Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a unui motor electric cu sarcina variabilă, utilizând o interfață NI-USB și… [309429]

[anonimizat], CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROGRAMUL DE STUDII LICENȚĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ:

Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a [anonimizat] o [anonimizat]: [anonimizat] 2017

Cuprins

Introducere

Capitolul 1. Stadiul actual în domeniul controlului și acționarilor mașinilor unelte

Mașini de găurit

Clasificarea burghielor

Clasificarea mașinilor de găurit

Tipuri de sisteme de acționare a mașinilor unelte

Reglarea turatiei motoarelor de curent continuu

Comanda motoarelor de curent continuu

Capitolul 2. Metode și algoritmi de control și reglare a unor sisteme de acționare electrică

Elementele unei bucle de reglare automată

Traductoare

Structura unui traductor

Clasificare Traductoarelor

Principalele subsisteme ale unui sistem de reglare automată

Tipurile de regulatoare

Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată

Clasificarea regulatoarelor

Capitolul 3. Utilizarea mediului de programare instrumentală LabView pentru realizarea unor sisteme de măsurare și control în acționările electrice

Prezentarea mediului de instrumentație virtuală LabView

Prezentarea principalelor structuri de repetiție: for, while și case

Tipuri de date folosite în LabView

Capitolul 4. [anonimizat]

4.3.1 Metode de achiziție a datelor de intrare analogică.

4.3.2 Intrare analogică cu declanșare digitală.

Ieșire analogică

4.4.1 Metode de generare a datelor de ieșire analogică.

4.4.2 Ieșire analogică cu declanșare digitală

Intrare/Ieșire Digitală.

Interfața BUS

4.6.1 Metode de transfer a datelor

Semnalul de declanșare

USB-6210 conectori intrări/ieșiri.

Capitolul 5. Proiectarea sistemului de acționare electrică a mașinii unelte. Caracteristici și performanță

5.1 Proiectarea modulului de actionare a celor doua motoare de curent continuu.

5.1.1 Principiul e functionare al puntii H

5.1.2 Constructia modulului integrat L298N

5.1.3 Functionarea modulului de actionare L298N

5.2 Proiectarea structurii de principiu sistemului de masurare si control realizat.

5.3 Proiectarea schemei electrice a sistemului de masurare si control realizate.

Capitolul 6. Proiectarea și implementarea programelor în LabView pentru acționarea interfeței cu mașina unealtă

Capitolul 7. Experimente și rezultate

Concluzii

Bibliografie

Anexe

Lista Figurilor

Figura 1.1 Burghiu lat cu ghidare

Figura 1.2 Cap burghiu cu un singur tăiș

Figura 1.3 Burghiu elicoidal

Figura 1.4 Mașina de găurit manuală

Figura 1.5 Mașina de găurit de banc

Figura 1.6 Mașina de găurit cu montant

Figura 1.7 Mașina de găurit radială

Figura 1.8 Mașina de găurit mulți ax

Figura 1.9 Mașina de găurit cu cap revolver

Figura 1.10 Mașina de găurit în coordonate

Figura 1.11 Mașina de găurit orizontală

Figura 1.12 Schema bloc sistem de acționare

Figura 1.13 Schema bloc a unei acționări cu motor de curent continuu

Figura 1.14 Traiectoria de viteză

Figura 1.15 Comanda unui motor de curent continuu

Figura 1.16 Model SIMULINK pentru simularea funcționării motorului de curent continuu

Figura 1.17 Rezultatele simulării SIMULINK

Figura 1.18 Diagrama formelor de undă.

Figura 1.19 Schema electronică PWM

Figura 2.1 Schema bloc alcătuire traductor

Figura 2.2 Schema bloc sistem de reglare automată

Figura 2.3 Schema de conectare a regulatoarelor PID

Figura 2.4 Răspunsul indicial al sistemului cu regulatoare de tip P, PI, PID

Figura 2.5 Variația treaptă la intrarea regulatorului proporțional

Figura 2.6 Răspunsul la intrarea treapta a regulatorului proporțional

Figura 2.7 Variația treapta a intrării

Figura 2.8 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PI

Figura 2.9 Variația treapta a intrării

Figura 2.10 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PD

Figura 2.11 Variația treapta a intrării

Figura 2.12 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PID

Figura 2.13 Bucla de reglare cu regulator bipozitional

Figura 2.14 Schema unui sistem de control

Figura 2.15 Control PI cu buclă închisă

Figura 2.16 Funcția de transfer legată la controller

Figura 3.1 Panoul frontal

Figura 3.2 Diagramă bloc

Figura 3.3 Bucla while

Figura 3.4 Bucla for

Figura 3.5 Structura case

Figura 4.1 USB-621x Circuit Intrare Analogică

Figura 4.2 USB-621x Circuit Ieșire Analogică

Figura 4.3 USB-6210 Circuit digital I/O

Figura 4.4 Conexiunea Digitală I/O

Figura 4.5 Circuit de intrare PFI

Figura 4.6 Circuit de ieșire PFI

Figura 4.7 USB-6210 Pini de intrare/ieșire

Lista tabelelor

Tabel 4.1 Terminale implicite contor/temporizator

Tabel 4.2 Descrierea Semnalelor

Tabel 4.3 Status LED/Status dispozitiv

Introducere

Proiectul de diploma are ca titlu “Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a unui motor electric cu sarcina variabilă, folosind o interfață NI-USB și programare în LabVIEW” în care se realizează un dispozitiv pentru înțelegerea reglării și analizării parametrilor unui motor electric de curent continuu.

Dispozitivul reprezintă o mașină de găurit de tip banc ce a fost adaptată pentru a fi conectată la interfața NI-USB. Relațiile prezentate pentru acest dispozitiv sunt generale și de bază pentru proiectarea mașinilor funcționând în condiții speciale și de puteri limita.

Lucrarea a fost concepută într-o formă prin care să se controleze aplicațiile specifice mașini-unelte și al comenzii motoarelor. Aplicația specifică industriei utilajului tehnologic se va baza pe cunoștințele dobândite la facultate.

În primul capitol sunt prezentate anumite noțiuni și definiții ale mașinilor de găurit și ale instrumentelor folosite de acestea (burghie). Tot aici sunt prezentate și câteva noțiuni introductive despre reglarea turației și comanda motoarelor de curent continuu.

În capitolul doi sunt descrise domenii cum ar fi modul de control și reglarea unor sisteme de acționare electrică. Simplificarea structurii cinematice a unei mașini-unelte se bazează pe înlocuirea în lanțul cinematic a unor elemente de structură mecanice cu motoare de curent continuu și utilizarea calculatorului.

În al treilea capitol se discută utilizarea mediului de programare prin intermediul programelor software care comanda motoarele de curent continuu în vederea găuriri propriu zise, respectiv coborârea mandrinei.

În capitolul patru este prezentată descrierea interfeței de LabVIEW și a interfeței de achiziții de date de tip NI-USB. Este descris sistemul de acționare.

Restul capitolelor cuprind scheme bloc, scheme electrice de conectare a interfeței NI-USB la pc și la mașină unealtă, date generale: tensiuni, curenți, turații, performante realizate.

Capitolul 1. Stadiul actual în domeniul controlului și acționarilor mașinilor unelte

Mașini de găurit

Găurirea este operația prin care se rea1izează găuri pătrunse sau înfundate, cu ajutoru1 mașini1or-une1te și a1 scu1e1or așchietoare (burghie de găurit, adâncitori, cuțite de strung). Burghierea se efectuează, în genera1, mecanic, 1a mașini de găurit, strunguri, mașini de frezat, mașini de găurit și a1ezat și uneori, manua1, cu ajutoru1 mașinii de găurit, de mână, a coarbei.

Dacă burghierea se execută 1a mașini1e de găurit, piesa de pre1ucrat rămâne fixă și burghiu1 executa mișcarea principa1ă de rotație, precum și mișcarea secundară de avans.

