LTY / Säkötekniikan osasto Säätö- ja digitaaitekniikan aboratorio BL40A0600 Säätötekniikan ja signaainkäsitteyn työkurssi S05 Lineaarinen aasinaservokäyttö (09 op) Työoje
OHDANTO Työssä käsiteään etusivun kuvan ukaista ineaarista aasinaservokäyttöä. Servokäytöe itoitetaan tiasäätö jonka toiintaa testataan siuoiden ja ittausten avua. LAITTEISTO Haasinaservokäyttö koostuu kuvan ukaisesti inajoteesta jota vedetään arjattoaa DC servooottoria. Servooottoria ojataan taajuusuuttajaa joe voidaan antaa suoraan vääntöoenttioje tietokoneeta jossa säätöagoriti ajetaan. uva. Haasinaservokäytön aboratorioaitteen rakenne Hinajoteessa on iikkuva kekka jonka paikkaa säädetään. Lisäksi kekkaan on iitetty eiuri joka pääsee eiateeaan kekan iikkeen aikana. Laitteistossa on koe anturia yksi ittaaaan oottorin aksein kiertyäkuaa ϕ toinen ittaaaan eiurin eiaduskuaa ja koas ittaaaan kekan ineaarista paikkaa. Laitteistoa ojaavassa tietokoneessa on säädön toteutusta varten Matab/Siuink sekä reaaiaikaiseen siuointiin ja säätöön tarkoitettu dspace aajennus.
3 MATEMAATTINEN MALLI oska systeeissä käytetään aasinaa joka pääsee venyään ei ineaarista iikettä voida aintaa käyttäen jäykän kappaeen dynaiikkaa vaan systeei on ainnettava kuvan ukaisena jousi-assa-järjesteänä koostuen koesta assasta (kekan oottorin ja inapyörän) ja koesta jousesta (assoja ydistävä aasina). Lisäksi eiuri voidaan aintaa angan päässä eiateevana pisteäisenä assana jooin sen käsittey yksinkertaistuu. uva. Heiuriista aasinaservokäyttöä kuvaava jousi-assa-ai Systeei voidaan aintaa käyttäen seuraavia ekaanisia dierentiaaiytäöitä. ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) 0 sin cos ) ( ) ( sin cos ) ( ) ( c 3 3 G b g M () Lausekkeissa esiintyvät kitkat voidaan aintaa nopeuteen verrannoisena vaiennuksena.. d b b () uten ytäöryästä () voidaan avaita systeeiai on vavasti epäineaarinen jotuen esierkiksi eiuria kuvaavista trigonoetrisista unktioista sekä kekan paikan unktiona uuttuvista jousivakioista () ja (). Lausekkeissa esiintyvät paraetrit ja niiden arvot esiteään tarkein iitteessä A.
3 uvassa 3 on esitetty aboratorioaitteen tarkat diensiot sekä säädössä käytettävä paikan noapiste. 305 05 0 05 064 04 () Mc 0 () 345 Stoppari uva 3. Laboratorioaitteen tarkka kuvaus diensioineen sekä paikan noapisteen sijainti. uten kuvasta avaitaan kekan iikeaue on [ 05 ; 05] etäisyydet ja saavat kuvassa esitetyt arvot. 3 [] ja kekan noapisteessä Asetetaan isäksi eiurin eiaduskuan noapiste paikkaan jossa eiuri asettuu epääään kekasta kotisuoraan aaspäin (kts. kuva ) ja inearisoidaan ytäöryä () systeein noapisteeseen. Tään isäksi jätetään ottaatta uoioon vapaan pään inapyörän dynaiikka koska inapyörän itausoentti on sevästi oottorin itausoenttia pienepi ( << ). Täöin öydetään systeeiä kuvaava yksinkertaistettu ja ineaarinen ai. ( M ) c ϕ EV g ϕ b EV EV ϕ 0 EV (3) jossa EV on noapisteeseen inearisoidun ja yksinkertaistetun systeein ekvivaenttinen jousivakio.
