* Mgrinż.PiotrHabel,drhab.inż.JacekSnamina,KatedraAutomatyzacjiProcesów,WydziałInży-nieriiMechanicznejiRobotyki,AkademiaGórniczo-HutniczawKrakowie.

PIOTRHABEL,JACEKSNAMINA*

REGULATORPRĄDUSPRĘŻYNYMAGNETYCZNEJ

CURRENTREGULATOROFMAGNETICSPRING

S t r e s z c z e n i e

Artykuł dotyczy zastosowania regulatora prądu do sterowania siłą sprężynymagnetycznej.PrzedstawionokoncepcjęwykorzystaniageneratoraPWMdosterowanianatężeniemwobwo-dzieelektrycznymsprężynymagnetycznej.WykorzystanozasilaczstałoprądowyMeanWellSP-320-24.NatężenieprąduzmierzonoprzetwornikiemprądowymLEMLTS15-NP.Wyzna-czono stałą czasową obwodu elektrycznego sprężynymagnetycznej i jejwynik porównano zrezultatemobliczeńanalitycznych.Wwynikuprzeprowadzonychbadańsporządzonocharak-terystykinatężeniaprądupłynącegowcewkachwfunkcjinapięciawejściowegoregulatoradlazakresuczęstotliwościod0,1Hzdo20Hz.

Słowa kluczowe: sprężyna magnetyczna, sterowanie, regulator prądu

A b s t r a c t

Thearticlepresentsthespecialcurrentregulatordesignedtosupplythemagneticspring.Itwasdescribedthemethodofcurrentcontrolbyusingtheregulator.InthesupplyingsystemtheDCpowersupplyadaptorMeanWellSP-320-24wasemployed.ThemeasurementofthecurrentwasrealizedusingthecurrenttransducerLEMLTS15-NP.Thetime-constantofthemagneticspringcircuit,determinedfromexperiments,wascomparedtotheresultofcalculations.Thefinaleffectofexperimentswasthecurrent-voltagecharacteristicdoneforthecurrentregulatorforfrequencyrange0,1–20Hz.

Keywords: magnetic spring, control, current regulator

94

1. Wstęp

Artykułdotyczyistotnegozpraktycznegopunktuwidzeniazagadnieniatłumieniadrgańmechanicznychprzywykorzystaniuinnowacyjnychukładów.Takimukłademjeststerowanasprężynamagnetycznaprzestawionanarys.1.Sprężynamagnetycznajestukładem,wktó-rymsztywnośćjestefektemoddziaływaniaspecjalniekształtowanegopolamagnetycznego.Sprężynęzaprojektowanowceluwykorzystania jejwukładach redukcji drgań.Do reali-zacji założonych algorytmów wibroizolacji w rzeczywistych układach należy zbudowaćodpowiedniregulatorprąduzasilającegocewkisprężynymagnetycznej.Gotowesterowal-nezasilaczestałoprądoweumożliwiajązmianynatężeniaprąduwmałymzakresie,częstozwyłączeniemzmianykierunkupolaryzacji.ZaistniałasytuacjaspowodowałakoniecznośćzmodyfikowaniaistniejącegorozwiązaniaregulatoraPWMdlapotrzebobwoduelektryczne-gosprężynymagnetycznej.

Rys.1.Sprężynamagnetyczna

Fig.1.Magneticspring

2. Charakterystyka regulatora prądu

Przedstawionenarys.2.urządzeniejestregulatoremprąduwzakresie0–5Azmożliwo-ściązmianypolaryzacji.Opisanyregulatorprądujestzmodyfikowanymregulatoremszerzejopisanymw[3].Parametrytechniczneregulatoraprzedstawionowtabeli1.PracąurządzeniasterujemikrokontrolerATiny45.Stabilizator78L05wraz zkondensatorami100nFMKTi100µF/25Vdostarczanapięcie5VdlamikrokontroleraATiny45,któryjeststerownikiemPWM.TranzystoryBC547wrazzrezystorami4,7kΩdopasowująpoziomynapięćdlabra-mekukładuHEF4069UBbędącegosterownikiemtranzystorówwyjściowych.WewnętrznytimermikrokontrolerapełnifunkcjęgeneratoraPWM,wktórymwypełnienieimpulsujestproporcjonalnedonapięcianawejściuprzetwornikaanalogowo-cyfrowegowbudowanegowmikrokontroler.CzęstotliwośćpracygeneratoraPWMwynosi500Hz.Pracęregulatora

