Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований динамических характеристик электромагнитных приводов

Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований динамических характеристик электромагнитных приводов

Отрасли, категории, применение: Машиностроение, LabVIEW

Краткое описание:

В статье рассматривается процесс создания программно-аппаратного комплекса для исследования динамических характеристик электромагнитных приводов в условиях вибрационного воздействия на основе применения оборудования и программного обеспечения фирмы National Instruments. Приведена схема комплекса, конструкция, датчики и разработанное программное обеспечение.

Организация

ФГБОУ ВПО «Южно-российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова (НПИ)», ФГБО ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технический университет)»

Описание решения

Постановка задачи

Современные автомобильные транспортные средства содержат все возрастающее число различных электроприводов (порядка 150 [1]), включая двигатели и электромагнитные приводы (ЭМП), которые управляют зажиганием, топливоподачей, агрегатами трансмиссии, тормозными системами и другими узлами автомобиля, что улучшает функциональное качество, комфорт, безопасность, уменьшает потребление топлива, обеспечивают снижение токсичности отработавших газов двигателя и т.д. В дополнение к минимальному расходу энергии они должны обладать минимальной массой, высокой надежностью, требуемым быстродействием и иметь хорошую управляемость.

Типичными для них являются динамические режимы функционирования, отличающиеся повышенными силовыми нагрузками, вибрациями и ударами, что формирует необходимость комплексного исследования ЭМП. С целью получения наиболее полных и достоверных результатов исследования целесообразно одновременное измерение всех величин, характеризующих режимы работы ЭМП с точностью, достаточной для оценки влияния вибрационных нагрузок на изменение динамических характеристик и параметров ЭМП. Программно-аппаратный комплекс обеспечивает регистрацию следующих динамических характеристик электромагнитов:

• зависимость хода якоря от времени;
• зависимость скорости перемещения якоря от времени;
• процесс изменения тока в обмотке и напряжения на зажимах обмотки;
• зависимость ускорения корпуса ЭМП от времени. При этом определяются частота и фаза гармонических колебаний.

Используемое оборудование и программное обеспечение

Основными элементами комплекса являются персональный компьютер, аппаратные модули сбора данных National Instrument NI USB-6009 и NI USB-9229, обеспечивающие подключение к ПК и питание с помощью шины USB. Для решения поставленных задач предлагается использовать LabVIEW Professional Development System 8.0 [2].

Решение

Структурно-функциональная схема и внешний вид ПАК представлен на рис. 1,а.

Основными элементами комплекса являются персональный компьютер (ПК), аппаратные модули сбора данных (МСД) National Instrument NI USB-6009 и NI USB-9229, обеспечивающие подключение к ПК и питание с помощью шины USB, испытательный образец ЭМП с набором датчиков (модуль A2), вибрационный стенд (модуль A1) и блок согласования (БС).

Вся установка смонтирована на массивной металлической плите. Подвижное основание с закрепленным испытательным образцом ЭМП и датчиками соединен через кривошипно-шатунный механизм с механическим эксцентриковым вибратором (модуль A1) и на подшипниках перемещается по направляющей. Механический вибростенд с эксцентриковым вибратором отличается простотой, но из-за сильной изнашиваемости подшипников стенды, выполненные по такой схеме, применяют для частот, не превышающих 50-60 Гц [3]. Стенд, показанный на рис.4.2,б, рассчитан на диапазон колебаний частотой от 4 до 50 Гц. Амплитуда вибраций регулируется изменением эксцентриситета, частота ? изменением числа оборотов коллекторного двигателя (рис. 1,а, ЭД). Изменение числа оборотов производится электронным регулятором (ЭР) с панели вибростенда (рукоятками «грубо» и «точно»), либо рукояткой «Частота колебаний» с панели виртуального прибора за счет изменения угла отпирания симистора, входящего в состав ЭР. Основным преимуществом механических вибростендов является получение очень низких частот, независимость амплитуды от частоты и экономичность. Недостатком, кроме невозможности получения высоких частот, является трудность в получении малых амплитуд (ниже 0,1 мм) [3].


