ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE DIPLOMOVÁ PRÁCA. Elektrotechnická fakulta Katedra elektrickej trakcie a energetiky Juraj Breskovec

Transcript

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCA 2007 Juraj Breskovec

2 Diplomová práca Priezvisko a meno: Juraj Breskovec Rok: 2007 Názov diplomovej práce: Realizácia pohonu akumulátorovej vŕtačky Fakulta: Elektrotechnická Katedra: KETE Počet strán: 42 Počet obrázkov: 20 Počet tabuliek: 2 Počet grafov: 11 Počet príloh: 4 Počet použi. lit.: 10 Anotácia v slovenskom jazyku: Práca sa zaoberá bezsnímačovým riadením jednosmerného motora s permanentnými magnetmi a filtráciou pozorovaných veličín, pričom taktiež zahrňuje aplikáciu a návrh pohonu pre konkrétnu akumulátorovú vŕtačku. Anotácia v anglickom jazyku: The work deals with sensorless permanent magnet DC motor control applied to real cordless driller. An 8bits microcontroller has been implemented, control structure includes current and speed loop and experimental results are proposed. Kľúčové slová: Jednosmerný motor s permanentnými magnetmi, kaskádne riadenie, PI regulátor, PWM regulácia, mikropočítač, CodeWarrior, FreeMaster, bezsnímačové riadenie, pozorovateľ, AKU vŕtačka, batéria, filter. Vedúci diplomovej práce: Ing. Pavol Makyš, PhD. Konzultant diplomovej práce: Ing. Rastislav Pavlanin Recenzent diplomovej práce: Dátum odovzdania diplomovej práce:

3 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCA TEXTOVÁ ČASŤ 2007 Juraj Breskovec

4 Obsah: ÚVOD PREHĽAD POHONOV POUŽÍVANÝCH V AKUMULÁTOROVÝCH VŔTAČKÁCH HISTÓRIA ROZDELENIE AKUMULÁTOROVÝCH VŔTAČIEK Malé akumulátorové skrutkovače: Akumulátorové vŕtacie a sekacie kladivá: Akumulátorové vŕtacie skrutkovače: POPIS AKUMULÁTOROVEJ VŔTAČKY ROZDELENIE BATÉRIÍ Niklokadmiové články (NiCd) Niklometalhydridové batérie (NiMh) Líthium-iónové akumulátory (Li-ión ) JEDNOSMERNÝ MOTOR S PERMANENTNÝMI MAGNETMI (JSMSPM ) NÁVRH RIADENIA AKUMULÁTOROVEJ VŔTAČKY VÝBER RIADIACEHO PRVKU CodeWarrior FreeMaster VÝBER RIADIACEJ ŠTRUKTÚRY SPÔSOB URČOVANIA UHOVEJ RÝCHLOSTI POHONU Určenie otáčiek ω z indukovaného napätia motora Určenie otáčok ω z napäťovej rovnice motora (estimátorom) ŠÍRKOVO IMPULZNÁ MODULÁCIA (PWM) PI REGULÁTOR Unášanie integračnej zložky ( Integrator Wind-up ) ČÍSLICOVÁ FILTRÁCIA SIGNÁLU Kĺzavý priemer Exponenciálny filter NÁVRH SCHÉMY ZAPOJENIA IDENTIFIKÁCIA PARAMETROV MOTORA REALIZÁCIA ZAPOJENIA NÁVRH DOSKY PLOŠNÝCH SPOJOV A POPIS ZAPOJENIA POPIS PROGRAMU PRE AKU VŔTAČKU Kaskádna regulácia Otvorená riadiaca slučka Impulzný režim (odťahovanie)...36

5 3.3. NAMERANÉ PRIEBEHY Regulácia prúdu a filter prúdu Regulácia otáčiek Opakované uzavieranie budiča tranzistora MOSFET...38 ZÁVER...41 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY...42

6 Zoznam použitých symbolov a skratiek: C D e F F o f PWM G I a i a I max J L a k k f M M e M N M z M zab p r 0 R R a R sp T Σ T i T f T s T PWM t on t off u konštanta momentu jednosmerných strojov strieda regulačná odchýlka prenosová funkcia regulovanej sústavy prenosová funkcia otvorenej slučky frekvencia PWM signálu prenosová funkcia regulovanej sústavy prúd kotvy jednosmerného motora okamžitá hodnota prúdu kotvy jednosmerného motora maximálny povolený prúd moment zotrvačnosti indukčnosť kotvy jednosmerného motora konštanta konštanta filtra počet bodov kĺzavého priemeru okamžitá hodnota elektromagnetického momentu nominálny moment moment záťaže záberový moment počet pólových dvojíc jednosmerného motora proporcionálna konštanta odpor odpor kotvy jednosmerného motora predradený odpor celková časová konštanta časová konštanta integrátora časová konštanta filtra doba vzorkovania doba periódy PWM signálu doba zapnutia doba vypnutia akčná veličina

7 U U a u a U i u i u Rcs U bat w x f y y f z τ e τ m ω ω N ω 0 Ω Φ M napätie napájacie napätie jednosmerného motora okamžitá hodnota napájacieho napätia jednosmerného motora indukované napätie okamžitá hodnota indukovaného napätia okamžitá hodnota napätia na meracom rezistore prúdu napätie batérie požadovaná veličina vstupná veličina filtra výstupná veličina výstupná veličina filtra poruchová veličina elektrická časová konštanta mechanická časová konštanta elektrická uhlová rýchlosť nominálna elektrická uhlová rýchlosť elektrická uhlová rýchlosť naprázdno mechanická uhlová rýchlosť rotora magnetický tok permanentných magnetov

8 DIPLOMOVÁ PRÁCA 6 Úvod Na svete existuje v súčasnosti mnoho druhov akumulátorového náradia s jednosmerným motorom s permanentnými magnetmi (bezšňúrové vŕtačky, skrutkovače, elektrické zubné kefky ale i napr. hračky ). Používajú sa všade tam, kde nie je prístup k rozvodom elektrickej energie ( na chatách, chalupách, lodiach, vo vesmíre a pod. ) Jeho rozvoj umožnili nové druhy výkonnejších a ľahších akumulátorov a v súčasnosti dokonca vytláčajú klasické elektrické náradie v triede nízkych výkonov. Tieto aplikácie sú väčšinou riadené veľmi jednoducho, v otvorenej slučke s reguláciou napätia metódou PWM generovanou jedným časovačom. Prečo teda na riadenie požiť mikropočítač? V súčasnosti sa táto súčiastka nachádza vo všetkých sofistikovaných zariadeniach, pri zachovaní nízkej ceny. V tejto diplomovej práci som sa pokúsil zostrojiť akumulátorovú vŕtačku riadenú 8 bitovým mikroprocesorom. Použitie mikroprocesora v aplikácii mi umožňuje implementáciu niektorých pokročilých metód riadenia, ako je napríklad ľahká zmena programu, bezsnímačové riadenie otáčiek v uzavretej slučke, alebo elektronická regulácia momentu. Elektronická regulácia momentu nahrádza drahšiu mechanickú preklzovaciu spojku ( v aplikáciách ako sú skrutkovače a vŕtačky ), čím znižuje celkovú cenu zariadenia. Čo sa týka bezsnímačového riadenia otáčok v uzavretej slučke, takéto riadenie sa nachádza len v pohonoch vyššej triedy a pridáva na celkovom výkone zariadenia. Táto téma zároveň zapadá i do môjho študijného oboru Elektrické pohony, pričom v tejto diplomovej práci som si vyskúšal nielen teoretickú časť návrhu pohonu, ale i tú praktickú časť: od návrhu zapojenia, praktickým zostrojením až vyhotovením programu a nastavením parametrov končiac.

