Фрагмент продуктивной технологии (руководство созданием лабораторного стенда для изучения вентильного электропривода с датчиком положения ротора)

Процесс формирования профессиональной компетентности будущих инженеров может быть воплощен в качественно новом по отношению к традиционной практике обучения применении физико-технических знаний в целях создания лабораторных стендов авторского исполнения. Указанный процесс, на первый взгляд, кажется нереализуемо сложным для своего воплощения в системе аудиторных занятий в вузе. Однако системный, дифференцированный, функционально-деятельностный и компетентностный подходы к формированию профессиональной компетентности будущих инженеров позволяют, во-первых, системно организовать образовательный процесс по индивидуальной программе, позволяющей раскрыть творческий потенциал студента, обеспечить выполнение функций специалиста в учебно-профессиональной деятельности студента, и сформировать необходимые компетенции для выбранного направления подготовки.

Опишем методику руководства созданием лабораторного стенда на примере направления подготовки 140400 – «Электроэнергетика и электротехника». Актуальным для студентов указанной специальности является постановка задач, связанных с изучением физико-технических характеристик приводных систем, которая может быть разрешима в процессе изучения раздела физики «электромагнетизм». Указанный педагогический процесс будет рассмотрен на примере создания студентом под руководством преподавателя лабораторного стенда, позволяющего изучать управляемый микроконтроллером вентильный электропривод, выполненный с датчиком положения ротора. Современное смещение акцентов в приводных системах от двигателей постоянного тока к двигателям переменного тока заставляет преодолевать ограниченность регулирования скорости за счет системы управления вращением на основе микроконтроллера. Сконструированный стенд позволяет разобрать физико-теоретическое содержание работы вентильного привода с оптическим датчиком положения ротора и управляющей микроконтроллерной системой. В процессе выполнения на стенде лабораторного практикума в целях поиска оптимального решения можно оперативно изменять структуру и конфигурацию изучаемой системы на уровне принципиальных схем.

Ценность процесса моделирования вентильного электропривода заключается в том, что лабораторный практикум, реализуемый с применением созданного стенда, так же является перспективной и востребованной для формирования профессиональной компетентности будущих инженеров формой учебных занятий по физике. Так как работа с моделью вентильного электропривода позволяет студентам электротехнического направления понять содержание происходящих физических процессов, увидев их воплощение в работе реального технического устройства. Приобретение навыков работы с профессиональным оборудованием вырабатывает глубокое когнитивно-деятельностное проникновение в выбранную предметную область, ликвидирует псевдо-боязнь собственного вмешательства в процесс изучения, создания, монтажа, отладки, настройки и эксплуатации технических систем.

В последствии, выполняя практические задания на лабораторном занятии с использованием изготовленного стенда, студенты смогут приобрести следующие компетентностно-значимые умения: самостоятельно планировать и проводить инженерный эксперимент с выбором варьируемых параметров, контролем выходных показателей с выбранной точностью и быстродействием; обосновывать выбор необходимого оборудования для проведения лабораторного эксперимента с позиций экономической целесообразности; статистически обрабатывать опытные результаты с учетом шумов и помех; эмпирически проверять и уточнять исходную теоретическую модель в исследуемом физическом процессе.

Однако, предметом рассматриваемый в настоящий момент методики руководства созданием лабораторного оборудования для исследования физических параметров объектов профессиональной деятельности инженеров (на примере стенда для исследования микропроцессорной системы управления вентильным двигателем) является процесс педагогического руководства созданием стенда. Стенд должен быть оснащен измерительным модулем с возможностью его подключения к компьютеру для изучения работы вентильного электропривода с датчиком положения ротора, в котором в качестве основного объекта изучения будет выбран датчик положения ротора и алгоритм его работы. Сам датчик предлагалось изготовить с возможностью реализации четырех возможных алгоритмов управления позиционированием ротора и при использовании логического анализатора визуально наблюдать изменения алгоритма на компьютере. Надо сказать, что сам продукт (лабораторный стенд) является принципиально новым, он не создан по образцу, таких стендов не существует, как и не существует его аналогов, в этом и заключается содержание продуктивной деятельности в отличие от репродуктивной.