4 4 IALLISUUSTYÖ 4. ousivakioiden ääritys Määritä inakäytön kekan paikan unktiona uuttuvie jousivakioie () ja () ytäöt kun inan vaistaja ioittaa inan suteeiseksi venyäksi ε 067 [%] vaakasuoraa kuoritusvoiaa F a 960 [N]. äytä askennassa apuna Hooken akia sekä suteeisee venyäe yeisesti tunnettua ytäöä δ ε (4) 0 jossa δ on kappaeen (inan) venytetty osuus ja o on kappaeen akupituus. Määritä yös noapisteeseen inearisoidun systeein vakiona pysyvät jousivakiot ( ja 3 ) sekä joda auseke yksinkertaistetussa aissa (3) esiintyväe ekvivaenttisee jousivakioe EV kun yksinkertaistettu systeei ieetään kuvan 4 ukaisena jousi-assa-aina koostuen kadesta sarjaan kytketystä jousesta ja 3 jotka ovat kytketty rinnan jousen kanssa. TE ϕ M 3 MC uva 4. Yksinkertaistetun systeein jousi-assa-ai. 0 4. Servokäyttöjen kitkaainnus Tässä työssä järjesteässä esiintyvät kitkat (ineaarinen ja pyöriiskitka) esitetään yksinkertaisena nopeuteen verrannoisena vaiennuksena ytäöiden () ukaisesti. Todeisuudessa kitkan ainnus on kuitenkin uoattavasti vaativapi tetävä ja usein tarkan paikoitussäädön toteuttaiseksi kitkan aintainen ja kopensoiinen säädössä näytteee tärkeää rooia. Esittee ytäöin ja kuvin servojärjesteissä kitkan aintaiseen usein käytetyt nejä kitkaaia jotka ovat Couobinen kitka Couobinen ja viskoosikitka Staattinen Couobinen ja viskoosikitka sekä Stribeckin eekti. 4.3 Siuointiain aatiinen Muodosta Matabin Siuink-ojeaa aasinaservokäyttöä kuvaava siuointiai käyttäen epäineaarista ytäöryää () kitkaaeja () ja kappaeessa 4. uodostaisiasi jousivakioiden ytäöitä () ja () sekä vakiona pysyvää jousivakiota 3.
5 Siuointiaissa järjesteän tuosignaaina pidetään servooottorin vääntöoenttia ja ätösignaaeina ittausantureia itattavia servooottorin kiertyäkuaa ϕ kekan paikkaa ja eiurin eiaduskuaa. Testaa järjesteää uutaaa järkevän suuruisea askeaisea vääntöoenttipussia kuitenkin siten että vääntöoentin suuruus ei oe yi 3 [N] ja pussin kestoaika ei oe yi 0 [s]. Vaitse siuointiparaetrit seuraavasti: Type: Fied-step ode4 (unge-utta) Fied step size: 0.5e-3 Mode: Singe tasking. 4.4 Tiasäädön suunnitteu Suunnittee aasinaservokäytöe tiasäätö joa saadaan inioitua kekan iikkeestä aieutuvat eiurin eiadukset (nk. anti-swing-säätö ). Tiasäätö suunniteaan käyttäää ineaarista ja yksinkertaistettua systeeiaia (3). Säädötä edeytetään seuraavia asioita. Säätienä käytetään tiatakaisinkytkentää oska todeisuudessa järjesteää ei voida oettaa ideaaiseksi täytyy kekan paikae itoittaa integroiva säätö pysyväntianvireen noaaiseksi. Tiatakaisinkytkennässä tarvittavat tiatiedot estioidaan täyden kertauvun tiatarkkaiijaa. Tiatarkkaiijassa ei käytetä kekan paikanittausanturin tietoa todeisen signaain suurekon koinatason vuoksi. Tiatarkkaiijan systeeiaina käytetään yksinkertaistettua ja ineaarista aia (3). Heiurin eiaduskuan suurin saittu arvo askeaisea paikan ojearvoa on 03 [rad] ja kekan paikan asettuisaika (5 %) on eniiään 3 [s]. Tiatakaisinkytkennän kerroinvektori voidaan äärittää joko asetteeaa sujetun systeein navat itse tai käyttäää Suboptiaaista (vakiokertoiista) optiisäätöä. Perustee kuitenkin vaintasi sekä esittee yyesti käyttäääsi viritystapaan iittyvä teoreettinen tausta. Saa pätee yös tiatarkkaiijan virittäiseen ei tarkkaiijan takaisinkytkennän kertoiet saa äärittää joko asetteeaa itse tarkkaiijan navat auttuiin paikkoiin tai käyttäää vakiokertoiista aan-suodatinta. Perustee jäeen vaintasi sekä esittee yyesti teoreettiset taustat jotka iittyvät käyttäääsi eneteään. Testaa säädetyn systeein toiintaa siuoinneissa koea erityyppiseä kekan paikan asetusarvoa (esi. askeainen siniaato kanttiaato) ja varista että säädetty systeei toteuttaa edeä asetetut edeytykset.
