CC BY
76
УДК 621.313
I. А. Орловський1, В. I. Бондаренко2, I. О. Черняев3, В. Ю. Андриенко4
1Д-р техн. наук, професор, 3anopi3bKoao нацонального технчного yHieepcumemy 2Канд. техн. наук, доцент Запорзького нацонального технчного унверситету 3Студент Запорiзького национального технiчного унверситету 41нженер-електронк по обслуговуванню та ремонту лазерних установок, АТ «МоторСч»
ЛАБОРАТОРНИЙ СТЕНД КЕРУВАННЯ КРОКОВИМ ДВИГУНОМ В1Д
SCADA СИСТЕМИ TRACE MODE
Для вдосконалення навчального процесу у 3anopi3bKOMy нацюнальному техшчному yHieepcumemiрозроблено лабораторний стенд комп 'ютерного керування кроковим двигуном eid SCADA системи TRACE MODE через LPT та USB порти персонального комп 'ютера. Розроблена методика проведення лабораторних робт на стендi. Експериментально отримат часовi дiаграми стрyмiв крокового двигуна ШД5.
Ключов1 слова: лабораторний стенд, кроковий двигун, SCADA система, навчальний процес.
ВСТУП
Замала частина практично! тдготовки студенпв спе-щальносп «Електромехашчш системи автоматизацп та електропривод», що визначена навчальними планами ба-калаврiв з електромехатки, особливосп матерiально! бази та програмного забезпечення об'екпв автоматизацп на-дають у сучасних умовах лабораторному практикуму з фахових дисциплш статусу одного з головних чиннишв практично! подготовки спецiалiстiв вищих навчальних за-ходiв (ВНЗ). Модернiзацiя з участю студенпв iснуючих лабораторних стенд1в з названих дисциплiн, мотивована прагненням збереження високого науково-техшчного рiвня подготовки фахiвцiв, з урахуванням новiтнiх досяг-нень у галузях електротки й програмування, при убогих фшансових можливостях ВНЗ. Такий пiдхiд дозволяе, у повнiй мiрi, впоратись з впровадженням сучасно! техт-ки i нових технологiй навчання i надае можливостi сту-дентовi спецiальностi бiльш глибоко опанувати навички монтажу, налагодження, а головне, навчитись квалiфiко-вано i як1сно обслуговувати сучасне обладнання.
При модернiзацi! застарших лабораторних стенд1в, а вони ще не всi потрощенi й посписуват, власними силами е можливiсть, при збережент часом дуже складно! механ-iчно! частини (приводи верстапв, промисловi маншулято-ри й таке шше), замiнити !! «начинку» на сучасну, зокрема, на базi новгтшх програмованих контролерiв, тощо.
Розробкою власними силами лабораторних стендiв напряму тдготовки «Електромехашка» переймаеться бiльшiсть ВНЗ Укра!ни. Так у Кременчуцькому нацюнальному ушверситет iменi Михайла Остроградського [1] запропонована концепцiя побудови малогабаритних лабораторних комплекав, як ефективне рiшенням при оновленнi лабораторно! бази для тдготовки iнженерiв електротехнiчних спещальностей зпдно сучасних вимог. У Запорiзькому нацiональному технiчному унiверситетi на кафеда електропривода та автоматизацi! промисло-вих установок [2] разом з ТОВ «ДП СВ Альтера-Запор1ж-жя» модернiзовано з використанням обладнання фiрми VIPA лабораторний стенд з матпулятором М10П. У ходi
експериментально! перевiрки роботи стенда доведена доцiльнiсть виконано! модернiзацi! для покращення якосп навчання студенпв, та можливiсть подальшого удоско -налення системи керування машпулятора. У Донбась-кому державному техтчному утверситеп (м. Алчевськ) [3] «власними руками» розроблено стенд («ушверсаль-ну експериментальну установку») призначений не тшьки для навчального процесу при проведенш практичних i лабораторних робп з дисциплiн «Комплекснi електроп-риводи» та «Системи оптимального i векторного керу-вання електроприводами», а й для наукових дослiджень алгоритмiв iдентифiкацi!, керування i спостереження рiзних електромеханiчних систем з невизначеними параметрами. 1з зазначеного вище, з особистих зус^чей працiвникiв ВНЗ та огляду техшчно! лiтературi витiкае актуальнiсть проведення тако! роботи, зокрема i розроб-ка вiдсутнiх на Укра!нi стендiв для керування кроковим двигуном (КД) вщ SCADA систем.
Мета розробки - на базi iснуючого стенда створити сучасний лабораторний стенд комп' ютерного керуван-ня КД в1д SCADA системи TRACE MODE.
