ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY NÁVRH REGULOVATEĽNEJ ELEKTRONICKEJ ZÁŤAŽE 600W 500V/60A DIPLOMOVÁ PRÁCA 2009 ONDREJ HOCK
Anotačný list Meno a priezvisko: Ondrej Hock Rok: 2009 Názov diplomovej práce: Návrh regulovateľnej elektronickej záťaže 600W, 500V/60A Fakulta: Elektrotechnická Katedra: Mechatroniky a elektroniky Počet strán: 34 Počet obrázkov: 29 Počet tabuliek: 6 Počet grafov: 10 Počet príloh: 20 Počet použ. literatúr: 17 Anotácia: Diplomová práca sa zaoberá návrhom regulovateľnej elektronickej záťaže s mikroprocesorovým riadením. Annotation: Diploma work be about application electronic load with microprocessor actuating. Kľúčové slová: Elektronická záťaž, riadiaca jednotka, PI regulátor, meranie Keywords: Electronic load, control unit, PI regulator, measurement Vedúci diplomovej práce: Ing. Ivan Klement Recenzent diplomovej práce: Dátum odovzdania diplomovej práce: 07. 05. 2009
ČESTNÉ PREHLÁSENIE Čestne prehlasujem, že túto diplomovú prácu som vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Ivana Klementa a používal som len zdroje uvedené v zozname použitej literatúry. V Žiline, dňa xx.xx.2009... Podpis diplomanta
POĎAKOVANIE Na tomto mieste chcem poďakovať všetkým, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom pomohli pri riešením mojej diplomovej práce. Ďakujem hlavne vedúcemu mojej diplomovej práce Ing. Ivanovi Klementovi. za jeho cenné rady a pripomienky. Ďalej ďakujem vedúcemu Katedry mechatroniky a elektroniky doc. Ing. Pavlovi Špánikovi, PhD, kolektívu pracovníkov a doktorandov katedry KME.
OBSAH ÚVOD...1 1. ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU V OBLASTI REGULOVATEĽNÝCH ELEKTRONICKÝCH ZÁŤAŽÍ S MIKROPROCESOROVÝM RIADENÍM...2 1.1 MERACÍ PRÍSTROJ A MERANIE...2 1.2 ELEKTRICKÝ ZDROJ...2 1.3 ELEKTRONICKÁ ZÁŤAŽ...3 1.4 MOSFET...4 1.5 CHLADENIE...4 1.6 RIADENIE...5 1.7 PREPOJITEĽNOSŤ ZÁŤAŽÍ...5 1.8 HLAVNÉ OPERAČNÉ MÓDY...7 1.9 OCHRANY...9 1.10 KOMUNIKAČNÉ ROZHRANIA...10 2. NÁVRH HARDVÉROVÉHO USPORIADANIA ZARIADENIA...12 2.1 POŽADOVANÉ PARAMETRE...12 2.2 BLOKOVÁ SCHÉMA...12 2.3 VÝKONOVÁ ČASŤ - TRANZISTORY...13 2.4 ANALÓGOVÁ ČASŤ - REGULÁTOR...14 2.4.1 PROPORCIONÁLNY ČLEN...15 2.4.2 INTEGRAČNÝ ČLEN...15 2.4.3 PI REGULÁTOR...16 2.5 SNÍMAČE...16 2.6 DSP...17 2.7 PANEL LCD DISPLEJA A KLÁVESNICE...19 2.8 ZDROJ...19 3. NÁVRH SOFTVÉRU PRE RIADENIE ZÁŤAŽE...21
3.1 OPIS DSP PROCESORA...21 3.2 PREHĽAD POUŽITEJ ARITMETIKY...22 3.3 POPIS PROGRAMU...22 3.4 VZORKOVANIE...23 3.5 VÝPOČTY...24 3.6 PREPÍNANIE ROZSAHOV...25 3.7 RIADENIE VENTILÁCIE...26 3.8 ZOBRAZOVACÍ PANEL...26 3.9 KOMUNIKÁCIA DSP S PC...27 4. OVERENIE ČINNOSTI ZÁŤAŽE S RÔZNYMI TYPMI ZDROJOV POWER- ONE...28 4.1 OPERAČNÉ ZOSILŇOVAČE...29 4.2 A/D PREVODNÍK...30 4.3 SNÍMANIE TEPLOTY...31 5. NÁVRH DOSIEK PLOŠNÝCH SPOJOV...32 ZÁVER...33 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY...34
ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV A/D, D/A analógovo digitálny, digitálno analógový DC jednosmerný DSP Digital Signal Processor - digitálny signálový procesor EMC Electromagnetic Compatibility - elektromagnetická kompatibilita I prúd I 2 C Inter-Integrated Circuit - komunikačné rozhranie JTAG Joint Test Action Group - programátor LCD Liquid Crystal Display - displej s kvapalnými kryštálmi MCU mikrokontrolér MIPS Million Instructions Per Second - milión inštrukcií za sekundu MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PC Personal Computer - osobný počítač PWM Pulse-Width Modulation - šírkovo impulzná modulácia RAM Random Access Memory - operačná pamäť R DSON RS232 SCI SPI T i TTL U U GS UPS odpor tranzistora v priepustnom smere sériové rozhranie počítača Serial Communcation Interface sériové rozhranie Serial Peripheral Interface - sériové rozhranie integračná časová konštanta Transistor Transistor Logic - tranzistorová logika napätie napätie medzi hradlom a emitorom Uninterruptible Power Supply - zdroje nepretržitého napájania USART Universal Asynchronous/Synchronous Receiver/Transmitter - univerzálny synchrónny/asynchrónny prijímač/vysielač USB Universal Serial Bus - univerzálne sériové rozhranie