6 5 MITTAUSET 5. dspace-aitteistoon tutustuinen ja tarvittavat akutoiet Tutustutaan auksi dspace-aitteistoon ja uodostetaan opiskeijan aatiasta siuointiaista dspace-ypäristöön sovetuva ai. Tää tarkoittaa käytännössä sitä että tiasäädön tuottaa vääntöoenttireerenssi syötetään dspace:n anaog-output porttiin aasinaservokäytöe uodostetun ain sijasta. Säädön tarvitseat takaisinkytkentäsignaait saadaan sen sijaan dspace:n input-porteista. dspace:n Contro Desk ojeae uodostetaan kontroi-ikkuna joiden avua saadaan vaittua säädöe paikan asetusarvot sekä onitoroitua käytötä itattuja signaaeja. 5. Avoien piirin testit Testataan säätäätöntä järjesteää saoia vääntöoentin askeaisia pusseia joita käytettiin siuointiain testaaiseen kappaeessa 4.3. 5.3 Säädetyn järjesteän testaainen Tässä testissä testataan säädetyn järjesteän toiintaa saoia paikan asetusarvoia joita käytettiin yös siuoinneissa kappaeessa 4.4. Varista että säädetty järjesteä täyttää kappaeessa 4.4 esitetyt vaatiukset. 6 LOPPUAPOTTI 6. Säätäättöän systeein anaysointi Anaysoi siuoidun (kappae 4.3) ja todeisen (kappae 5.) systeein avoien piirin käyttäytyistä. uinka yvin siuointituokset vaikuttaisivat vastaavan ittauksia. iinnitä erityistä uoiota kunkin itatun signaain derivaattaan ei nopeuteen. Mistä adoiset erot voivat jotua ja kuinka niitä voisi pienentää? 6. Säädetyn systeein anaysointi Anaysoi siuoidun (kappae 4.4) ja todeisen (kappae 5.3) systeein käyttäytyistä säädettynä. uinka yvin siuointituokset vaikuttaisivat vastaavan ittauksia. Mistä adoiset erot voivat jotua ja kuinka niitä voisi pienentää? 6.3 Estiaattorin toiinta Anaysoi estiaattorin toiintaa sekä siuoinneissa että ittauksissa vertaaaa estioituja ja todeisia signaaeita. Piirrä paikan oottorin aksein kiertyäkuan ja eiurin eiaduskuan estiointivireet ja katso kuinka ne käyttäytyvät siuoinneissa ja todeisissa ittauksissa. Toiiiko estiaattori autua tavaa vai oisiko estioinnissa parantaisen varaa?
7 LIITE A TYÖSSÄ ÄYTETTÄVÄT SUUEET LUUAVOINEEN Paraetri Suure Arvo Hinapyörän itausassa 35 * 0-5 [kg ] oottorin itausassa 000 [kg ] g Moottorikytkien itausassa 856 * 0-5 [kg ] M c ekan ja kua-anturin assa 665 [kg] Heiurin varren ja punnuksen assa 059 [kg] Heiurin varren pituus 043 [] Yäpuoen ensiäisen inaosan pituus 305 [] Yäpuoen toisen inaosan pituus 064 [] 3 Aapuoen inaosan pituus 45 [] F a Suurin saittu inaa kuorittava voia 970 [N] ε Hinan suteeinen venyä aksiivoiaa 07 [%] Hinapyörän säde 00 [] b Heiurin pyöriiskitkakerroin 005 b b Hinapyörän pyöriiskitkakerroin 00095 d ekan iikekitkakerroin 00 IALLISUUTTA [] BL40A00 Digita Contro Design Deoecture & uentokavot ttp://www.ee.ut.i/en/earn/courses/sa73300/aterias.t