UKŁAD KONDYCJONUJĄCO- PRZETWARZAJĄCY

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 47, ISSN 1896-771X
UKŁAD KONDYCJONUJĄCOPRZETWARZAJĄCY
ELEKTROMECHANICZNEGO
PRZETWORNIKA DRGAŃ
Maciej Rosół1a, Bogdan Sapiński2b, Jakub Jasiński1c
1
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Automatyzacji Procesów
a
[email protected], b [email protected], c [email protected]
2
Streszczenie
W pracy opisano zaprojektowany i wykonany układ kondycjonująco-przetwarzający napięcie wyjściowe elektromechanicznego przetwornika drgań, którego działanie opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya.
Układ ten oraz przetwornik są podzespołami budowanego w ramach realizowanego przez autorów projektu liniowego tłumika magnetoreologicznego (MR) z odzyskiem energii. Przedstawiono także wyniki badań laboratoryjnych opracowanego układu w stanie jałowym i obciążenia.
Słowa kluczowe: przetwornik elektromechaniczny, tłumik MR, układ kondycjonująco-przetwarzający, drgania
THE SIGNAL CONDITIONING AND PROCESSING SYSTEM
TO SUPPORT AN ELECTROMECHANICAL VIBRATION
CONVERTER
Summary
The paper presents the newly designed and fabricated conditioning and processing system converts the output
voltage from an electromechanical vibration converter based on the Faraday's laws of electromagnetic induction.
This system and the converter are both sub-assemblies of a linear mangnetorheological (MR) damper with the
energy recovery capability, being developed by the authors. The results of laboratory testing of the conditioning
system during the idle run and under load are summarised.
Keywords: electromechanical transducer, MR damper, conditioning and processing system, vibrations
1.
WSTĘP
Tradycyjne semiaktywne układy redukcji drgań
z tłumikami MR są układami ze sprzężeniem zwrotnym.
Energia elektryczna, potrzebna do aktywacji tłumików
MR w układach ochrony obiektów drgających, pochodzi
z zewnętrznego źródła prądu stałego o mocy rzędu
watów. W niektórych przypadkach źródłem tej energii
może być sam obiekt drgający. Aby było to możliwe, do
układu należy wprowadzić elektromechaniczny przetwornik drgań (generator), którego zadaniem jest przetwarzanie energii drgań na energię elektryczną [3, 4].
W takim generatorze, działającym na zasadzie prawa
Faradaya, prędkość obiektu drgającego jest „przetwarzana” na napięcie indukowane w jego cewce. Napięcie
to powoduje zmianę natężenia prądu w cewce sterującej
tłumika MR (odbiorniku) i w konsekwencji zmianę siły
generowanej przez tłumik. Z reguły do aktywacji tłumika MR nie jest wykorzystywane wprost napięcie indukowane przez generator, lecz napięcie przetworzone
przez odpowiedni układ kondycjonująco-przetwarzający.
Przedstawiony w pracy układ kondycjonującoprzetwarzający opracowano dla generatorów przeznaczonych do zasilania liniowych (obrotowych) tłumików MR
166
Maciej Rosół, Bogdan Sapiński, Jakub Jasiński
wytwarzających siłę (moment) rzędu kilku niutonów
(niutonometrów). Wykonanie układu poprzedzone było
budową modelu, identyfikacją oraz symulacjami komputerowymi [2]. Celem badań opracowanego układu były
pomiary i analiza rzeczywistych parametrów elektrycznych oraz porównanie ich z parametrami przyjętymi na
etapie projektowania, a także określenie granicznych
wartości napięć i natężenia prądów dla założonego
obciążenia (cewki sterującej tłumika MR).
2.
napięć akceptowalnych przez przetwornik A/C mikrokontrolera PIC18 [5]. Przetworzone przez ten blok
sygnały pomiarowe oznaczono: x1’, z’, u0’, u’, i0’, i’.
Mikrokontroler PIC18 służy do sterowania kluczem
analogowym Kz, przez który zasilana jest przetwornica
+5/±15V oraz do komunikacji z komputerem przez port
USB. Pomiar natężenia prądów i0 oraz i dokonywany
jest przez wykorzystujący efekt Halla czujnik prądu
ACS712 [9], o czułości 185 mV/A i maksymalnym
prądzie 5 A, który jest zasilany napięciem +5V DC.
