ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΒΗΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ

ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΒΗΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Ηλ. Μηχ. Β. Σ. Βασιλάτος, Δρ.-Ηλ. Μηχ. Ε. Κ. Τατάκης Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, 264 Ρίο Πάτρας Τηλ. +30.2610.996412, fax +30.2610.997362, e-mail: vas_vasilatos@yahoo.gr, vbilatos@hotmail.com, E.C.Tatakis@ee.upatras.gr Περίληψη Ο βηματικός κινητήρας είναι μια ηλεκτρομηχανική διάταξη της οποίας ο άξονας περιστρέφεται σε διακριτά σταθερά βήματα, που ποικίλουν σε αριθμό, παίρνοντας παλμούς τάσης συγκεκριμένης ακολουθίας στους ακροδέκτες εισόδου του. Χρησιμοποιείται σε μία πληθώρα εφαρμογών λόγω του ιδιαίτερου τρόπου περιστροφής του. Στην ερευνητική αυτή εργασία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε ένα εύχρηστο και ευέλικτο κύκλωμα διπολικής οδήγησης βηματικού κινητήρα, το οποίο λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες και εμπεριέχει προστασίες από βραχυκυκλώματα, υπερθέρμανση και λανθασμένες συνδεσμολογίες. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο βηματικός κινητήρας είναι μια ηλεκτρομηχανική διάταξη [1, 5, 6] της οποίας ο άξονας περιστρέφεται σε διακριτά σταθερά βήματα, που ποικίλουν σε αριθμό, παίρνοντας παλμούς τάσης συγκεκριμένης ακολουθίας στους ακροδέκτες εισόδου του. Χρησιμοποιείται σε μία πληθώρα εφαρμογών λόγω του ιδιαίτερου τρόπου περιστροφής του. Για την οδήγηση των βηματικών κινητήρων υπάρχουν διάφορες τοπολογίες [1, 2, 6] που πλεονεκτούν και μειονεκτούν σε διαφορετικά σημεία. Ανάλογα την εφαρμογή, χρησιμοποιείται ο κατάλληλος κινητήρας σε συνδυασμό με το κατάλληλο κύκλωμα οδήγησης που τα πλεονεκτήματα του συνδυασμού τους, υπερτερούν των μειονεκτημάτων. Σ αυτήν την ερευνητική εργασία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε ένα κύκλωμα διπολικής οδήγησης βηματικού κινητήρα, το οποίο προβλέπεται να ελεγχθεί από το αναπτυξιακό πρόγραμμα LabView, άλλα θα παρέχεται επίσης η δυνατότητα ελέγχου του από μία απλή πηγή παραγωγής παλμών πολύ χαμηλού κόστους. Αυτά όλα μπορούν να υλοποιηθούν και να διασυνδεθούν με το κύκλωμα ελέγχου με ευρύτατα διαδεδομένα και χαμηλού κόστους περιφερικά και αυτό καθιστά το προτεινόμενο κύκλωμα πολύ εύχρηστο και ευέλικτο. Το κύκλωμα κατασκευάστηκε για να λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες, που αγγίζουν ή/και τείνουν να ξεπεράσουν την οριακή συχνότητα λειτουργίας που δίνει ο κατασκευαστής, τουλάχιστον για τον κινητήρα με τον οποίο έγινε η δοκιμή. Έχει δυνατότητα ελέγχου της συχνότητας περιστροφής του κινητήρα, της φοράς περιστροφής του, του ρυθμού ανόδου της συχνότητας λειτουργίας (περιστροφής άξονα του κινητήρα), της ροπής στην έξοδο και της κατανάλωσης ισχύος, ενώ σημαντικό είναι το ότι έχει υλοποιηθεί ένα πλήρες σύστημα ελέγχου και προστασίας για την αυτόματη διακοπή της υψηλής τάσης και διασφάλιση του από υπερθερμάνσεις, βραχυκυκλώματα και λανθασμένες συνδεσμολογίες. Το διπολικό κύκλωμα οδήγησης που κατασκευάστηκε μπορεί να οδηγήσει οποιονδήποτε διφασικό υβριδικό βηματικό κινητήρα με αντίστοιχες προς το κύκλωμα απαιτήσεις ισχύος. Ο κινητήρας για τον οποίο έγιναν οι εξομοιώσεις και οι πειραματικές μετρήσεις είναι ο της εταιρίας Sanyo-Denki μοντέλο StepSyn 103-770-1640. 2. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΔΙΠΟΛΙΚΗΣ ΟΔΗΓΗΣΗΣ ΤΟΥ ΒΗΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΜΕ ΔΙΠΛΗ ΤΑΣΗ Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός βηματικού κινητήρα, σύμφωνα με τον Takashi Kenjo [1], φαίνεται στο σχήμα 1 και δεν είναι τίποτε άλλο εκτός από ένα πηνίο σε σειρά με μία αντίσταση. Κατά την λειτουργία του εμφανίζεται και η τάση από επαγωγή στο τύλιγμα που παράγεται λόγο της περιστροφής του δρομέα. Σ αυτήν την ερευνητική εργασία το κύκλωμα που - 1 -