9 DIPLOMOVÁ PRÁCA 7 1. Prehľad pohonov používaných v akumulátorových vŕtačkách 1.1. História Akumulátorové vŕtačky ( AKU vŕtačky ) sú súčasťou veľkej skupiny akumulátorového náradia, ktorej história sa začala písať niekde v 60. tých rokoch minulého storočia, kedy sa začali sériovo vyrábať niklokadmiové (NiCd) články. Prvá akumulátorová vŕtačka bola vyvinutá firmou Black & Decker, pre potreby kozmonautov pri výpravách Gemini a Apollo. Na obežnú dráhu ju vyniesli roku 1971 ( výprava Apollo 14) a osvedčila sa veľmi dobre. Odvtedy vzrástol výkon z pôvodných 2 Wh až na súčasných 86 Wh, t.j. do tej miery, že akumulátorové vŕtačky majú dostatočný výkon aj na príklep a bez káblov sa do betónu prebijú aj hmotnostne ľahšie akumulátorové kladivá. V súčasnosti prevláda trend prechodu na akumulátorové náradie zo sieťového pre výkon W Rozdelenie akumulátorových vŕtačiek malé skrutkovače vŕtacie skrutkovače jednorýchlostné dvojrýchlostné s príklepom akumulátorové vŕtacie a sekacie kladivá Malé akumulátorové skrutkovače: Používajú sa ako príručné náradie na uťahovanie závrtiek a skrutiek do M5 a do dĺžky 60 mm, zásadne do dreva alebo do plastov, len výnimočne na uťahovanie samorezných skrutiek do plechu. Ich akumulátory sa vyrábajú pre napätia 2,4; 3,6 alebo 4,8 V a tým je obmedzený aj ich maximálny krútiaci moment 5 Nm, ktorý tieto akumulátory dokážu vyvinúť. Otáčky sú približne ot/min, váha do 0,5 kg, takže sa dajú nosiť na karabíne na opasku.

10 DIPLOMOVÁ PRÁCA Akumulátorové vŕtacie a sekacie kladivá: Štvorkilogramové kladivá dokážu na jedno nabitie prevŕtať do betónovej steny až 177 otvorov s Ø6 mm a do hĺbky 40 mm. Zvládnu však aj vŕtanie do betónu s vrtákmi až do Ø16 mm. Motory kladív s priemerom rotora len 56 mm sú účinne chladené a niekoľkými spôsobmi chránené pred agresívnym prachom. Majú elektronickú brzdu motora, elektronickú reguláciu otáčok a príklepov, ktorých energia dosahuje 1-2 J, hĺbkový doraz a rýchloupínanie nástrojov Akumulátorové vŕtacie skrutkovače: Rast kapacity akumulátorov a zavedenie planétových prevodoviek, zotreli hranicu medzi jednoúčelovými skrutkovačmi a vŕtacími skrutkovačmi. Predvoľba maximálneho doťahovacieho momentu s radením rýchlostných stupňov umožňuje nastavenie buď malých otáčok iba na skrutkovanie (0-400 ot/min), alebo väčších otáčok na vŕtanie (zvyčajne ot/min).výkon závisí od kapacity akumulátorov podľa napätia, preto sa akumulátorové náradie rozdeľuje do tried 7,2 9,6 V; 12 V; 14 V; 18 V a 24 V. Nasleduje prehľadná tabuľka rozdelenia akumulátorov podľa tried napätia s príslušnými maximálnymi momentmi a približnými hmotnosťami podľa [4]. Trieda napätia akumulátora [V] M max pri I.st. [Nm] M max pri II.st. [Nm] Hmotnosť, vrátane akumulátora [kg] 7,2 9, , ,2-1,5 1,5-1,8 1,8-2,0 2,0-2,6 3-3,2 Tab. 1. Momenty vŕtacích skrutkovačov

11 DIPLOMOVÁ PRÁCA 9 Prepínač smeru umožňuje skrutky zaťahovať i odťahovať. Jeden nemenovaný výrobca vybavuje svoje akumulátorové vŕtačky špeciálnou funkciou, ktorá sa nazýva Impulzný mód, po jeho aktivovaní vyvíja akumulátorová vŕtačka impulzný moment (asi dva impulzy za 1 sekundu), ktorý slúži pre lepšie doťahovanie/odťahovanie matíc veľkých priemerov. Elektronicky (mikroprocesorom) riadený akumulátorový vŕtací skrutkovač oproti klasickému má niekoľko výhod. Medzi prvými uvediem absenciu preklzovacej spojky, kedy maximálny doťahovací moment je obmedzený elektronicky v riadiacom obvode. Teda mechanickú časť nahradí sekvencia kódu programu, ktorá netrpí žiadnym mechanickým opotrebením. Ďalšou veľkou výhodou je plynulý rozbeh a stabilizácia otáčok vo veľkom rozsahu zaťaženia motora AKU vŕtačky, čím dosiahneme ešte tvrdšiu otáčkovú charakteristiku. Ďalšie výhody sa týkajú lepšieho využitia batérie ako je zobrazovanie zostávajúcej uloženej energie a teploty batérie, alebo sa vŕtačka automaticky vypne po prekročení maximálnej teploty či minimálnej hodnoty napätia batérie. Elektrodynamická brzda zabezpečuje rýchly dobeh vretena a bez mechanického trenia Popis akumulátorovej vŕtačky V nasledujúcej časti stručne rozoberieme jednotlivé časti akumulátorovej vŕtačky. Skľučovadlo býva jednoduché, ktoré sa zaťahuje otáčaním, alebo rýchloupínacie, kedy sa nástroj len nasadí. Nastavovač maximálneho uťahovacieho momentu je to preklzovacia spojka, pre dotiahnutie skrutkového spoja na potrebné predpätie. Prevodovka pôvodne s priamymi, alebo šikmými zubami, v súčasnosti sa prechádza na účinnejšiu a menšiu planétovú prevodovku. Môže mať jednu, alebo dve rýchlosti. Batéria batérie používané v akumulátorových vŕtačkách sú popísané v časti 1.4 Rozdelenie batérií. Prepínač smeru, potenciometer a riadiaca elektronika tieto časti sú zlúčené do jedného bloku. Pomocou potenciometra nastavujeme žiadané otáčky, ktoré riadiaca elektronika zaistí pomocou PWM ( z angl. Pulse Width Modulation pulzno šírková modulácia ) modulácie vstupného napätia motora. Väčšinou ide o riadenie v otvorenej slučke.

12 DIPLOMOVÁ PRÁCA 10 Výkonový MOSFET tranzistor s chladičom MOSFET tranzistory sú veľmi často používané v aplikáciách s nízkym napätím, pretože tieto tranzistory sú veľmi rýchle a majú malé straty. Nabíjačka fyzicky nieje súčasťou AKU vŕtačky, avšak je tiež súčasťou zariadenia. Slúži na transformáciu a ukladanie energie zo striedavej elektrickej siete do akumulátora. Tiež prešli veľkou zmenou a z pôvodných 12 hodín nabíjania akumulátora sa tento čas skrátil na 15 minút. Na potlačenie pamäťového efektu NiCd článkov sa v priebehu nabíjania proces nabíjania a vybíjania niekoľko krát strieda. Sleduje sa napätie akumulátora, odoberaný prúd a jeho teplota. Na ich riadenie sa používa mikroprocesor. Motor v prevažnej väčšine sa používa jednosmerný motor s permanentnými magnetmi (JSMsPM ), jeho popis je veľmi dôležitý z hľadiska jeho riadenia a určovania otáčok, preto bude podrobnejšie rozobratý v samostatnej časti 1.5 Jednosmerný motor s permanentnými magnetmi (JSMsPM ) Motor (JSMsPM) KRAFTtech CDD1240 Výkonový MOSFET s chladičom Prepínač smeru, potenciometer, a riadiaca elektronika Batéria 24V; 1,2Ah Skľučovadlo Nastavenie uťahovacieho momentu Prevodovka Obr. 1.1 Vnútro AKU vŕtačky s popisom

