VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Управление бесконтактным двигателем постоянного тока (БДПТ) является одной из основных задач в автоматике и робототехнике. В данной работе представлены результаты проектирования системы управления БДПТ. Система, используя сигналы из набора датчиков, определяет местоположение ротора и фактическую скорость вращения, принимает решение по управлению последовательностью переключения обмотки статора БДПТ и регулированию скорости вращения ротора по ПИД – алгоритму.

Задачей данного проекта является разработка системы управления БДПТ, в основе которого применен электродвигатель флоппи-дисков персонального компьютера.

Система включает в себя плату микроконтроллера, драйвер ключей, силовые ключи, датчик положения ротора, датчики обратной связи по току и по угловой скорости (рис. 1) [1, 2, 3].

Трехфазная обмотка двигателя подключена к выводам драйвера ключей. В качестве основного микроконтроллера используется 8-разрядный AVR микроконтроллер ATmega16A. Данный микроконтроллер имеет: 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, флэш-память для записи программ объемом 16кБ, флэш-память для записи данных 512 байтов и оперативную память 1024 байтов. Частота процессора составляет 8МГц и стабилизирована кварцевым резонатором.

Рис. 1. Блок схема управления БДПТ.

В силовой части схемы используются драйвер ключей на основе микросхемы IR2010 и силовые ключи на полевых транзисторах IRF540N. В качестве датчиков положения ротора и обратной связи по угловой скорости применяются датчики Холла. Кроме того, датчик Холла используется для бесконтактного измерения силового тока. Определение положения ротора и вычисление потребляемого тока, фактической скорости вращения выполняется микроконтроллером на основе запрограммированных его функций – таймера и внешнего прерывания.

Решение задачи обеспечения заданной скорости вращения ротора двигателя состоит в расчете и реализации ПИД – регулятора по скорости. ПИД – регулятор обеспечивает заданную скорость двигателя, независимо от действующей на него постоянной или медленно изменяющейся нагрузки.

ПИД – регулятор состоит соответственно из пропорционального (P), интегрального (I) и дифференциального (D) звена, у каждого из которых свой коэффициент усиления [3, 4].

Форма ПИД – регулятора:

где u(t) – функция; P – пропорциональная составляющая; I – интегральная составляющая; D – дифференциальная составляющая; e(t) – текущая ошибка; К_р – пропорциональный коэффициент; К_i – интегральный коэффициент; К_d – дифференциальный коэффициент.

С помощью ПИД регулятора сигнал рассогласования, т. е. отклонение фактической скорости вращения от заданной, обрабатывается и формируется управляющий сигнал в виде ШИМ импульсов, подающийся на драйверы ключей для получения требуемой скорости вращения двигателя.

В данной работе задано, что бесконтактный двигатель постоянного тока имеет входное напряжение 5В, скорость вала в режиме холостого хода 54(об./с). Датчик обратной связи по угловой скорости выдает частоту 1 импульс/оборот. Для определения количества импульсов от датчика угловой скорости, его выход подключен к выходу внешнего прерывания микроконтроллера ATmega16A. Желаемая скорость задается непосредственно в программе управления. Символьный экран применяется для визуализации реальной и желаемой скорости. Интервал определения значения сигнала рассогласования по угловой скорости в ПИД – регуляторе составляет 100мс, таймер «2» является источником ШИМ сигнал для управления скоростей двигателя.

Для настройки параметров ПИД – регулятора применяется метод Циглера-Никольса [5, 6], который основан на реакции объекта на ступенчатое изменение управляющего сигнала. Эту характеристику обычно называют кривой разгона (рис. 2). Значения параметров регулятора рассчитываются непосредственно по значениям параметров a и L: K = 1.2/a; T_i = 0.9L/K; T_d = 0.5L/K [5].

Рис. 2. Реакция объекта управления на ступенчатое воздействие.

Регуляторы, параметры которых рассчитаны по методу Циглера-Никольса, не всегда обеспечивают требуемое качество процесса регулирования, и требуется дополнительная подстройка их параметров.

На изготовленном макете, в процессе дополнительной подстройки были получены некоторые переходные процессы угловой скорости при различных параметрах ПИД – регулятора, близких рассчитанным параметрам (рис. 3).

Рис. 3. Переходные процессы угловой скорости при различных параметрах ПИД – регулятора.

Программное обеспечение было написано на языке С с использованием программного продукта CodevisionAVR.

Процесс регистрации переходного процесса угловой скорости был проведен с помощью оптического датчика TCRT5000, отладочной платы Arduino Uno и графической среды проектирования Labview.

На основе разработанной системы планируется в дальнейшем завершить аппаратное и программное обеспечение системы, анализировать устойчивость системы, определять характеристики и испытать систему в различных условиях.

Список использованных литератур:

1. Онищенко Г. Б. Электрический привод. Учебник для вузов – М.: РАСХН. 2003. – 320.: ил.

2. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И. Е. Овчинников : Курс лекций. – СРб.: КОРОНА-Век. 2006. – 336 с. : ил.

3. AVR492: Brushless DC Motor Control using AT90PWM3/Application Note. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/pdf/Atmel/app/avr/AVR492.pdf

4. Денисенко В. В. ПИД – регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1. //Современные технологии автоматизации. – 2006. - №4. – с. 66-74

5. Денисенко В. В. ПИД – регуляторы: вопросы реализации. Ч. 2 . //Современные технологии автоматизации. – 2008. - №1. – с. 86-99

6. Настройка типовых регуляторов по методу Циглера–Никольса: метод. указания к выполнению лаб. работы для студентов, обучающихся по направлениям 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 201000 «Биотехнические системы и технологии» / сост. О.С. Вадутов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. – 10 с.

Код для цитирования: Скопировать