ÚVOD Vývoj a výroba regulovateľnej elektronickej záťaže (ďalej len elektronická záťaž) vznikla z potreby firmy Power-One ako náhrada za staré odporové záťaže, používané pri EMC meraniach a novšie typy elektronických záťaží, ktoré sú drahé a nedajú sa používať pri EMC meraniach, pretože majú vysoké elektromagnetické vyžarovanie. Projekt je rozdelený na dve časti. Prvá zahŕňa vývoj analógovej elektronickej záťaže, ktorá bude schopná samostatne fungovať. Bude vhodná pre jednoduché EMC merania a bude obsahovať len dva módy, konštantný odpor a konštantný prúd. Druhá časť, zadanie mojej diplomovej práce, bude nadstavba na prvú, bude obsahovať mikroprocesorové riadenie. Táto konfigurácia bude poskytovať všetky výhody inteligentnej elektronickej záťaže, ako sú prúdové alebo napäťové nábehy, zaznamenávanie meraní, 4 základné operačné módy, meranie kapacity akumulátorov, atď. Práca popisuje kompletný postup vývoja elektronickej záťaže od návrhu schém, dosiek plošných spojov, vývoja programov až po mechanickú konštrukciu a zhotovenie funkčného prototypu, s ktorým sa následne vykonajú merania a vybraných spínaných zdrojoch firmy Power-One. Ondrej Hock 1
1. ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU V OBLASTI REGULOVATEĽNÝCH ELEKTRONICKÝCH ZÁŤAŽÍ S MIKROPROCESOROVÝM RIADENÍM 1.1 Merací prístroj a meranie Meranie je proces získavania informácie o hodnote meranej veličiny, ktorý spočíva v experimentálnom porovnávaní hodnoty meranej veličiny so známymi hodnotami. Merací prístroj je prístroj, ktorým sa vykonáva meranie. Elektronický merací prístroj je merací prístroj obsahujúci elektronické obvody, ktoré sa podieľajú na hlavných vlastnostiach prístroja. Merací prístroj v užšom slova zmysle poskytuje na svojom výstupe údaj o hodnote veličiny na vstupe. Meracie prístroje môžu byť analógové, alebo číslicové. Analógové meracie prístroje, ktoré sú historicky staršie, poskytujú na svojom výstupe analógový údaj (výchylka ukazovateľa na stupnici), nameranú hodnotu musí určiť osoba čítajúca tento analógový údaj (vykoná digitalizáciu). Číslicové meracie prístroje udávajú nameranú hodnotu rovno vo formáte čísla. 1.2 Elektrický zdroj Elektrický zdroj (ďalej len zdroj) je súhrnný názov pre elektrické zariadenia, ktoré medzi dvoma pólmi aj po pripojení elektrického obvodu (tzv. záťaže) udržujú rozdiel elektrických potenciálov alebo napätie, pričom dodávajú do obvodu elektrický prúd. Jedná sa tým vlastne o zdroj elektrickej energie. Podľa typu pripojenej záťaže sa elektrické zdroje delia na zdroje napäťové a prúdové. Vlastnosťou ideálneho zdroja napätia je, že jeho napätie nezávisí od prúdu, ktorý ním preteká. Parametrom zdroja napätia je jeho svorkové napätie u. Z vlastnosti takéhoto zdroja vyplýva, že ho môžeme zaťažiť ľubovoľným prúdom, pričom napätie na zdroji veľkosťou prúdu nebude ovplyvnené. Z praxe vieme, že ideálny zdroj napätia neexistuje. Typické pre reálny zdroj napätia je, že jeho svorkové napätie u závisí od prúdu i, ktorí ním preteká. Ak pripojíme na zdroj spotrebič, jeho svorkové napätie so Ondrej Hock 2
zvyšujúcim sa prúdovým odberom zvyčajne klesá. Ak reálny zdroj preťažíme vysokým prúdom, napätie môže príliš poklesnúť, v niektorých prípadoch zdroj môžeme zničiť. Moderné elektronické zdroje zväčša majú nadprúdovú ochranu a pri preťažení výstupný prúd obmedzia, resp. sa úplne vypnú. Ak je reálny (technický) zdroj napätia schopný dodať vysoký prúd, teda pri jeho zaťažení napätie na jeho svorkách klesne len minimálne, hovoríme, že zdroj je tvrdý. Podobnú vlastnosť mávajú aj zdroje s elektronickou stabilizáciou výstupného napätia. Vlastnosťou zdroja prúdu je, že jeho prúd i nezávisí od napätia u, ktoré je na ňom. Parametrom ideálneho zdroja prúdu je jeho prúd i. Funkciu zdroja prúdu si môžeme predstaviť aj tak, že zdroj si vždy upraví svoje svorkové napätie u tak, aby do pripojenej záťaže dodal svoj predpísaný prúd i. 1.3 Elektronická záťaž Elektronická záťaž je vo všeobecnosti zariadenie pripájané na výstupné svorky zdroja a využívajúce sa pre testovanie charakteristík, ako aj testov životnosti rozličných jednosmerných a striedavých zdrojov, ako sú spínané zdroje, primárne/sekundárne batérie, batériové jednotky, solárne panely, zdroje nepretržitého napájania (UPS) atď. Na obrázku 1 je znázornená bloková schéma elektronickej záťaže. Obr. 1 Bloková schéma elektronickej záťaže V súčasnosti sa na trhu nachádza niekoľko výrobcov zaoberajúcich sa výrobou elektronických záťaží, s veľkým výberom svojich produktov. Väčšina starších modelov elektronických záťaží sú analógové, bez mikroprocesorového riadenia. Obsahujú Ondrej Hock 3