За базовий узятий, виготовлений у 80-п роки, стенд СШД-5 з вивчення дискретних електропривод1в подач ме-талорiзальних верстапв з КД. Цей стенд включае в себе шестифазний КД ШД-5 з реактивним ротором, силовi ко-мутатори, блок живлення, панель вимiру сигналiв, пульт керування та застаршу систему керування на лог^чних еле-ментах 155 серi!. На стендi передбачена можливiсть (е рознiм паралельного пiдмикання даних) для отримання сигналiв керування в1д зовнiшнього пристрою. У цьому сенсi стенд було ввдновлено на пiдмикання до персонального комп'ютера (ПК) через LPT i USB порти.
Професiйна мотивацiя створення оновленого стенда була обумовлена не абиякою увагою, в останнш час, до дискретного електропривода з силовими КД, засновника-ми якого у 60-70 роки минулого столптя були вiдомi вiтчиз-нянi вчет Москви, Киева, Ленiнграда: 1воботенко Б. О., Карпенко Б. К., Ратмров В. А., Чшшн М. Г., Сабшш Ю. О., Соколов М. М. [4-8] та шш^
© I. А. Орловський, В. I. Бондаренко, I. О. Черняев, В. Ю. Андриенко, 2012
ВЛАСТИВОСТ1 КД ТА ПОСЛ1ДОВН1СТЬ РОЗРОБКИ СТЕНДА
Кроковий двигун - це рiзновид синхронного двигуна (без пускових обмоток), на обмотки керування якого у певнш послiдовностi подаються дискретш електричнi сигнали. Послiдовна комутацiя цих обмоток викликае дискретш, лiнiйнi або кутов^ механiчнi перемiщення ротора. Частота електричних iмпульсiв визначае швидшсть стрибкоподiбного перемiщення ротора, а послщовшсть комутацп струмiв фаз - напрямок перемiщення. З роз-витком електрошки зростають темпи використання КД, як виконавчих, так i силових.
Iсторiя створення електромеханiчних перетворювачiв енергп безперервно! дл та дискретних мала паралельний розвиток, бiльш того, одним з перших електричних дви-гунiв, запатентованих ще у тридцятi роки Х1Х столiття, був КД (електромагнiтний двигун з храповим колесом Сальвере дель Негро). Натомiсть цей напрям тривалий iсторичний час не мав продовження з-за необхiдностi керування КД вщ механiчного комутатора, який, у свою чергу, вимагав джерела мехашчного руху. Винаходи че-кали на електричний комутатор.
Стрiмкий розвиток електрошки дозволив створити високоефективш системи керування КД у самих рiзних, в тому чи^ i швидкодшчих, системах автоматики, де вони цифрову шформащю у виглядi електричних iмпульсiв перетворюють у вiдповiдне перемiщення ме-ханiзма, причому це перемiщення однозначне, тобто кожному керуючому iмпульсу вщповщае механiчне пе-ремiщення (крок двигуна). Точшсть вiдпрацювання, навiть дуже велико! серп iмпульсiв, не залежить вщ !х кiлькостi, а визначаеться лише точшстю ввдпрацювання одного механiчного кроку двигуна. Це дозволяе створити доволi точнi системи регулювання дискретного типу навпъ без зворотних зв'язшв (без автокомутацп КД), що суттево зменшуе к1льк1сть елементiв системи при збере-женнi надайносп, здешевлюе и.
Притаманнi КД деяю унiкальнi властивосп забезпечу-ють 1м виключно прюритетне, а iнколи, i незамiнне, використання. На вщмшу ввд класичних електричних двигав, основними режимами КД е перехвдш режими. Це пуск i зупинка, розпн i гальмування, реверс при широкому дiа-пазош регулювання швидкосп (включаючи й нульову), робота у старт-стопному режимi. Для надання робочому органу ще бшьш складних динамiчних станiв - це ще й програмно задане, практично будь яке, змiнювання числа керуючих iмпульсiв та 1х черговосп, за необхiднiстю змiнювання поточного алгоритму комутацп фаз, фор-мування переднього i заднього фронтiв iмпульсу, вми-кання фаз-антогонiстiв, програмованi розгiн й гальмування та багато шшого.
Отже, виходячи зi сказаного вще, на модершзовано-му лабораторному стенда е можливють вивчати чи досл-вджувати властивосп, притаманнi дискретному електроп-риводу на базi виконавчих або силових КД та продовжу-
вати удосконалення стенда з метою розширення i поглиб-лення дослiджень властивостей названого привода, 1х достошств та вад.