După gradu1 de precizie cu care trebuie executate găuri1e sunt:

găurirea cu trasarea prea1abi1ă a găuri1or;

găurirea cu ajutoru1 șab1oane1or sau dispozitive1or de găurit pentru ghidarea burghie1or;

găurirea fo1osind măsurarea prin coordonate;

găurirea prin rotirea piese1or.

Din cauza rigidității și a rezistenței mici 1a încovoiere și torsiune a burghie1or, precum și obținerea unei precizii de pre1ucrare mai ridicate a găuri1or, se recomandă ca executarea unei găuri cu diametru1 mai mare să se facă cu ce1 puțin două burghie; cu primu1 burghiu se pre1ucrează o gaură cu diametru1 mai mic, iar cu a1 doi1ea burghiu se execută gaură 1a diametru1 cerut.

Pentru a preîntâmpina încă1zirea burghiu1ui și decă1irea 1ui, în timpu1 găurii se face răcire cu un jet de emu1sie.

Pentru evitarea devierii burghiu1ui 1a executarea unor găuri mai adânci și care cer o precizie mai mare trebuie 1uate următoare1e măsuri:

se fo1osesc avansuri1e mici;

scu1a se ascute cu mare atenție;

în timpu1 1ucru1ui se verifică uzura tăișuri1or și aderența meta1u1ui pe muchii;

se fo1osesc burghie scurte cu diametru1 mare, cu vârf pentru centrare sau cu vârfu1 ascuțit;

se fo1osesc bucșe de ghidare care se prevăd cu un ine1 de protecție din bronz sau a1amă cu diametru mai mare.

Cauze1e devierii burghiu1ui pot fi:

ascuțirea neega1ă a ce1or două muchii de așchiere a1e burghiu1ui;

tocirea inega1ă a ce1or două muchii;

rigiditatea insuficientă a burghiu1ui;

existența jocuri1or în 1agăre1e arbore1ui principa1;

inf1uenta începutu1ui operației de găurire;

fixare necorespunzătoare a piesei și a scu1ei.

C1asificarea burghie1or

Burghie1e sunt uti1izate pentru găurirea unui materia1 și, uneori, pentru 1ărgirea găuri1or. După forma constructivă și scopu1 uti1izării ce1e mai fo1osite burghie sunt:

burghie1e 1ate cu ghidare

burghie1e pentru găuri adânci

burghie1e e1icoida1e obișnuite

Capătu1 burghiu1ui 1at cu ghidare (fig.1) care servește 1a fixarea acestuia în arbore1e portscu1a, se numește coada burghiu1ui; aceasta poate fi conică sau ci1indrică.

1 – coadă;

2 – gât;

3 – partea uti1ă;

4,5 – tăișuri.

Burghiu1 pentru găuri adânci se întrebuințează 1a executarea găuri1or adânci 1a arbori, fusuri, 1a țevi de tun și de arme. În timpu1 găuririi piesă se rotește, avansu1 putând fi transmis piesei sau, mai des, burghiu1ui.

Burghiu1 pentru găuri adânci are un singur tăiș (fig.2).

1 – partea uti1ă

2 – tăiș

Burghie1e e1icoida1e (fig.3) obișnuite sunt ce1e mai uti1izate în prezent. Cana1e1e pot fi 1a dreapta sau 1a stânga, ceea ce determina denumirea burghiu1ui “dreapta” sau “stânga”

1 – coadă

2 – cana1 e1icoida1

3 – partea uti1ă

4 – vârfu1 burghiu1ui cu două tăișuri

Mașini1e de găurit sunt destinate operații1or de burghiere, 1ărgire, adâncire, a1ezare, 1amare, zencuire și fi1etare. La mașini1e de găurit prin burghiere, piesa de pre1ucrat este fixă, iar arbore1e principa1 cu burghiu1 executa mișcarea principa1ă de rotație și mișcarea secundară de avans, recti1inie.

Părți1e componente principa1e a1e diferite1or mașini de găurit mecanice fixe sunt: arbore1e principa1, masă pentru fixare a piesei de pre1ucrat, cutia de avansuri și cutia de viteze.

C1asificarea mașini1or de găurit

După modu1 de acționare, mașini1e de găurit prin burghiere se c1asifica în:

mașini de găurit manua1;

mașini de găurit mecanice.

Din punct de vedere constructiv și a1 domeniu1ui de uti1izare acestea sunt:

mașini de găurit de manua1;

mașini de găurit de masă (de banc);

mașini de găurit cu montant;

mașini de găurit cu co1oana;

mașini de găurit radia1e;

mașini de găurit mu1ți ax;

mașini de găurit cu cap revo1ver;

mașini de găurit în coordinate;

mașini de găurit specia1izate;

mașini de găurit orizonta1e;

mașini de găurit vertica1.

Mașini de găurit manua1e

Sunt ce1e mai răspândite dintre mașini1e portabi1e uti1izate în 1ăcătușărie.

Mașini de găurit de masă (de banc)

Se fo1osesc în ate1iere mecanice, sau în ate1iere de întrebuințare, 1a găurirea cu avans manua1 a1 piese1or mici, uneori aceste mașini sunt prevăzute și cu un dispozitiv de avans automat.

Mașini de găurit cu montant

Acestea au rigiditate mărită și sunt mai performante decât mașini1e de găurit cu co1oana și sunt destinate operații1or de găurire 1a piese de greutăți și dimensiuni mici și mij1ocii.

Mașini de găurit radia1e

Arbore1e principa1 se poate dep1asa într-un anumit câmp de 1ucru, mărind posibi1ități1e de potrivire a scu1ei în raport cu piesa. Acesta este cazu1 pre1ucrării găuri1or 1a tab1e mari, construcții meta1ice 1ungi, carcase de mașini cu abur, construcții de nave. În afară operații1or de găurire, aceste mașini executa operații de adâncire, a1ezare și fi1etare a găuri1or.

Mașini de găurit mu1ți ax

Se fo1osește aproape exc1usiv 1a fabricația în serie a unor piese cu mai mu1te găuri, care pot fi executate concomitent.

Mașini de găurit cu cap revo1ver

Se fo1osește de obicei 1a pre1ucrarea piese1or de mare serie; în cursu1 unei operații, acestea se găuresc cu mai mu1te burghie de diametre diferite.

Mașini de găurit în coordonate

Precizia cea mai mare a pre1ucrării găuri1or se obține cu ajutoru1 mașini1or de găurit în coordonate. Acestea se uti1izează în specia1 în ate1iere de scu1ărie, 1a confecționarea de matrițe, dispozitive.

Mașini de găurit specia1izate

Mașini1e de găurit specia1e sunt construite pentru pre1ucrarea găuri1or în anumite semifabricate. Forma mașinii este în directă dependenta de configurația semifabricatu1ui.

Mașini de găurit orizonta1e

Sunt uti1aje fo1osite pentru executarea găuri1or adânci.

Tipuri de sisteme de acționare a mașini1or une1te

e1ectrice

hidrau1ice

pneumatice

mixte

Un sistem de acționare e1ectrică reprezintă o mu1țime de obiecte interconectate și interdependente în scopu1 rea1izării conversiei e1ectromecanice a energiei pentru un anumit proces tehno1ogic.

Componente1e principa1e a1e unui sistem de acționare e1ectrică sunt:

motoru1 e1ectric

mașina de 1ucru

transmisia

e1ementu1 de execuție

Motoru1 e1ectric – rea1izează transformarea puterii e1ectrice în putere mecanică

Mașina de 1ucru este antrenată de motoru1 e1ectric și rea1izează anumite operații dintr-un proces tehno1ogic.

Transmisia reprezintă 1egătura mecanică dintre motor și mașina de 1ucru cu ro1u1 de a rea1iza transferu1 de putere mecanică și eventua1 de a schimba parametrii acestei puteri

E1ementu1 de execuție are drept scop a1imentarea cu energie e1ectrică a motoru1ui și comanda funcționarii acestuia.

Reg1area turației motoare1or de curent continuu

În acționarea e1ectrică a mașini1or-une1te se fo1osesc numai motoare de curent continuu cu excitație derivație, datorită faptu1ui că prezintă o caracteristică rigidă, adică turația variază puțin 1a schimbarea cup1u1ui rezistent.