Научная новизна созданного лабораторного стенда заключается не только в способе предложенного решения для целевого назначения, функциональной многозадачности и конструкционного исполнения стенда по изучению вентильного электропривода с датчиком положения ротора. Качественно новой является и педагогическая деятельность по системному методическому руководству деятельностью, впервые осуществляемой и преподавателем и студентом по самостоятельному созданию лабораторного оборудования для изучения физических процессов и явлений.

Задачи, возлагаемые на лабораторное оборудование нового поколения, требуют принципиально иных подходов к его созданию, и нуждаются в специальной научно-методической проработке его обоснования и сопровождения. В целях реализации контроля и изучения динамических процессов различной физической природы (электрических, магнитных, тепловых, механических и др.) помимо основной физической модели изучаемого устройства (вентильного электропривода), состав лабораторного стенда так же требует наличия систем многоканального мониторинга с использованием необходимых датчиков. Работа со стендом должна обеспечивать проведение одновременного контроля и запоминания мгновенных значений многих параметров; выполнение корреляционного анализа их взаимосвязи; осуществление полного энергетического анализа в многофазных системах; расчет косвенных параметров, которые либо сложно, либо нецелесообразно из экономических соображений измерять непосредственно. Поэтому воплощение поставленной задачи создания нового учебного оборудования в профессионально ориентированной деятельности преподавателя и студента по созданию лабораторного стенда логично разделить на следующие этапы.

Первый этап – поиск оптимального алгоритма управления объектом. Подбор алгоритма управления сложной технической системой начинается с задания, даваемого студенту преподавателем: изучить известные алгоритмы управления сложными техническими системами (скользящие, подчиненные, модальные, векторные, адаптивные, алгоритмы типа нейронных сетей и фаззи-логики) и выбрать из них подходящий алгоритм, компромиссно сочетающий в себе требования к вычислительным ресурсам, к возможности работать в условиях не линейного поведения объекта, неточного его описания, и способности адаптации к нестабильности параметров объекта управления.

Второй этап – масштабное преобразование профессионального объекта в модель, воплощенную в лабораторном стенде. Процесс обучения в вузе не может непосредственно задействовать промышленные образцы, направленные на выполнение узкой прикладной задачи, так как они не содержат ни информационных каналов, ни каналов управления, необходимых для изучения принципов работы технического оборудования. Совершенствование фундаментальных знаний возможно при изучении физических закономерностей и процессов на модели-аналоге, выполненной с соблюдением критериев подобия. Масштабные преобразования физической модели, выполняемые студентом под руководством преподавателя, должны быть такими, чтобы изучаемый объект был удобен для размещения в учебной лаборатории, обслуживании и эксплуатации и при этом не искажал изучаемые физические процессы.

Третий этап – программное обеспечение объектного уровня. Студенту на этом этапе необходимо подобрать существующее программное обеспечение микроконтроллеров для последующего выполнения задачи управления конкретным объектом, выбираемым для изучения в процессе проведения эксперимента по заданию пользователя. Критерии выбора программного обеспечения обосновываются студентом самостоятельно, исходя из требований эффективности и быстродействия. При работе с готовым лабораторным стендом программное обеспечение микроконтроллера обеспечивает выполнение необходимых коммутаций при изменении структуры изучаемого объекта, подачу тестовых сигналов на объект и измерение параметров объекта, а также решает задачу связи с программным обеспечением компьютера. Перевод измеренных кодов в физические величины происходит в программном обеспечении компьютера лабораторного стенда.