95

sygnalizujeżółtadiodaLED.Parametremregulującymnatężenieprądujestnapięcie(wza-kresieod0do5V),którejestzadawanezapomocąkartykontrolno-pomiarowej.Możemyzatem uzyskać efektmodulacji PWMzadany przebiegiem zmiennym.Układ pracuje po-prawniedlanapięciado24V.WstawionoukładzabezpieczającywpostacidiodyZenera20V,którachroniukładHEF4069UBprzedwzrostemnapięciaponad20V.Wwynikupra-cyimpulsowej,natranzystorachwyjściowychIRF3205orazIRF4905wydzielasięciepło.Wceluzwiększeniachłodzeniawstawionowentylator12VzukłademzasilaniaKA7812.TranzystoryIRF320iIRF4905orazukładKA7812umieszczononaradiatorzechłodzonymdodatkowowentylatorem.

Rys.2.Regulatorprądusprężynymagnetycznej

Fig.2.CurrentregulatorofmagneticspringT a b e l a 1

Parametry techniczne regulatora prądu

Parametr WartośćNapięciezasilaniaU 24VNapięciewejścioweUr 0–5V

Maksymalnyprądwyjściowyi ±5ACzęstotliwośćpracyregulatoraPWM 500Hz

WcelupomiarunatężeniaprąduwykorzystanoprzetwornikprądowyLEMLTS15-NPprzedstawionynarys.3.,natomiastparametryprzetwornikazawartowtabeli2.

96Ta b e l a 2

Parametry techniczne przetwornika prądu

Parametr WartośćNapięciezasilania 5VNapięciewyjściowe 0–5V

Maksymalnyprądwejściowy ±5ARezystancjaprzetwornika 0,18mΩIndukcyjnośćprzetwornika 0,013µH

Czułość 41,6mV/A

Rys.3.Przetwornikprądu

Fig.3.Currenttransducer

3. Zastosowanie

Regulatorprądusprężynymagnetycznejzostałprzetestowanynastanowiskulaboratoryj-nym.Pomiaryzostaływykonanewukładzieotwartymregulatora.Wynikizaprezentowanowpostaciwykresównapięciaoraznatężeniaprądu.Stanowiskolaboratoryjneskładasięze:sprężynymagnetycznej,regulatoraprąduzzasilaczemstałoprądowymMeanWellSP-320-24,przetwornikaprąduLEMLTS15-NPorazukładukontrolno-pomiarowego(komputerPCzkartąwejść/wyjśćNationalInstrumentUSB-6341orazśrodowiskiemLabVIEW).Schematstanowiskaprzedstawiononarys.4.

97

Rys.4.Schematblokowysprężynymagnetycznejzregulatoremprądu

Fig.4.Blockdiagramofmagneticspringwithcurrentregulator

NapięcieUjestzadaneprzezkartękontrolno-pomiarową.Natężenieprąduijestwielkościązmienianąnasygnałnapięciowywzakresieod0do5Vipróbkowanązczęstotliwością20kHz.Przykładowyprzebiegczasowynapięciainatężeniaprąduzostałprzedstawionynarys.5.

Rys.5.PrzebiegczasowynapięciaUoraznatężeniaprądui

Fig.5.TimehistoriesofvoltageUandcurrenti

Otrzymanysygnałnatężeniaprąduijestodpowiedziąnazadanyprostokątnysygnałna-pięciowyUoczęstotliwości2Hzorazamplitudzie2Vdlaprzesunięciawynoszącego2,5V.