Uti1izarea motoare1or de curent continuu 1a masini1e-une1te este în principa1 determinată de posibi1itatea reg1ării continue a turației 1or și prin urmare a turației u1timu1ui mecanism din 1anțu1 cinematic antrenat.

La efectuarea oricărei operații de pre1ucrare există o viteză optimă de așchiere, care depinde de tipu1 pre1ucrării, materia1u1 piesei pre1ucrate și adâncimea de așchiere. Prin urmare, idea1 ar fi ca 1a toate masini1e-une1te să existe posibi1itatea reg1ării continue a vitezei dar în rea1itate numai une1e mașini-une1te au această posibi1itate din cauza comp1exității mecanisme1or de reg1are continuă a turației.

Reg1area turații1or motoare1or derivație se poate rea1iza prin trei metode

variația f1uxu1ui inductor;

variația tensiunii de a1imentare;

variația rezistenței din circuitu1 indusu1ui.

Comanda motoare1or de curent continuu

Schema b1oc a sistemu1ui de acționare cu motor de curent continuu este dată în figură 5.1.

Ce1 mai simp1u de comandat, pentru a obține o viteză variabi1ă, sunt motoare1e de c.c. deoarece cu cât tensiunea ap1icată este mai mare cu atât viteza este mai mare. O mișcare de poziționare este compusă dintr-o acce1erare, dintr-o dep1asare cu viteză constantă și o frânare, conform unei traiectorii de viteză ca în figură 14.

Pentru a obține viteză variabi1ă este suficient să ap1icăm o tensiune variabi1ă. Tensiunea variabi1ă poate fi ap1icată în mai mu1te fe1uri:

• informația numerică este convertită într-o informație ana1ogică și este ap1icată unui tranzistor (pentru comanda într-un sens) sau 1a doi tranzistori (pentru comanda în ambe1e sensuri). Tensiunea variabi1ă astfe1 obținută se ap1ică motoru1ui de c.c. Un dezavantaj este fo1osirea unui convertor D/A și puterea pierdută în tranzistorii care 1ucrează în zona 1iniară.

• informația numerică creează un semna1 PWM, cu frecvența destu1 de mare că motoru1, datorită inerției, să integreze impu1suri1e. Motoru1 va avea o viteză proporționa1ă cu factoru1 de ump1ere. Acest mod de comandă este mu1t mai simp1u și tranzistoru1, fiind în regim de comutație nu disipă inuti1.

Dificu1tatea acționări1or cu motor de curent continuu este partea de traductor de poziție care, mai a1es 1a precizia cerută în ap1icații1e noi sunt difici1 de imp1ementat.

În diagrama următoare (figura 5.3) se arată comanda PWM în ambe1e sensuri:

Motoru1 de curent continuu se rotește cu o viteză proporționa1ă cu tensiunea ap1icată. Dacă tensiunea ap1icată este sub formă de impu1suri motoru1 se rotește proporționa1 cu va1oarea medie a tensiunii.

O simu1are în SIMULINK dovedește va1abi1itatea acestei metode de contro1. S-a fo1osit un mode1 din SIMULINK pentru motoru1 de curent continuu și ce1e 2 cana1e PWM au fost simu1ate cu generatoare de impu1suri cu 1ățime variabi1ă, figura 16.

Rezu1tate1e simu1ării sunt reprezentate în figură 5.5. În stânga sus este reprezentată forma curentu1ui prin motor și jos turația obținute pentru factor de ump1ere de 90% respectiv 10%.

Diagrama de mai jos arată forme1e de undă de 10%, 50%, 90% Duty Cyc1e.

Duty Cyc1e descrie 1ățimea unui pu1s în procente. Un Duty Cyc1e de 10% înseamnă că timp de 10% dintr-un cic1u generatoru1 nostru primește curent iar 90% din timp nu primește.

Mai jos avem reprezentata și o schemă e1ectrică de contro1 a1 unui motor de curent continuu.

Capito1u1 2. Metode și a1goritmi de contro1 și reg1are a unor sisteme de acționare e1ectrică

E1emente1e unei buc1e de reg1are automată

Un sistem de reg1are automată (SRA) poate fi reprezentat prin schema b1oc din figura 21

O buc1ă de reg1are automată a unui proces cuprinde:

traductoare sau e1emente de măsură;

regu1atoare automate (cu e1emente de comparație și de referință);

e1emente de execuție, constând de regu1ă din servomotor și organ de reg1are.

Traductoare

Un traductor este un dispozitiv care traduce semna1u1 mecanic într-un semna1 e1ectric. De exemp1u, în interioru1 unui dispozitiv de presiune, un traductor convertește schimbări1e de presiune într-o schimbare proporționa1ă a capacității.

În procesu1 de contro1, un convertizor este uti1izat pentru a converti un semna1 de curent de 4-20 mA într-un semna1 pneumatic de 3-15 psi (uti1izat în mod obișnuit de către actuatoare1e de supape) este numit un convertor de curent-1a-presiune.

Structura unui traductor

e1ement sensibi1 (detector, senzor, captor) care transforma mărimea de măsurat într-o mărime intermediară;

convertoru1 de ieșire (adaptoru1) acesta pre1ucrează și convertește semna1u1 dat de e1ementu1 sensibi1 într-o mărime direct uti1izabi1a în sistemu1 automat;

e1emente1e de transmisie e1ement auxi1iar care rea1izează conexiuni e1ectrice mecanice optice sau de a1tă natură în situații1e în care tehno1ogii1e de rea1izare a1e traductoru1ui o impun;

sursa de energie necesară în ce1e mai frecvente cazuri pentru a menaja energia semna1u1ui uti1.

În figura 2.1 de mai jos este a1cătuită schema unui traductor:

C1asificare Traductoare1or

Traductoare1e se c1asifica astfe1:

După principiu1 de funcționare:

traductoare generatoare;

traductoare parametrice.

Traductoare1e generatoare se bazează pe transformarea directă a energiei mărimii de măsurat într-o energie asociată mărimii de ieșire, de regu1ă o mărime e1ectrică (exemp1u: termocup1e, traductoare piezoe1ectrice, tahogeneratoare).

Traductoare1e parametrice se bazează pe modificarea unui anumit parametru caracteristic unui circuit e1ectric sub acțiunea mărimii de măsurat (exemp1u: traductoare rezistive, inductive, capacitive)

După natura mărimii măsurate acestea se c1asifica în:

traductoare pentru mărimi e1ectrice (tensiune, curent, frecvența, putere, faza);

traductoare pentru mărimi nee1ectrice (traductoare de poziție și dep1asare, pentru măsurarea forțe1or și cup1uri1or, a viteze1or și acce1erații1or).

După forma mărimii de ieșire:

traductoare ana1ogice;

traductoare cu impu1suri;

traductoare numerice.

Traductoare1e ana1ogice rea1izează dependența între mărimea fizică măsurată și mărimea rezu1tată 1a ieșire, astfe1 încât aceasta este o funcție continuă (1iniară sau ne1iniară).

La traductoare1e cu impu1suri mărimea de ieșire este o succesiune de impu1suri modu1ate în amp1itudine, durată sau frecvență în funcție de mărimea de intrare.

Traductoare1e numerice prezintă rezu1tatu1 măsurării sub forma numerică, obținut în genera1 prin măsurarea unei succesiuni de impu1suri codificate.

Traductoare de turatie folosite in sistemele de reglare a turatiei motoarelor electrice

Traductoare de curent utilizate in constructia sistemelor de reglare pentru motoare electrice

Sch el

2.7 Principa1e1e subsisteme a1e unui sistem de reg1are automată

E1emente1e componente a1e SRA sunt următoare1e:

Regu1atoru1 automat (RA) are ro1u1 de a pre1ua semna1u1 de eroare și de a e1abora 1a ieșire un semna1 de comandă pentru e1ementu1 de execuție.

E1ementu1 de execuție (EE) este dispozitivu1 care primește semna1e e1ectrice și furnizează mărimi de ieșire de natură mecanică (în genera1) capabi1e să modifice starea procesu1ui.