Властивостi ж власне КД, що визначають 1х достош-ства, так1:
- можливiсть отримання необхвдного широкого спектра динамiчних сташв робочого органу чи iншого рухо-мого елемента;
- суттеве спрощення мехашчно! частини привода шляхом зменшення, а у багатьох випадках практичного зведення натвець, юлькосп механiчних передач i механ-iчних перетворювальних ланок;
- для обертових КД у межах одного оберта отримання будь-яко! шлькосп стiйких положень ротора з точшстю до мехашчного кроку КД, зокрема, для багатофаз-них, багатополюсних КД з активним ротором е реаль-ним отримання стшкого фжсованого положення ротора у межах одного-двох градусiв;
- для лЫйних КД аналогiчно - тшьки для стшких положень лшшного перемiщення;
- широкий дiапазон регулювання швидкосп КД в межах частоти приемистосп режиму, можливiсть стшко! роботи практично при будь-яких низьких швидкостях, включаючи й нульову, коли КД долае статичний момент опору в режимi зупинки ротора (робота КД «на упор»);
- можливють реалiзацil старт-стопного керування рухом у квазютатичному режимi роботи;
- можливiсть точного позицшвання без втрати кроку виконавчих КД ( силових КД у режимi неробочого ходу або спокойно! динамiки при навантаженнi) при зас-тосуваннi розiмкнених систем керування (без використання давачiв положення);
- можливють точного позицiювання з заданим при-скоренням, або з рiзко змiнним навантаженням, без втрати кроку, для силових КД з автокомутащею (з викорис-танням принаймнi локально замкнено!, через давач положення, системи керування);
- можливють стрибкоподiбних пуску та зупинки (стрибкоподiбних змiнювань частоти комутацп ввд нуля до робочо! чи ввд робочо! до нуля вiдповiдно);
- можливють застосування привода у високоефектив-них швидкод1ючих системах автоматики з прямим керу-ванням ввд персонального комп'ютера або ввд програмов-ного контролера за рахунок безпосереднього сприйман-ня цифрово! шформацп у вигляд1 електричних iмпульсiв;
- реалiзацiя точного, навпъ прецизiйного, позицю-нування i повторюваносп, за рахунок мало! похибки вщпрацювання механiчного кроку сучасних КД, яка не накопичуеться вiд кроку до кроку;
- можливють електричного дроблення кроку;
- наявнiсть фiксованого стану ротора КД з активним ротором при знеструмлюванц
- висока надштсть роботи КД, яка обумовлена простотою його комутацп (особливо КД з реактивним ротором) та вщсутшстю контакпв ковзання для струмошдве-дення i таке iнше.
Властивосп КД, що обумовлет ïx вадами, так1:
- при по заграничному синхронному режим1 роботи КД можлив1 головний i другорядт електромехашчш ре-зонанси, у межах резонансних частот, при яких робота КД утруднена, можлив1 порушення статично! стшкосп двигуна та резонансш збо!', стшка робота КД при цьому, головним чином, обумовлюеться демпфувальними вла-стивостями КД;
- прш1 коефщеш' використання активних матер1ал1в та масогабориш й енергетичш показники силових КД в основних режимах роботи пор1вняно з класичними си-ловими електродвигунами;
- вадсутш пусков1 моменти однофазних симетричних КД для уйх випадк1в комутацп та двофазних КД - у ви-падку однополярно!' (для КД з реактивним ротором) си-метрично!' комутацп, назват вище двигуни чинт тшьки у вар1антах несиметричних конструкцш магттно!' системи, наприклад, КД з дзьобопод1бним активним ротором;
- можливють втрати кроку при роз1мкнених системах керування КД;
- тдвищена складшсть систем керування КД та вщносно висока варпсть давач1в положення, особливо прецизшних;
- ввдсутшсть фшсованого стану ротора КД з реактивним ротором при знеструмленш, тому при необхвдносп потр1бш зовшшт ф1ксуюч1 пристро!' й таке шше.
Останшм часом найбшьш потужним засобом роз-робки програмного забезпечення е середовища, що ма-ють у своему склад1 менеджер проекпв, текстовий редактор i симулятор, це е у SCADA системах. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерсь-ке керування i збiр даних) - програмний пакет для збору, обробки, вiдображення та арxiвацiï iнформацiï про об' ект керування. Це програмне забезпечення встановлюеться на промисловi комп'ютери i, для зв'язку з об'ектом, най-частiше, вимагае додатково!' установки OPC сервера. Програмний код може бути як написаний на мовi про-грамування C ++, так i згенерований в середовищi про-ектування. Перший пiдxiд вимагае високо!' квалiфiкацiï програмiсга i значних витрат у часi, другий - характеризуемся меншими витратами в чай, але вимагае прид-бання лiцензiйного програмного забезпечення, вартгсть якого у значнiй мiрi варiюеться кшькютю iнформацiï, що збираеться i оброблюеться. SCADA системи використо-вуються для централiзованиx систем контролю i керу-вання такими процесами як промислове виробництво, генерування, передача то розподiл енергп, керування мжроктматом, переробка та шше у безперервному, пакетному, перюдичному або дискретному режимах.