Четвертый этап – макетирование объекта на основе модульной технологии. Выбор модульной технологии при проектировании системы микроконтроллерного управления обусловлен экономией времени и материальных затрат. Лабораторная установка, собранная на базе модульной технологии, должна обеспечивать наглядность и позволять легко менять структуру исследуемой системы. Задача студента на данном этапе – выделить имеющиеся электронные узлы системы и собрать их в отдельные модули, согласовав для них уровни входных и выходных сигналов, и стандартизировав назначение контактов разъемов. В нашем случае, набор функциональных блоков, включает в себя следующие компоненты:

1. Устройства электропитания (одноканальные источники вторичного электропитания – линейные, импульсные; линейные стабилизаторы напряжения; сетевые регуляторы мощности);

2. Драйверы исполнительных устройств (электронные ключи переменного тока; электромагнитные реле; драйверы вентильного двигателя постоянного тока);

3. Устройства обмена данными (преобразователи интерфейсов; UART ↔ USB, UART ↔ RS-232);

4. Датчики состояния и преобразователи сигналов (усилитель сигнала ЭДС термопары; датчик разрежения; датчик влажности с токовым выходом; датчик температуры и влажности; датчик углового положения);

5. Интерфейсные модули индикации и клавиатуры с микроконтроллером;

6. Программаторы и отладчики микроконтроллеров;

7. Устройства коммутации.

Универсальность модульной технологии позволяет на этапе отработки макетного образца оперативно менять конфигурацию системы, собирать как макеты устройств, так и промышленные серийные изделия.

Приведенное выше абстрактное поэтапное описание деятельности преподавателя и студента по созданию лабораторного стенда проведено в целях определения основной магистрали процесса физико-технического моделирования, уточнить же его конструкционные особенности позволит конкретная характеристика объекта проектирования. В качестве использовавшихся конструкционных элементов лабораторного стенда был использован выбранный студентом, исходя из целевого предназначения создаваемого оборудования, набор модулей из серийно выпускаемых электронных компонентов. Стенд спроектирован и изготовлен с применением современного программного обеспечения и элементной базы. Указанный лабораторный стенд выполнен в настольном исполнении, для его изготовления были использованы следующие материалы: текстолит листовой (лицевая и тыловая панель), уголок комбинированный (опора стенда), каркас пластиковый (корпус стенда). Общий вид компьютеризированного лабораторного стенда, подключенного для снятия характеристик к персональному компьютеру с установленным на нем специализированным программным обеспечением, представлен на фотографии (Рисунок 3.4.1.).

Рисунок 3.4.1. Автор лабораторного стенда студент механико-технологического факультета ОГТИ (филиала) ОГУ О. Понькин

в процессе диагностической эксплуатации

Внешний вид лабораторного стенда с указанием основных элементов в виде модулей и графическим представлением алгоритмов работы датчика положения ротора (ДПР) представлен на Рисунке 3.4.2.

Рисунок 3.4.2. Схематичное отображение

внешней панели лабораторного стенда

Рассмотрим более подробно физическое содержание и функциональную нагрузку каждого модуля, составляющего лабораторный стенд.

Модуль питания. Для проведения лабораторных работ, исследований и испытаний приборов необходим эффективный источник питания. Выбор источника вторичного питания обусловлен необходимостью сочетания требований к коэффициентам пульсации и стабилизации; обеспечением надежности и защиты, как самого источника, так и нагрузки (тепловой защитой от повышения температуры силового ключа преобразователя, токовой защитой от превышения тока в силовом ключе, защитой от повышения или понижения напряжения питающей силовой сети, зашитой от короткого замыкания в нагрузке). Модуль питания представляет собой импульсный источник питания и имеет следующие характеристики: входное напряжение сети переменного тока: ~110-240 В, входной номинальный ток сети: 0,5 А, частота сети переменного тока: 50-60 Гц, выходное номинальное напряжение постоянного тока: 12 В, выходной номинальный ток: 2 А. Модуль питания имеет выключатель сети, индикатор сети и два гнезда подключения вольтметра для контроля выходного напряжения питания стенда.