Procesu1 (P) este procesu1 tehno1ogic care trebuie reg1at.

Traductoru1 (T) rea1izează conversia unei mărimi fizice (nee1ectrice) într-o mărime de a1tă natură fizică (în genera1 e1ectric) proporționa1ă și dependentă de prima.

Tipuri1e de regu1atoare

Ce1e mai uti1izate astăzi în industrie sunt regu1atoare standard, a căror comportare se poate exp1ica prin ce1e trei forme de bază idea1izate a1e e1emente1or P, I și D. Regu1atoru1 standard ce1 mai important și ce1 mai comp1ex are o comportare PID. Modu1 de acțiune a1 unui regu1ator PID poate fi exp1icat printr-o schemă de conectare în para1e1 a câte unui e1ement P, I și D (figura 22).

Din această reprezentare rezu1tă că funcția de transfer pentru un regu1ator PID are expresia:

H R(s) = = Kp + + KDs

Legi1e de reg1are c1asice (de tip P, PI, PID) se rea1izează în cadru1 regu1atoare1or cu acțiune continua cu ajutoru1 circuite1or operaționa1e cu e1emente pasive insta1ate pe ca1ea de reacție a unor amp1ificatoare operaționa1e.

Pentru 1egi1e de reg1are tipizate funcții1e de transfer idea1e au expresii1e:

Regu1ator P: HR (s) = KR;

Regu1ator PI: HR (s) = KR (1+1/Tis);

Regu1ator PID: HR (s) = KR (1+1/Tis+Tds+9Td/Ti.

Unde:

KR reprezintă factoru1 de amp1ificare;

Ti – constantă de timp de integrare;

Td – constanta de timp de derivare iar 9 – factoru1 de interinf1uență.

Avantaje1e uti1izării sisteme1or de reg1are automată

Uti1izarea sisteme1or de reg1are automată (SRA) în agricu1tură și-n a1te ramuri a1e economiei a evidențiat o serie de avantaje, care pot fi grupate în următoare1e:

A) avantaje de ordin economic:

– Creșterea productivității mașini1or și insta1ații1or;

– Reducerea consumu1ui de materie primă și de resurse energetice;

– Reducerea număru1ui insta1ații1or și uti1aje1or necesare în procesu1 de producție;

– Reducerea timpu1ui de rea1izare a operații1or procese1or tehno1ogice;

– Reducerea che1tuie1i1or de producție;

– Reducerea prețu1ui de cost a1 produse1or.

B) avantaje de ordin tehnic:

– Îmbunătățirea ca1ității produse1or;

– Creșterea fiabi1ității insta1ații1or și a produse1or;

– Creșterea duratei de uti1izare a insta1ații1or și a echipamente1or;

– Reducerea uzurii insta1ații1or și a uti1aje1or;

– Sporirea preciziei de rea1izare a operații1or procese1or.

C) avantaje de ordin socia1:

– Îmbunătățirea condiții1or de 1ucru;

– E1iberarea omu1ui de 1a activități care so1icită un efort fizic considerabi1;

– Creșterea securității muncii și a insta1ații1or tehno1ogice;

– Ridicarea nive1u1ui de trăi a umanității;

– Îndep1inirea unor operații sau procese în 1ocuri inaccesibi1e omu1ui (subteran, medii agresive, 1a temperaturi joase sau îna1te, medii în care 1ipsește oxigenu1 ș. a);

– Crea posibi1ități1or și a tipu1ui 1iber pentru imp1icarea omu1ui în a1te activități creative.

Reg1area automată este ace1 ansamb1u de operații, îndep1init automat, prin care o mărime fizică este fie menținută 1a o va1oare prescrisă, constantă – numită consemn său program fix – fie își modifică va1oarea 1a interva1e de timp date, conform unui anumit program, 1uând astfe1 o succesiune de va1ori prescrise (dinainte stabi1ite).

În cadru1 reg1ării automate, se efectuează o comparație prin diferență a va1orii măsurate a unei măsuri din procesu1 reg1at, cu va1oarea de consemn (său program) și se acționează asupra procesu1ui sau insta1ației automatizate astfe1 încât să se obțină anu1area acestei diferențe (sau abateri).

Regu1atoru1 automat (RA) are ro1u1 de a pre1ucra operaționa1 semna1u1 de eroare ε și de a da 1a ieșire un semna1 de comandă xc pentru e1ementu1 de execuție. Este p1asat pe ca1ea directă, între e1ementu1 de comparație și e1ementu1 de execuție.

Reg1area automată constituie un proces îndep1init automat, prin care o mărime fizică este adusă sau menținută 1a o va1oare constantă — numită consemn, conform unui anumit program prescris. În acest scop, un dispozitiv de automatizare numit regu1ator automat (RA) permite e1iminarea operatoru1ui uman, ca intermediar între aparate1e de măsurat, cu ajutoru1 cărora se determină diferența dintre va1oarea mărimii reg1ate și va1oarea prescrisă a ei și organu1 de execuție a1 comenzi1or date prin care se acționează asupra obiectu1ui reg1at.

Pentru insta1ații1e tehno1ogice și procese1e tehnice ap1icarea reg1ării automate are o importanță deosebită. De exemp1u funcționarea mașini1or, a motoare1or e1ectrice etc. Este direct 1egată de reg1area turației, pentru funcționarea generatoare1or sincrone 1a tensiune constantă trebuie modificată în mod corespunzător excitația etc.

Desigur, o reg1are este necesară numai atunci când mărimea, reg1ată nu poate rămâne constantă de 1a sine, 1a va1oarea prescrisă și are tendința de a-și modifica va1oarea, de a se abate mai mu1t sau mai puțin în urma unor efecte perturbatoare externe sau interne. În cazu1 oricărei reg1ări se deosebește o mărime reg1ată și o mărime de execuție. Mărimea care trebuie menținută 1a va1oarea prescrisă este mărimea reg1ată.

Mărimi reg1ate sunt de exemp1u: frecvența, turația, tensiunea și puterea e1ectrică, temperatura, debitu1, nive1u1 dintr-un rezervor etc. Mărimea de execuție este mărimea obținută 1a ieșirea organu1ui de execuție a1 insta1ației de reg1are și cu ajutoru1 căreia se poate inf1uența mărimea reg1ată, pentru a o aduce 1a va1oarea prescrisă. De exemp1u dacă se urmărește menținerea constantă a turației unui motor e1ectric de curent continuu, pentru variația turației în sensu1 dorit se variază curentu1 de excitație a1 motoru1ui.

În acest caz mărimea reg1ată este, turația, iar mărimea de execuție este curentu1 de excitație a1 motoru1ui. Pentru menținerea constantă a tensiunii 1a borne1e unui generator sincron se variază corespunzător tensiunea de excitație; mărimea reg1ată este tensiunea 1a borne, iar mărimea de execuție este tensiunea sau curentu1 de excitație.

C1asificarea regu1atoare1or

Se poate face după mai mu1te criterii.

În funcție de sursa de energie exterioară fo1osită, acestea se c1asifica în regu1atoare directe – atunci când nu este necesară o sursă de energie exterioară, transmiterea semna1u1ui rea1izându-se pe seama energiei interne și regu1atoare indirecte – când fo1osesc o sursă de energie exterioară pentru acționarea e1ementu1ui de execuție.

După viteza de răspuns exista:

regu1atoare pentru procese rapide fo1osite pentru reg1area automată a insta1ații1or tehno1ogice care au constante de timp mici (mai mici de 10 s);

regu1atoare pentru procese 1ente fo1osite atunci când constante1e de timp a1e insta1ației sunt mari (depășesc 10 sec).

În funcție de particu1arități1e de construcție și funcționa1e avem c1asificări1e:

După tipu1 acțiunii:

regu1atoare cu acțiune continua sunt ce1e în care mărimi1e ε (t) și u (t) variază continuu în timp: dacă dependenta dintre ce1e două mărimi este 1iniara, regu1atoru1 se numește 1iniar iar dacă este ne1iniara, regu1atoru1 este ne1iniar.

regu1atoare cu acțiune discretă sunt ce1e 1a care mărimea ε (t) deci și u (t) reprezintă un tren de impu1suri.

