Pompa z wirtualnym wałkiem rozrządu

-- poniedziałek, 01 maj 2006 20:08

Kiedy kolega używa w rozmowie słowa „wał rozrządu”, takie określenie zupełnie nie kojarzy się z chipem zawierającym programowalną bramkę logiczną (FPGA). Ale połączenie chipu FPGA z obecnie produkowanym oprogramowaniem dało w rezultacie wirtualny wałek rozrządu, który z sukcesem pracował podczas projektowania małej, szybkiej pompy. Active Signal Technologies (Linthicum, Maryland), nieduża firma zajmująca się konsultacjami w zakresie badań materiałów, opracowała pompę, a Mink Hollow Systems (Highland, Maryland), integrator systemów, wyprodukował oprogramowanie wirtualnego wałka rozrządu

Ponieważ mechaniczny zawór zwrotny nie mógł działać w tej pompie dostatecznie szybko, projektanci z Active Signal wykorzystali projekt aktywnego zaworu, uprzednio opracowany w firmie Moog (East Aurora, Nowy Jork), która dostarcza hydrauliczne serwomotory dla samolotów. Zawór zawiera dwa współśrodkowe cylindry, każdy z sześcioma otworami lub szczelinami. Podczas pełnego obrotu wewnętrznego cylindra o 360 stopni zawór otwiera się sześć razy, jedynie, gdy otwory zachodzą na siebie. Mały, wysokoobrotowy silnik elektryczny obraca wewnętrzny cylinder, a dziewięciobitowy koder dostarcza informacji o pozycji do systemu zbierania danych (DAQ), w gruncie rzeczy… wirtualnego wałka krzywkowego, który steruje napędzanym elektrycznie tłokiem pompy (pompa jest wyposażona w dwa zawory – wlotowy i wylotowy, ale dla uproszczenia opiszemy tylko działanie zaworu wylotowego). W czasie, który upływa pomiędzy każdym pokryciem się szczelin, tłok pompy wykonuje kompletny cykl pracy. Tak więc działa on z szybkością sześciokrotnie większą od obrotu zaworu. System DAQ musi dokładnie zsynchronizować tłok pompy z pozycją zaworu. Ustalanie szybkości silnika napędzającego zawór ustala także szybkość włączania się tłoka pompy za pośrednictwem wirtualnego wałka krzywkowego.

W miarę obrotu zaworu system DAQ powoduje błyskawiczne przemieszczenie się tłoka serią małych, krokowych zmian położenia, co w rezultacie daje najwyższą możliwą wartość ciśnienia przy otwarciu zaworu wylotowego. Te kroki mogłyby przedstawiać falę kwadratową, trójkątną lub sinusoidalną, w zależności od oczekiwanej w danej chwili charakterystyki pompy. Nie dość, że następuje zgranie pozycji zaworu z przesunięciami tłoka, to jeszcze tłok pompy prototypowej pracuje z częstotliwością 2000 do 5000 przesunięć w ciągu sekundy.

W prototypowym ustawieniu host PC mógłby włączyć pompę w trybie zsynchronizowanym tak, że tłok dokładnie podążałby za położeniem zaworu obrotowego. Jednak ze względu na ograniczenia w oprogramowaniu system DAQ nie mógłby zebrać wszystkich dziewięciu bitów z kodera pozycji. Projektanci pompy musieli poradzić sobie z ostatnim znaczącym bitem (LSB) w koderze, który wywoływał 256 pulsacji w czasie każdego obrotu. Zamiast wirtualnego wałka rozrządu, opartego na pozycjach bezwzględnych, system działał z częstotliwością 256 pulsacji w czasie jednego obrotu zaworu lub w oparciu o wskaźnik względnego położenia zaworu. Kilka dodatkowych pulsacji spowodowanych szumami lub kilka pulsacji pominiętych przez oprogramowanie powodowało brak synchronizacji tłoka z zaworem.

Aby uzyskać prawidłową pracę wirtualnego wałka rozrządu, doktorzy Arthur Cooke i Keith Bridger z Active Signal Technologies, pracowali wspólnie z Ericem Lynessem z Mink Hollow Systems. Lyness, architekt w LabVIEW, podjął decyzję, aby zainstalować pętlę cyfrowego sterowania w chipie FPGA, co mogłoby wpłynąć na polepszenie czasu odpowiedzi pętli. Dodatkowo szybkość działania chipu FPGA dałaby dostatecznie dużo czasu, aby zebrać i przetworzyć wszystkie dziewięć bitów z kodera wałka. W rezultacie nowe oprogramowanie sterujące mogłoby działać, wykorzystując informację o pozycji bezwzględnej.

Active Signal Technologies już zakupiły system DAQ oparty na PXI, więc Lyness po prostu zakupił płytę rozszerzającą opartą na PXI oraz FPGA produkcji LabVIEW. Po przepracowaniu około tygodnia nad oprogramowaniem i prototypem dysponował już prawidłowo działającą pompą. Ze względu na to, że oprogramowanie mogło już odczytać 512 unikalnych kodów zamiast tylko 256 impulsów dla każdego obrotu zaworu, Lyness mógł mierzyć bezwzględne położenie kątowe z dokładnością 1 części na 512, co odpowiada 0,70 stopnia. W oparciu o odczyt położenia otwarcia zaworu, mógł zatem obliczyć kody, które pojawią się przy pozostałych pięciu pozycjach odpowiadających otwartemu zaworowi. Oprogramowanie chipu FPGA używało unikalnych kodów pozycji do wytworzenia narastającego sygnału, wprawiającego tłok pompy w ruch.

Chociaż prototyp pracował zadowalająco, Cooke i Bridger chcieli uzyskać lepszą rozdzielczość fali dostarczanej do układu włącznika tłoka. Dla każdego obrotu cylindra zaworowego tłok pompy przechodził przez sześć cykli pracy. Tak więc każdy cykl tłoka mógł być scharakteryzowany tylko przez 512/6, czyli 85 unikalnych wartości. Kiedy oprogramowanie generowało falę sinusoidalną do układu sterowania tłokiem, musiało podać falę dla 360 stopni/85 kroków, czyli 4,2 stopnia na jeden krok. Cooke i Bridger zamierzali osiągnąć rozdzielczość jednego stopnia na każdy krok dla sygnału włączenia tłoka.

Autor: JON TITUS

Linki sponsorowane

	Produkcja od A do Z w samym sercu polskiego przemysłu Zapraszamy Państwa na VI edycję Targów Produkcji i Technologii PROTECH, które ponownie zagoszczą we Wrocławiu.
	Almanach Produkcji w Polsce Kompleksowy katalog w wersji on-online oraz drukowanej majacy na celu dostarczenie użytecznych informacji o dostawcach dla przemysłu jak i oferowanych przez nich produktach.