13 DIPLOMOVÁ PRÁCA Rozdelenie batérií Najbežnejšie typy akumulátorov sú založené na elektrochemickom princípe. Prechádzajúci prúd v nich vyvoláva vratné chemické zmeny na elektródach, ktoré sa prejavia rozdielnym potenciálom elektród. Z nich potom môžeme čerpať elektrickú energiu naspäť, pričom sa nabíjaním zmenené chemické zlúčeniny na jednotlivých elektródach dostávajú do pôvodného stavu Niklokadmiové články (NiCd) Napätie jedného článku je 1,2 V, preto sa tieto články spájajú do blokov s napätím 2,4-3,6-7,2-9, a výnimočne aj 36 V. Ich výhodou je možnosť poskytnúť rázom veľký prúd, ale majú aj veľa nevýhod: pamäťový efekt, malú životnosť ( nabíjacích cyklov), veľkú hmotnosť a zaťažujú životné prostredie. Pamäťový efekt je vlastnosť NiCd článkov, ktorá spočíva v tom, že ak akumulátor nabíjame skôr, než je celkom vybitý, v ďalšom funkčnom cykle sa článok vybíja iba na úroveň predošlého vybitia. Tým sa samozrejme značne znižuje jeho kapacita a výkon celého zariadenia Niklometalhydridové batérie (NiMh) Kvôli mnohým nevýhodám NiCd článkov, sa od roku 2000 začínajú postupne presadzovať NiMh batérie. Takmer vôbec netrpia pamäťovým efektom, pri rovnakom výkone majú NiMh akumulátory o tretinu menšie rozmery a sú o pätinu ľahšie. Okrem toho sú ekologicky neškodné Líthium-iónové akumulátory (Li-ión ) Sú veľmi výkonné a ľahké, netrpia žiadnym pamäťovým efektom, teda môžu byť kedykoľvek nabíjané, i keď počet nabíjacích cyklov sa tým znižuje. Ďalšou výhodou je veľmi malá miera samovybíjania, uložená energia je veľmi dlho uchovávaná. Li-ión články chráni pred preťažením, úplným vybitím a prehriatím elektronická ochrana. Tá spočíva v kontrolke stavu nabitia akumulátora LED a LED ukazovateľa teploty batérie. Li-ión akumulátor je o 40% ľahší ako NiMh batéria rovnakej kapacity a zvládne aj dvojnásobok nabíjacích cyklov Jednosmerný motor s permanentnými magnetmi (JSMsPM ) Pre upresnenie, ide o jednosmerný motor s permanentnými magnetmi s komutátorom a kefami.

14 DIPLOMOVÁ PRÁCA 12 Z hľadiska analýzy ich môžeme porovnať s cudzobudenými jednosmernými motormi, ktoré pracujú s konštantným budiacim prúdom. Tento predpoklad nemusí byť celkom splnený, ak uvažujeme demagnetizačný účinok reakcie kotvy. Prechodový odpor kief môžeme zanedbať a jediným nelineárnym javom ostáva moment strát, ktorý je veľmi často považovaný za lineárnu funkciu rýchlosti a takým spôsobom je aj zahrnutý do analýzy. Preto JSMsPM možno považovať za lineárne zariadenie v celom prevádzkovom rozsahu momentu a rýchlosti. Jeho účinnosť je vysoká, pretože nemá straty v budiacom vinutí. Pre JSMsPM môžeme považovať CΦ M = konšt. a charakterizujú ho tieto rovnice: di u + dt a a = Ra ia + La ui, (1.1) u i CΦ ω, (1.2) = M M e = CΦ M. ia, (1.3) dω J = dt ( M e M z ), (1.4) ω = p.ω. (1.5) Význam jednotlivých symbolov je uvedený v zozname použitých symbolov. Náhradná schéma JSMsPM : R a L a Φ M U a U i Obr. 1.2 Náhradná schéma JSMsPM

15 DIPLOMOVÁ PRÁCA 13 ω [rad/sec] ω 0 ω N 0 M N M zab 6,5 M N [Nm] Obr. 1.3 Výstupná (mechanická) charakteristika JSMsPM Pre reguláciu rýchlosti JSMsPM platia takmer rovnaké zásady ako pre jednosmerný motor s klasickým elektromagnetickým budením. Vychádzajúc z rovnice, platiacej v ustálenom stave: = U ( R + R ). I a a sp ω a, (1.6) CΦM CΦM čo by sme mohli prirovnať k rovnici priamky v smernicovom tvare : y = q k. x, ω = ω k.. (1.7) o I a pretože Z rovníc vyplýva, že otáčky JSMsPM môžeme riadiť len zmenou napätia U a, CΦ M =konšt a riadenie otáčok pomocou R sp je nehospodárne. Napätie motora U a môžeme najlepšie meniť, takmer bezstratovo, pomocou PWM šírkovo impulznej modulácie ( pozri kapitolu 2.4).

16 DIPLOMOVÁ PRÁCA Návrh riadenia akumulátorovej vŕtačky Mojím zámerom je navrhnúť pohon pre konkrétnu akumulátorovú vŕtačku KRAFTtech CDD1240, ktorá má riadenie otáčok v otvorenej slučke tak, aby bola riadená v uzavretej slučke a použiť pre toto riadenie vhodný mikroprocesor. Takto upravená akumulátorová vŕtačka by mala mať niektoré nové výhodnejšie vlastnosti: riadenie otáčok v uzatvorenej slučke stabilné otáčky v širokom rozmedzí zaťaženia, elektronicky nastaviteľný maximálny moment, signalizáciu podpätia, možnosť ovládania pohonu z nadradeného osobného počítača, zobrazovanie jednotlivých premenných na obrazovke osobného počítača. Tento cieľ môžeme rozdeliť do nasledujúcich bodov: výber riadiaceho prvku, výber riadiacej štruktúry, spôsob určovania uhlovej rýchlosti pohonu, návrh schémy zapojenia, identifikácia parametrov motora, výber ďalších algoritmov ( regulácia napätia, regulátory, filtre ), konštrukcia a oživenie zapojenia Výber riadiaceho prvku Jednotky mikroprocesorov (MCU) slúžia v systémoch riadenia ako centrálne, výkonné jednotky a zároveň vykonávajú funkcie riadenia v reálnom čase. Mikroprocesor obvykle na jednom čipe obsahuje pamäť, časovače a vstupno/výstupné obvody, čím znižuje počet potrebných integrovaných obvodov v systéme, zvyšuje spoľahlivosť systému a znižuje nebezpečie rušivých signálov [6]. Pri výbere vhodného riadiaceho prvku som bral do úvahy dostupnosť tejto súčiastky, dostupnosť jej programátora a vývojového prostredia, aby mala táto súčiastka dostatok výstupov a aspoň jeden PWM výstup. Z týchto požiadaviek mi vyšiel mikroprocesor od firmy Freescale Semiconductors - MC9S08QG8, ktorý je 8 bitový a jeho dostupnosť je bezproblémová, pretože firma Freescale Semiconductors ponúka zasielanie vzoriek svojich výrobkov v malých množstvách priamo do domu a celkom bezplatne.

17 DIPLOMOVÁ PRÁCA 15 Tento mikroprocesor charakterizujú tieto vlastnosti: 8K bytová pamäť programu a 128 bytová pamäť RAM, 2 kanálový PWM modulátor, 8-kanálový, 10-bitový A/D prevodník, SCI - zabudovaná sériová komunikácia, ICS - vnútorný oscilátor s frekvenciou do 20MHz, 12 vstupno /výstupných pinov, 1 len vstupný, 1 len výstupný, 16-pinové PDIP puzdro, integrované pull-up rezistory. Obr. 2.1 Prehľad periférií mikroprocesora MC9S08QG8 podľa výrobcu CodeWarrior Pre jeho naprogramovanie je dostupné vývojové štúdio CodeWarrior v5.0 for Freescale HC(S)08 Microcontrollers. CodeWarrior ponúka niekoľko, pre užívateľa veľmi výhodných možností ( možnosť programovania v jazyku C, v assemblery, grafické prostredie nastavovania jednotlivých registrov a iné ).