niektoré základné operačné módy, ktorými sú odber konštantného prúdu, konštantného napätia, nastavenie konštantného odporu a konštantného výkonu. V novších modeloch je už mikroprocesorové riadenie, ktorého veľkou výhodou je zjednodušenie topológie, jednoduchá komunikácia s inými zariadeniami ako sú iné elektronické záťaže, osobné počítače, USB flash disky, rôzne pamäťové média a iné. Výkony sa pohybujú od stoviek wattov, pri samostatných zariadeniach až po desiatky kilowattov kde už býva viacej zariadení zapojených do jedného celku. Elektronické záťaže s takýmto veľkým výkonom už bývajú rekuperačné. Veľká nevýhoda digitálne riadených elektronických záťaží je pri EMC meraniach, kde sú nepoužiteľné kvôli vysokému elektromagnetickému vyžarovaniu. 1.4 Mosfet Na trhu nie je problém nájsť súčiastky, ktoré vyhovujú vysokým nárokom na prenášaný výkon. V zariadeniach ako sú elektronické záťaže, kde najvyššie prenášané výkony sa pohybujú v desiatkach kw, sa používajú tranzistory MOSFET. Pri zariadení ako je elektronická záťaž nebýva problém v napäťovej odolnosti tranzistorov ale v prúdovej. Preto sa zapája viacej tranzistorov paralelne. Výrobcovia sa snažia zabezpečiť maximálne desatinu celkového výkonu záťaže na jeden tranzistor. 1.5 Chladenie Vo všetkých elektronických záťažiach je nutné chladenie tranzistorov, buď pasívne (chladičom) alebo aktívne (s núteným fúkaním vzduchu). V inom prípade hrozí tepelné poškodenie tranzistorov. Pasívne chladenie stačí do výkonu stoviek wattov, kde sa priamo úmerne s výkonom, zväčšuje aj veľkosť chladiča. Aktívne chladenie je používané vo veľkej väčšine prípadov. Zabezpečuje výrazné ušetrenie priestoru, keďže nie je potrebný tak veľký chladič ako u pasívneho chladenia, možnosť vyššieho výkonového zaťaženia, uchladenie na vopred určenú teplotu. O riadenie rýchlosti ventilátorov sa väčšinou stará mikroprocesor. Ondrej Hock 4
1.6 Riadenie V starších modeloch elektronických záťaží sa nachádzajú jednočipové mikroprocesory. V nových zariadeniach sú to už DSP, pretože staré jednočipové mikroprocesory už nevyhovujú rýchlosťou a ani množstvom periférií. DSP má za úlohu riadenie otvorenia tranzistorov, A/D a D/A prevody, hlavné výpočty potrebné pre správny chod zariadenia, riadenie ventilátorov, atď. Keďže väčšina nových modelov elektronických záťaží obsahuje aj klávesnicu, LCD display, prípadne komunikáciu s okolím, v podobe RS232, alebo USB rozhrania, býva používaný ešte jeden procesor, väčšinou jednočipový. Je to z dôvodu aby DSP procesor nemusel prerozdeľovať svoj výpočtový výkon a v prípade ak by nebol dostatočný počet pinov na pripojenie všetkých potrebných súčastí. Oba procesory potom medzi sebou komunikujú cez určité rozhranie (napr. SPI, USART, I 2 C). Komunikácia je naznačená na obrázku 2. Obr. 2 Princíp prepojenia procesorov pomocou zbernice SPI 1.7 Prepojiteľnosť záťaží Niektoré modely elektronických záťaží je možné spájať sériovo alebo paralelne na zvýšenie rozsahu napätia alebo prúdu odoberaného z testovaného zdroja. Pripájajú sa na jednu zbernicu, kde je jedna elektronická záťaž nastavená ako master (obr.3.a) a ostatné sú slave (riadené master-om), alebo sú všetky elektronické záťaže samostatne riadené svojou riadiacou jednotkou (obr.3.b). Elektronické záťaže sa pripájajú paralelne na zbernicu (obr.4). Vstupné údaje sú aktuálne informácie o prúde a napätí na meranom zariadení a výstupné údaje sú žiadané Ondrej Hock 5
hodnoty o prúde, napätí, odpore alebo výkone. Údaje sa potom vyhodnocujú v hlavnej elektronickej záťaži (master). Centrálna jednotka po vyhodnotení dát zo zbernice poskytne údaj o vstupnej hodnote do regulátora. Údaj je každou elektronickou záťažou prepočítaný na svoj výkonový stupeň, keďže sa môžu prepájať aj elektronické záťaže rozdielnych výkonových stupňov. Každá záťaž má vlastný regulátor, kvôli zvýšeniu rýchlosti reakcie na požadovanú zmenu. V niektorých prípadoch sa používa aj centrálne meranie prúdu pomocou Hallovej sondy (obr.5). Obr. 3 Princíp prepojenia elektronických záťaží Obr. 4 Princíp pripojenia elektronickej záťaže na zbernicu Ondrej Hock 6
Činnosť Hallovej sondy je založená na technickom využití Hallovho javu, ktorého princíp a základné charakteristiky sú znázornené na obrázku (obr.5) polovodičovým plátkom medzi vývodmi 1 a 2 prechádza prúd I. Kolmo na rovinu plátku pôsobí magnetické pole s indukciou B, ktoré vychyľuje nosiče z pozdĺžneho smeru a zapríčiňuje, že sa pri obvode plátku, v kolmom smere na smer prúdu objaví rozdiel potenciálov, ktorý sa nazýva Hallovo napätie. Jeho veľkosť je určená vzťahom: ( 1 ) kde d je hrúbka plátku a h - materiálová konštanta. Obr. 5 Hallova sonda 1.8 Hlavné operačné módy Elektronické záťaže sa v dnešnej dobe nevyrábajú pre jeden typ merania. Môžu mať viacero operačných módov pre rôzne typy skúšobných testov. Štyrmi hlavnými módmi sú, konštantný prúd, konštantné napätie, konštantný odpor a konštantný výkon. Niektoré elektronické záťaže majú aj kombinácie štyroch hlavných módov. Ondrej Hock 7