Для спрощення у лабораторному стендi функцiï без-посереднього керування КД переданi SCADA системi TRACE MODE, розробки Росшсько!' Федерацiï [9], яка широко використовуеться також i в Украïнi, а iï версй' вiльно надаються розробниками, наприклад, пiд час виставок.
Виходячи з мети модернiзацiï та будови юнуючого стенда, здiйснювалась така послщовшсть розробки су-часного стенда:
- вщновлення окремих блокiв iснуючого стенда керування КД;
- розробка апаратно! частини (гальванiчне розв'язан-ня, кабел^ для пiдмикання стенда з КД до комп'ютера через LPT порт;
- розробка програмних засобiв роботи TRACE MODE з LPT портом;
- розробка модуля перетворення штерфейав USB порта в паралельний код;
- розробка програмного зв'язку модуля перетворення штерфейав з операцшною системою та TRACE MODE;
- розробка проекту (алгоритму роботи та програми) керування КД в системi TRACE MODE (використання рiзних способiв комутацп фаз, iR^M^ ввiмкнених фаз, вщпрацювання заданого циклу роботи);
- розробка апаратно! частини для тдмикання давачiв струму у коло фаз КД та до USB порта через модуль вводу-виводу ADA;
- використання програмних заа^в LabView для ввдоб-раження та зберiгання резулкгатiв;
- розробка методичних вказiвок для виконання лабо-раторних робiт.
- проведення дослщжень на лабораторному стендi та аналiз результатiв.
При розробцi урахованi таю вимоги, як простота схе-ми, функцюнальна насиченiсть, довговiчнiсть, допусти-ме названия компонентiв, рацiональне енергоспожи-вання, тощо.
АПАРАТНА ЧАСТИНА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Структура лабораторного стенда наведена на рис. 1. Оператор ПК програмуе SCADA систему i мае мож-лишсть контролювати i змiнювати 1! роботу у режимi online. Пiсля задавання типу порту, через який SCADA система керуе КД, керування передаеться вщповщнш программ При робот через USB порт сигнал перетворюеть-ся у паралельний код блоком перетворення сигналiв USB-LPT. Сигнал у паралельному кодi через блок гальвашч-ного розв'язування i силовi комутатори формуе напру-гу на обмотках КД. Навантаження КД здшснюеться за допомогою шшва, леси та пружин, пружна сила яких може змiнюватися, що змiнюе коефiцiент тертя леси з шкiвом. Статичний момент опору КД вимiрюеться за допомогою двох динамометрiв. Сигнали струмiв у обмотках КД через давачi i блок ADA вiдображаються у програмi LabView.
Схема електрична принципова лабораторного стенда наведена на рис. 2, де до двох порпв USB, або при наявносп до LPT порта комп'ютера, вщповщно, тдми-каються блок перетворення штерфейав USB - паралельний штерфейс, гальвашчне розв'язування - блоки UZI i UZO та модуль вводу-виводу ADA-1406, який щдмикаеть-ся до давачiв струмiв у обмотках КД. Кнопкою з фжсато-ром SB1 задають керування КД вiд комп'ютера чи ввд
Рис. 1. Структура лабораторного стенда
схеми на лопчних елементах, яка е у наяному стендi. Обмотки керування КД отримують живлення вщ сило-вих комутаторiв А2-А7.
У лабораторному стендi використовуеться багато-статорний (два статора) КД з 3i змiнним магнiтним опором (реактивний ротор зубчасто! структури). Кутовi положения ротора КД ШД-5 з магштом'якого матерiалу i епюра напруг керуючих сигналiв при груповiй несимет-ричнiй комутацп наведено на рис. 3.
ПРОГРАМН1 ЗАСОБИ РОБОТИ TRACE MODE З LPT ПОРТОМ
Основою програми-драйверу е OpenSource проект програми ручного керування LPT портом тд назвою WndLPT. Враховуючи вимоги до програмного забезпе-чення лабораторного стенда, яке включае обмеження доступу студенпв до усiх програм, первинна програма роботи з LPT портом була перекомпшьована для скрип-тово! роботи тд керуванням програми-оболонки.