18 DIPLOMOVÁ PRÁCA 16 Obr. 2.2 Ukážka užívateľského rozhrania programu CodeWarrior Na zavedenie hotového programu do mikroprocesora je potrebný len jeden pin (PTA4/BKGD), mikroprocesora. Programátor je od firmy P&E Microcomputer Systems, ktorý sa pripája k osobnému počítaču cez USB, na jednej strane, a k mikroprocesoru pomocou BDM portu na druhej strane. Obr. 2.3 BDM port pre pripojenie mikroprocesora ku programátoru Pomocou tohto portu sa mikroprocesor nielen programuje, ale i komunikuje s osobným počítačom pomocou programu FreeMaster FreeMaster FreeMaster je aplikácia vyvinutá inžiniermi Motorola/Freescale umožňujúca riadenie vzdialených (embedded zabudovaných ) aplikácií pomocou grafického rozhrania bežiacom na osobnom počítači. Pôvodne bol určený pre návrhárov elektrických pohonov, ale našiel si i mnohých iných používateľov. Niektoré z vlastností FreeMastera: grafické prostredie, jednoduché ovládanie,

19 DIPLOMOVÁ PRÁCA 17 pripojenie pomocou sériovej linky RS232, alebo portu BDM, prístup v reálnom čase k premenným v jazyku C v sledovanej aplikácii, zobrazenie sledovaných premenných graficky krivkou ( Scope ), niektoré transformácie pre reálne premenné, zobrazenie premenných v rôznych formátoch ( ako reálne, binárne, hexadecimálne, decimálne alebo ASCII číslo ), vzdialená kontrola cez internet. Obr. 2.4 Ukážka užívateľského rozhrania programu FreeMaster 2.2. Výber riadiacej štruktúry Vzhľadom na to, že riadiaci mikroprocesor je 8 bitový a teda jeho presnosť i výpočtový výkon sú obmedzené, riadiaca štruktúra musí spĺňať podmienku čo najväčšej jednoduchosti. Z mnohých regulačných schém som predbežne vybral schému pre kaskádnu reguláciu, pretože je nenáročná na výpočtový výkon, je jednoduchá, rýchla a časom overená.

20 DIPLOMOVÁ PRÁCA 18 Regulačná schéma: PI PI ω_d I_d PWM ω regulátor otáčiek saturácia I_r regulátor prúdu Ra La U D1 Ui s ω Obr. 2.5 Kaskádna regulácia Nadradený regulátor otáčok sa nastaví podľa kritéria symetrického optima (KSO). Táto metóda vychádza zo symetrického priebehu logaritmickej amplitúdovej charakteristiky okolo frekvencie rezu. Prenos otvorenej slučky: 1+ 4TΣ. s F o ( s) = 2 2 8TΣ. s (1 + stσ ) (2.1) Prekmit je 43,3% žiadanej hodnoty a doba ustálenia je 16,5.T Σ. Podradený regulátor prúdu musí byť veľmi rýchly a nastaví sa podľa kritéria optimálneho modulu (KOM). Táto metóda vychádza z toho, že amplitúdová charakteristika má mať s vyššími frekvenciami klesajúci charakter. Prenos otvorenej slučky: F 1 ( s) = o 2TΣ. s(1 + stσ ) (2.2) Prekmit dosiahne iba 4,5% a ustálenie výstupnej veličiny nastane za čas 9.T Σ. Maximálny moment sa nastaví v obmedzovači žiadaného prúdu, ktorý sa nachádza za nadradeným regulátorom otáčok Spôsob určovania uhovej rýchlosti pohonu Do úvahy prichádzajú tieto tri spôsoby určovania uhlovej rýchlosti pohonu: snímačom umiestneným na hriadeli motora nevýhodné z hľadiska rozmerov snímača a veľkosti jeho ceny.

21 DIPLOMOVÁ PRÁCA 19 pozorovateľom alebo estimátorom výhodné z hľadiska množstva sledovaných veličín ( napr. M z ), ale nevýhodné z hľadiska potrebného výpočtového výkonu mikroprocesora. pomocou merania indukovaného napätia motora jednoduché a na výpočet nenáročné riešenie. Pre objasnenie bude táto metóda vysvetlená samostatne v nasledujúcej podkapitole Určenie otáčok ω z indukovaného napätia motora Podľa rovnice (1.2) je indukované napätie motora priamo úmerné jeho uhlovej rýchlosti, pretože CΦ M jednoduchého vzťahu: = konšt a teoreticky sa nemení, rýchlosť motora určíme podľa ω U = i CΦ M (2.3) Priebeh elektrických veličín pri PWM modulácií, ak nahradíme exponenciálny nábeh prúdu lineárnym: i a [A] u a [V] U bat Pripojené napätie batérie t [s] PWM [-] Indukované napätie motora Nulová dióda t [s] t [s] Obr. 2.6 Priebehy el. veličín pri PWM modulácii režim prerušovaných prúdov

22 DIPLOMOVÁ PRÁCA 20 Indukované napätie môžeme merať pomocou vhodného zapojenia operačného zosilňovača: R1 U_bat D1 Ui R4 + - Uo PWM R2 R3 Obr. 2.7 Principiálna schéma pre meranie indukovaného napätia Indukované napätie meriame vždy krátko pred zopnutím PWM spínača. Táto metóda bola prevzatá zo zdroja [7] Určenie otáčok ω z napäťovej rovnice motora (estimátorom) Predchádzajúca metóda určovania otáčok (2.3.1) sa mi pri pokusoch s prototypom neosvedčila. Pri vysokých otáčkach a malom zaťažení je priebeh prúdu a napätia na svorkách motora naozaj taký ako na obr Avšak pri zaťažení motora prechádza prúd z režimu prerušovaných prúdov do režimu spojitých, kedy sa na svorkách už neobjavuje indukované napätie a už sa nedajú určiť otáčky zo vzťahu (2.3). Priebeh prúdu a napätia v režime spojitých prúdov je zobrazený na obr Na svorkách motora sa strieda iba doba pripojeného napätia batérie a doba vedenia prúdu nulovou diódou, kedy je na svorkách nulové napätie. Preto bolo treba vymyslieť iný, na výpočet nenáročný, spôsob určovania indukovaného napätia motora.

23 DIPLOMOVÁ PRÁCA 21 i a [A] u a [V] U bat Pripojené napätie batérie t [s] Nulová dióda PWM [-] t [s] t [s] Obr. 2.8 Priebehy el. veličín pri PWM modulácii režim spojitých prúdov motora Pomocou zanedbania indukčnosti sa to dá z napäťovej rovnice motora (1.1) u = u R. i (2.4) i a Indukčnosť kotvy motora môžeme zanedbať vtedy, ak elektrická časová konštanta τ e = L a / Ra je omnoho menšia ako je jeho mechanická časová konštanta τ m (približná rovnosť medzi τ e a τ m platí v motoroch s diskovou kotvou). Výsledná chyba je zanedbateľná v menej náročných aplikáciách. Z takto určeného indukovaného napätia určíme podľa už spomínaného vzťahu (2.3) otáčky motora Šírkovo impulzná modulácia (PWM) Unipolárna šírkovo impulzná modulácia sa používa na reguláciu analógových veličín pomocou dvojhodnotového (digitálneho) riadiaceho signálu. Výsledná analógová hodnota je strednou hodnotou série impulzov s rovnakou amplitúdou avšak s rôznou šírkou a/alebo frekvenciou impulzov. Šírkovo impulzná modulácia sa úspešne a

24 DIPLOMOVÁ PRÁCA 22 používa vďaka zabudovaným riadiacim PWM obvodom v mikropočítačoch a DSP procesoroch. y [ ] y max t on t off y min =0 0 T PWM 2T PWM t [s] t Obr. 2.9 PWM priebeh Strednou hodnotou z tohto priebehu je y = y. t on max (2.5) toff + ton Pomer t t + t ) sa nazýva strieda ( v anglicky hovoriacich krajinách duty ), on /( off on značí sa D a vyjadruje sa v percentách. Pričom D = 100% je plné napätie zdroja a D = 0% je nulové výstupné napätie. Týmto spôsobom vyrátame i stredné napätie na svorkách motora, pretože napätie batérie meriame a strieda PWM signálu nám je tiež známa PI regulátor Spojité PI regulátory ( Proporcionálno Integračné ) sa v praxi veľmi dobre osvedčili, takže boli prevedené i do číslicových algoritmov ( tu majú názov Proporcionálno Sumačné, skratka je PS ) a bežne sa pri počítačovom riadení využívajú. Pri prevode funkcií boli spojité operácie (integrácia, derivácia) nahradené numerickými formulami. Ukážeme si to na príklade matematického popisu funkcie PI regulátoru: 1 y( t) = r + t 0. e( t) e( t). dt. (2.6) T 0 i