a) Konštantný prúd Pri operačnom móde konštantný prúd sa drží prúd odoberaný záťažou zo zdroja na predvolenej hodnote danej užívateľom, bez závislosti na vstupnom napätí zdroja, resp. odoberanom výkone (obr.6). Obr. 6 Graf operačného módu konštantný prúd b) Konštantné napätie V operačnom móde konštantné napätie sa drží na predvolenej hodnote vstupné napätie, bez ohľadu na odoberanom prúde z testovaného zdroja (obr.7). Obr. 7 Graf operačného módu konštantné napätie c) Konštantný odpor V tomto operačnom móde sa drží konštantný odpor elektronickej záťaže. Pri zvyšovaní napätia zdroja sa priamo úmerne zvyšuje aj odoberaný prúd (obr.8). Ondrej Hock 8
Obr. 8 Graf operačného módu konštantný odpor d) Konštantný výkon Pri operačnom móde konštantný výkon drží elektronická záťaž odoberaný výkon z testovaného zariadenia na predvolenej hodnote, bez ohľadu na vstupné napätie (obr.9). Obr. 9 Graf operačného módu konštantný výkon 1.9 Ochrany Elektronická záťaž si samozrejme kontroluje aktuálne hodnoty napätia, prúdu i odoberaného výkonu, aby nedošlo ku jej zničeniu, ohrozeniu zdravia obsluhy alebo znehodnoteniu meraného zariadenia. Pri prekročení niektorej zo spomínaných veličín zareagujú ochranné obvody alebo softvérové obmedzenie (obr.10), podľa toho s akou strmosťou sa menia kontrolované veličiny. Reakcia ochranných obvodov a aj softvérového obmedzenia býva hlásená vizuálne na LCD displeji alebo aj zvukovo bzučiakom. Ondrej Hock 9
Obr. 10 Softvérové obmedzenie výkonu a odoberaného prúdu 1.10 Komunikačné rozhrania Moderné elektronické záťaže majú možnosť pripojenia k iným zariadeniam, ako sú napr. stolné počítače alebo výstup na záznamové média, v podobe USB Flash diskov alebo pamäťových kariet. Komunikačné rozhranie býva robené cez RS232 alebo USB. Pretože v nedávnej dobe neboli tak rozmohnuté elektronické záťaže s USB rozhraním, ešte stále sa môžeme na trhu stretnúť so zariadeniami s rozhraním RS232, ktoré je síce už dosť zastarané, ale stále používané. Musí byť však doplnené o prevodník RS232 TTL, ktorý sa postará o zmenu úrovne napätia (obr.11). Pretože napätie vysielača (PC) môže dosahovať až ±15V, čo by obvody s TTL logikou spoľahlivo zničilo. Keďže nové počítače už len málokedy obsahujú priamy výstup na RS232 konektor, býva niekedy problém pripojiť takýto typ elektronickej záťaži k PC. Existujú na to však pomocné obvody ktoré robia prevod signálov z USB na RS232 (obr.12). DSP procesory novej generácie už väčšinou obsahujú integrované USB rozhranie. Ondrej Hock 10
Obr. 11 Obvyklé zapojenie prevodníka RS232 TTL Obr. 12 Obvyklé zapojenie prevodníka USB RS232 Ondrej Hock 11
2. NÁVRH HARDVÉROVÉHO USPORIADANIA ZARIADENIA Pri návrhu hardvéru elektronickej záťaže, som vychádzal z požiadaviek firmy Power-One, aby boli použité súčiastky ktoré sa často využívajú vo firme a sú teda ľahko dostupné, pre prípadné opravy alebo iné zásahy do zariadenia. Tým sa výber súčiastok podstatne obmedzil. 2.1 Požadované parametre Firmou Power-One mi boli zadané parametre (tabuľka 1), ktoré má mnou zhotovená elektronická záťaž spĺňať. Prúd Napätie Maximálny výkon (pri 40 C) Constant current mode Rozsah Presnosť Constant voltage mode Rozsah Presnosť Constant resistance mode Rozsah 0 to 60 A 2 to 500 V 600 W 0 to 6 A, 0 to 60 A 0,025% ± 100 ma 2 to 50 V, 2 to 500 V 0,1% ± 50 mv, 0,1% ± 500 mv 0,005 to 0,05 Ω 0,1 to 10 Ω 10 to 1000 Ω 1000 to 50000 Ω Tab. 1 Požadované parametre 2.2 Bloková schéma Na obrázku 13 je znázornená bloková schéma mnou navrhnutej elektronickej záťaže. Jednotlivé časti tvoria funkčne, ale aj fyzicky jednotlivé celky a budú ďalej popísané v nasledujúcich kapitolách. Ondrej Hock 12
Obr. 13 Bloková schéma elektronickej záťaže 2.3 Výkonová časť - Tranzistory Pri výbere tranzistorov som sa riadil požadovanými parametrami ako aj ich dostuponosťou. Vybral som tranzistory SPW47N60C3 od firmy Infineon technologies s parametrami uvedenými v tabuľke 2. Používam 6 tranzistorov zapojených paralelne, kde na každý bude pripadať maximálne 10A, čo predstavuje 1/6 celkového prúdového odberu záťaže, kvôli jednoduchšiemu odchladeniu stratového výkonu na nich. Pracujú v lineárnom režime, kde sa bude meniť R DSon. Na obrázku 14 je vidieť zmenu R DSon v závislosti od napätia U GS. Schéma zapojenia výkonovej časti je priložená v prílohách. Tab. 2 Parametre tranzistora Ondrej Hock 13