При використант SCADA-системи студеити повиннi володiти умшням використовувати так1 пiдсистеми:
- людино-машинний iитерфейс - iнструмеит, який доз-воляе оператору контролювати процес i керувати ним;
- диспетчерська система, яка збирае данi про процес i обробляе 1х;
- абонентський перефiрiйний блок, який приеднуеть-ся до давачiв процесу, перетворюе сигнал з давача в циф-ровий код i вiдправляе данi в диспетчерську систему;
- програмовний лопчний контролер, який використовуеться як автономний пристрш завдяки економiч-носп, унiверсальностi i гнучкостц
- комушкацшна iнфраструкIура для реалiзацil про-мислово! мереж1.
Програмне забезпечення при робот з кожним портом складаеться з програми-оболонки та програми-драй-верiв. Програма-оболонка призначена для створення штерфейсу зручного при використаннi людиною, вона
виконана в SCADA системi TRACE MODE [9]. Програ-ма-драйверiв призначена для обробки команд, як1 будуть надходити вiд програми-оболонки та для видачi команд у LPT та USB порти.
Робота при тдмикант стенда з КД до LPT порту така. Програмi керування LPT порта вщсилаеться код коман-ди оператора, який звiряeться з скриптами. У вибрано-му скрипт формуеться послiдовнiсть iмпульсiв, яка ввдси-лаеться на вщпрацювання у LPT порт. Основними командами скриппв, що використовувалися, е rol (циктч-ний зсув влiво), ror (циклiчний зсув вправо), sleeps (зат-римка виводу команд у LPT порт).
Для керування КД через LPT порт розроблена власна програмна оболонка, меню яко! включае 4 Komi проек-ти, з них три (робоч^ для корегування студентами та один демонстрацшний. Перший проект - для знайомства з роботою КД (рис. 4). Вш дозволяе запускати двигун з рiзними алгоритмами комутацп фаз з фiксованою куто-вою швидк1стю, здiйснювати гальмування i знеструмлен-ня обмоток та ручне керування !х комутацiею. Перехiд до меню, або шшого проекту вщбуваеться навтацшни-ми кнопками у нижньому лiвому куту екрана.
Другий проект - для вивчення характеристик двигу-на на рiзних швидкостях та при гальмуванш. Третiй проект призначений для перевiрки самостшно! роботи студенпв, у як1й вирiшуються п'ять рiзних завдань.
Демонстрацiйний проект включае в себе 4 демонст-рацiйних режими (рис. 5). Реалiзована можливiсть ручного керування комутащею фаз КД та робота його за рiзними алгоритмами комутацп. Перша демонстращйна програма вщпрацьовуе розгiн, рух з постшною швидш-стю та зупинку. Друга - вiдпрацьовуе цикл роботи КД, що включае почергове завдання рiзних швидкостей з рiзним перемиканням фаз, реверс та паузи. Третя та чет-верта програми щентичт за циклом, але третя вщпра-цьовуе цикл вiдразу, а четверта - починае вщпрацьову-вати цикл у заданий програмою системний час. Це може бути використано у проектах з синхрошзащею циклу.
ю ю
Сй
!
сл
0
1
сл сл
£
ю о
N &
Рис. 2. Схема лабораторного стенда електрична принципова
гл ь т
т; ч
"О
0 ч т
X
1
т; >
Статор 1
фаза5
фаза 3
фаза 5
фаза 3
фаза!
фазаЗ
фаза 5
фаза! фаза 1
фаза 5
фаза 1
и
к!
Ц и
Статор 2
фаза 6
фаза 4
а)
б)
фаза 2
фаза 2
фаза 4
фаза 6
УТ777-
ш ш
|у///1//////лу.
и*4
и,,
к5
J_1_
ш
I I J_I_I_I
и
и и
г )
Рис. 3. Струми в обмотках статорiв i кутовi положення ротора при вiдпрацюваннi крокiв з груповою несиметричною
комутацieю 1-1,2-2-2,3...:
а) - кутовi положення ротора при струмi в обмотках фази 1; б) - кутовi положення ротора при струмах в обмотках фаз 1 i 2; в) - кутовi положення ротора при струмi в обмотках фази 2; г) - дiаграма струмiв в обмотках статорiв;
УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРОЕКТ 1: Ознакомление с работой шагового двигателя.
ДЫплоМНЫи проеКт
сгуаёкга гр. Е-31.Б Анйриенко Б.Ю.
Рис. 4. Зображення екрана для проекту знайомства з роботою КД, пщмкненого через LPT порт
УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ
Порядок переключения Фаз 1-2-3-4-5-6-1-2
Дипттомный проект студента гр. Е-ЗI ь Андриенко В.Ю.
