Historia dzwonu jako urz¹dzenia sygnalizacyjnego i ostrzegawczego

Autorzy: PRZEMYSŁAW ORŁOWSKI, MACIEJ KOZAK, studenci 5 roku
Opiekun naukowy: dr inż. PIOTR SZYMCZAK
Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, u1. Gen.W Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin
MIKROPROCESOROWY STEROWNIK NIEKONWENCJONALNEGO
NAPĘDU Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM LINIOWYM
STRESZCZENIE
W referacie przedstawiono analizę teoretyczną i wyniki badań eksperymentalnych zautomatyzowanego
napędu do dzwonów kościelnych z silnikiem indukcyjnym liniowym (SIL). Układ z SIL posiada wiele zalet w
stosunku do dostępnych klasycznych napędów, nie mniej jednak wymaga specjalnej konstrukcji zawieszenia
odpowiedniego systemu sterowania. W pracy przeanalizowano elementy zautomatyzowanego układu sterowania
i regulatora, które mogą być zrealizowane w różnych technikach: od stycznikowo-przekaźnikowej po
mikroprocesorową z różnymi wariantami algorytmów sterowania i możliwymi do zastosowania typami
czujników. Rezultaty analizy porównawczej zamieszczono w tablicach. Na podstawie przeprowadzonej analizy
teoretycznej zbudowano laboratoryjny model układu napędowego do dzwonów z SIL i wybranym wariantem
układu sterowania oraz przeprowadzono badania eksperymentalne. Porównano uzyskane rezultaty badań
zbudowanego przez autorów układu sterowania. W zakończeniu sformułowano wnioski.
1. Wprowadzenie.
Wytwarzanie fal akustycznych o bardzo dużym natężeniu jest nieuchronnie związane
z procesem zamiany energii. Dawniej stosowano przetworniki mechaniczno-akustyczne,
które zamieniały część energii kinetycznej przekazanej w wyniku zderzenia lub uderzenia, np.
w dzwonie, bębnie, fortepianie lub tarcia np. w instrumentach smyczkowych na energię
akustyczną. Obecnie, w procesie wytwarzania fal dźwiękowych bardzo często wykorzystuje
się energię pola magnetycznego, (np. w głośnikach) oraz rzadziej elektrycznego (w buzzerach
stosowane m.in. w zegarkach). Przy dużych mocach wyjściowych często stosuje się
przetworniki z dwukrotną przemianą energii (np. w układach napędowych do dzwonów). W
pierwszej fazie dokonuje się zamiany energii pola magnetycznego (lub siły mięśni ludzkich)
na energię kinetyczną, a następnie zamiany jej w wyniku zderzenia na energię akustyczną.
Zastosowanie SIL w układzie napędowym dzwonu pozwala wyeliminować dodatkowe
kosztowne ogniwo pośredniczące w postaci przekładni mechanicznej, stanowiącej źródło
dodatkowych strat energii i hałasu, wpływające w istotny sposób na sprawność układu i jego
niezawodność. Układ z SIL posiada wiele zalet w stosunku do dostępnych klasycznych
napędów, nie mniej jednak wymaga specjalnej konstrukcji zawieszenia jako wahadło fizyczne
(rys.1) oraz specjalnego systemu sterowania wykorzystującego współczesne zdobycze
elektroniki i automatyki. Celem referatu jest przedstawienie wybranych elementów analizy
niekonwencjonalnego napędu elektrycznego do dzwonów i jego systemu sterowania.
Rys.1. Konstrukcja mechaniczna stanowiska laboratoryjnego napędu do dzwonu z SIL.