Obr. 14 Závislosť R DSon od napätia U GS 2.4 Analógová časť - Regulátor Tranzistory riadi jeden PI regulátor (obrázok 15). Vstupnou veličinou do PI regulátora je vypočítaná hodnota zmeny R DSon z DSP. Operačný zosilňovač použitý na stavbu regulátora je LM2904 od firmy STMicroelectronics. Derivácia napätia je typovo 0,6V/µs a maximálne skreslenie výstupného napätia 0,02%. Obr. 15 PI regulátor Ondrej Hock 14
2.4.1 PROPORCIONÁLNY ČLEN Generuje akčnú veličinu, ktorá je priamo úmerná regulačnej odchýlke. Jej matematický opis je: ( 2 ) up(t)=zre(t) kde Z R je proporcionálne zosilnenie. P- člen je opísaný prenosom ( 3 ) U p ( s) G R ( s) = = Z E( s) R P- člen môže vystupovať aj samostatne ako P regulátor. Jeho nedostatkom však je, že pri regulácii zanecháva trvalú regulačnú odchýlku. Je to spôsobené jeho vlastnosťou, že dokáže generovať nenulový akčný zásah iba pri nenulovom vstupe.[6] 2.4.2 INTEGRAČNÝ ČLEN Integračný člen, alebo integrátor vykonáva operáciu integrovania vstupnej veličiny. Jeho matematický zápis je: ( 4 ) 1 u I ( t) = e( t) dt T I kde T I je integračná časová konštanta a určuje rýchlosť zmeny akčného zásahu v prípade jednotkovej regulačnej odchýlky. Prenosová funkcia I- člena je: ( 5 ) G R U I ( s) 1 ( s) = = E( s) T s I Integrátor pracuje ako pamäťový člen, aj pri nulovom vstupnom signáli môže generovať výstup rôzny od nuly. Táto vlastnosť zaručuje odstránenie trvalej regulačnej odchýlky pri regulácii, keď regulátor zahrňuje v sebe I- člen. Ondrej Hock 15
2.4.3 PI REGULÁTOR P zložka zlepšuje stabilitu regulátora, I zložka odstraňuje trvalú regulačnú odchýlku. Jeho prenos je : ( 6 ) G R 1 = Z + R 1 TI s Obr. 16 Prenos PI regulátora 2.5 Snímače V diplomovej práci použijem snímače pre napätie a prúd z meraného zdroja a teplotu tranzistorov. Snímač prúdu je tvorený zo sumačného operačného zosilňovača, ktorý spočítava 6 hodnôt napätí z meracích rezistorov. Principiálna schéma merania prúdu je zobrazená na obrázku 17. Snímač napätia tvorí diferenčný operačný zosilňovač, ktorý meria hodnotu napätia medzi vstupom a výstupom zo záťaže. Ako operačné zosilňovače sú použité LM2904. Snímač teploty je umiestnený na chladiči jedného z tranzistorov. Keďže chladiče sú spojené jednou medenou platňou stačí merať teplotu len na jednom z nich, pretože teplotný rozdiel medzi nimi je minimálny. Pohybujem sa v teplotnom rozsahu od 25 C až po 95 C. Pri tejto teplote sa elektronická záťaž vypne. Použil som teplotný snímač B57703 od firmy EPCOS, ktorého prevodová charakteristika je znázornená na obrázku 16. Ondrej Hock 16
Teplotná závislosť snímača B57703 12000 10000 8000 Odpor [Ω] 6000 4000 2000 0 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 Teplota [ C] Obr. 17 Teplotná závislosť snímača B57703 Obr. 18 Princíp merania prúdu a zmeny rozsahu 2.6 DSP Použil som DSP 56F8013 od firmy Freescale. Procesor zaobstaráva riadenie tranzistorov, meranie prúdu, napätia a teploty, riadenie ventilátorov a so zobrazovacím panelom cez SCI (sériovú linku). Kompletná dokumentácia DSP 56F8013 je priložená v prílohe. Na obrázku 18 je znázornená schéma blokov, ktoré DSP obsahuje. Ondrej Hock 17
Obr. 19 Štruktúra DSP56F8013 Výber DSP procesora ovplyvnila najmä jeho dostupnosť, jeho súčasťou by mal byť AD prevodník a PWM výstup. Keďže na katedre sa pracuje aj s procesorom 56F8013 od firmy Freescale, ktorý týmto požiadavkám vyhovuje, vybral som si ten. Je to 16 bitový signálový procesor s 16 KB programovej flash pamäte a s 4 KB dátovej RAM pamäte. Obsahuje 6 kanálový 12 bitový AD prevodník, 26 GPIO pinov, SCI a SPI rozhranie. Jeho výkon je 32 MIPS. Obr. 20 Bloková schéma zapojenia DSP Ondrej Hock 18
2.7 Panel LCD displeja a klávesnice Zobrazovací panel je riadený 8 bitovým procesorom ATmega16 od firmy ATMEL. Slúži na zobrazenie nameraných a vypočítaných hodnôt a na nastavenie elektronickej záťaže prostredníctvom klávesnice. LCD displej má 2 riadky a 16 znakov. Kontrast a jas displeja je regulovaný pomocou potenciometrov. Kompletná dokumentácia procesora a displeja je priložená v prílohách. Na obrázku 21 je znázornená bloková schéma predného panelu. Klávesnica je vytvorená z mikrospínačov zapojených paralelne k sebe a pripojená k A/D prevodníku. Každý z mikrospínačov uzemňuje odpor, tvoriaci s obmedzovacím odporom napäťový delič. Hodnoty uzemňovaných odporov sú rozdielne, aby mohlo byť jednoznačne určené, ktorý spínač bol stlačený, prípadne ich kombinácia. Pre komunikáciu s panelom je využité rozhranie SPI, pretože DSP má len jednu SCI linku, ktorú používa na komunikáciu z programom Freemaster, využívaným na zobrazovanie premenných na osobnom počítači. Obr. 21 Bloková schéma predného panelu 2.8 Zdroj Ako zdroj je použitý klasický analógový zdroj, ktorý tvorí sieťový transformátor, usmerňovač a lineárne stabilizátory. V elektronickej záťaži sú použité Ondrej Hock 19
