεταβολής της θέσης αναφοράς ώστε να είναι σχεδόν βηματική (ρυθμό αύξησης της θέσης 10000 0 /sec και μείωσης θέσης -10000 0 /sec). 3.3.3 Επιλέξτε Έλεγχο θέσης και ελέγξτε το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου να είναι μηδέν, ώστε ο κινητήρας να λειτουργεί στο κενό. Επίσης, ελέγξτε η αντίσταση φορτίου να είναι στη θέση για ελάχιστο ρεύμα φορτίου. 3.3.4 Δώστε στον ελεγκτή ταχύτητας τις τιμές των παραμέτρων που καταγράψατε στο βήμα 3.2.15, που αντιστοιχεί στη βηματική μεταβολή ταχύτητας όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος. 3.3.5 Δώστε μια μικρή αρχική τιμή στο αναλογικό κέρδος του ελεγκτή θέσης pth 0.3 και επιλέξτε Ρύθμιση ΡΙ θέσης. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας. Θα παρατηρείστε ότι η απόκριση του συστήματος είναι πολύ αργή και σχεδόν δεν προλαβαίνει να μηδενίσει το χρόνο αποκατάστασης. 3.3.6 Αυξήστε σταδιακά το αναλογικό κέρδος με βήμα 0.1 και παρατηρείστε ότι μειώνεται ο χρόνος ανόδου και ο χρόνος αποκατάστασης της μόνιμης κατάστασης. Σταματήστε λίγο πριν η απόκριση θέσης του συστήματος αρχίζει να εμφανίζει υπερύψωση. 3.3.7 Καταγράψετε τη τιμή του κέρδους του ελεγκτή θέσης. Αναλογικό κέρδος K pth 3.3.8 Για να αποθηκευτούν τα διαγράμματα στο αρχείο που ορίσατε θα πρέπει στο μενού Χειρισμός παλμογράφου να έχετε σε λειτουργία τον παλμογράφο επιλέγοντας Start και να έχει ολοκληρωθεί τουλάχιστον μια φορά το γέμισμα της μπάρας που είναι κάτω από την επιλογή Start. Για να σταματήσει η καταγραφή θα πρέπει να επιλέξετε Stop και να μείνει στην επιλογή αυτή μέχρι να δοθεί το όνομα του αρχείου για τη νέα καταγραφή. 13

3.3.9 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς όταν ο κινητήρας είναι υπό φορτίο (χωρίς υπερύψωση) 3.3.10 Επιλέξετε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου 3.3.11 Ελέγξτε ότι έχετε επιλέξει Έλεγχο θέσης και οι ρυθμοί μεταβολής της θέσης αναφοράς είναι 10000 0 /sec και μείωσης θέσης -10000 0 /sec. 3.3.12 Ελέγξτε ότι ο διακόπτης της αντίστασης φορτίου είναι κλειστός ΟΝ και αυξήσετε το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου στη τιμή 0.8 Α. 3.3.13 Δώστε μια μικρή αρχική τιμή στο αναλογικό κέρδος του ελεγκτή θέσης pth 0.3 και ελέγξτε ότι έχετε ενεργή την επιλογή Ρύθμιση ΡΙ θέσης. Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας και επαναλάβετε τα βήματα 3.3.5 και 3.3.6. 3.3.14 Καταγράψετε τη τιμή του κέρδους του ελεγκτή θέσης. Αναλογικό κέρδος K pth 3.3.15 Για να αποθηκευτούν τα διαγράμματα στο αρχείο που ορίσατε θα πρέπει στο μενού Χειρισμός παλμογράφου να έχετε σε λειτουργία τον παλμογράφο επιλέγοντας Start και να έχει ολοκληρωθεί τουλάχιστον μια φορά το γέμισμα της μπάρας που είναι κάτω από την επιλογή Start. Για να σταματήσει η καταγραφή θα πρέπει να επιλέξετε Stop και να μείνει στην επιλογή αυτή μέχρι να δοθεί το όνομα του αρχείου για τη νέα καταγραφή. 3.3.16 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Βηματική μεταβολή της θέσης αναφοράς όταν ο κινητήρας είναι υπό φορτίο (με υπερύψωση μέχρι 5%) 3.3.17 Επαναλάβετε τα βήματα 3.3.10 έως 3.3.15, αλλά η επιλογή του κέρδους του ελεγκτή θα γίνει επιτρέποντας υπερύψωση στην απόκριση θέσης μέχρι 5% της θέσης αναφοράς. Όνομα αρχείου 14

Αναλογικό κέρδος K pth 3.3.18 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Μεταβολή της θέσης αναφοράς με μορφή ράμπας όταν ο κινητήρας είναι υπό φορτίο (χωρίς υπερύψωση) 3.3.19 Επαναλάβετε τα βήματα 3.3.10 έως 3.3.15, αλλά ο ρυθμός μεταβολής της θέσης αναφοράς θα είναι +900 0 /sec και -900 0 /sec για τον ρυθμό αύξησης και μείωσης, αντίστοιχα. Όνομα αρχείου Αναλογικό κέρδος K pth 3.3.20 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Παρουσίαση των αποτελεσμάτων Για κάθε μια από τις παραπάνω καταστάσεις ρύθμισης των παραμέτρων του ελεγκτή θέσης, να παρουσιαστούν τα διαγράμματα της απόκρισης ταχύτητας καθώς και των υπολοίπων μεταβλητών του συστήματος που αποθηκεύτηκαν στα παραπάνω αρχεία. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. 3.4 Μελέτη του συστήματος για απότομες μεταβολές της ροπής φορτίου Στην άσκηση αυτή θα εξετάσουμε την απόκριση του συστήματος σε μεταβολές της ροπής φορτίου κατά τη διάρκεια του σερβοκινητήριου ελέγχου ταχύτητας και θέσης. Με άλλα λόγια θα εξετάσουμε την ικανότητα του συστήματος να απορρίπτει τις διαταραχές που εισέρχονται σ αυτό λόγω μεταβολών του φορτίου. α) Δυναμική συμπεριφορά του ελεγκτή ταχύτητας σε απότομες μεταβολές του φορτίου 3.4.1 Επιλέξτε έλεγχο ταχύτητας και Χειροκίνητη λειτουργία. Επίσης επιλέξετε μεγάλο ρυθμό μεταβολής της ταχύτητας αναφοράς, ώστε να είναι σχεδόν βηματικός (10000 rpm/sec και -10000 rpm/sec, για αύξηση και μείωση του ρυθμού, αντίστοιχα). 3.4.2 Ορίστε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα του πειράματος. 15