25 DIPLOMOVÁ PRÁCA 23 Ak túto rovnicu prevedieme do prírastkového tvaru (t.j. vyjadríme veľkosť zmeny výstupu z regulátoru za periódu vzorkovania) a upravíme na rozdiely proporcionálnej a integrační časti zvlášť, dostaneme: r [ ] t t 0 s y( t) y( t T = + T s ) r0. e( t) e( t Ts ) e. dt e. dt (2.7) T 0 0 a po náhrade integrácie numericky (obdĺžnikovým pravidlom) a zavedení indexovania pre čas (čas t... index k, čas t-t S... index k-1) dostávame: r y. 0 k = yk 1 + r0 ( ek ek 1) + Ts ek, (2.8) Ti čo je číslicový ekvivalent rovnice (2.6) a vyjadruje PS regulátor v prírastkovom tvare s obdĺžnikovou integráciou [10] Unášanie integračnej zložky ( Integrator Wind-up ) Každý akčný člen je schopný realizovať riadiaci signál len v určitom rozsahu. Z tohto dôvodu je nevyhnutné doplniť regulačnú slučku nelinearitou saturáciou. i Obr Regulačná slučka s rešpektovaním saturácie vstupu riadeného procesu Z obr. 2.10je zrejmé, že skutočný (realizovaný) vstup procesu u môže byť teraz rôzny od výstupu regulátora u. V takomto prípade je však regulačná slučka rozpojená a dochádza k nežiadúcemu unášaniu stavu regulátora. V dôsledku toho vznikajú dlhé nežiadúce prechodové javy po návrate do lineárneho režimu. Klasický spôsob, ako odstrániť unášanie integračnej zložky u PI regulátoru, je naznačený na nasledujúcom obrázku ( podľa [9] ).

26 DIPLOMOVÁ PRÁCA 24 Obr Klasická štruktúra PI regulátora zabraňujúca unášaniu integračnej zložky ( anti-reset windup ) Obr Alternatívny spôsob odstránenia unášania integračnej zložky PI regulátora Pri prírastkových algoritmoch možno zaviesť obmedzenie vypočítanej akčnej veličiny na interval (u min, u max ) a v časoch u[(k-1)t s ] uchovávať hodnoty iba z tohto intervalu. Ak je u(kt s ) rovné niektorej z oboch medzných hodnôt, zotrvá na tejto hodnote, pokiaľ sa nezmení znamienko prírastkov u(kt s ), ktoré priviedli akčnú veličinu na medznú hodnotu Číslicová filtrácia signálu Nameraný signál je často zhoršený šumom, t.j. náhodným signálom s frekvenciou vyššou ako je meraný signál. Tento šum sa k meranému signálu pripočítava. Ak je šum veľký, je meraný signál nepoužiteľný k účelu riadenia. Na nasledujúcom obrázku je názorne vidieť, ako šum (modrá krivka) skresľuje meraný signál (čierna krivka) a výsledný vzorkovaný signál (červená krivka).

27 DIPLOMOVÁ PRÁCA 25 y [-] 0 T s T s T s T s... t [s] Obr Vplyv šumu na meraný signál Na potlačenie šumu sa používajú rôzne filtre, z číslicových popíšem dva kĺzavý priemer exponenciálny filter Kĺzavý priemer Kĺzavý priemer je najpoužívanejší filter v DSP ( z angl. Digital Signal Processor digitálny signálny procesor ) hlavne preto, že je najjednoduchší na pochopenie i použitie. Hoci je jednoduchý, uchováva si schopnosť potláčať šum a pritom zachovať ostrú nábežnú hranu signálu. Na druhej strane je to najhorší filter, ak je potreba oddeliť jedno frekvenčné pásmo od druhého. Túto nevýhodu čiastočne odstraňujú jeho modifikácie podľa Gaussiana a Blackmana bližšie rozobraté v [8]. 1 y f [ i] = x f [ i + j] (2.9) M M 1 j= 0 a) Pôvodný signál b) 11 bodový kĺzavý priemer Amplitúda Amplitúda Číslo vzorky Číslo vzorky

28 DIPLOMOVÁ PRÁCA 26 c) 51 bodový kĺzavý priemer Amplitúda Číslo vzorky Obr Príklad činnosti kĺzavého priemeru Exponenciálny filter Tento filter je matematicky popísaný jednoduchou diferenciálnou rovnicou 1.rádu. d y f T f + y f = x f (2.10) dt Ak deriváciu v tejto rovnici nahradíme približným vzťahom / t, kde y f t = T s, dostaneme po úprave vzťah pre exponenciálny filter [10]. y y + k ( x y ) 1 (2.11) f = f 1 f f f Ts k f =, 0 < k f < 1 (2.12) T + T f s Hodnota T f (k f ) sa volí podľa konkrétnej aplikácie a jej význam je zobrazený na nasledujúcom obrázku. x f (k.t s ) y f (k.t s ) T f T s T s T s T s T s k.t s Obr Príklad činnosti exponenciálneho filtra

29 DIPLOMOVÁ PRÁCA Návrh schémy zapojenia Schéma zapojenia musí obsahovať vhodne zapojený spínací prvok, obvod na meranie prúdu a indukovaného napätia. Zjednodušená bloková schéma je zostrojená na obr ( neobsahuje pomocné obvody pre zapojenie tlačítok, LED diód a pod.). +24V Prepínač smeru Do Ui BUDIČ T1 MC9S08QG8 Rcs Diferenciálne zapojenie OZ Obr Principiálna schéma zapojenia motora Diferenciálne zapojenie OZ: R2 R1 Ud R1 Uo R2 Obr Zapojenie diferenciálneho zosilňovača spolu so schematickou značkou U+

30 DIPLOMOVÁ PRÁCA 28 Jeho zosilnenie je dané vzťahom: R U = U d + U (2.13) R1 Pomocou tohto zapojenia môžeme merať prúd prechádzajúci motorom ( prevedený na napätie na meracom odpore prúdu R cs ) a vhodne nadefinovať rozsah výstupného napätia Identifikácia parametrov motora Výrobca udával iba menovité otáčky n N = ot/min. Preto bol motor AKU vŕtačky KRAFTtech CDD1240 premeraný podľa metód uvedených v [1]. Tu sú výsledné parametre: U a (900 ot/min) = 27 V; R a = 2,25 Ω; L a = 3,9 mh J = 6, kg.m 2 ; p = 1; CΦ M = 0,0278 V.sec/rad

31 DIPLOMOVÁ PRÁCA Realizácia zapojenia Zapojenie som realizoval tak, aby sa dalo namontovať do zakúpenej akumulátorovej vŕtačky od firmy Krafttech. Napäťový menič je jednokvadrantový, ako spínací prvok bol použitý MOSFET tranzistor IRFZ 46N. Pôvodne bolo mojím zámerom zrealizovať aj elektronickú brzdu, ale z dôvodu malého priestoru vnútri vŕtačky, som od tohto zámeru upustil. Ako snímač prúdu je použitý merací odpor s hodnotou 40 mω. Táto časť je rozdelená do týchto podkapitol: Návrh dosky plošných spojov (DPS) a popis zapojenia Popis programu pre AKU vŕtačku Namerané priebehy 3.1. Návrh dosky plošných spojov a popis zapojenia Na obr. 3.1 je zobrazená podrobná schéma zapojenia. Všetky súčiastky sú s púzdrom pre povrchovú montáž (SMD z angl. Surface Mount Devices), okrem troch: zenerovej diódy D3, budiča IR2125 a mikroprocesora MC9S08QG8. Môžeme ju rozdeliť do piatich hlavných častí: napájací zdroj 3,3 V, budič so svojim zdrojom 16 V, meranie prúdu, meranie napätia batérie a mikroprocesor. Hlavnou súčiastkou napájacieho zdroja 3,3 V je všeobecne známy stabilizátor LM317, ktorého výstupné napätie je nastavené pomocou rezistorov R2, R3. Na jeho vstupe i výstupe sú podľa odporúčania výrobcu zapojené dva kondenzátory. Jeden je vždy keramický a druhý (ten s vyššou kapacitou) tantalový z dôvodu úspory miesta. Budič IR2125 je určený na budenie spínacích MOSFET tranzistorov zapojených vo vrchnej, alebo spodnej časti meniča. Tento budič umožňuje zabudovať nadprúdovú ochranu, ktorú som však nepoužil, pretože nadprúd obmedzujem iba v programe. Ďalšou jeho črtou je, že sa automaticky uzavrie pri poklese napájecieho napätia pod 9 V. Táto jeho vlastnosť je však viac menej nevýhodou, pretože tranzistor môže byť spínaný i napätím 5 V, a teda tento budič neumožňuje naplno využiť kapacitu batérie. Na druhej strane, s veľkou rezervou chráni použitý MOSFET tranzistor. Zapojenie pomocných súčiastok je opäť realizované podľa odporúčania výrobcu. Zdroj budiča 16 V je riešený pomocou deliča napätia, zloženého zo zenerovej diódy D3 a odporu R10. Pretekajúci prúd je 8 ma a výsledné napätie je akumulované v tantalovom kondenzátore C2.

