Обычно для контроля положения привода в пространстве используются датчики угла поворота (энкодеры) и концевые ограничители (выключатели). В библиотеке EWB таких компонент нет. Поэтому задачу будем решать на тех элементах, которые есть.
В модели двигателя имеется аналоговый выход, к которому подключается вольтметр, отображающий информацию о скорости вращения двигателя w(t)=об/мин. Для контроля положения привода в пространстве интерес представляет информация о числе оборотов N(t) оборотов, выполненных двигателем за время t, которое можно найти по известной формуле
С – начальные условия при интегрировании. Полагаем С=0.
Используя библиотечный функциональный элемент Voltage Integrator из корзины Control, можно реализовать аналоговый датчик положения (числа оборотов). Вариант схемы контроля положения привода показан на рис П5.9. Компараторы VR1 и VR2 выполняют функцию допускового контроля. Пока результат интегрирования Position (число оборотов N, представляемое в виде аналогового напряжения) находится в пределах допуска, задаваемого опорными напряжениями источников напряжения V2 и V3, на выходе компараторов удерживается логическая 1. При выходе напряжения N за контролируемые пределы ±5В, на выходе соответствующего компаратора устанавливается 0.
Рис П5.9. Схема интегратора скорости вращения с концевыми компараторами
Таким образом, компараторы формируют сигналы концевых выключателей End Switch/L и End Switch/L, которые в дальнейшем можно использовать вместо имитирующих ключей S4, S5.
Время интегрирования следует выбрать достаточно большим (единицы, десятки секунд), чтобы закончились переходные процессы при разгоне и торможении двигателя. Так как напряжение, соответствующее скорости вращения двигателя большое число (свыше 1000 В), результат N был бы огромным числом. Чтобы избежать этого, следует в опциях на интегратор Voltage Integrator Property установить коэффициент преобразования Gain=0.001V/V.
Проверка функционирования схемы выполняется в режиме ручного моделирования. Важно правильно подключить входы компараторов так, чтобы при N<5В выходы компаратора имели высокий уровень (горят индикаторы End Switch/R и End Switch/L). В результате эксперимента присваиваем название компараторам; если компаратор срабатывает, когда напряжение N выходит за границу +5В – будем считать End Switch/R, если компаратор срабатывает при -5В, то будем считать End Switch/L.
После наладки схемы подключим выходы компараторов к соответствующим входам драйвера (рис П5.10).
Рис П5.10. Схема контроля положения
Рис П
Правильность работы схемы проверяем в режиме ручного моделирования. При вращении двигателя в одну сторону напряжение N на вольтметре M2 растет. Но когда N достигнет величины большей ±5 В, срабатывает соответствующий компаратор и напряжение на вольтметре M2 перестает меняться, а вольтметр M1 должен показывать, что двигатель остановился (напряжение стремится к 0). Переключив направление вращения ключом S2, двигатель начнет вращаться в другую сторону, но должен остановиться, когда N выйдет за пределы.
Для исследования схемы в динамическом режиме ключи Start/Stop (S1) и Left/Right (S2) заменим ключами с временной задержкой (рис П5.8). Временную задержку выбираем из соображения максимальной информативности полученных зависимостей. Для ключа S1 задаем время Start Off=0.1 с, Start On=20 с, для ключа S2 задаем время Start Off=5 с, Start On=15 с. В каждом конкретном случае следует уточнить параметры этих ключей.
Рис П5.11. Схема исследования временных характеристик
Цель моделирования – получить временную зависимость напряжений в характерных точках схемы; показания вольтметров М1 и М2 – зависимость скорости вращения и числа оборотов от времени. Также интерес представляет состояние концевых компараторов во времени. По умолчанию графики моделирования получаются, как показаны на рис П5.12а.
а)
Рис П5.12. Временные диаграммы схемы контроля положения в пространстве: 1- график скорости вращения (вольтметр М1, ось Y - справа); 2- график перемещения привода (вольтметр М2, ось Y- слева); 3- сигнал компаратора L; 4- сигнал компаратора R.
В графическом окне в одном и том же масштабе отображаются напряжения, значительно отличающиеся по величине – логические сигналы с уровнем единицы вольт и напряжение M1 – тысячи вольт. В результате мы можем различить лишь график скорости вращения, а остальные просто не различимы. Графический редактор EWB имеет возможность задавать каждому графику свои масштабные оси – слева, справа, сверху, снизу.
Выведем масштабную Y ось графика М1 справа, а остальных графиков слева. Для этого входим в меню Analysis Graphs/Properties/Traces. В окне Trace выбираем нужный график по метке Label. В окне Y Range делаем отметку Right Axis (П5.10а). Переходим в подменю Right Axis (П5.10б), ставим отметку Axis/Enabled и задаем параметры оси –Range, Divisions.
Рис П.5.13. Меню Graph Properties при установке правой масштабной оси.
Перейдя в подменю Left Axis, уточним параметры масштабной оси для остальных графиков.
Проанализируем информацию на графиках П5.12. Скорость вращения двигателя отображается графиком 1, а число оборотов N с момента прихода команды пуск – графиком 2.
Команда пуск приходит в момент времени t1=0.1 с, двигатель набирает обороты в минусовую сторону и в момент t2=0.3 с достигает максимальной величины, выходит в установившийся режим. Счетчик числа оборотов N фиксирует линейно нарастающий участок до момента t3=3.5 с, когда N достигает порога фиксации, срабатывает компаратор End Switch R (график 3). Обмотка двигателя обесточивается, ротор вращается по инерции и обороты уменьшаются. N (кривая2) за счет инерции ротора продолжает расти, но по нелинейному закону и достигает величины +7 В, что превышает установленный порог компаратора +5 В. Но в момент t4=5 с ключ S2 переключается и меняет направление вращение. На обмотку ротора подается ток, двигатель быстро увеличивает скорость вращения в положительном направлении и в момент t5=5.3 с достигает максимального значения. С момента t4=5 с число оборотов N линейно нарастает до момента t6=12.5 с, пока число оборотов N не достигнет уровня срабатывания компаратора End Switch L (график 4). В этот момент обмотка двигателя обесточивается, ротор вращается за счет инерции, скорость вращения двигателя падает по экспоненциальному закону. Линейность графика 2 на этом участке нарушается. За счет инерции N достигает величины 7 В, что превышает установленный порог концевого выключателя 5 В.
В момент t7=15 с срабатывает ключ S2 и меняет направление вращения. В обмотке ротора появляется ток и двигатель быстро до момента t8=15.3 с набирает обороты опять в минусовую сторону и выходит в стационарный режим. Когда N становится меньше установленного порога, уровень компаратора End Switch L (график 4) опять становиться высоким. График 2 при установившемся режиме вращения опять изменяется по линейному закону.
В момент t9=20 с ключ S1 выключает двигатель. Скорость вращения за счет инерции падает по экспоненциальному закону до нуля, N нелинейно изменяется и фиксируется в промежуточном состоянии.
Вывод: Разработана и исследована схема контроля положения привода. Сигналы компараторов блокируют вращение двигателя при превышении числа оборотов N. Сигнал Position является аналоговым и изменяется в пределах ±7 В.
а)
