Устройство для измерения времени выбега скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Мытищинский филиал
Федерального государственного бюджетного образовательного
учреждение высшего образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э.
Баумана
(национальный исследовательский университет)»
(МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ФАКУЛЬТЕТ «Космический»
КАФЕДРА Информационно-измерительные системы и технологии приборостроения
Устройство для измерения времени выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока
Студент группы К2-83б И.А. Мезенцев
Руководитель ВКР профессор кафедры К2, д.т.н., Ю.Т. Котов
Москва, 2024 год
01

2.

Цель и задачи ВКРБ
Объектом работы является вал электродвигателя. Целью данной дипломной работы является разработка
устройства для измерения времени выбега скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока позволяющее
повысить его точность и улучшения для более точного измерения времени выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока, а также его расчет. В качестве базового устройства выбран тахогенератор. Для
достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов и устройств для измерения времени выбега скорости вращения вала
электродвигателей постоянного тока;
2. Разработать концепцию устройства, учитывая специфические требования к проведению измерений времени
выбега вала электродвигателя;
3.
Оценить точность и надежность измерений, проведенных с использованием разработанного устройства;
4.
Сравнить результаты измерений с данными, полученными при использовании стандартных методов и
устройства, сделать выводы о целесообразности и эффективности предложенных усовершенствований.
02

3.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: Методы и средства измерения
времени выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока
Схема устройства электродвигателя постоянного тока
Устройство электродвигателя постоянного тока: 1 — коллектор; 2 — щётки; 3 — сердечник якоря; 4
— сердечник полюса; 5 - полюсная катушка или катушка возбуждения; 6 — станина; 7, 12 —
подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря; 10 — вал; 11 — лапы.
03

4.

Вал электродвигателя
Вал
электродвигателя
—
это
вращающаяся
часть
электродвигателя, которая передаёт механическую энергию от
двигателя к рабочему механизму. Он является центральным
компонентом, который обеспечивает передачу механической
энергии от ротора к внешнему механизму или нагрузке. Он
выполняет несколько ключевых функций и имеет сложную
конструкцию, что позволяет ему эффективно выполнять свою
роль в работе электродвигателя.
04

5.

Время выбега
Время выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока — это
промежуток времени, в течение которого вал
двигателя
продолжает
вращаться
после
отключения питания до полной остановки. Это
время зависит от множества факторов, включая
инерцию вращающихся частей, механическое
трение в подшипниках и других элементах
двигателя, а также от внешних нагрузок,
приложенных к валу.
Для чего это нужно:
1. Безопасность.
2. Контроль процессов.
3. Диагностика и техническое обслуживание
4. Энергетическая эффективность
05

6.

Анализ существующих методов и устройств
измеряющих временя выбега скорости
вращения вала электродвигателя
постоянного тока
Оптические датчики
Индуктивные датчики
Тахогенераторы
06

7.

Методы измеряющие время выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока
1. Прямое измерение с помощью тахогенератора
Этот метод заключается в использовании тахогенератора, который прямо преобразует скорость вращения вала в
аналоговый электрический сигнал, пропорциональный скорости. Этот метод является одним из самых надежных и
точных для физического измерения скорости вала.
2. Стробоскопический метод
Этот метод использует стробоскоп для визуального определения скорости вращающегося объекта.
Стробоскопические измерения могут быть полезны в приложениях, где невозможно механическое соединение с валом.
3. Анализ вибрации
Методы, основанные на анализе вибрации, используют датчики для сбора данных о вибрации, которые могут быть
обработаны для оценки скорости вращения вала. Эти методы полезны в условиях, где другие методы неприменимы изза экстремальных условий эксплуатации.
4. Ультразвуковые методы
Ультразвуковые датчики могут использоваться для измерения скорости вращения вала без прямого контакта с ним, что
делает этот метод подходящим для условий с высокими температурами или коррозийной средой.
07

8.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ: Устройство измерения
времени выбега скорости вращения вала
электродвигателя постоянного тока
08

9.

Код для Arduino, который использует PID-контроллер
для регулировки скорости двигателя на основе данных
от тахогенератора
Объяснение работы кода:
1. Библиотека PID - в коде используется библиотека PID_v1.h для реализации
PID-регулятора. Это позволяет автоматически регулировать выходной сигнал
для управления скоростью двигателя в зависимости от заданной скорости и
текущего значения, считываемого с тахогенератора.
2. Настройка PID-регулятора - параметры 0.2, 0.5, и 0 в конструкторе PID
соответствуют коэффициентам пропорционального, интегрального и
дифференциального (P, I, D) воздействия. DIRECT указывает направление
действия регулятора.
3. Чтение и управление - через аналоговые входы считываются значения
установленной скорости (SET_PIN) и текущей скорости (TACHO_PIN).
Значение pwmSet используется для задания желаемой скорости, а pwmSpeed
отражает текущую скорость, полученную от тахогенератора.
4. Выполнение PID-расчета - функция myPID.Compute() автоматически
вычисляет необходимое изменение выходного сигнала (pwmOut), чтобы
приблизить pwmSpeed к pwmSet.
5. Вывод PWM сигнала - с помощью функции analogWrite() выходной PWM
сигнал подается на двигатель, что позволяет регулировать его скорость.
Этот код позволяет автоматически управлять скоростью двигателя на основе
обратной связи от тахогенератора, обеспечивая точное соблюдение заданных
параметров скорости.
09

10.

Улучшение: Фильтр скользящего
1. Как работает фильтр скользящего среднего: Определение размера окна (N): Размер окна