Wymiary: 700×700×910 mm, masa dzwonu - mdz =9,4 kg, g=1÷10 mm, r=135÷288 mm,
h=0÷130 mm
2. Analiza teoretyczna.
2.1 Układ napędowy.
Układ mechaniczny dzwonu można estymować modelem wahadła fizycznego. Okres
takiego wahadła wyraża się wzorem:
T = 2⋅π⋅
J
m⋅ g ⋅l
(1)
Istotę i zasadę działania układu przedstawiono w pracach [3,5,6]. Charakter ruchu
dzwonu możemy opisać równaniem w następującej postaci:
d 2α
M s = F ⋅ r = Q ⋅ l ⋅ sin α + J ⋅ 2 + M str
dt
(2)
gdzie:
α - kąt wychylenia poruszającej się ramy,
Mstr - całkowity moment strat,
Q - ciężar części ruchomych dzwonu,
J - całkowity moment bezwładności,
r - ramię działania siły, mierzone od osi obrotu do ustalonego środka bieżni,
F - siła ciągu SIL, która równa jest:
F=
3 ⋅ π 2 ⋅ v s ⋅ Kr
K ( Ψ2 α Ψ1β − Ψ1α Ψ2β )
2 ⋅ τ2 ⋅ σ ⋅ X s
Inne oznaczenia przyjęto tak jak w pracy [1].
(3)
Zwróćmy uwagę, że we wzorze (3) wprowadzony jest współczynnik K
uwzględniający zmniejszenie siły ciągu F przy częściowym wyjściu części wtórnej SIL z
obszaru działania pola induktora przy zmianach kąta α, widoczne zwłaszcza przy dużych
wychyleniach dzwonu.
Model układu napędowego jest złożony, gdyż siła ciągu zależy nie tylko od poślizgu,
ale również od położenia części wtórnej. Zależności nieliniowe, związane ze zjawiskami
krańcowymi dodatkowo utrudniają analizę. Zależność Fc=f(t) wyznaczono za pomocą
symulacji z wykorzystaniem (3) i dodatkowych równań zawartych w [5] dla warunków
jednokierunkowego układu załaczania SIL, co przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Teoretyczny przebieg Fc=f(t) dla silnika liniowego typu SL-5-100, Um=196V, tp=0,4s,
Jdz=1,077 kgm2, r=288 mm, g=10 mm.
Zależność współczynnika K w funkcji wychylenia α dla trzech różnych zawieszeń „r”
przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Przebieg współczynnika K w zależności od wychylenia α.
Tor pomiarowy.
Uzyskanie wysokiej niezawodności, trwałości, odpowiedniego komfortu pracy i
niskiej ceny wymaga zastosowania organu wykonawczego SIL, właściwego sterownika i
odpowiednich czujników.
W tablicy 1 zestawiono podstawowe typy czujników, które możemy zastosować w
układzie sterowania do dzwonu.
Tablica 1
Typ czujnika Sygnał
Zalety
Wady
wyjściowy
Krańcowy
Cyfrowy
Prosta budowa i montaż, duża Regulacja wychylenia 2- lub
{0,1}
niezawodność, niezbyt duży 3-stawna.
Ustawienie
koszt.
Możliwość wartości regulowanej odbywa
bezpośredniego
sterowania się poprzez mechaniczne
stycznikiem. Często stosowany. zamocowanie czujników w
odpowiednich
miejscach.
Długi czas pierwszych prób i
uruchamiania.
Kąta
Analogowy Największa ilość informacji Wysoki koszt czujnika i
(położenia)
lub
otrzymywanych
z
czujnika, układów współpracujących.
cyfrowy
możliwość
obliczania
„na Rzadko
stosowany
w
(kodowy,
bieżąco"
w
sterowniku praktyce.
impulsowy parametrów ruchu takich jak:
)
przyspieszenie,
prędkość,
położenie,
oraz
niektórych
parametrów
układu
mechanicznego i napędowego.
Prędkości
Cyfrowy
Prosta budowa, montaż, duża Współpracuje
tylko
z
maksymalnej {0,1}
niezawodność,
niski
koszt. mikrokontrolerem.
(czasu)
Sprawdzony
praktycznie
w Konieczność
napisania
prototypie sterownika.
specjalnego programu obsługi
i sterowania.
Autorzy, ze względu na niski koszt i łatwość montażu w układzie prototypowym
zaprojektowali i wykonali czujnik prędkości maksymalnej, przetwarzający prędkość na czas
w momencie występowania minimum energii potencjalnej (maksimum energii kinetycznej).