32 DIPLOMOVÁ PRÁCA 30 Obr. 3.1 Podrobná schéma zapojenia

33 DIPLOMOVÁ PRÁCA 31 Meranie prúdu je uskutočnené pomocou meracieho odporu R cs a diferenčného zapojenia operačného zosilňovača IC2. IC2 je nízkonapäťový rail-to-rail operačný zosilňovač MC Rail-to-rail znamená, že napätie na jeho vstupe alebo výstupe sa môže meniť takmer úplne v rozsahu napájacích napätí. V tomto prípade sa výstupné napätie môže meniť v rozsahu 50 mv od každého napájacieho napätia. Takáto súčiastka umožňuje postaviť zapojenie s malým množstvom súčiastok pre zosilnenie malého úbytku napätia na meracom rezistore prúdu. Jediná chyba môže nastať pri veľmi malých prúdoch a tá môže byť eliminovaná v programe. Napätie batérie je zisťované pomocou odporového deliča R6, R9 a je priamo pripojené na A/D prevodník mikroprocesora. Mikroprocesor potrebuje len minimum externých súčiastok, nepotrebuje externý oscilátor, ani žiadne pull-up rezistory. Stačí mu priviesť napätie 3,3 V s jednoduchým filtrom tvoreným jediným kondenzátorom a vodič pre programovanie a komunikáciu s osobným počítačom (BKGD pin). Zapojenie jednotlivých pinov: pin č. názov pinu typ pinu popis signálu IC3 1 PTA5/RESET In *** nie je zapojený *** 2 PTA4/BKGD Out Programovací pin 3 VDD Sup +3V3 4 VSS Sup GND 5 PTB7 I/O *** nie je zapojený *** 6 PTB6 I/O LED1 7 PTB5/TPM1 I/O LED2 8 PTB4 I/O Otvorená / Uzavretá riadiaca slučka 9 PTB3/ADP7 I/O meranie napätia batérie 10 PTB2/ADP6 I/O nastavenie maximálneho momentu 11 PTB1/TXD I/O TxD 12 PTB0/RXD I/O RxD 13 PTA3/ADP3 I/O Meranie prúdu 14 PTA2/ADP2 I/O nastavenie požadovanej rýchlosti 15 PTA1/ADP1 I/O Režim odťahovania ( impulzný ) 16 PTA0/TPM0 I/O PWM signál

34 DIPLOMOVÁ PRÁCA 32 Výsledná DPS, zväčšená dvojnásobne je zobrazená na nasledujúcom obrázku. Pri návrhu jej rozmerov i rozmiestnenia súčiastok som prihliadal na existujúce voľné priestory vnútri vŕtačky. Obr. 3.2 Doska plošných spojov Ovládacie a signalizačné prvky ( tlačítko, prepínač a obe LED diódy), nie sú umiestnené na DPS, ale sú rozmiestnené mimo, opäť podľa daných podmienok vnútri vŕtačky. Schéma ich zapojenia je na nasledujúcom obrázku. Obr. 3.3 Zapojenie vonkajších periférií Potenciometer R13 je pôvodný posuvný potenciometer zabudovaný v rukoväti vŕtačky. Výstupné napätie je privedené do A/D prevodníka MCU a informuje o požadovanej rýchlosti (ot/min). Potenciometer R14 je otočný lineárny potenciometer

35 DIPLOMOVÁ PRÁCA 33 slúžiaci pre nastavenie maximálneho momentu vretena vŕtačky a je umiestnený vo vrchnej časti vŕtačky, spolu s LED1,2 a prepínačom SW1. Význam tlačítka SW2 a prepínača SW1, ako i signalizačných diód LED1 a LED2 bude vysvetlený ďalej pri opise činnosti programu Popis programu pre AKU vŕtačku Pre riadenie pohonu AKU vŕtačky som navrhol nasledujúcu štruktúru programu ( obr. 3.4 ). Program sa ovláda pomocou tlačítka SW2 a prepínača SW1, ak je premenná FM rovná nule. Táto premenná sa mení vždy externe pomocou programu FreeMaster. Buď nastavením premennej FM, alebo navolením pomocou SW1, SW2 sa v slučke spustí naprogramovaný spôsob riadenia pohonu AKU vŕtačky. Tieto jednotlivé režimy teraz popíšem. RESET Inicializacia MCU (periferie, PWM) ANO FM>0 NIE Kaskádna regulácia ANO FM=1 SW1=1 SW2=1 ANO Kaskádna regulácia NIE NIE Otvorená riadiaca slučka ANO FM=2 SW1=0 SW2=1 ANO Otvorená riadiaca slučka NIE NIE Impulzný režim (odťahovanie) ANO FM=3 SW2=0 ANO Impulzný režim (odťahovanie) NIE NIE Obr. 3.4 Vývojový diagram

36 DIPLOMOVÁ PRÁCA Kaskádna regulácia Princíp kaskádnej regulácie bol popísaný v stati 2.2 Výber riadiacej štruktúry. Pri jeho implementácii do 8 bitového mikroprocesora som sa musel vysporiadať s viacerými problémami. Medzi najväčšie patrila absencia reálnych čísel a pretekanie, respektíve podtekanie premenných. Na nasledujúcom obrázku je popísaný spôsob získavania nameraných hodnôt prúdu a napätia. u Rcs [V] U a [V] 0 PWM t [s] MTIM [-] 0 prerušenie od pretečenia PWM prerušenie od pretečenia MTIM prerušenie od pretečenia PWM t [s] 0 Meranie prúdu Meranie napätia Meranie prúdu Meranie napätia Obr. 3.5 Meranie prúdu a napätia Prúd je meraný vždy uprostred aktívnej časti PWM signálu ( t on pozri obr. 2.9) aby nameraná hodnota zodpovedala priamo strednej hodnote prúdu. Použitá je centrovaná PWM modulácia s periódou T PWM = 78,43 µs ( f PWM =12,75 khz ). Pretože mikroprocesor ktorý som použil neposkytuje prerušenie uprostred periódy PWM signálu, iba na konci, musel som takéto prerušenie vytvoriť pomocou časovača MTIM ( Modulo Timer ). Vždy na konci periódy signálu PWM je vyvolané prerušenie

37 DIPLOMOVÁ PRÁCA 35 v ktorom sa spustí časovač MTIM. Tento časovač som nastavil tak, aby vyvolal prerušenie presne uprostred PWM periódy. Až v jeho prerušení sa spúšťa A/D prevod prúdu a následne napätia batérie. Po získaní hodnoty napätia batérie sa začína podprogram Kaskádna regulácia. Začiatok Kaskádna regulácia Filter: -- prúdu -- napätia batérie Výpočet otáčiek PI regulátor prúdu NIE krokw > 64 ANO PI regulátor otáčiek Obr. 3.6 Vývojová schéma podprogramu Kaskádna regulácia Premenná krokw zaisťuje, že prúdová slučka pracuje s menším krokom výpočtu ako otáčková, čo je jedna z podmienok použitia kaskádnej regulácie. Filtre prúdu a napätia sú exponencíálne, podľa kapitoly Tieto filtre sú zhodné, uvediem ukážku programu prúdového filtra: Ir_f=Ir<<7; Irx_f=Irx_f+(Ir_f-Irx_f)/kf2; Irx=(Irx_f+0x20)>>7;