BUDOWA UKŁADU
Schemat
blokowy
układu
kondycjonującoprzetwarzającego pokazano na rys. 1. Głównymi blokami
układu są: prostownik z mostkiem Graetza, przetwornica
napięcia DC/DC, blok pomiarowy oraz sterownik
z mikrokontrolerem PIC18.
Napięcie wyjściowe przetwornika u0 jest wstępnie
prostowane przez zbudowany na diodach Schottkyego [7]
mostek Graetza. Napięcie wyprostowane u jest podawane na wejście przetwornicy DC/DC. Napięcie wyjściowe
z tej przetwornicy up zasila obciążenie (cewkę sterującą)
przez klucz analogowy Ks. Klucz Ks jest sterowany za
pomocą mikrokontrolera przez wyjście cyfrowe, co
umożliwia uzyskanie zadanej wartości natężenia prądu
w cewce.
Przetwornicę DC/DC zbudowano na układzie
LM2623 [6] stosowanym w przetwornicach podwyższających napięcie. Układ LM2623 ma sprawność sięgającą
90%, akceptuje napięcia wejściowe (0.8–14) V i pozwala
uzyskać napięcia wyjściowe (1.24–14) V [1]. W opracowanym układzie kondycjonowania przyjęto napięcie
wyjściowe przetwornicy +5 V.
Blok pomiarowy zbudowano przy użyciu energooszczędnych wzmacniaczy operacyjnych LT1496 [8], zasilanych napięciem ±15 V z przetwornicy DC/DC
+5V/±15V typu IQ05 15S. Blok ten przetwarza napięciowe sygnały analogowe x1, z (z czujników przemieszczeń), napięć u0, u, natężenia prądów i0, i do wartości
Rys. 2. Obwód drukowany układu kondycjonującoprzetwarzającego
Zastosowany w układzie 8-bitowy mikrokontroler
PIC18 zasilany napięciem (2.0 −3.6) V ma kilka trybów
zarządzania energią (cechuje się poborem prądu ok. 10.2
mA w trybie aktywnym), 13 kanałowy 10/12−bitowy
przetwornik A/C, wystarczającą do sterowania przetwornicą moc obliczeniową (12 MIPS przy częstotliwości
taktowania 48 MHz) oraz możliwość komunikacji
z urządzeniami zewnętrznymi przez port USB 2.0 lub
RS232.
Opisany układ kondycjonująco-przetwarzający wykonano w postaci obwodu drukowanego (płytki PCB),
którego widok pokazano na rys. 2.
Rys. 1. Schemat blokowy układu kondycjonująco-przetwarzającego
167
UKŁAD KONDYCJONUJĄCO-PRZETWARZAJĄCY ELEKTROMECHANICZNEGO…
3.
BADANIA UKŁADU
Badania laboratoryjne przeprowadzono w celu pomiaru oraz analizy rzeczywistych parametrów elektrycznych
wykonanego
układu
kondycjonującoprzetwarzającego i porównanie ich z parametrami założonymi na etapie projektowania, a także określenia
granicznych wartości napięć i natężenia prądów dla
założonego obciążenia
Schemat stanowiska, na którym prowadzono badania
opracowanego układu, pokazano na rys. 3. W skład
stanowiska wchodzą: komputer z kartą wejść/wyjść typu
RT-DAC4/PCI, analogowy napięciowy sterownik mocy,
układ kondycjonująco-przetwarzający i tłumik MR. Na
komputerze, w środowisku MATLAB/Simulink, jest
uruchamiana aplikacja czasu rzeczywistego, odtwarzająca rzeczywisty napięciowy sygnał wyjściowy z elektromagnetycznego przetwornika drgań, zarejestrowany
podczas jego badań na maszynie wytrzymałościowej.
Wymagane przez cewkę sterującą wartości napięcia i
natężenia prądu są uzyskiwane za pośrednictwem analogowego sterownika mocy. Wyjście tego sterownika jest
podłączone do wejścia u0 układu kondycjonującoprzetwarzającego, którego napięcie wyjściowe zasila
cewkę sterującą tłumika MR.