Funkcja przetwarzania dana jest wzorem:
∆t =
J
∆α
⋅
2⋅m⋅ g ⋅l
1 − cosα max
gdzie:
∆t – czas inwersji stanu wyjścia czujnika,
∆α – stała konstrukcyjna czujnika,
J – moment bezwładności dzwonu względem osi obrotu,
m – masa dzwonu,
l – odległość środka ciężkości od osi obrotu,
(4)
αmax – maksymalna amplituda wychylenia dzwonu.
W przybliżeniu, dla małych wychyleń jest słuszna zależność:
∆t ≅
c
α max
(5)
gdzie:
c – stała konstrukcyjna układu dzwon-czujnik.
2.3 Tor regulacji.
W tablicy 2, w oparciu o rezultaty analizy teoretycznej i eksperymentalnej
przedstawiono warianty różnych, możliwych algorytmów sterowania.
Tablica 2
Typ regulatora
Zalety
Wady
Dwustawny
Proste sterowanie, niska cena. Często Długi czas rozruchu w stosunku
stosowany.
do możliwości silnika. Trudna
regulacja wartości wychylenia.
Utrudniona
instalacja
i
uruchomienie.
Klasyczny
Dobra regulacja w stanie ustalonym. Długi
czas
rozruchu,
analogowy:
Możliwość zmiany wartości zadanej i skomplikowane
sterowanie.
P,PI,PID
lub parametrów regulatora.
Utrudniona instalacja.
odpowiednik
cyfrowy
Cyfrowy
Szybkie dojście do wartości zadanej. Konieczność
wprowadzenia
specjalizowany
Dobra stabilizacja wychylenia.
parametrów
układu.
Duży
(optymalizowany
stopień komplikacji algorytmu.
strukturalnie)
Lingwistyczny
Nie ma potrzeby wprowadzania Trudna implementacja w języku
(np.Fuzzy logic), parametrów układu. Uniwersalny. niskiego poziomu. Konieczne
Adaptacyjny
Szybkie dojście do wartości ustalonej i może
być
zastosowanie
dobra stabilizacja wychylenia po mikrokontrolera o dużej mocy
zakończeniu identyfikacji.
obliczeniowej.
O zmiennej
Szybkie dojście do wartości ustalonej. Nie
dostosowuje
się
strukturze
Dobra stabilizacja wychylenia w stanie automatycznie do zmienionych
ustalonym. Możliwość realizacji na parametrów w torze sterowania.
tanim mikrokontrolerze 8-bitowym.
Uniwersalny, możliwość zastosowania
również do układów napędowych z
silnikami obrotowymi.
3. Sterownik mikroprocesorowy.
Układ sterowania wykonano w oparciu o 8 bitowy mikrokontroler 87C51. W pamięci
wewnętrznej umieszczono program realizujący algorytm regulatora o zmiennej strukturze.
Wybór ten został zdeterminowany przez istnienie silnych nieliniowości, zarówno w samym
czujniku, jak i w elemencie wykonawczym SIL. Algorytm umożliwia szybkie osiągnięcie
zadanej wartości wychylenia w fazie rozruchu, przy małym przeregulowaniu. Stabilizację w
tzw. stanie ustalonego dzwonienia realizuje programowy regulator proporcjonalny. Zasadę
działania sterownika przedstawiono poglądowo na rys. 4.
Rys. 4. Poglądowy schemat mikroprocesorowego układu sterowania.
Najważniejsze zalety zbudowanego układu mikroprocesorowego to : możliwość
załączania dzwonu o zaprogramowanych godzinach, pełne wykorzystanie mocy silnika
podczas rozruchu, regulator o zmiennej strukturze zapewniający dobrą stabilizację
wychylenia, tani i prosty czujnik, przewidziano wejścia do dołączenia 4 dzwonów,
wbudowano układ kontroli faz, zegar czasu rzeczywistego, wyświetlacz znakowy LCD wraz
z pełnym zestawem komunikatów w języku polskim, prosta obsługa, „przyjazny” interfejs
użytkownika.