napätia ±12V pre napájanie regulátora, +3V a +5V pre napájanie DSP časti a panelu. Spotreba jednotlivých obvodov je v tabuľke 3. Kompletná schéma zdroja sa nachádza v prílohách. Časť Obvod ks Isd[mA] Is[mA] Vcc[V] analog LM2904 3 2 6 ±12 digital DSP56F8013 1 42 42 3,3 ATmega16 1 10 10 5 LCD 1 182,2 182,2 5 výkonová ventilátor 3 240 720 12 Tab. 3 Spotreby jednotlivých obvodov a celkový odber Ako vidieť z tabuľky 3 celkový odber je 960 ma, na čo by postačoval jeden obvod LM1085, ktorý dokáže dodať až 5 A, pri aktívnom chladení. Z dôvodu 4 napäťových hladín je však nutné použiť tieto obvody 2. Pre napäťové hladiny ±12V som použil menič firmy Power-One s typovým označením 24IMP3-12-12-7. Je to DC/DC menič so vstupným napätím v rozsahu +9V až +36V a výstupným napätím 2x +12V. Ondrej Hock 20
3. NÁVRH SOFTVÉRU PRE RIADENIE ZÁŤAŽE 3.1 Opis DSP procesora Vlastnosti procesora DSP 56F8013 - výkon 32 MIPS pri 32MHz frekvencie jadra - 16KB programovej Flash pamäti, 4KB Data/Program RAM - jeden 6-kanálový PWM modul - dva 3-kanálové 12-bit A/D prevodníky - jedno sérové komunikačné rozhranie (SCI), - Serial Peripheral Interface (SPI), jeden I2C port - jeden 16-bit štvoritý časovač - JTAG/OnCE pre ladenie a programovanie - 26 GPIO pinov - 32-pinové LQFP puzdro Obr. 22 Bloková schéma DSP procesora Ondrej Hock 21
3.2 Prehľad použitej aritmetiky Pre programovanie DSP som používal program Code Warrior od firmy Metrowerks. Ten umožňuje prácu ako v jazyku C tak aj v asembleri. 16 bitové jadro procesora podporuje 4 typy číselných formátov a to: znamienkové a neznamienkové celo číselné (signed a unsigned integer), znamienkový a neznamienkový zlomkový (fraction). Tieto môžu byť v rozsahu 16, alebo 32 bitov. Zlomkový aj celo číselný typ sú v podstate rovnaké, teda celo číselné, rozdiel je v ich reprezentácií a v práci s matematickými operáciami. Pri všetkých výpočtoch používam znamienkový celo číselný tvar čísiel. V tabuľke 4 je rôzna interpretácia toho istého čísla. Tab. 4 Rôzna reprezentácia 16-bitových čísiel 3.3 Popis programu Hlavný program v DSP procesore obsluhuje prerušenia od časovačov, A/D prevodníka, rozhrania SPI a PWM modulu. Vedľajší program bežiaci v procesore ATmega16 obsluhuje LCD displej, klávesnicu a komunikačné rozhranie SPI. V hlavnom programe tvoria základ, údaje z A/D prevodníka. Tie sa potom používajú pri výpočtoch aktuálnych hodnôt napätia, prúdu a teploty. Prerátané hodnoty sa ďalej používajú pri zmene rozsahov, výstupe do regulátora, nastavení PWM modulu pre ventiláciu a komunikácii s panelom, kde sa tieto zobrazujú. Ondrej Hock 22
Obr. 23 Bloková schéma hlavného programu Vo vedľajšom programe sa údaje poslané z DSP zobrazované na LCD displeji a signalizované na LED diódach. Údaje z klávesnice sa posielajú do DSP kde sú ďalej spracovávané. Obr. 24 Bloková schéma vedľajšieho programu 3.4 Vzorkovanie A/D prevodník je štartovaný vo funkcii ADC_start, ktorá obsluhuje prerušenie od časovača QT_C0. Frekvencia vyvolávanie prerušenia a teda aj frekvencia štartovania A/D prevodníka je 10 khz. Po skončení prevodu je vyvolaná funkcia ADC_complete, ktorá obsluhuje prerušenie od ukončenia prevodu. V nej sú navzorkované hodnoty prečítané a uložené do premenných U, I a T, ktoré reprezentujú okamžité hodnoty napätí a prúdov a údaj o aktuálnej teplote chladiča. Ondrej Hock 23
void Int_QT0(void) { #pragma interrupt saveall ioctl(adc, ADC_START, NULL); ioctl(qtimer_0, QT_CLEAR_FLAG, QT_COMPARE_FLAG); } void ANA_conv_comp(void) { #pragma interrupt saveall ref_tepl = ioctl(adc, ADC_READ_SAMPLE, 0); mer_u = ioctl(adc, ADC_READ_SAMPLE, 1); mer_i = ioctl(adc, ADC_READ_SAMPLE, 2); ioctl(adc, ADC_CLEAR_STATUS_EOSI, NULL); } Toto je úryvok kódu využívaný pre spustenie A/D prevodníka a samotný prevod. Ako už bolo vyššie spomenuté, prevodník sa spúšťa v prerušení vyvolávanom časovačom Int_QT0. Medzi spustením prevodníka a samotným načítaním prevádzanej veličiny do premennej, sa musí počkať pokiaľ nie je dokončený prevod. Po dokončení prevodu sa vyvolá prerušenie od A/D prevodníka ANA_conv_comp, kde sa prečítajú prevedené premenné a vynuluje sa status flag EOSI (End of Scan IRQ), určujúci koniec prevodu. 3.5 Výpočty Všetky výpočty sa vykonávajú vo funkcii vypocty_interrupt. Funkcia je rozdelená na 4 časti: - OFF - Constant current - Constant resistance - Constant power Ondrej Hock 24