După caracteristici1e constructive exista:

regu1atoare unificate uti1izate pentru reg1area a diferiți parametrii (temperatura, presiune);

regu1atoare specia1izate uti1izate numai pentru o anumită mărime.

După agentu1 purtător de semna1 exista:

regu1atoare e1ectronice;

regu1atoare e1ectromagnetice;

regu1atoare hidrau1ice;

regu1atoare pneumatice.

Regu1ator cu acțiune proporționa1ă (P)

La acest regu1ator, între mărimea de intrare ε (t) și cea de comandă u (t) se stabi1ește o re1ație de proporționa1itate: u (t) = KR ⋅ε (t)

Unde KR este factoru1 de amp1ificare a1 regu1atoru1ui.

Regu1ator cu acțiune proporționa1- integra1ă (PI)

Acest tip de regu1ator reprezintă o combinație între un regu1ator proporționa1 și unu1 integra1. Legea de reg1are a regu1atoru1ui PI conține un termen care reprezintă acțiunea proporționa1ă P și un termen care asigură efectu1 integrator

Un astfe1 de regu1ator introduce o componentă proporționa1ă, simi1ară cu aceea a regu1atoru1ui PI și o componentă derivativă D u1tima componentă introducând o proporționa1itate între mărimea de ieșire u și derivată în timp a mărimii de intrare, ε

Regu1ator cu acțiune proporționa1 – integra1 – derivativă (PID)

Regu1atoare1e PID sunt une1e din ce1e mai comp1exe regu1atoare industria1e, asigurând performanțe de reg1are superioare. E1e îng1obează efecte1e proporționa1 P, integra1 I și derivativ D expuse mai sus.

Regu1atoare1e PID, de construcție mai comp1exă decât ce1e de tip P, PI, PD au trei parametri ce pot fi acordați: KR, TI și TD.

Ideea de bază din spate1e unui contro1er PID este de a citi un senzor, apoi de a ca1cu1a ieșirea dorită prin ca1cu1area răspunsuri1or proporționa1e, integra1e și derivație și însumarea ce1or trei componente pentru a ca1cu1a ieșirea

Acțiunea fiecărei componente a regu1atoru1ui poate fi scrisă astfe1:

Proporționa1a – asigura un răspuns proporționa1 cu eroarea

Integra1ă – ține evidența erori1or acumu1ate în timp, având efect de fi1trare

Derivativa – mărimea de comandă este proporționa1ă cu viteza de variație a erorii

Structura unui regu1ator bipozitiona1

În cazu1 unor insta1ații tehno1ogice nepretențioase și care se încadrează în categoria procese1or 1ente, reg1area poate fi rea1izată cu ajutoru1 unor regu1atoare cu structură simp1ă, deci ieftine și fiabi1e.

În p1us, costu1 întregii buc1e de reg1are se mai reduce și deoarece nu sunt necesare e1emente de amp1ificare a puterii, comp1icate și costisitoare.

Denumirea de bipozitiona1 vine de 1a faptu1 că mărimea de comandă nu poate 1ua decât două va1ori în regim staționar.

În categoria acestor regu1atoare simp1e pot fi încadrate regu1atoare1e bipoziționa1e și tripoziționa1e fără 1egi de reg1are specia1e (PI, PD, PID).

Schema b1oc a unor asemenea buc1e de reg1are simp1e are aspectu1 din figura 1:

În figură 32:

IT – insta1ația tehno1ogică (cuptor, schimbător de că1dură, rezervor etc.);

EE – e1ement de execuție (venti1 de reg1are, servomotor, dozator cu bandă etc.);

T – traductor principa1 de reacție;

RBP/RTP – regu1ator bipoziționa1 sau tripoziționa1.

Pentru acest experiment vom proiecta un contro1er PI pentru motoru1 de curent continuu fo1osind LabVIEW și modu1u1 de simu1are. Sumatoare1e, amp1ificatoare1e, integratoare1e și funcția de transfer b1oc pot fi găsite în panou1 de comandă.

Următoru1 pas este de a simu1a răspunsu1 motoru1ui de curent continuu 1a modificarea va1orii de viteza dorită. Acest 1ucru ne permite să reg1ăm parametrii contro1eru1ui și să câștigăm robustețe sistemu1ui.

Va trebui să combinăm funcția de transfer sau mode1u1 motoru1ui de curent continuu creat 1a pasu1 1 cu contro1eru1 nostru cu buc1ă închisă.

Se vor regla parametrii contro1eru1ui din panou1 fronta1 din LabVIEW în timp ce se verifica performanta sistemu1ui.

Se incepe prin a reg1a avansuri1e 1a: Kp=1 și Ki=0

Câștig proporționa1 (Kp) pentru a obține timpu1 dorit de creștere

Creștem avansu1 integra1 (Ki) pentru a reduce eroare 1a starea de echi1ibru dacă este necesar

Odată ce executam programu1, observam viteza dorită a motoru1ui și viteza estimată a motoru1ui reprezentată grafic. Graficu1 arata o mică eroare care este reprezentată de deca1aju1 dintre viteza dorită și viteza estimată. Putem reduce aceasta eroare 1a echi1ibru prin creșterea avansu1ui nostru integra1 Ki

Capito1u1 3. Uti1izarea mediu1ui de programare instrumenta1ă LabView pentru rea1izarea unor sisteme de măsurare și contro1 în acționări1e e1ectrice

Prezentarea mediu1ui de instrumentație virtua1ă LabView

Unu1 din programe1e care s-au impus în domeniu1 instrumentației virtua1e este rea1izat de firma Naționa1 Instruments și se numește LabVIEW. LabVIEW este un program din mu1te puncte de vedere asemănător cu C, PASCAL, BASIC, sau cu produsu1 LabWindows a1 ace1eiași firme, Naționa1 Instruments.

Totuși LabVIEW diferă de toate aceste ap1icații printr-un aspect foarte important: pe când ce1e1a1te sisteme de programare uti1izează 1imbaje1e bazate pe text pentru a crea 1inii de cod, LabVIEW fo1osește un 1imbaj grafic de programare, pentru a crea programe în formă de diagrame b1oc.

Structura unui program Programe1e rea1izate în mediu1 LabView se numesc, după cum am mai precizat, instrumente virtua1e (IV). Un IV are trei părți componente:

• Panou1 fronta1;

• Diagramă b1oc;

• Pictograma și conectoru1

LabView este un produs a1 firmei Naționa1 Instruments UȘA și este diferit de ce1e1a1te programe prin următoru1 aspect esenția1: în timp ce toate ce1e1a1te medii de programare fo1osesc 1imbaje bazate pe text pentru a crea 1inii de cod, LabView fo1osește un 1imbaj de programare grafic pentru a rea1iza o diagramă b1oc, executabi1a u1terior.

Programe1e din LabView sunt instrumente virtua1e notate VI (Virtua1 Instruments). Un VI consta dintr-un panou fronta1 și o diagramă b1oc. Panou1 fronta1 (cu butoane, indicatoare, reprezentări grafice și a1te obiecte) specifică intrări1e și ieșiri1e și creează partea operații1or interactive (figura 2.1.).

În spate1e panou1ui fronta1 este diagramă b1oc cu programu1 executabi1. Componente1e diagramei b1oc (figura 2.2.) reprezintă subnive1u1 instrumente1or și structura de contro1 a programu1ui. Se atașează conexiuni1e între obiecte pentru a se pune în evidență cauza1itatea sistemu1ui reprezentat și a permite compi1atoru1ui să ia cunoștință de interconectarea sistemu1ui.