38 DIPLOMOVÁ PRÁCA 36 Ir je nameraná hodnota prúdu, Irx je výstupná hodnota z filtra, ostatné premenné s indexom f sú pomocné premenné filtra. Premenná kf2 je konštantou filtra. Nameraná hodnota sa najskôr vynásobí 128 krát, aby sa zvýšila presnosť filtra a nasleduje vlastná rovnica filtra, podľa vzťahu (2.11). V poslednom riadku sa pomocná výstupná premenná Irx_f zaokrúhli a predelí naspäť do pôvodného rádu. Všetky premenné sú kladné celé čísla od 0 255, alebo od Výpočet otáčok je vykonávaný podľa kapitoly a hlavná rovnica výpočtu je prepisom rovnice (2.4), výslednú premennú u i netreba ani upravovať podľa vzťahu (2.3), pretože výraz CΦ M považujeme za konštantný. PS regulátor otáčok a PS regulátor prúdu sú také isté, sú to proporcionálno sumačné regulátory s obdĺžnikovou integráciou, podľa vzťahu (2.8). Spolu s ochranou proti pretečeniu a nadefinovaním vhodných výstupných rozsahov, však nebolo ich naprogramovanie jednoduché. Výsledok je v programe v prílohe ( Príloha č. 1.) Režim je indikovaný neprerušovaným svitom žltej diódy LED Otvorená riadiaca slučka Tento režim som zabudoval do tohoto projektu, aby bolo možné porovnanie medzi výhodami riadenia v uzatvorenej slučke a riadením v otvorenej slučke. Zosnímaná hodnota z potenciometra požadovanej rýchlosti je vhodne prenásobená a priamo udáva striedu pre PWM signál. Indikovaný je neprerušovaným svitom zelenej diódy LED Impulzný režim (odťahovanie) Okamžite po stlačení červeného tlačítka SW2 na pravom boku vŕtačky sa spustí impulzný režim, určený pre odťahovanie väčších priemerov matíc a skrutiek. Vo frekvencii asi dvoch impulzov za sekundu je na svorky motora privedené plné napätie batérie. Výsledkom je pulzujúci ( rázový ) moment, ktorý si lepšie poradí s odťahovaním, resp. doťahovaním väčších matíc a skrutiek. Indikovaný je súhlasným blikaním oboch LED diód Namerané priebehy Výsledné priebehy veličín boli zosnímané pomocou programu FreeMaster (kap ). V textovej časti diplomovej práce popíšem iba priebeh veličín, nameraných počas zvoleného režimu regulácie Kaskádna regulácia.

39 DIPLOMOVÁ PRÁCA Regulácia prúdu a filter prúdu Nasledujúci priebeh som zosnímal pri nulovom zaťažení. Zobrazuje nábeh prúdu na žiadanú hodnotu bez nadradeného regulátora otáčiek ( žiadanú hodnotu som zadal pomocou programu FreeMaster). Súčasne dokazuje význam použitého exponenciálneho filtra, pretože meraný prúd je značne rozkmitaný a pre reguláciu nepoužiteľný. Skutočný nameraný prúd je rozkmitaný s ešte väčšou frekvenciou, čo však FreeMaster nezobrazí, pretože nesníma každú zmenu premennej, ale iba určité násobky. Ku koncu sledovaného priebehu je prúd menej rozkmitaný vďaka zvyšujúcemu sa indukovanému napätiu ( zvyšuje sa spolu s otáčkami rovnica (2.3)). Žiadaná hodnota zodpovedá strednej hodnote prúdu 1,22 A. Ir nameraná hodnota prúdu, Irx vyfiltrovaná hodnota prúdu. Obr. 3.7 Ukážka regulácie prúdu a filtra prúdu Regulácia otáčiek Na nasledujúcom obrázku je vidieť priebehy premenných v podprograme Kaskádna regulácia. Jednotlivé premenné nie sú prepočítané na reálne hodnoty, sú to 8bitové celé čísla. V čase t 1 som rotor motora zabrzdil, čo správne odhadol aj estimátor otáčok. Otáčkový PI regulátor si vyžiadal najvyššiu povolenú hodnotu prúdu I max, napätie batérie výrazne pokleslo. Poklesla i akčná veličina, pretože v motore je nulové indukované napätie (zabrzdený rotor), čo je zásluha prúdového regulátora. V čase t 2 som rotor odbrzdil. V nasledujúcej sekunde je vidieť regulačný proces, až pokým sa

40 DIPLOMOVÁ PRÁCA 38 otáčky neustália na požadovanej hodnote. Otáčky majú mierne preregulovanie, čo sa dá upraviť zmenou parametrov regulátora. Rotor motora nebrzdí žiadna záťaž, ak nerátame moment strát motora a brzdný moment prevodovky vŕtačky. V čase t 3 bol rotor opäť zabrzdený. zabrzdený rotor chod naprázdno zabrzdený rotor t 1 t 2 t 3 t 4 I max I max Obr. 3.8 Priebehy veličín v podprograme kaskádna regulácia Význam jednotlivých premenných: Wrx vyfiltrovaná hodnota odhadnutých otáčok, Irx vyfiltrovaný prúd motora, ratio akčná veličina (strieda PWM signálu), Wd žiadaná hodnota otáčok, Napx vyfiltrovaná hodnota napätia batérie Opakované uzavieranie budiča tranzistora MOSFET Ako už bolo spomínané v kapitole 3.1, budič tranzistora sa uzatvára pri poklese napájacieho napätia pod 9 V. Batéria AKU vŕtačky má napätie v nezaťaženom stave 25 V, zdalo by sa to byť dostatočne veľká rezerva, avšak batéria je mäkký zdroj a hlavne ak je čiastočne vybitá. Odoberaným prúdom klesá napätie batérie pod prahovú hodnotu ( 9 V ), čim sa budič uzavrie. Vďaka tomu sa batéria čiastočne zregeneruje ( a nabije sa kondenzátor C2, pozri obr. 3.1) a napätie opäť vystúpi nad prahovú hodnotu a budič sa opäť pre pár PWM periód otvorí. Výsledkom sú série impulzov oddelené nulovým napätím na svorkách motora.

41 DIPLOMOVÁ PRÁCA 39 U a [V] budič je otvorený budič je uzavretý 9 0 t [s] Obr. 3.9 Opakované uzatváranie budiča pri poklese napätia Nameraný detail série impulzov na osciloskope je na nasledujúcom obrázku č. Obr Otvorenie budiča tranzistora 1 napätie na meracom odpore R cs 2 napätie na hradle tranzistora MOSFET 3 priebeh prúdu prechádzajúceho kotvou motora i a Táto komplikácia spôsobuje, že za týchto podmienok je výpočet otáčok nepoužiteľný, lebo v skutočnosti nepoznáme napätie motora ( pozri výpočet vstupného napätia v kap. 2.4). Síce do budiča sú neustále posielané impulzy, ale ten sa neotvorí a na svorkách motora je nulové napätie ( pozri schému na obr. 3.1).

42 DIPLOMOVÁ PRÁCA 40 opakované uzatváranie budiča zabrzdený rotor Obr Chybne vypočítané otáčky Význam jednotlivých premenných zobrazených priebehov je taký istý ako pod obr Ideálnym riešením tohto problému by bola výmena použitého budiča budičom, ktorý by pracoval i pri nižšom napätí ako je 9 V.

43 DIPLOMOVÁ PRÁCA 41 Záver Táto práca sa zoberá popisom pohonov AKU vŕtačiek a návrhom zapojenia pre riadenie otáčok jednosmerného motora s permanentnými magnetmi, v uzavretej slučke. Je rozdelená do troch častí. V prvej sú rozobraté AKU vŕtačky momentálne dostupné na trhu, ako i popis ich pohonu, hlavne batérie a motoru. V tejto časti je i prierez typickej AKU vŕtačky s popisom jednotlivých častí. V druhej časti popisujem metódy pre dosiahnutie zamýšľaného cieľa riadenia otáčok vretena AKU vŕtačky v uzavretej slučke. Popísané sú metódy pre určovanie rýchlosti otáčania vretena pohonu, spôsob regulácie napätia motora a jednoduché filtre. V poslednej, tretej časti sú popísané namerané výsledky, ako i návrhy ako celé zariadenie vylepšiť. Skonštruované zariadenie funguje správne, otáčky sú riadené na požadovanú hodnotu a celý systém je zabudovaný vnútri predávanej AKU vŕtačky. Dá sa teda povedať, že neriadená AKU vŕtačka bola úspešne prerobená na omnoho sofistikovanejší ručný nástroj. Všetky body zadania diplomovej práce sa tým podarilo uskutočniť, ako i ostatné body ktoré som si na začiatku určil v kapitole 2, sa mi podarilo naplniť. Jediným problémom je privčasné uzatváranie budiča tranzistora, popísané v stati 3.3.3, ktoré by sa dalo odstrániť výmenou daného budiča za vhodnejší typ. Avšak prejavuje sa iba pri čiastočne vybitej batérii.