Рис. 5. Зображення екрана для демонстрацшного проекту
МОДУЛЬ ПЕРЕТВОРЕННЯ 1НТЕР-ФЕЙС1В USB ПОРТУ У ПАРАЛЕЛЬНИЙ КОД
Для сучасного персонального комп'ютера основним портом вводу-виводу е USB порт, тому важливо навчити студенпв пiд'еднанню обладнання через цей порт. Для тдмикання КД до комп'ютера через USB порт викорис-таний перетворювач iнтерфейсiв - «USB - паралельний код», а саме модуль UM245R USB-Parallel FIFO, фiрми FTDI. В основу модуля покладено мiкросхему FT245RL (рис. 2), яка складаеться з буферу FIFO, кварцового гене-
ратора, енергонезалежно! пам'ягi EEPROM для збережен-ня налаштувань. Для зв'язку з зовшшшми пристроями е 8 лтй вводу-виводу (I/O), 6 з яких використат для фор-мування сигналiв керування у ввдповщносп до числа фаз КД. М^осхема мае декiлька режимiв роботи: оргатза-цiя паралельного FIFO-iнтерфейсу, режим Asynchronous Bit Bang та режим Synchronous Bit Bang. Режими Bit Bang дозволяють використовувати частку лiнiй I/O як вхщт, а iншi - як вихвдш. У цьому режимi виxiднi лiнiï зберiгають свiй стан до того часу, доки в пристрш не адресуеться нове посилання даних. Мiкросxема дозво-ляе задавати напругу живлення 5 В або 3,3 В, вона може
живитися i вiд зовнiшнього (не USB) джерела. Розробле-ний пристрiй складаеться з модуля UM245R, iндикаторiв-свiтлодiодiв та рознiму для шдмикання блока гальвашч-ного розв'язування.
ПРОГРАМНИЙ ЗВ'ЯЗОК МОДУЛЯ ПЕРЕ-ТВОРЕННЯ 1НТЕРФЕЙС1В З ОПЕРА-Ц1ЙНИМИ ТА TRACE MODE СИСТЕМАМИ
Для оргашзацп взаемодп модуля UM245R з програ-мами користувача можно використати два тиши драй-верiв: VCP (VIRTUAL COM PORT), який дозволяе працю-вати з пристроем як з вiртуальним COM портом; D2XX (USB Drivers+DLL S/W Interface) - USB драйвер та файл ftd2xx. dll. DLL (з англ. dynamic-link library) - динамiчно приеднувана бiблiотека. Файл ftd2xx. dll мютить набiр функцiй, як1 експортуються, i використовуеться для написания програм практично на будь-як1й мовi програ-мування. У програмних пакетах LabView i Trace Mode можливе використання названих функцiй, для цього до проекту подметено файл ftd2xx. dll та вказаиi функци, що необхiдно застосувати. Використання USB драйверу та файлу ftd2xx. dll е бОльш доцiльним бо дозволяе одержа-ти максимальну швидкодiю комп'ютера та пристрою.
Для керування КД потрiбно виводити на 6 лiнiй вво-ду/виводу логiчну одиницю (+5В) чи логiчний нуль (0 В), запис до яких здiйснюеться функцiею FT_Write(). Для утримання деякий пром1жок часу одте! чи дек1лькох лiнiй у ввiмкненому станi необхiдно скористатися режимом Asynchronous Bit Bang, для активацп та налаштування якого використовуеться функщя FT_SetBitMode. Для взаемодп TRACE MODE та модуля перетворення сигиалiв необхвдно встановити файл ftd2xx. dll в системну директорш та драйвери. У проекп використовуються так1 функци ftd2xx. dll: одержання списку шд'еднаних пристро1в; вщкриття каналу зв'язку з пристроем; установлення швид-костi передачц активацiя режимiв Bit Bang; запис у
пристрш; закриття ранiш ввдкритого каналу. Усi функцп повертають число 0 при усшшному виконаннi операци.
П1сля запуску програма ввдкривае пристрш i встанов-люе заданi його налаштування, далi виконуеться по-слвдовшсть дш записаних в програмi, зокрема водрацю-вання циклу розпн - робота - гальмування; постшне обертання з реверсом з рОзними алгоритмами комутацп та швидк1стю, подання напруг у будь-яку фазу. На екраш вщображаеться фаза, що живиться. Задана частота Омпульав перемикання фаз досягаеться пропуском циктв при виконанш програми.
Програма керування в середовищО TRACE MODE реалОзована на мовО програмування ST, яка е схожою з мовою програмування Паскаль, але бшьш проспша. Для бОльшо! швидкодл програмний код роздшений на двО час-тини: одна ввдкривае пристрш, записуе в нього налаштування, закривае пристрш, друга - вщпрацьовуе власне керування КД.