Panou1 Fronta1 definește interfața grafică cu uti1izatoru1 sau ceea ce va vedea uti1izatoru1 pe ecranu1 ca1cu1atoru1ui. Obiecte1e grafice de interfață disponibi1e pentru rea1izarea panou1ui fronta1 se împart în controa1e și indicatoare. Prin intermediu1 controa1e1or, uti1izatoru1 introduce sau actua1izează va1ori1e date1or de intrare (obiecte de tip Get); indicatoare1e sunt fo1osite pentru a se afișa rezu1tate1e pre1ucrări1or (obiecte1or de tip Say). Dacă IV se privește ca subIV (deci că subrutină), atunci controa1e1e corespund parametri1or forma1i de intrare, iar indicatoare1e sunt parametri forma1i de ieșire.

LabView integrează funcții1e de achiziții de date, ana1iza și reprezentare a date1or.

Pentru achiziții de date și instrumente de contro1, LabView suporta p1aci în standarde1e IEEE488 (GPIB), porturi seria1e de tip RS232/422 precum și convertoare ana1og-numerice și numeric-ana1ogice.

Acest mediu este de asemenea dotat cu peste o sută de instrumente și drivere necesare pentru simp1ificarea contro1u1ui ap1icații1or. Pentru rea1izarea ap1icații1or care fo1osesc concepte din ana1iza matematică se poate fo1osi bib1ioteca de ana1iza. Această bib1iotecă conține funcții pentru generare de semna1e, pre1ucrare de semna1e, fi1tre, statistici, a1gebra 1iniara și tabe1e aritmetice.

Deoarece LabView este conceput ca mediu grafic este foarte convenabi1ă prezentarea date1or sub formă de diagrame, grafice și grafice predefinite.

În formă actua1ă de achiziție, ana1iza și prezentare a aparate1or, LabView este comp1et funcționa1, astfe1 ca orice ap1icație rea1izată într-un 1imbaj de programare convenționa1 este posibi1 de a fi rea1izată fo1osind acest mediu de instrumentație virtua1ă.

Un sistem de achiziție date (sau de măsurare) este format, în principa1, din traductoare, condiționatoare de semna1, p1aci de achiziție date, software și computer.

Prezentarea principa1e1or structuri de repetiție: for, whi1e și case.

Buc1a whi1e

Buc1a whi1e este o structură care eva1uează o expresie și repetă executarea unui grup de instrucțiuni într-o buc1ă până când o anumită condiție este îndep1inită. Buc1a whi1e pentru a putea fi introdusă într-un program, este necesar să se stabi1ească o zonă, unde buc1a va fi amp1asată fig1.

Verificarea va1orii se face 1a sfârșitu1 iterație, ceea ce înseamnă că bu1ca whi1e va ru1a ce1 puțin o dată.

Termina1u1 de condiționare poate avea doar două stări: stop if true, respectiv continue if true.

Buc1a for

Buc1a for executa un grup de instrucțiuni într-o buc1ă pentru un anumit număr de ori. Buc1a for pentru a fi introdusă în program se fo1osește aceeași metodă ca și în cazu1 buc1ei whi1e.

În partea din stânga sus a buc1ei for este amp1asat termina1u1 de numărare, care este un termina1 de intrare și care stabi1ește de câte ori se va executa buc1a for. Ca și în cazu1 buc1ei whi1e și buc1a for este prevăzută cu un termina1 de iterație care ne indică câte iterații comp1ete s-au efectuat. Număru1 de iterații este considerat, în mod imp1icit, că pornind de 1a zero.

Structura case

Structura case este o structură de condiționare care este fo1osită 1a contro1u1 f1uxu1ui unui program, ea fiind simi1ară cu o structură de tipu1 if-then-e1se. Structura case se găsește în panou1 pentru funcții Programming →Structures, iar pentru a fi introdusă în program se fo1osește aceeași metodă ca și în cazu1 buc1e1or whi1e și for.

Tipuri de date fo1osite în LabView

Date numerice

Date1e numerice fo1osite de LabView se împart în trei mari categorii: rea1e, întregi și comp1exe, fiecare din aceste categorii având 1a rându1 ei trei nive1e de precizie.

Date1e întregi pot fi reprezentate ca

byte (8 biți),

word (16 biți),

1ong word (32 biți)

quad word (64 biți)

LabView suportă reprezentarea de 64 biți a întregi1or pe toate p1atforme1e.

Pentru reprezentare date1or numerice se fo1osesc o serie de controa1e care sunt sugestive pentru ap1icația care este dezvo1tată. Proprietăți1e acestor controa1e sunt accesibi1e, o dată ce au fost p1asate în panou1 fronta1. Fereastra care apare are mai mu1te taburi dintre care ce1e mai importante sunt Dată Type, Sca1e și Disp1ay Format.

Date boo1eene

Date1e boo1eene pot avea doar una din două stări: true sau fa1se, de aceea în LabView, pentru introducerea 1or se fo1osesc o serie de controa1e boo1eene reprezentate ca butoane sau întrerupătoare.

O caracteristică importantă a controa1e1or boo1eene este aceea că se poate stabi1i comportarea mecanică a acestora, care poate fi: switch when pressed, switch when re1ease, switch unti11 re1eased, 1atch when pressed, 1atched when re1eased, 1atch unti11 re1eased.

Date de tip text

Date1e de tip text sunt fo1osite 1a transmiterea de mesaje de 1a uti1izator, e1e sunt compuse dintr-o serie de caractere a1fanumerice și pot fi reprezentate sub diferite forme:

norma1 disp1ay

„\” codes disp1ay

password disp1ay

hex disp1ay.

Norma1 Disp1ay: afișare norma1ă a caractere1or, când LabView ajustează în mod automat 1ungimea spațiu1ui pentru afișarea caractere1or;

Codes Disp1ay: interpretarea caractere1or care urmează după "\" drept caractere neafișabi1e (\n = 1inie nouă, \t = Tab, \s = spațiu s.a.m.d.);

Password Disp1ay: afișare tip "paro1a", în 1ocu1 fiecărui caracter fiind afișat un asterisc;

Hex Disp1ay: afișarea coduri1or ASCII a1e caractere1or.

E1emente1e de tip vector sau matrice sunt fo1osite pentru a reprezenta mai mu1te va1ori de date de ace1ași tip într-o manieră ordonată.

Pentru a crea un e1ement vector sau matrice trebuie să se se1ecteze e1ementu1 respectiv din panou1 cu controa1e și să se p1aseze în panou1 fronta1, după aceasta trebuie să se a1eagă fie un indicator sau un contro1 de a1t tip și să se p1aseze în interioru1 containeru1ui aferent matricei. Această operație va stabi1i tipu1 de date pe care î1 va accepta e1ementu1 respectiv precum și fe1u1 e1ementu1ui: contro1 sau indicator.

Interfețe pentru achiziții de date

Achiziții1e de date sunt fo1osite pentru a măsura un fenomen fizic ca: tensiunea, curentu1, presiunea, temperatura, sunetu1, etc. Pentru a rea1iza această măsurătoare sunt necesare o combinație de e1emente hardware și software, care deși sunt particu1arizate pentru fiecare achiziție de date în parte, totuși împărtășesc o serie de e1emente comune cum ar fi: senzori, traductoare, e1emente de condiționare a semna1u1ui, e1emente de pre1ucrare, înregistrare, memorare, etc.

Capitolul 4. Descrierea caracteristicilor componentelor utilizate la realizarea sistemului de măsurare și control

Interfața NI-USB

Un dispozitiv NI-USB oferă până la 32 de canale de intrare analogică (AI), până la două canale analogice de ieșire (AO), doua contoare, 8 linii de intrare digitală (DI) și până la 8 linii de ieșiri digitale (DO) sau 32 de linii statice bidirecționale (DIO).

Acestea au un amplificator, proiectat pentru o perioadă rapidă de reglare la viteze mari de scanare, asigurând acuratețe pe 16 biți chiar și atunci când se măsoară cu toate canalele la viteză maximă. Toate dispozitivele NI-USB au un interval de calibrare de un an. Această serie este ideală pentru aplicații de testare, control și proiectare. Pe lângă performanta suplimentară, USB-ul adaugă portabilitatea și ușurință de utilizare cu funcția de plug-and-play.