44 DIPLOMOVÁ PRÁCA 42 Zoznam použitej literatúry [1] HRABOVCOVÁ, V. RAFAJDUS, P. FRANKO, M. HUDÁK, P.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. EDIS -vydavateľstvo ŽU, apríl [2] HRABOVCOVÁ, V. RAFAJDUS, P. JANOUŠEK, L. LIČKO, M.: Moderné elektrické stroje. EDIS -vydavateľstvo ŽU, apríl [3] KORÁB, R.: Unplug nebývajú iba speváci. Z časopisu Urob si sám, október [4] TÚMA, J.: Elektronáradie. Vydavateľstvo Colombus [5] FREESCALE SEMICONDUCTORS: HCS08 Microcontrollers, Rev.1.01, Freescale 10/2005 [6] [7] LAJSNER, P.: Battery Powered Drive Control Application. Designer Reference Manual Rev 0, Motorola Czech Systems Laboratories Roznov p.r. [8] SMITH, Steven W.: The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. Kapitola 15, [9] Průmyslové PID regulátory: Tutorial, [10] Internetová stránka Ústavu výpočtovej a riadiacej techniky VŠCHT Praha,

45 DIPLOMOVÁ PRÁCA 43 Čestné prehlásenie Prehlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným dohľadom vedúceho diplomovej práce Ing. Pavla Makyša, PhD. a použil som literatúru len v práci uvedenú. V Žiline, dňa podpis diplomanta

46 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCA PRÍLOHOVÁ ČASŤ 2007 Juraj Breskovec

47 4. Zoznam príloh: Príloha č. 1: Príloha č. 2: Príloha č. 3: Príloha č. 4: Hlavný program pre AKU vŕtačku main.c Premenné použité v programe pre AKU vŕtačku moooj.h Zoznam súčiastok CD s kompletným programom pre AKU vŕtačku

48 Príloha č. 1. Hlavný program pre AKU vŕtačku main.c #include <hidef.h> /* for EnableInterrupts macro */ #include "derivative.h" /* include peripheral declarations */ #include "types.h" #include "controller.h" #include "sdkmath.h" #include "moooj.h" void MCU_init(void); /* Device initialization function declaration */ unsigned char ADConvert(unsigned char chan) { ADCSC1=chan; while (!ADCSC1_COCO ); return ADCRL; } void main(void) { MCU_init(); /* call Device Initialization */ for(;;) { while ((PTAD&PTAD_PTAD1_MASK)&&(PTBD&PTBD_PTBD4_MASK)&&(FM==0)){ PTBD_PTBD5 = FALSE; PTBD_PTBD6 = TRUE; if (flag==true) { if (rko>=3){ rko=0; Wd=ADConvert(AD_Wd); Mmax=ADConvert(AD_Mmax); } //*** Vypocet eqivalentneho napatia ***// Nap_f=Nap<<7; Napx_f=Napx_f+(Nap_f-Napx_f)/kf2; Napx=(Napx_f+0x20)>>7 EqNap=(umul_16x8(ratio,Napx))*64/75 ; w=(eqnap-((irx)/7))*3/2; if (w<0) w=0; Ir_f=Ir<<7; Irx_f=Irx_f+(Ir_f-Irx_f)/kf2; Irx=(Irx_f+0x20)>>7 // filter otaciek // //*** Vypocet eqivalentneho napatia ***// // // //*** Prudovy PI regulator ***//

49 if (Wd){ e=idx-irx; delta=kpi*(e-e_1)+ksi*(e+e_1); if (((delta>>7)+ratio1)>=0) if (((delta>>7)+ratio1)>pwm_on) PIout=38400; else PIout+=delta; else PIout=0; e_1=e; ratio1=(piout>>7)&(0x1ff); ratio=ratio1; //*** Prudovy PI regulator ***// // // //*** Otackovy PI regulator ***// q++; if (q>=krokw){ q=0; ew=wd-w; deltaw=kpw*(ew-ew_1)+ksw*(ew+ew_1); if (((deltaw>>7)+idx_p)>=0) if (((deltaw>>7)+idx_p)>200) PIoutW=(25600); else PIoutW+=deltaW; else PIoutW=0; ew_1=ew; Idx_p=(PIoutW>>7)&(0xff); Idx=Idx_p; rko++; //*** Otackovy PI regulator ***// } } else{ a++; PIoutW=0; ratio=0; ratio1=0; ew=0;ew_1=0; e=0;e_1=0; PIout=0; delta=0;deltaw=0 ; Idx_p=0; Idx=0; rko++;

50 } flag=false; } } while ((PTAD&PTAD_PTAD1_MASK)&&(!(PTBD&PTBD_PTBD4_MASK))&&(FM==0)){ PTBD_PTBD5 = TRUE; PTBD_PTBD6 = FALSE; b++; if (flag==true) { ratio1=adconvert(ad_mmax); //*** Spracovanie vstupnych hodnot ***// // *** filter prudu *** // Ir_f=Ir<<7; Irx_f=Irx_f+(Ir_f-Irx_f)/kf2; Irx=(Irx_f+0x20)>>7 // *** filter prudu *** // // *** filter napatia *** // Nap_f=Nap<<7; Napx_f=Napx_f+(Nap_f-Napx_f)/kf2; Napx=(Napx_f+0x20)>>7; // *** filter napatia *** // EqNap=(umul_16x8(ratio,Napx))*64/75 ; w=(eqnap-((irx)/7))*3/2; if (w<0) w=0; // *** filter otaciek *** // Wr_f=w<<7; Wrx_f=Wrx_f+(Wr_f-Wrx_f)/kfW; Wrx=(Wrx_f+0x20)>>7; // *** filter otaciek *** // //*** Spracovanie vstupnych hodnot ***// ratio=(ratio1*78)>>6; } } flag=false; while (!(PTAD&PTAD_PTAD1_MASK)&&(FM==0)){ PTBD_PTBD5 = FALSE; PTBD_PTBD6 = FALSE; if (flag==true) { //*** Spracovanie vstupnych hodnot ***// /* {

51 // *** filter prudu *** // Ir_f=Ir<<7; Irx_f=Irx_f+(Ir_f-Irx_f)/kf2; Irx=(Irx_f+0x20)>>7; // *** filter prudu *** // // *** filter napatia *** // Nap_f=Nap<<7; Napx_f=Napx_f+(Nap_f-Napx_f)/kf2; Napx=(Napx_f+0x20)>>7; // *** filter napatia *** // EqNap=(umul_16x8(ratio,Napx))*64/75 ; w=(eqnap-((irx)/7))*3/2; if (w<0) w=0; // *** filter otaciek *** // Wr_f=w<<7; Wrx_f=Wrx_f+(Wr_f-Wrx_f)/kfW; Wrx=(Wrx_f+0x20)>>7; // *** filter otaciek *** // */ //*** Spracovanie vstupnych hodnot ***// } */ z++; if ((z>=0)&&(z<=500)){ ratio=pwm_on ; } if ((z>500)&&(z<1000)){ ratio=pwm_off; } if (z>=1000){ z=0; } flag=false; } } while (FM==1){ PTBD_PTBD5 = FALSE; PTBD_PTBD6 = TRUE; // volba rezimu pomocou FreeMastera Kaskadna reg. if (flag==true) { if (rko>=3){ rko=0; Wd=ADConvert(AD_Wd); Mmax=ADConvert(AD_Mmax); } //*** Vypocet eqivalentneho napatia ***// Nap_f=Nap<<7; Napx_f=Napx_f+(Nap_f-Napx_f)/kf2; Napx=(Napx_f+0x20)>>7