Rezultaty badań eksperymantalnych dla trzech wariantów układów sterowania do
dzwonów pokazano na rysunku 5. Układ mikroprocesorowy opracowany przez autorów
załączany w dwóch kierunkach zapewnia szybkie osiągnięcie wartości ustalonej (po 3
cyklach) oraz gwarantuje takie same wartości wychylenia w obu kierunkach.
Rys. 5. Przebiegi wychylenia dzwonu α w funkcji czasu t: dla trzech wariantów układów
sterowania: 1 - µP załączany dwukierunkowo, 2 - µP załączany jednokierunkowo, 3 - µP
załączany jednokierunkowo w oparciu o układy CMOS LSI.
Pewnymi niedostatkami zaprezentowanej konstrukcji sterownika są: konieczność
napisania programu o dużym stopniu skomplikowania i wysokim poziomie trudności, brak
możliwości zaprogramowania czasów załączeń bezpośrednio przez użytkownika i wyższy
koszt elementów niż w prostrzych, dawniej stosowanch rozwiązaniach. Jednak bilans zalet i
wad zdecydowanie przemawia za wyborem wyżej omówionej koncepcji.
4. Wnioski.
Analiza teoretyczna pracy układu napędowego z mikroprocesorowym systemem
sterowania, poddanie go testom na stanowisku laboratoryjnym oraz porównanie z układami
sterowania poprzednio stosowanymi pozwoliła sformułować następujące wnioski:
1. Opracowany przez autorów układ sterowania i skonstruowany czujnik zapewnia dobrą
stabilizację wychylenia dzwonu, niezależną od czynników zewnętrznych np. wartości siły
ciągu silnika indukcyjnego liniowego i napięcia zasilającego induktor.
2. Słuchowe efekty procesu dzwonienia z zastosowaniem liniowego napędu z silnikiem
indukcyjnym liniowym w trakcie badań eksperymentalnych pokazały najlepszą „jakość
dzwonienia” w stosunku do klasycznych układów napędu elektrycznego.
Literatura
[1] Gieras J., Silniki indukcyjne liniowe. WNT, Warszawa 1990.
[2] Hejmo Wł., Kozioł R., Systemy mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego.
Warszawa 1994.
[3] Orłowski P., Deskiewicz K. - Cyfrowe układy sterowania napędami liniowymi do
dzwonów Mat. 19 Międzynarodowego Sympozjum Studentów i Młodych Pracowników Nauki
w Zielonej Górze, 28-29.IV.1997, tom 2 (Elektrotechnika i Elektronika), str.63-67
[4] Rydzewski A. Mikrokomputery jednoukładowe rodziny MCS-51. WNT Warszawa 1992.
[5] Szymczak P., Kadłubski A. Specialnoe primenienie linejnych asychronnych dvigatelej.
Proc. Inter. Conf. on Unonventional Electromechanical and Electrotechnical Systems,
Sevastopol, Ukraine, July 10-15,1995, pp. 343-350
[6] Szymczak P., Automated linear induction motor - based drive for church bells. Proc. Inter.
Conf. on Problems of Automated Electrodrivers, Theory and Applications. Alushta, The
Crimea, Ukraine, September 21-26,1998, pp. 320-321
ABSTRACT
Microprocessor-based controller for non-conventional linear drive.
In the paper selected solutions of controllers and sensors designed for linear induction motor driven
bells are presented. The design is based on microprocessor-based controller (e.g. 87C51), which, as a controlling
element, allows one to use various types of sensors. The choice of feedback element has a significant influence
on reliability and the overall cost of the system. The realised system has the following advantages:
programmable bell switching on times, full utilization of the motor power during the starting phase, cheap and
simple sensor, simple instalations, higher reliability because of use of triacs instead of relays as switching
elements, possible outputs for 4 bells, real time clock, LCD with messages in Polish (or any language required),
simple service, „user-friendly” interface. The developed algorithm and the program written ensure stabilisation
of the bell deflection independently of external conditions (e.g. voltage supply). Aural effects of the process of
ringing during experiments proved themselves to be of very high quality. Results of experimental tests are given.