Όνομα αρχείου 3.4.3 Επιλέξτε ταχύτητα αναφοράς 400 rpm και ελέγξτε ότι το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου είναι μηδέν και ο διακόπτης της αντίστασης φορτίου κλειστός (ΟΝ). 3.4.4 Δώστε στον ελεγκτή ταχύτητας τις τιμές των παραμέτρων που καταγράψατε στο βήμα 3.2.15, που αντιστοιχεί στη βηματική μεταβολή ταχύτητας όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος. 3.4.5 Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας. 3.4.6 Ρυθμίστε το φορτίο του κινητήρα, μέσω του ρεύματος του ροπομέτρου και της αντίστασης φορτίου ώστε να είναι 3 Nm. 3.4.7 Ανοίξτε (OFF) το διακόπτη της αντίστασης φορτίου και περιμένετε μέχρι να γεμίσει η μπάρα καταγραφής στο μενού Χειρισμός παλμογράφου. Στη συνέχεια, όταν η μπάρα αυτή βρεθεί στη τιμή περίπου 20%-30% κλείστε απότομα (ON) τον διακόπτη της αντίστασης φορτίου και στο 50-60% της μπάρας ξανανοίξτε τον (OFF). Στη συνέχεια περιμένετε να γεμίσει τελείως η μπάρα καταγραφής και όταν ξαναρχίζει να μετρά, πατήστε το πλήκτρο START στον Χειρισμό παλμογράφου για να σταματήσει η καταγραφή. 3.4.8 Ανοίξτε (OFF) το διακόπτη της ροπής φορτίου. Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου. 3.4.9 Ορίστε το όνομα του αρχείου που θα αποθηκευτούν τα αποτελέσματα του πειράματος. Όνομα αρχείου 3.4.10 Επιλέξτε ταχύτητα αναφοράς 400 rpm και ελέγξτε ότι το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου είναι μηδέν και ο διακόπτης της αντίστασης φορτίου κλειστός (ΟΝ). Επιλέξτε ρυθμό μεταβολής της ταχύτητας αναφοράς με τη μορφή ράμπας (επιλέξτε 1200 rpm/sec και -1200 rpm/sec, για αύξηση και μείωση του ρυθμού, αντίστοιχα). 3.4.11 Δώστε στον ελεγκτή ταχύτητας τις τιμές των παραμέτρων που καταγράψατε στο βήμα 3.2.21, που αντιστοιχεί στη μεταβολή ταχύτητας ράμπας όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος. 3.4.12 Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας. 3.4.13 Επαναλάβετε τα βήματα 3.4.6 έως 3.4.9. 3.4.14 Συγκρίνεται τις καμπύλες που πήρατε από την προηγούμενη μέτρηση (δηλ., όταν ο ρυθμός της ταχύτητας αναφοράς είναι βηματικός). 3.4.15 Πιέστε το μπουτόν STOP στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να σταματήσει ο κινητήρας. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του ροπομέτρου. 16

Παρουσίαση των αποτελεσμάτων Για κάθε μια από τις παραπάνω μετρήσεις να παρουσιαστούν τα διαγράμματα της ταχύτητας, του ρεύματος ροπής φορτίου καθώς και των υπολοίπων μεταβλητών του συστήματος που αποθηκεύτηκαν στα παραπάνω αρχεία. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. β) Δυναμική συμπεριφορά του ελεγκτή θέσης σε απότομες μεταβολές του φορτίου Στην εργαστηριακή άσκηση, επειδή το φορτίο είναι γεννήτρια συνεχούς ρεύματος δεν μπορούμε να έχουμε σταθερή ροπή στην μηδενική ταχύτητα. Συνεπώς, δεν μπορούμε να κάνουμε κάποιο αντίστοιχο πείραμα όπως στον ελεγκτή ταχύτητας για να ελέγξουμε την δυναμική συμπεριφορά του ελεγκτή θέσης σε απότομες μεταβολές του φορτίου. Γι αυτό το λόγο θα εξετάσουμε την κατάσταση αυτή, χωρίς να κάνουμε μετρήσεις, επιβάλλοντας φορτίο με το χέρι. 3.4.16 Βάλτε τη τιμή 3 στο αναλογικό κέρδος του ελεγκτή θέσης (K pth =3). 3.4.17 Επιλέξετε έλεγχο θέσης και χειροκίνητη λειτουργία. 3.4.18 Επιλέξετε θέση αναφοράς 0 0. 3.4.19 Πιέστε το μπουτόν START στον Διακόπτη ΟΝ/ΟFF κινητήρα για να εκκινήσει ο κινητήρας και προσπαθήστε να γυρίστε με το χέρι τον δρομέα της μηχανής. 17