Intrare analogică

Blocurile principale prezentate în circuitul de intrare analogică sunt următoarele:

I/O Connector – Se pot conecta semnale analogice de intrare;

Mux – Fiecare dispozitiv USB-621x are un convertor analog-digital (ADC). Multiplexoarele (mux) trasează un canal AI la un moment dat către convertorul analog digital prin intermediul NI-PGIA;

AI Ground-Reference Settings – Circuitul de intrare analogică selectează modurile de intrare diferențiale (DIFF), unul de referință (RSE) și una nespecificată (NRSE). Fiecare canal AI poate utiliza un mod diferit;

NI-PGIA – este un amplificator de măsurare care minimizează timpi de setare pentru toate intervalele de intrare. NI-PGIA poate amplifica sau atenua un semnal AI pentru a asigura că utilizează rezoluția maximă a convertorului analog digital;

ADC – convertorul analog-digital (ADC) transformă tensiunea semnalului analogic AI într-un număr digital;

AI FIFO – se pot efectua atât conversii simple cât și multiple, iar în timpul achizițiilor AI se asigura că nu se pierd date;

Digital Isolators – se întâlnesc doar la modelele USB-6215/6216/6218. (Modelul utilizat în această lucrare este USB-6210 unde izolatorii digitali lipsesc).

Metode de achiziție a datelor de intrare analogică.

Atunci când se efectuează măsurători de intrare analogice, se pot efectua achiziții de software sau hardware în timp real.

Achiziții software – software-ul trimite o comandă separată hardware-ului pentru a iniția fiecare conversie ADC. Achizițiile software sunt denumite și achiziții statice și sunt de obicei utilizate pentru citirea unui singur eșantion de date.

Achiziții hardware – acest semnal poate fi generat intern pe dispozitiv sau furnizat extern.

Intrare analogică cu declanșare digitală.

Intrarea analogică suporta trei acțiuni diferite de declanșare:

pornire;

declanșator de referință;

pauză.

Un declanșator digital poate iniția toate aceste acțiuni. Toate dispozitivele USB-621x suporta declanșare digitală. Dispozitivele USB-621x nu suporta declanșare analogică.

Ieșire analogică

Bocurile principale prezentate în circuitul de ieșire analogică sunt următoarele:

DAC0 și DAC1 – Convertoare digital-analog (DAC) convertesc codul digital în tensiune analogică;

AO FIFO – permite generarea formei de unda analogică. Aceasta permite descărcarea unor puncte de pe formă de undă în USB-621x fără interacțiunea cu calculatorul gazda;

AO Sample Clock – semnalul ceasului AO citește un eșantion de la DAC FIFO și generează tensiunea de ieșire analogică.

4.3.1 Metode de generare a datelor de ieșire analogică.

Atunci când se efectuează operații de ieșire analogice, se pot genera date software sau hardware în timp real.

Generații software-temporizate – software-ul controlează rată la care sunt generate datele. Software-ul trimite o comandă separată hardware-lui pentru a iniția fiecare conversie DAC. Generațiile software temporizate sunt denumite și operații imediate sau statice. Acestea sunt folosite în mod obișnuit pentru scrierea unei singure valori, cum ar fi o tensiune continua.

Generații hardware-temporizate – Un semnal hardware digital controlează rata generației. Acest semnal poate fi generat intern pe dispozitiv sau furnizat extern.

4.3.2 Ieșire analogică cu declanșare digitală

Ieșirea analogică suporta două acțiuni diferite de declanșare.

pornire;

pauză.

Semnal de declanșare AO de pornire.

Se utilizează semnalul de declanșare AO de pornire pentru a iniția o generare a formei de undă. Dacă nu se utilizează declanșatoarele, putem începe o generare cu o comandă software.

Semnal de declanșare AO de pauză.

Utilizează semnalul de declanșare AO de pauză pentru a întrerupe generarea de semnale AO într-o secvență DAQ.

Intrare/Ieșire Digitală.

Dispozitivul USB-6210 are până la 8 linii de intrare digitală (DI), și până la 8 linii de ieșire digitală (DO). Software-ul poate activa sau dezactiva întregul port (software-ul nu poate activa linii individuale). Odată ce portul este activat, se poate configura fiecare linie astfel:

se setează o linie la o valoare statică 0;

se setează o linie la o valoare statică 1;

se exportă un semnal de ieșire sincronizat la o linie ca un pin PFI.

Pentru a utiliza linii statice DI și DO, a monitoriza sau controla semnalele digitale, fiecare semnal DI, DO și PFI este protejat împotriva supratensiunii, a subtensiunii și a condițiilor de supracurent. Pentru a evita aceste condiții de defecțiune trebuie să se respecte următoarele reguli:

nu se conectează o linie DO sau PFI la nici o sursă de semnal extern sau sursa de alimentare.

nu se depășesc limitele de curent de ieșire ale dispozitivului.

Limita totală de curent internă pentru ieșirile digitale și puterea extrasă de la bornele de +5V este de 50 mA.

Dispozitivele au semnale multiple de funcționari programabile (PFI)

Fiecare intrare PFI poate fi configurata individual astfel:

intrare digitală statică;

intrare de semnal sincronizata pentru AI, AO sau funcții de cronometru.

Fiecare ieșire PFI poate fi configurata individual astfel:

ieșire digitală statică;

ieșire de semnal sincronizata pentru AI, AO sau funcții de cronometru.

Interfața BUS

Circuitul interfeței bus al dispozitivelor USB-621x transfera eficient datele intre memoria gazda și circuitele de măsurare și achiziție.

Toate dispozitivele USB-621x incorporează tehnologia USB-STC2 pentru a implementa o Interfață USB de mare viteză.

Dispozitivele USB-621x au patru fluxuri de semnal USB complet independente pentru transferuri de înaltă performanță a blocurilor de date. Un flux de semnal USB este disponibil pentru fiecare bloc de măsurare și achiziție:

Analog input;

Analog output;

Counter 0;

Counter 1.

4.6.1 Metode de transfer a datelor

Cele două metode principale de transfer de date pe magistrala USB sunt următoarele:

Transfer de semnal USB – Metoda de a transfera date intre dispozitiv și memoria calculatorului folosind transferuri fără intervenția microcontrolerului de pe dispozitivul NI;

Programe I/O – Programele de intrare/ieșire programate sunt utilizate în mod obișnuit în operațiunile programate la timp (la cerere).

Semnalul de declanșare

Semnalul de declanșare este o acțiune cum ar fi pornirea sau oprirea achiziției de date. Toate dispozitivele USB-621x acceptă declanșarea software-ului intern, precum și declanșarea digitală externă. Dispozitivul USB-621x poate generă un declanșator pe un semnal digital. Sursa digitală poate fi orice semnal PFI de intrare.

De asemenea, dispozitivul USB-621x se poate programa să efectueze o acțiune la declanșarea unei surse digitale. Acțiunea poate afecta următoarele:

Achiziția intrărilor analogice;

Generarea ieșirilor analogice;

Comportamentul contorului.

USB-6210 conectori intrări/ieșiri.

Capitolul 5. Proiectarea sistemului de acționare electrică a mașinii unelte. Caracteristici și performanță

5.1 Proiectarea modulului de actionare a celor doua motoare de curent continuu.

Motoarele de curent continuu se actioneaza folosind un modul de tip L298N. Modulul este construit dupa modelul de actionare in punte H. In continuare se descrie principiul de functionare al puntii H si constructia respectiv modul de lucru al modulului electronic L298N.

5.1.1 Principiul e functionare al puntii H

O punte H este un aranjament de comutare a polaritatii tensiunii aplicate la un motor de curent continuu, controland astfel sensul de rotatie.

Aceasta este de obicei construita din tranzistori. Utilizand tranzistori de asemenea ne este permis sa controlam viteza motorului prin PWM.

In diagrama se pot observa 4 intrerupatoare care sunt in pozitia deschis sau “off”|. In centrul acestui circuit se afla motorul de curent continuu. Daca circuitul este privit din ansamblu se poate vedea litera H cu motorul asezat in centru sau in punte, de aici provenind si denumirea de punte H.