V časti OFF je elektronická záťaž vypnutá. Tento stav nastáva hneď po spustení záťaže, alebo pri prekročení hraničnej teploty 95 C. Po nastavení žiadaných parametrov sa dostaneme do jedného z troch ďalších módov. V operačnom móde Constant current je hlavnou meranou veličinou prúd, ktorý sa porovnáva s referenčnou hodnotou, zadanou užívateľom. Podľa odchýlky vzniknutej odčítaním nameranej hodnoty od žiadanej, sa vypočíta regulačný zásah, podľa nasledujúcich vzorcov. ( 7 ) Odchylka = Ref.poloha - Skut.poloha ( 8 ) Suma = Suma + Odchylka ( 9 ) Reg.odchylka = P*Odchylka + I*Suma Pri operačnom móde Constant resistance sú údaje o napätí a prúde medzi sebou podelené, čím sa dostane aktuálny údaj o hodnote odporu záťaže (vzorec 10). Opäť sa porovnáva referenčná hodnota s nameranou a podľa vzorcov 7, 8, 9 sa vypočíta regulačný zásah. ( 10 ) U R vyp = I mer mer Pri operačnom móde Constant power sa údaje o napätí a prúde medzi sebou vynásobia, čím sa dostáva údaj o odoberanom výkone z meraného zdroja. Ďalej sa postupuje podľa vzorcov 7, 8, 9 pre zistenie regulačného zásahu. ( 11 ) Pvyp = U mer I mer 3.6 Prepínanie rozsahov Prepínanie rozsahov sa uskutočňuje vo funkcii vypocty_interrupt na základe porovnania maximálnej a minimálnej hodnoty s určenou hranicou. Ak maximálna a minimálna hodnota klesnú pod minimálnu hranicu rozsah sa prepne smerom dole, ak maximálna alebo minimálna hodnota presiahne maximálnu hranicu rozsah sa prepne smerom hore. Ondrej Hock 25
3.7 Riadenie ventilácie Riadenie otáčok ventilátorov zabezpečuje PWM modul DSP procesora. Na základe teploty chladičov sa určia potrebné otáčky pre uchladenie chladičov na teplote 70 C. Od tejto teploty je tranzistor, riadiaci ventilátory, plne otvorený čo poskytuje plný výkon ventilátorov. Pri teplote menšej ako je 25 C je ventilácia vypnutá. Pri prekročení 95 C sa elektronická záťaž vypína, ventilácia poskytuje aj naďalej plný výkon až do uchladenia na 70 C. Na obrázku 25 je znázornená schéma zapojenia ventilátorov. Obr. 25 Zapojenie ventilátorov 3.8 Zobrazovací panel Procesor ATmega16, ktorý tvorí riadiacu jednotku je programovaný cez rozhranie JTAG, ktoré umožňuje procesor programovať, ladiť a krokovať program. Na písanie programu v jazyku C a na kompiláciu kódu som používal program AVR Studio, ako i na komunikáciu s procesorom cez rozhranie JTAG. Základné časti programu sú: - funkcia na obsluhu klávesnice - funkcie obsluhy sériovej linky a komunikačného protokolu - funkcie pre zobrazovanie nameraných dát - funkcie pre nastavovanie rozsahov a zobrazení Panel obsahuje klávesnicu, LCD displej a LED diódy signalizujúce preťaženia a operačné módy. LCD displej komunikuje s procesorom cez 4-bitovú zbernicu. Komunikácia s displejom je rovnaká ako pri komunikácii cez 8-bitovú zbernicu, s rozdielom že sa posielajú najskôr horné 4 bity posielaného bytu, vyšle sa signál enable Ondrej Hock 26
a potom sa pošlú dolné 4 bity ukončené signálom enable. Použitý typ komunikácie je zvolený z dôvodu ušetrenia pinov procesora. Zdvojnásobenie času komunikácie nevytvára rušivé blikanie ani iné voľným okom postrehnuteľné chyby zobrazovania. Pri čítaní stlačenia tlačidla na klávesnici treba brať ohľad, na zákmity tlačidla pri jeho stlačení. Tento problém je ošetrený časovou slučkou, spustenou po prvom zistení stlačenia tlačidla. 3.9 Komunikácia DSP s PC Na komunikáciu s DSP procesorom, na zobrazovanie nameraných dát a na ich grafickú reprezentáciu je použitý program FreeMaster (prv známeho ako PC Master) vyvinutý firmou Freescale na ovládanie a ladenie vnorených aplikácií pomocou grafického prostredia bežiaceho na PC. FreeMaster poskytuje nasledovné možnosti: - Grafické prostredie - Jednoduchú navigáciu - Jednoduché pripojenie pomocou RS232, JTAG, CAN - Real-time prístup k hodnotám premenných vo vnorenej aplikácií - Real-time vizualizácia pomaly meniacich sa dát v okne Scope - Vizualizácia rýchlo sa meniacich dát pomocou Recorder-a - Vzdialená komunikácia pomocou komunikačného servera, ktorá umožňuje pripojenie k vnorenej aplikácií cez lokálnu sieť LAN alebo Internet - Podpora navigačných a popisných stránok v HTML - ActiveX rozhranie, ktoré dovoľuje ovládať a komunikovať s vnorenou aplikáciou pomocou VBScript-u a Jscript-u - Rozhranie ktoré spája Matlab s FreeMaster ActiveX objektom Ondrej Hock 27