Для зручносп виконання дослщжень на стендО роз-роблено графОчний штерфейс програми керування через USB порт. Цей штерфейс складаеться з екрашв. Перший екран мае кнопки (рис. 6): вибору порядку пряму-вання фаз при ревера, вмикання одно! з шести фаз, «Стоп», «Обесточить обмотки» (програма передбачае використання росшсько! мови), «Частота вращения», «Закрыть», «Экран .№2» - для переходу на другий екран. Елементи щдикацп (однаковО в екранах 1 i 2): текстовО вшна для виводу помилки, шОсть графОчних об'екпв «Эллипс» (Ондикатори ввОмкнених фаз).
На другому екраш кнопки дозволяють вводити час розгону, час роботи, час гальмування, вибирати напря-мок обертання, вибирати перший екран. Зв'язок екрашв та програм здшснюеться через канали, яю з'еднують ар-гументи програм та екрашв мОж собою. Кнопки, текстовО поля та шш1 графОчш елементи прив'язуються до ввдпо-вщного аргументу.
Рис. 6. Екран №1 при робот! КД, пщмкненого через USB порт
ЗМ1СТ МЕТОДИЧНИХ ВКАЗ1ВОК ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБ1Т НА СТЕНД1 ТА ДЕЯК1 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
У методичних вказДвках до лабораторных po6iT розк-ритД теоретичнi вiдомостi щодо КД; висвiтлено ix основнi достошства та вади, окресленi шляхи вдосконалення рДзно-мангтних системи за допомогою використання КД; на-данi теоретичнi вiдомостi щодо SCADA системи; описано тдмикання КД через LPT порт i керування ним з ви-користанням скриптiв, описанi модуль перетворення iнтерфейсiв для пiдмикання стенда до комп'ютера через USB iнтерфейс, а також використання модуля вводу-ви-воду ADA-1406 i програми LabView для вДдображення й зберiгання результатiв, наведет програма керування КД в TRACE MODE та програма дослДджень для отримання дiаграм струмiв у обмотках керування КД.
При виборi типу системи керування студенти врахо-вують так1 ii основнi характеристики: швидкоддя; набiр команд i способiв адресацп; вимоги до джерела живлен-ня i величина потужностi споживання у рiзниx режимах; можливостi розширення пам'ятД програм i даних; на-явнДсть та властивосл периферiйниx пристро1в, включа-ючи засоби пiдтримки роботи в реальному чай (тайме-ри, процесори подiй тощо); наявнiсть i надайтсть засобiв захисту внутрДшньо! шформацп; наявтсть i доступнiсть ефективних засобiв програмування й налагодження та iншi. Самостшно студенти реалiзують у TRACE MODE алгоритми вДдпрацювання циклу роботи КД та дослДд-жують властивосл дискретного привода.
Для реестрацп переxiдниx процесДв струму в однiй iз фаз КД використаний блок давачiв струму, розроблений у Кременчуцькому нацiональному ушверсител [1]. На виxодi давача формуеться сигнал з напругою в даапазош вiд 0 до 5 В, який надходить на вxiд аналого-цифрового перетворювача модуля вводу-виводу ADA-1406 (рис. 2). Модуль ADA-1406 включае в себе багатоканальний чо-тирнадцятирозрядний аналого-цифровий перетворювач; порт вводу-виводу дискретних сигналiв; двоканальний цифро-аналоговий перетворювач. У модулД е буфер даних, який забезпечуе безперервний цикл збору даних при короткочасному припиненнД прийому даних операцДй-ною системою. Воображения графiкiв та запис даних здшснюеться за допомогою програми Pi-Graph.
Нижче наведено фрагменти результатiв, якД отриму-ють студенти на лабораторному стенда. Часовi дiаграми струмiв в обмотцД КД при груповiй несиметричнш кому-таци фаз при частотах обертання двигуна 25 об / хв та 50 об/хв. наведено на (рис. 7). £ можливДсть дослДджувати часовi дiаграми струмiв у випадку втрати кроку двигу-ном. ОтриманД залежностi частоти приемистостi КД вДд навантаження для поодиноко! «1-2-3-4-5-6-1-...» (рис. 8, а) та групово! несиметрично! «1-1,2-2-2,3-.» комутацiй фаз у режимД пуску (рис. 8, б). Цд графiки надають можливiсть студентовi простежувати ефект зменшення частота при-емистост зД збiльшенням навантаження.