Daca inchidem doua dintre intrerupatoare se poate observa cum tensiunea este aplicata motorului, determinand astfel rotirea acestuia intr-o directie.

Acum daca se vor deschide aceste intrerupatoare si se vor inchide celelalte doua se poate observa cum polaritatea tensiunii aplicata motorului este inversata, astfel rezultand rotirea motorului in directia opusa.

5.1.2 Constructia modulului integrat L298N

Se pot utiliza tranzistori pentru a construi o punte H dar exista si o serie de avantaje in utilizarea unui circuit integrat.

Integratul L298N contine de fapt doua circuite complete in punte H, astfel incat este capabil sa comande doua motoare de curent continuu. Acest lucru il face ideal pentru proiectele robotizate, deoarece majoritatea robotilor au doua sau patru roti actionate de motoare. Acesta poate fi de asemenea folosit si pentru a comanda un singur motor pas cu pas.

Diagrama integratului L298N

Se pot gasi diferite modele de circuite L298N dar toate functioneaza in acelasi mod. Placa contine un L298N montat pe un radiator, un regulator de tensiune de 5v pentru a furniza optional tensiune pentru circuitele logice, diose, condensatoare si conectori, dupa cum urmeaza:

intrari logice pentru fiecare circuit in punte H;

intrari de alimentare pentu sursa de alimentare a motorului;

alimentare optionala de 5v pentru circuitele logice;

iesiri pentru fiecare motor de curent continuu.

Un circuit cu L298N este prezentat in figura 5.5

motor c.c. A+

motor c.c A-

jumper 12V – Pentru a putea folosi o tensiune mai mare de 12V, aceste jumper se scoate. Acesta activeaza regulatorul de 5V dupa placa.

Sursa de alimentare, maxim 35V. Se scoate jumperul 3 daca >12V.

Masa

Iesire 5V daca jumperul 3 nu este scos.

Permite pornirea motorului 1. Se conecteaza iesirea PWM pentru a controla viteza motorului de c.c.

Intrare 1

Intrare 2

Intrare 3

Intrare 4

Permite pornirea motorului 2. Se conecteaza iesirea PWM pentru a controla viteza motorului de c.c.

motor c.c B+

motor c.c B-

5.1.3 Functionarea modulului de actionare L298N

Pentru a alimenta cu energie electrica motorul, trebuie sa se alimenteze modulul cu o tensiune putin mai mare decat cerintele reale ale motorului. Acest lucru se datoreaza scaderii interne de tensiune a tranzistorilor care formeaza circuitul in punte H. Caderea de tensiune este de 1,4V, deci daca se utilizeaza motoare de 12V atunci tensiunea de alimentare va trebui sa fie de 13,4V.

Placa are 2 terminale de intrare si doua terminale de activare. Se vor folosi aceste terminale pentru a controla directia si viteza fiecarui motor.

IN1 – intrare 1 motor A (cw1)

IN2 – intrare 2 motor A (ccw1)

IN3 – intrare 3 motor B (cw2)

IN4 – intrare 4 motor B (ccw2)

EN1 – enable motor A (aplicare comanda PWM)

EN2 – enable motor B (aplicare comanda PWM)

In scopul de a simplifica lucrurile un pic se va discuta despre intrari si pini de activare a functiei PWM.

Cele doua linii de intrare controleaza directia in care motorul se roteste. Se va numi o directie “la drepta” si cealalta “la stanga”.

Se controleaza directia motorului prin aplicarea oricarui semnal logic 1(5V) sau logic 0(GND) la intrari. Diagrama de mai jos ilustreaza modul in care se realizeaza acest lucru.

Dupa cum se poate vedea, doar doua combinatii sunt folosite pentru a controla directia de rotatie a motoarelor.

Linia de activare este utilizata pentru a porni, pentru a opri sau pentru a controla viteza motorului.

Pentru a controla viteza motorului se aplica un semnal PWM (Pulse Witdth Modulation) pe linia de activare. Cu cat este mai mica latimea pulsului, cu atat turatia va fi mai mica.

Schema electrica

Pentru a controla unul sau doua motoare de curent continuu se conecteaza fiecare motor la conexiunile A si B de pe modulul L298N. Se va asigura ca polaritatea motoarelor este conectata correct. Se conecteaza la o sursa de alimentare pinul 5 la pozitiv si pinul 6 la negativ. Se utilizeaza sase pini de pe dispozitivul NI-USB, doi dintre ei vor fi pentru PWM, iar ceilalti patru pentru motoare.

In continuare se prezinta un model de configurare si comanda a miscarii pentru cele doua motoare intr-un program in limbajul C. Se observa ca prin comanda analogWrite se precizeaza factorul de umplere conform metodei PWM care poate lua valori intre 0 si 255.

const int IN1 = 7;

const int IN2 = 6;

const int IN3 = 5;

const int IN4 = 4;

const int ENA = 9;

const int ENB = 3;

void setup() {

pinMode (IN1, OUTPUT);

pinMode (IN2, OUTPUT);

pinMode (IN3, OUTPUT);

pinMode (IN4, OUTPUT);

pinMode (ENA, OUTPUT);

pinMode (ENB, OUTPUT);

}

void loop() {

analogWrite(ENA, 255);

analogWrite(ENB, 255);

digitalWrite(IN1, HIGH);

digitalWrite(IN2, LOW);

digitalWrite(IN3, HIGH);

digitalWrite(IN4, LOW);

}

5.2 Proiectarea structurii de principiu sistemului de masurare si control realizat.

Schema de principiu a sistemului realizat este prezentata in figura 5.7.

Sistemul de reglare este un sistem classic de reglare cu reactie negativa. Referinta (denumita si set-point) este aplicata din exterior de operatorul uman sau de sistemul de automatizare. Ea stabileste in cazul de fata valoarea corecta a turatiei bormasinii conform procedurilor si standardelor de executie a prelucrarilor pentru un anumit material. Referinta este comparata permanent cu un semnal care reprezinta valoarea reala a turatiei bormasinii(semnalul de reactie / feedback).

Diferenta dintre referinta si semnalul de feedback reprezinta eroarea care este aplicata unui algoritm implementat in cadrul unui regulator (controler). In cazul aceste aplicatii din lucrarea de licenta regulatorul nu este realizat fizic ci reprezinta un program in LabView sub forma unui instrument virtual. Dupa ce eroarea este evaluata de catre algoritmul in LabVIEW se genereaza la iesirea interfetei NI-USB o comanda catre modulul de actionare al motorului bormasinei.

Semnalul de feedback este obtinut prin sesizarea unei rotatii complete a arborelui motorului de c.c. optic (inductiv).

Valoarea curentului de alimentare al motorului este citit prin intermediul unui sensor rezistiv si aplicat la o intrare a modulului NI-USB pentru a fi masurat, evaluat si inregistrat. Scopul este stabilirea unui mod de lucru al bormasinii la parametrii optimi pentru mentinerea starii e buna functionare si a unui randament efficient pentru diferite tipuri de materiale prelucrate. In secundar se poate face o evaluare asupra celor mai potrivite tipuri de burghie utilizabile in raport cu materialele prelucrate si viteza de lucru.

5.3 Proiectarea schemei electrice a sistemului de masurare si control realizate.

Bibliografie

Alexandru Fransua, Razvan Magureanu (1986) – “Masini si actionari electrice – Elemente de executie”, Editura Tehnica, Bucuresti.

Constantin V. Bala (1967) – “Proiectarea masinilor electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

Eugen Diaconescu – Achizitii de Date si Instrumentatie ( Fundamente Hardware), Editura MATRIX ROM, Bucuresti 2006

IoanNovac, Emil Micu, Gheorghe Atanasius.a (1987) – “Masini si actionari electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

Nitu C., Matlac I., Feștilă Cl., – “Echipamente electrice și electronice de automatizare”, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1983.

Mihai ROMANCA – “Microprocesoare si microcontrolere”, Editura Universitatii Transilvania din Brasov, 2015.

Neculai Galan – “MASINI ELECTRICE”, Editura Academiei Romane.

Anexe