4. OVERENIE ČINNOSTI ZÁŤAŽE S RÔZNYMI TYPMI ZDROJOV POWER-ONE V čase záverečných úprav tejto práce bola vzorka elektronickej záťaže nefunkčná, z dôvodu nutnej zmeny topológie. Nebolo teda možné overiť jej činnosť so spínanými zdrojmi firmy Power-One. Mnou navrhnuté prvotné riešenie topológie analógovej časti, nebolo v mojej práci použiteľné. Bolo preto nutné navrhnúť novú topológiu. Na obrázkoch 26 a 27 je vidieť prvé aj druhé riešenie obvodového zapojenia. Obr. 26 Topológia prvého zapojenie analógovej časti Ondrej Hock 28
4.1 Operačné zosilňovače Ako je vidieť na prvý pohľad, zapojenie z obrázku 26 je značne zložité. Sú v ňom použité zbytočne komplikované riešenia merania prúdu a napätia. Na obrázku 27 je už zjednodušené zapojenie, ktoré obsahuje jednoduché zapojenia meraní prúdu a napätia. Skladajú sa z jednoduchých invertujúcich operačných zosilňovačov, ktoré prevádzajú meraný signál na hodnotu do 3.3V. Tieto obsahujú v spätnej väzbe kondenzátor, ktorý sa v schéme nenachádza. Slúži na odfiltrovanie šumu na výstupe zosilňovača. Taktiež je jednoducho vyriešené prepínanie rozsahov. Pomocou multiplexora ovládaného mikropočítačom, sa prepínajú spätnoväzobné odpory, určujúce zosilnenie resp. zoslabenie zosilňovača. Obr. 27 Topológia nového zapojenia analógovej časti Ondrej Hock 29
4.2 A/D prevodník Údaje so zosilňovačov sa prečítajú A/D prevodníkom, vyhodnotia a následne sa nastaví strieda PWM-ky. Na obrázku 28 je záznam výstupu PWM modulu, podľa hodnoty nameraného prúdu. Pre malú zreteľnosť obrázka, PWM modul má periódu 42µs a strieda je 24.42% pri prúde 1.1A. Obr. 28 Výstup z PWM modulu podľa hodnoty prúdu V tabuľke 5 sú uvedené najmenšie možné hodnoty veličín, ktoré dokáže A/D prevodník ešte zosnímať pri 12 bitovom prevode. Rozsah 6A 30A 60A Veličina 1.465.10-3 7.324.10-3 14.648.10-3 Tab. 5 Najmenšie možné zosnímateľné veličiny Ondrej Hock 30
4.3 Snímanie teploty Ako bolo spomenuté už vyššie, pre snímanie oteplenia tranzistorov sa používal teplotný snímač B57703 od firmy EPCOS. Na obrázku 29 na znázornené zapojenie snímača. V tabuľke 6 sú znázornené hraničné hodnoty teplôt. Obr. 29 Zapojenie snímača B57703 Teploty 25 C 70 C 95 C Údaj A/D prevodu 2047 623 306 Prepočítané hodnoty 0 32760 32760 Tab. 6 Hraničné hodnoty teplôt Ondrej Hock 31
5. NÁVRH DOSIEK PLOŠNÝCH SPOJOV Pri návrhu dosiek plošných spojov som sa držal základných pravidiel pre návrh plošných spojov ako sú izolačné vzdialenosti, rozmiestnenie súčiastok vzhľadom na najmenšie rušenie atď. Plošné spoje boli navrhované v programe E.A.G.L.E. Všetky dosky sú jednovrstvové. Každý blok wattmetra je umiestnený na samostatnej doske plošného spoja. Toto je výhodné najmä pri výrobe prototypu, kedy pri poruche resp. pri zmene jednej časti ostatné zostanú zachované. V konečnej fáze by bolo vhodné DSP, analógovú časť a riadenie panela umiestniť na jednu dosku plošného spoja z dôvodu zníženia rušenia a zredukovania káblových prepojov. Všetky dosky plošných spojov sú zobrazené v prílohe. Ondrej Hock 32
ZÁVER Cieľom mojej diplomovej práce bolo navrhnúť a zostrojiť funkčnú vzorku regulovateľnej elektronickej záťaže s mikroprocesorovým riadením. V práci popisujem vlastnosti elektronickej záťaže, výber jednotlivých komponentov, matematické metódy výpočtu jednotlivých veličín a návrh hardvéru. Z časového dôvodu nebola vzorka dokončená, kvôli celkovej zmene topológie. Mojim cieľom do blízkej budúcnosti je oživenie vzorky a overenie jej funkčnosti. Ondrej Hock 33
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1] KREJČÍŘIK, A. : DC/DC meniče BEN - technická literatúra, Praha,2003 [2] MOHAN, N. - UNDELAND, T.M. - ROBBINS, W.P. : Power Electronics: Converters, Applications, and Design. John Wiley & Sons, New York, 1989 [3] ŠPÁNIK, P. DOBRUCKÝ, B. : Modelovanie a simulácia výkonových polovodičových štruktúr. EDIS - vydavateľstvo ŽU, Žilina, 1999 [4] PIEŤKA, M. : Diplomová práca 3. fázový wattmeter, Žilina, 2007 [5] http://pemcbit.eefocus.com/data/openhard/source/89c1824d385c5ecb9c30b 4690a1298da.pdf [12.3.2009] [6] http://www.freescale.com [1.2.2009] [7] http:/www.atmel.com [1.2.2009] [8] http://www.itechate.com/en/index.jsp [2.2.2009] [9] http://hw.cz [1.2.2009] [10] http://www.mcu.cz/news.php [1.2.2009] [11] http://svetelektro.com/clanky/vyroba-dps-fotocestou-306.html [12.3.2009] [12] Katalógové listy jednotlivých obvodov [13] Manuál k demo doske 56F8013 [14] Manuál k procesoru ATmega16 [15] A-radio 2008/3 [16] DSP56800E_Quick_Start User s Manual, Motorola Inc, 2003 [17] DSP56800E 16-Bit Digital Signal Processor Family Manual, Motorola Inc, 2003 Ondrej Hock 34