Badania przeprowadzono w stanie jałowym oraz
w stanie obciążenia (cewką sterującą tłumika MR) przy
dwóch rodzajach sygnałów przemieszczenia (wymuszenia) z: sinusoidalnego o amplitudzie 10 mm i częstotliwości z zakresu (0.5, 6.5) Hz zmienianą z krokiem 0.5
Hz) oraz chirp o amplitudzie 10 mm i rosnącej oraz
malejącej częstotliwości z zakresu (0.1, 4.5) Hz. Wybrane wyniki badań przedstawiono na rys. 4−7. Obrazują
one przebiegi czasowe napięcia wyjściowego przetwornika u0, napięcia wejściowego i wyjściowego przetwornicy
u, up oraz natężenia prądu w cewce sterującej tłumika
i przy w/w parametrach sygnałów przemieszczenia.
Przebiegi z rys. 4 dotyczą stanu jałowego przy wymuszeniu sinusoidalnym o częstotliwości 1.5 Hz. Amplituda
napięcia u0 okresowo przekracza wartość 0.7 V (w chwilach t: 1.87, 5.5, 9.19 s). Napięcie wyprostowane u ma
mniejszą wartość, skutkiem czego jest załączenie przetwornicy DC/DC tylko w tych chwilach czasowych, dla
których u>0.8 V. Na wyjściu przetwornicy pojawia się
wówczas napięcie up wynoszące około 4.7 V, które
z czasem przyjmuje wartość równą zero.
Na rys. 5 przedstawiono przebiegi w stanie jałowym
przy wymuszeniu sinusoidalnym o częstotliwości 2.5 Hz.
Amplituda napięcia u0 w całym obserwowanym okresie
przekracza wartość 4 V. Powoduje to ustalenie się na
wejściu przetwornicy napięcia u o średniej wartości ok.
3.95 V. W efekcie, na wyjściu przetwornicy otrzymuje
się stabilne napięcie up=4.85 V.
Na rys. 6 pokazano przebiegi czasowe u0, u oraz up
uzyskane przy wymuszeniu typu chirp. Częstotliwość
sygnału chirp w przedziale czasu (0, 43.5) s narastała od
0.1 Hz do 4.5 Hz, a następnie malała do 0.1 Hz (t=88 s).
Z wykresów wynika, że praca przetwornicy zależy od
częstotliwości wymuszenia:
− od 0.1 Hz do 2.24 Hz (t=14.69 s), napięcie up=0
V,
− od 2.25 Hz do 2.5 Hz (t=28.45 s), przetwornica
pracuje niestabilnie, napięcie up zmienia się
okresowo od około 4.85 V do 0 V,
− od 2.55 Hz do 4.5 Hz, przetwornica pracuje
stabilnie, tzn. na wyjściu jest utrzymywane napięcie o założonej wartości (w tym przypadku
up=4.85 V) przy wahaniach nieprzekraczających 10%.
Należy zauważyć, że ponowne wyłączenie przetwornicy (malejąca częstotliwość wymuszenia), następuje
przy częstotliwości 2.49 Hz. Powyżej częstotliwości 3.51
Hz napięcie u przekracza założoną wartość up, co powoduje, że zakłócenia z wejścia przetwornicy przenoszą się
na jej wyjście.