Макетный образец ЭМП запитывается от аккумуляторной батареи автомобиля посредством коммутации механической кнопки S1, либо посредством электронного ключа (ЭК). Электронный ключ для коммутации цепей управления объекта испытаний реализован на основе оптронных переключателей и силовых транзисторных ключей. Транзисторные ключи могут коммутировать либо непосредственно цепи исследуемого ЭМП, либо цепи промежуточных реле. Управление электронным ключом (мощный n-канальный полевой транзистор IRFZ44N) производится от ПК через МСД1 на базе NI USB-6009. Для определения зависимости перемещения якоря от времени установлен регистратор хода в виде реостатного датчика перемещения (ДП), реализованный на базе линейного регулировочного резистора ползункового типа СП3-23а [4]. В качестве датчиков тока (ДТ) используются токовые клещи FLUKE 80i-110s на основе элементов Холла, обеспечивающие высокую линейность и погрешность измерений не более 3% [5]. Для измерения скорости перемещения якоря используется датчик скорости (ДС) на базе магнитоиндукционного датчика с открытой магнитной цепью [6]. Для измерения ускорений вибрационных колебаний ЭМП используется датчик ускорения (ДУ) на базе интегрального акселерометра фирмы Analog Devices типа ADXL320 [7]. Усиление, нормирование сигналов датчиков производится модулями сбора данных National Instrument NI USB-6009 и NI USB-9229 с гальванической развязкой.

Программно ПАК представлен в виде виртуального прибора. Виртуальный прибор обеспечивает следующие функции: подачу управляющего сигнала на блок управления силовыми ключами для включения ЭМП; регулировку частоты колебаний вибростенда; ? индикацию фазы и частоты гармонических колебаний; ? калибровку датчиков; ? снятие сигнала с ДП, ДС, ДУ, ДТ, ДН; ? индикацию сигнала с ДП, ДС, ДУ, ДТ, ДН; ? хранение данных с ДП, ДС, ДУ, ДТ, ДН.

Внешний вид лицевой панели виртуального прибора, предназначенного для решения вышеперечисленных задач, приведен на рис.2.

На лицевой панели прибора расположены две кнопки «Вкл» и «Запись», регулятор частоты колебаний, восемь числовых индикаторов для отображения калибровочных величин датчиков ускорения, перемещения и тока, частоты и фазы гармонических колебаний, а так же пять графических индикаторов для отображения графиков перемещения, скорости, напряжения на зажимах обмотки, тока в обмотке и ускорения вибрационных колебаний. Прибор производит измерения постоянно.

Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет провести всестороннее исследование ЭМП с учетом вибрационных нагрузок (рис. 3)

Внедрение и его перспективы

Разработанный программно-аппаратный комплекс успешно используется в НИИ Электромеханики для проведения экспериментальных исследований электромагнитных приводов.

Список литературы

[1]. Horst Czichos: Mechatronik. Grundlagen und Anwendungen technischer Systeme. Vieweg, Wiesbaden, 2006.
[2]. Официальный сайт компании National Instruments [Электронный ресурс] ? Описание программно-аппаратного комплекса Labview. Режим доступа: http://digital.ni.com/worldwide/russia.nsf/main?readform, свободный.
[3]. Бегларян В.Х. Механические испытания приборов и аппаратов. – М.: Машиностроение, 1980. – 223 с.
[4]. Резисторы: Справочник/ Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова.- М.: Радио и связь, 1991.- 527 с.
[5]. Fluke 80i-110s AC/DC Current Probe [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://assets.fluke.com/datasheets/80i-110s-Spexs.pdf, свободный.
[6]. Ступель Ф.А. Электромеханические датчики и преобразователи неэлектрических величин. М-Л.: Энергия, 1965. 116 с.
[7]. Doscher, J. Accelerometer Design and Applications / Doscher J. - Analog Devices. 1998.

 

 

 

Решения опубликованы на основании докладов из сборников трудов ежегодной конференции "Инженерные , научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments" с 2011 по 2014 гг.



 

© 2017 National Instruments Russia. All rights reserved.
Яндекс.Метрика