Двигатели постоянного тока используются в задачах, где необходимо плавное регулирование скорости вращения в широком диапазоне. При этом двигатели способны обеспечивать постоянный момент на всех скоростях и не требуют сложных систем управления. Однако, несмотря на относительную простоту внутреннего устройства, двигатели постоянного тока подвержены износу и требуют частой диагностики и профилактического обслуживания коллекторно-щеточных узлов. Решающее значение для долгой и стабильной работы двигателя имеет своевременная диагностика износа.

Представленная система является универсальным средством диагностики двигателей постоянного тока. На время проведения диагностики система может быть подключена к двигателю вместо штатного контроллера.

Аппаратное обеспечение

Система основана на платформе Nl CompactRIO: контроллере реального времени cRIO-9004 и шасси cRIO-9104. Используются следующие модули ввода-вывода:

• силовой модуль цифрового вывода cRIO-9472 или cRIO-9474

• модуль аналогового ввода для виброакустического анализа cRIO-9233

• модуль аналогового ввода cRIO-9201 или cRIO-9221

• модуль аналогового ввода с термопар cRIO-9211

Для управления двигателем используется принцип ШИМ. Модулированный сигнал (амплитуда - 6—30 В, частота до 100 кГц (cRIO-9472) или 1 МГц (cRIO-9474)) генерируется при помощи силового модуля цифрового вывода и подается на двигатель через схему сопряжения. Ток ротора косвенно измеряется при помощи модуля аналогового ввода. Остальные каналы данного модуля могут быть использованы для измерения других величин, например показаний встроенного тахометра или напряжения источника питания для ШИМ. По спектру сигнала с вибродатчика, подключенного к модулю cRIO-9233, может быть с большой точностью определена скорость вращения двигателя, а также выявлены связанные с износом дефекты. При помощи модуля ввода с термопар температура двигателя может измеряться в четырех точках.

Диагностика

В режиме диагностики контроллер cRIO-9004 подключается к ПК, на котором реализован интерфейс пользователя, по сети Ethernet.

В режиме диагностики доступны следующие возможности:

• измерение регулировочных и механических характеристик в установившихся режимах

• измерение характеристик при пуске и торможении

• калибровка тахометра по показаниям вибродатчика

• определение параметров двигателя на основе текущих измерений и частично известной модели

Управление с прогнозирующей моделью на примере двигателя постоянного тока

Управление с прогнозирующими моделями (Model Predictive Control, MPC) — один из современных методов теории управления. Прогнозирующий контроллер полагается на математическую модель процесса, чтобы предсказать его дальнейшее поведение, основываясь на предыдущих значениях параметров процесса. Обратная связь позволяет корректировать ошибки, связанные с внешними помехами и неточностью модели.

В представленном описывается подход к реализации прогнозирующих контроллеров на базе программного и аппаратного обеспечения National Instruments. В качестве реального объекта управления выбран двигатель постоянного тока.

Двигатель постоянного тока можно с хорошей точностью считать линейной системой. В качестве параметра процесса, как правило, выбирается скорость вращения вала. При этом входное напряжение является управляющим воздействием. Тогда система может быть описана при помощи дифференциального уравнения второго порядка относительно параметра процесса. Для создания полной модели реального двигателя остается определить неизвестные коэффициенты в этом уравнении.

Используемый испытательный стенд с реальным двигателем описан в докладе «Система диагностики двигателей постоянного тока». Для моделирования применялись средства программного пакета Nl System Identification Toolkit. Модель двигателя задавалась в форме передаточной функции, эквивалентной дифференциальному уравнению второго порядка.

Принцип определения неизвестных коэффициентов модели состоит в следующем: управляющее воздействие меняется по заранее определенному закону, при этом измеряется отклик параметра процесса на это воздействие. Этих данных достаточно для определения неизвестных коэффициентов модели. В пакете System Identification Toolkit для этого используется алгоритм экстраполяции нулевого порядка (в случае модели в форме передаточной функции).

Полученная полная модель двигателя постоянного тока далее использовалась для создания прогнозирующей системы управления. Готовая реализация прогнозирующего алгоритма присутствует в пакете Nl Control Design Toolkit. Кроме собственно модели системы, алгоритму необходимо указать ряд дополнительный параметров:

• временные горизонты предсказания и управления

• весовые функции, определяющие точность и скорость реакции контроллера

• допустимые диапазоны значений

Физически система управления реализована на платформе Nl CompactRIO. Прогнозирующий алгоритм выполняется на контроллере реального времени.

Полученная система сочетает в себе гибкость платформы CompactRIO и широчайшие возможности программного обеспечения National Instruments, ориентированного на промышленные задачи автоматического управления.