Prądwobwodziezindukcyjnościąniemożesięnaglezmieniać.Szybkośćnarastaniaprą-duijestzwiązanazestałączasowąτobwodu.Obwódelektrycznysprężynymagnetycznejzawieraczterycewkipołączonerównolegle.Parametrycewekorazsposóbichwyznaczeniazostałopisanyw[1].Rezystancjapojedynczejcewkiwynosi3,2Ω.Indukcyjnośćcewkijestfunkcjąnieliniowąwspółrzędnejodpowiadającejpołożeniuwałkaprowadzącego.Wartośćindukcyjnościwpołożeniurównowagistatycznejukładuwynosi12mH.ObwódelektrycznysprężynymagnetycznejmożebyćrozpatrywanyzdobrymprzybliżeniemjakoobwódRL.WrozpatrywanymobwodzieelektrycznymRLstałaczasowaτRL(przyzałożeniusindukcyjno-ściwpołożeniurównowagistatycznejsprężyny)wynosi:

τRLL x

R=

== =

( ) mH,

, s0 123 2

0 00375Ω

(1)

98

Stałączasowąmożnarównieżwyliczyćnapodstawieodpowiedziukładunasygnałsko-ku.Zarejestrowanysygnałskokuiodpowiedźukładuprzedstawiononarys.6.

Rys.6.Przebiegiczasowe:(a)zadanyskoknapięciaU,(b)odpowiedźprądui

Fig.6.Timehistoriesof:(a)impulsefunctionofvoltageU,(b)currentresponsei

Wrozpatrywanymprzypadkuwchwilit1=5,1094szadanoskoknapięciaodwartości 2,5Vdowartości4,5V.Wartośćnapięcia4,5Vnawejściuukładusterowaniaodpowiadawartościprądui1=2,75Awstanieustalonym.Wyznaczonowartośćnatężeniaprądui2poupływieczasurównegostałejczasowej,liczącodchwiliwystąpieniaskokunapięcia.

i e i21

11 0 6321 2 75 1 738= − = ⋅ =−( ) , , , A (2)

Napodstawieobliczonejwartościi2odczytanozprzebieguczasowegoi(t)(rys.6b)wartośćt2=5,1132s.Stałączasowąmożnawyznaczyćobliczającróżnicę:

τskok , , , s= − = − =t t2 1 5 1132 5 1094 0 0038 (3)

Błądbezwzględnywyznaczeniastałejczasowejwynosi:

∆τ τ τ= − = − =skok , , , sRL 0 0038 0 00375 0 00005 (4)

abłądwzględnypomiarustałejczasowejmawartość:

δτ

ττ= =∆

RL

0 000050 00375,,

1,33% (5)

Błądwzględnynapoziomieok.1%świadczyopoprawniewykonanychpomiarachpara-metrówelektrycznychobwoduRLsprężynymagnetycznej.

99

Istotnym elementem badania układów automatyki jest analiza zachowania się układuprzywymuszeniu sinusoidalnie zmiennymo różnych częstotliwościach.Wyznaczonodo-świadczalnie charakterystyki napięciowo-prądowe rozważanegoukładudla częstotliwości{0,1;5;10;15;20}Hz.Wynikiprzedstawiononarys.7.

Rys.7.Charakterystykanapięciowo-prądowa

Fig.7.Voltage-currentcharacteristic

4. Wnioski

Wpracyprzedstawionobudowęorazwyniki badań laboratoryjnych sterownikaprąduskonstruowanegodozasilaniaobwodusprężynymagnetycznej.Zaproponowanysterownikpozwalanauzyskanieprąduwcewkachwzakresieod–5do5A.Wyznaczonastałaczaso-waobwoduelektrycznegosprężynymagnetycznejzostałapotwierdzonaobliczeniamianali-tycznymi.Wyznaczonocharakterystykinapięciowo-prądowesterownikadlaczęstotliwościzzakresuod0,1do20Hz.Zastosowaniezasilaczaowiększejwartościnapięciapozwoliłobynauzyskaniewiększejwartościprądu,wówczasukładzabezpieczeniamusiałbyzostaćzmo-dyfikowany.

Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr N N501 228940.

L i t e r a t u r a

[1] SnaminaJ.,Habel P.,Wyniki badań symulacyjnych układu sterowania napięciem za-silania sprężyny magnetycznej,ModelowanieInżynierskie,Nr43,PolitechnikaŚląska,Gliwice2012.

[2] SnaminaJ.,Habel P.,Magnetic spring as the element of vibration reduction system.MechanicsandControl,Vol.29,No.1,AGH,Kraków2010.

[3] Sosnowski D., Generator PWM – regulator mocy silnika DC,ElektronikaPrakty-cznaNr8,2008.