Rys. 3. Schemat blokowy stanowiska
168
Maciej Rosół, Bogdan Sapiński, Jakub Jasiński
4
a)
6
a)
3
4
2
u0 [V]
u0 [V]
2
1
0
-2
-1
-4
-2
-3
0
0
2
4
6
8
-6
0
10
2
4
t [s]
b)
6
8
10
6
8
10
6
8
10
t [s]
b) 5
3.5
3
4
u [V]
u [V]
2.5
2
1.5
3
2
1
1
0.5
0
0
2
4
6
8
0
0
10
2
4
t [s]
t [s]
4
4
u [V]
p
c) 5
u [V]
p
c) 5
3
2
2
1
0
0
3
1
2
4
6
8
0
0
10
2
4
t [s]
t [s]
Rys. 4. Napięcia: a) u0, b) u, c) up: f=1.5 Hz
Rys. 5. Napięcia: a) u0, b) u, c) up: f=2.5 Hz
169
UKŁAD KONDYCJONUJĄCO-PRZETWARZAJĄCY ELEKTROMECHANICZNEGO…
10
a)
a)
7
6
5
u [V]
u0 [V]
5
0
4
3
2
-5
1
-10
0
20
40
60
0
0
80
2
4
6
t [s]
b) 7
b) 0.3
6
0.25
10
6
8
10
6
8
10
0.2
u [V]
p
u [V]
5
4
3
0.15
0.1
2
0.05
1
0
0
20
40
60
0
0
80
2
4
t [s]
t [s]
c)
c)
1.2
1
5
0.8
i [A]
4
u [V]
p
8
t [s]
3
2
0.6
0.4
0.2
1
0
0
0
20
40
60
-0.2
80
0
2
4
t [s]
t [s]
Rys. 6. Napięcia: a) u0, b) u, c) up: chirp
Rys. 7. Napięcia: a) u, b) up, oraz natężenie prądu
c) i: f=5.5 Hz
Na rys. 7 zamieszczono przebiegi czasowe u, up oraz i
w stanie obciążenia przy wymuszeniu sinusoidalnym
o częstotliwości 5.5 Hz. Z wyników widać, że napięcie u
osiąga wartość średnią wynoszącą ok. 6 V, co umożliwia
załączenie przetwornicy. Można zaobserwować, że
przetwornica nie generuje napięcia up o założonej wartości oraz, że wahania natężenia prądu i, osiągają 100%
wartości średniej wynoszącej 0.5 A. Takie zachowanie
układu wynika ze zbyt dużego obciążenie prądowego
elektromechanicznego przetwornika drgań, przy którym
nie można osiągnąć stabilnej wartości napięcia na wyjściu przetwornicy DC/DC.
4.
PODSUMOWANIE
W pracy opisano budowę oraz wyniki badań laboratoryjnych zaprojektowanego i wykonanego układu
kondycjonująco-przetwarzającego.
Działanie
układu
sprawdzono w stanie jałowym i obciążenia. W badaniach
szczególną uwagę zwrócono na napięcia wejściowe i
wyjściowe przetwornicy oraz natężenie prądu obciążenia.
Określono zakres częstotliwości i amplitudy sygnału
wyjściowego z przetwornika, przy których uzyskuje się
stabilną pracę układu. W stanie jałowym wyznaczono
użyteczny zakres częstotliwości sygnału z (z czujnika
przemieszczenia), dla którego gwarantowana jest odpowiednia wartość napięcia up. Pozwoliło to na oszacowa-
170
Maciej Rosół, Bogdan Sapiński, Jakub Jasiński
nie zakresu natężenia prądu obciążenia, w którym układ
pracuje stabilnie.
Wyniki badań wskazały na potrzebę modyfikacji
układu polegającej na podwyższeniu napięcia up, wyeliminowaniu przetwornicy DC/DC oraz jego miniaturyzacji z uwagi na planowaną integrację układu z przetwornikiem i tłumikiem MR (budowę tłumika MR z odzyskiem energii).
Praca finansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu NR 03-0046-10.
Literatura
1.
Pressman A.I., Billings K., Morey T.: Switching power supply design. The McGraw Hill Companies, 2009. Third
Edition.
2.
Rosół M., Sapiński B.: Identyfikacja sterowanego układu kondycjonowania sygnału generatora elektromagnetycznego. „Modelowanie Inżynierskie” 2012, nr 43, t. 10, s. 239–246.
3.
Sapiński B.: Vibration power generator for a linear MR damper. “ Smart Materials and Structures” 2010, 19,
p. 1050−1062.
4.
Sapiński B.: Experimental study of self-powered and sensing MR damper-based vibration control system. “Smart
Materials and Structures” 2010, 19, p. 1050−1062.
5.
6.
Microchip Technology Inc., PIC18F47J53 Family Data Sheet, 2010.
National Semiconductors, LM2623. General Purpose Gated Oscillator Based, DC/DC Boost Converter, December 2005.
7.
NXP Semiconductors, PMEG3050EP. 5 A low VF MEGA Schottky barrier rectifier, December 2009.
8.
Linear Technology, LT1494/LT1495/LT1496 Single, Dual and Quad Over-The-Top Precision Rail-to-Rail Input
and Output Op Amps, USA, 1997.
9.
http://www.allegromicro.com, Allegro MicroSystems LLC, ACS712 Hall-Effect Current Sensor IC, Technical
Information.
171