Пульт управления. Микроконтроллерная система управления подразумевает наличие модуля для трехфазного двигателя постоянного тока – высоко интегрированной гибридной схемы, включающей цифро-аналоговую схему управления, схему электронного тахометра, а также мощные выходные ключи на полевых транзисторах, включенные по схеме трехфазного инвертора. Указанный модуль позволяет управлять трехфазным двигателем постоянного тока с датчиками положения ротора, обеспечивая регулирование и стабилизацию скорости вращения двигателя, торможение двигателя, измерение и ограничение уровня тока, потребляемого обмотками двигателя от внешнего источника, выдачу сигнала «ошибка» в критических режимах. Пульт управления выполнен в графическом виде, представляет собой контроллер управления вентильного привода реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola МС33035 и электронном тахометре МС33039. Органы пульта управления: многооборотный аналоговый элемент, задающий значение скорости; тумблер переключения контура скорости; тумблер переключения направления вращения; тумблер разрешения работы; тумблер режима ДПР; тумблер сброса ошибки; индикатор ошибки.

Модуль автономного инвертора. Модуль автономного инвертора имеет гнезда для подключения: трехфазного вентильного двигателя; модуля измерительного. Для визуального наблюдения режимов работы ключей силового инвертора применены светодиодные индикаторы. Вентильный двигатель представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрической машины и полупроводникового коммутатора фазных обмоток, управление ключами которого производится системой управления в зависимости от положения ротора. Информация о положении ротора может быть получена с помощью явно выраженного датчика положения ротора или программным способом после обработки сигналов ЭДС рабочей обмотки.

Датчик положения ротора (ДПР). В лабораторном стенде используется датчик положения ротора, создающий сигналы, несущие информацию об относительном положении осей полюсов ротора и осей фаз статорных обмоток двигателя. Датчик располагается в корпусе электромеханической части двигателя, но схемно связан с коммутатором. В датчике положения ротора применены оптические датчики с открытым каналом Р1230. Датчик, установленный по центру неподвижен, а датчики, установленные по бокам, имеют возможность позиционирования в пределах 170^о. Лимб датчика имеет разметку от 0^о до 180^о в обе стороны, что позволяет точно выставлять датчики при демонстрации работы ДПР или проведения лабораторного практикума. Для фиксации положения боковых датчиков центральная ось крепления подпружинена. Прерыватель выполнен из тонкого листа металла и имеет четыре лопасти. Для подключения двигателя ДПР к модулю автономного инвертора используются три гнезда имеющие обозначение: Фаза А, Фаза В, Фаза С.

Модуль «Алгоритм работы ДПР». Модуль «Алгоритм работы ДПР» на Рисунке 3.4.2. представлен в графическом виде, на котором изображены алгоритмы работы при различных углах позиционирования датчиков и имеет три гнезда с обозначением «Датчик ДА, ДС, ДВ» для подключения к измерительному модулю.

Модуль измерительный. В его состав входят осциллограф, логический анализатор и логический генератор. Он имеет два гнезда для подключения измеряемого сигнала к осциллографу и шестнадцать входных гнезд логического анализатора, восемь из которых при необходимости позволяют генерировать в тестируемую схему импульсы логического уровня. За основу взят радиолюбительский осциллограф Digital Scope подключаемый через USB к компьютеру и программное обеспечение USB DiSco v 3.24 распространяемое в Интернете бесплатно.

Учебно-демонстрационные возможности лабораторного стенда изучения работы вентильного электропривода с датчиком положения ротора востребованы в процессе формирования профессиональной компетентности будущих инженеров. Создание авторского лабораторного оборудования существенно обогащает не только материально-техническую базу образовательного учреждения за счет развития инженерно-технического потенциала студентов, но является мощным инструментом формирования компетенций специалистов, необходимых для профессиональной самореализации будущих инженеров.