а)
б)
I, А
UU, ШМ|
Щ.............и.............В.............Я.............R.....
lu^^d L^W Уцу L
___________________________:___Г"...........'_I............
; 0.06 0.12 0.18 0.24 I, с
г )
Рис. 7. ГрафДки струмДв в обмотщ КД при груповш несиметричнш комутацй фаз:
а) - частота обертання ротора 25 об / хв, без втрати крокДв;
б) - частота обертання магштного поля 25 об / хв, з втратою крокДв; в) - частота обертання ротора 50 об / хв, без втрати
крокДв; г) - частота обертання магштного поля 50 об / хв, з втратою крокДв
ВИСНОВКИ
Розроблений лабораторний стенд комп'ютерного керування КД вДд системи TRACE MODE дозволяе керу-вати КД вДд ПК через LPT та USB порти з рДзними алгоритмами комутацп фаз. Використання давачДв струму, блока гальванДчного розв'язування, блока вводу-виводу ADA, програми LabView дозволяе на екранД монДтора спостерДгати у реальному часД часовД дДаграми струмДв КД. Проведення лабораторних робДт на стенда за розроб-леною методикою дозволяе вдосконалити навчальний процес вивчення студентами, як SCADA систем керу-вання, так i властивостей КД.
а) б)
Рис. 8. Залежност частоти приемистост КД вiд навантаження у режи]ш пуску: а) - поодинока комутащя фаз; б) - групова несиметрична комутащя фаз
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Калiнов, А. П. Комп'ютерний лабораторний комплекс для вивчення цифрових систем керування з фун-кцieю iмiтацu технологичного навантаження / Каль нов А. П., Приченко О. В., Мамчур Д. Г.// Вкник КДПУ iм. М. Остроградського. - Вип. 3/2009 (56), Частина 1. - С. 8-12.
2. Модершзащя обладнанням фiрми У1РЛ лабораторного стенда з машпулятором М10П / I. А. Орловсь-кий, О. I. Крат, Т. С. Храпаль, М. В. Сердюк // Елект-ромеханiчнi i енергозберiгаючi системи. Тематич-ний випуск. «Проблеми автоматизованого електроп-ривода. Теорiя i практика» науково-виробничого журналу. - Кременчук. - КрНУ, 2012. - Вип. 3/2012 (19). - С. 597-599.
3. Исследовательский стенд для апробации алгоритмов управления сложными электромеханическими системами. / [Полилов Е. В., Батрак А. М., Руднев Е. С., Скорик С. П., Горелов П. В.] // Електротехтчт та ком-п'ютерт системи. - 2011. - № 3. - С. 481-487.
4. Ратмиров, Б. К. Шаговые двигатели для систем автоматического управления / Б. К. Ратмиров,
Б. А. Ивоботенко. - М.-Л. : Госенергоиздат, 1962. -128 с.
5. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / [Ивоботенко Б. А., Рубцов В. П., Садовский Л. А. и др.]; под ред. М. Г. Чиликина. - М. : Энергия, 1971. -624 с.
6. Карпенко, Б. К. Шаговые электродвигатели. / Карпенко Б. К., Ларченко В. И., Прокофьев Ю. А. - К. : Техтка, 1972. - 216 с.
7. Сабинин, Ю. А. Автономные дискретные электроприводы с силовыми шаговыми двигателями. / Сабинин Ю. А., Кулешов В. И., Шмырева М. М. - Л. : Энергия, 1980. - 160 с.
8. Соколов, М. М. Дискретный электропривод электротермических установок. / М. М. Соколов, В. П. Рубцов. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 120 с.
9. Авторизованные учебные центры TRACE MODE и T-Factory [ Электронный ресурс] : сайт содержит сведения о разработке нових технологий управления производством компании AdAstra Research Group, Ltd. - М., 2012 - Режим доступа: http://www.adastra.ru/ edu/, свободный. - Загл. с экрана.
Стаття надiйшла до редакцп 10.09.2012.
И. А. Орловский, В. И. Бондаренко, И. А. Черняев, В. Ю. Андриенко
Лабораторный стенд управления шаговым двигателем от SCADA системы TRACE MODE
Для совершенствования учебного процесса в Запорожском национальном техничном университете разработан лабораторный стенд компьютерного управления шаговым двигателем от SCADA системы TRACE MODE через LPT и USB порты персонального компьютера. Разработана методика проведения лабораторных работ на стенде. Экспериментально получены временные диаграммы токов шагового двигателя ШД5.
Ключевые слова: лабораторный стенд, шаговый двигатель, SCADA система, учебный процесс.
I. A. Orlovskiy, V. I. Bondarenko, I. A. Chernyaev, V. U. Andrienko
Laboratory bench of stepper motor control of SCADA system TRACE MODE
To improve the educational process in Zaporizhzhya National Technical University the laboratory bench of computer stepper motor control of SCADA TRACE MODE system through LPT or USB port of a personal computer is developed. The technique of laboratory work at the bench is done. The waveforms of current stepper motor are experimentally obtained.
Key words: laboratory bench, stepper motor, SCADA system, the earning process.