υλοποιήθηκε για την οδήγηση του κινητήρα είναι μια πλήρως ελεγχόμενη γέφυρα (full bridge), που έχει την μορφή που φαίνεται στο σχήμα 2. Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα μίας φάσης του βηματικού κινητήρα Σχήμα 2. Διπολικό κύκλωμα οδήγησης (πλήρης γέφυρα) [1]. Το κύκλωμα λειτουργεί ως εξής: Έστω ότι κάποια στιγμή άγουν τα τρανζίστορ Tr1 και Tr4, το ρεύμα θα ρέει στην φάση Α από αριστερά προς τα δεξιά. Αμέσως μετά αφού κλείσουν τα τρανζίστορ Tr1 και Tr4 και ανάψουν τα Tr2 και Tr3, το ρεύμα δεν έχει αλλάξει ακόμη φορά. Αυτό το ρεύμα ρέει μέσω των διόδων D2,D3 και επιστρέφει στην πηγή μέχρις να αποφορτιστεί η φάση και στην συνέχεια φορτίζεται με ρεύμα που ρέει από τα δεξιά προς τα αριστερά. Από την ενεργειακή πλευρά μπορεί να πει κανείς ότι η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου, λόγω των πηνίων, επιστρέφεται στην πηγή. Σε αντίθεση με τη μονοπολική οδήγηση που η ενέργεια αυτή γίνεται θερμότητα, εδώ έχουμε επιστροφή ενέργειας και από αυτή την άποψη το κύκλωμα της γέφυρας έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης. Τα ίδια ισχύουν και για την φάση Β. Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δίνεται στην προστασία των ημιαγωγικών στοιχείων, ώστε να μην καταστραφούν στην περίπτωση που ένα ζεύγος τρανζίστορ πάει στην αποκοπή και ένα άλλο μπαίνει στην αγωγή. Όταν ο χρόνος ο οποίος χρειάζεται ένα τρανζίστορ να πάει στην αποκοπή είναι μεγαλύτερος από αυτόν που χρειάζεται ένα άλλο για να άγει, τα δύο τρανζίστορ θα βραχυκυκλωθούν. Το βραχυκύκλωμα αποφεύγεται καθυστερώντας την παλμοδότηση του ζεύγους των τρανζίστορ που έπεται να μπουν σε αγωγή. Παρατηρούμε από το σχήμα 2 ότι ουσιαστικά η μία φάση του κινητήρα είναι ένα -L δικτύωμα σειράς, γεγονός που προδίδει ότι η αποκατάστασης του ρεύματος σ αυτήν γίνεται σε πεπερασμένο χρόνο. Αυτό αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα στις προδιαγραφές λειτουργίας του βηματικού κινητήρα κυρίως στη ροπή και την συχνότητα λειτουργίας. Όπως είναι γνωστό, ο χρόνος αποκατάστασης του ρεύματος σ ένα -L κύκλωμα εξαρτάται από τρεις παραμέτρους, την τάση στα άκρα του, την αντίσταση και την επαγωγή. Επειδή δεν είναι δυνατή η διαφοροποίηση των και L αφού είναι σταθερές τιμές χαρακτηριστικά του κινητήρα, το μόνο που μπορούμε να αλλάξουμε είναι η τάση. Γι αυτό επιλέξαμε πολύ υψηλή τιμή της δεύτερης τάσης (67V) πολύ μεγαλύτερη από την ονομαστική τιμή της τάσης λειτουργίας του κινητήρα (3.6V). Όμως αν εφαρμοστεί αυτήν την τάση μόνιμα, ο κινητήρας θα καταστραφεί λόγω του υπερβολικού ρεύματος που θα τον διαρρεύσει, αφού ο χρόνος αγωγής για κάθε τύλιγμα μπορεί να είναι μεγαλύτερος από την σταθερά χρόνου του -L (αυτό κυρίως συμβαίνει στις χαμηλές συχνότητες). Για τον λόγο αυτόν η υψηλή τάση ελέγχεται από ένα τρανζίστορ. Με ένα απλό κύκλωμα ελέγχου του ρεύματος (αναλύεται αργότερα), ο μικροελεγκτής ενημερώνεται για το πότε το ρεύμα έφτασε την ονομαστική του τιμή και δίνει εντολή να διακοπεί η αγωγή της υψηλής τάσης, ενώ παραμένει σε αγωγή η χαμηλή τάση. Έτσι έχουμε πολύ γρήγορη αποκατάσταση ρεύματος με λειτουργία του κυκλώματος στα ονομαστικά του μεγέθη. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου οδήγησης που υλοποιήσαμε. Είναι γνωστό, επίσης, ότι αν ένα φορτισμένο πηνίο αφεθεί ελεύθερο, δηλαδή δεν κλείσει βρόχος με κάποιον τρόπο, η αποθηκευμένη ενέργεια εμφανίζεται σαν υπέρταση στα άκρα του. Αυτό συμβαίνει και με την περίπτωση της υλοποίησης που έγινε, αφού όταν ένα τρανζίστορ που τροφοδοτεί ένα τύλιγμα του κινητήρα μπαίνει στην περιοχή της αποκοπής, το πηνίο βρίσκεται στον αέρα (δηλαδή δεν κλείνει κάποιος βρόχος), με αποτέλεσμα να δημιουργείται στα άκρα του υπέρταση που μπορεί είναι της τάξης των χιλιάδων Volt (KV). Αν επιτρέψουμε να συμβεί αυτό, θα καταστραφούν τα τρανζίστορ που βρίσκονται σε αποκοπή αφού στα άκρα τους αναπτύσσεται μία τεράστια τάση όπου προκαλεί διάσπαση του ημιαγώγιμου υλικού. Γι αυτόν τον λόγο τοποθετήσαμε τις διόδους D1 έως D8 και η αποθηκευμένη ενέργεια του - 2 -

πηνίου επιστρέφει στην πηγή. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση της πηγής, τόσο πιο γρήγορη είναι η αποκατάσταση του ρεύματος, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα της χρήσης μιάς δεύτερης υψηλής τάσης. Συμπερασματικά αναφέρουμε ότι για να μπορέσει ο κινητήρας να λειτουργήσει σε υψηλές συχνότητες πρέπει: Να έχουμε δυνατότητα υψηλής διακοπτικής λειτουργίας των ημιαγώγικων διακοπτών Γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση των πηνίων του κινητήρα Ευστάθεια συστήματος δηλαδή να μην υπάρχουν συντονισμοί και να έχουμε μικρούς χρόνους αποκατάστασης (π.χ. αγωγοί μικροί σε μήκος). 3. ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ Τέτοιας φύσεως κυκλώματα έχουν την ανάγκη ενός περιφερειακού στοιχείου, το οποίο θα κάνει την διαχείριση του κυκλώματος, διασυνδέοντας την είσοδο (εντολές) με την έξοδο (παροχή ισχύος στην συσκευή που ελέγχει). Ο πυρήνας αυτού του περιφερειακού στην συντριπτική πλειοψηφία, είναι ένας μικροελεγκτής ή ένας μικροεπεξεργαστής. Στην υλοποίηση που έγινε, τόσο για την δημιουργία των απαραίτητων παλμών ελέγχου των τρανζίστορ BJT (οδηγητικών και ισχύος) που υπάρχουν στο διπολικό κύκλωμα ελέγχου, όσο και για τον έλεγχο και την προστασία διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας του κυκλώματος, χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής ATtiny2313/V της ATMEL [7]. 3.1 Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ATtiny2313/V ΤΗΣ ATMEL Ο ATtiny2313 είναι ένας χαμηλής ισχύος CMOS 8-bit μικροελεγκτής με 2K Bytes ενσωματωμένη προγραμματιζόμενη μνήμη Flash, βασισμένος στην AV εμπλουτισμού ISC αρχιτεκτονική. Ο AV πυρήνας συνδυάζει ένα πλούσιο σετ εντολών με 32 καταχωρητές γενικού σκοπού. Έχει τρεις προγραμματιζόμενες δικατευθυντήριες πόρτες εισόδου/εξόδου (I/O) με εσωτερικές pull-up αντιστάσεις ενώ οι ακίδες τους είναι τριών καταστάσεων. Προγραμματίζεται πολύ εύκολα, χωρίς ειδικό προγραμματιστή, με οποιονδήποτε υπολογιστή, σε γλώσσα QΒasic ενώ η διασύνδεσή των ακίδων προγραμματισμού με τον υπολογιστή είναι πολύ απλή και επιτυγχάνεται μέσω της παράλληλης θύρας. 3.1.1 ΧΡΗΣΗ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Στην εφαρμογή μας ο μικροελεγκτής θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να δίνει παλμούς ελέγχου στο κύκλωμα ισχύος με σκοπό ο κινητήρας να μπορεί να κάνει τα εξής: 1. να ξεκινάει ή να σταματάει την λειτουργία της διάταξης 2. να αλλάζει την φορά περιστροφής 3. να αλλάζει την ταχύτητα περιστροφής (συχνότητα λειτουργίας) 4. να επανεκκινεί την λειτουργία του Η διάταξη προορίζεται να ελεγχθεί από υπολογιστή διαμέσου του LabView. Οι είσοδοι στον μικροεπεξεργαστή είναι δύο ειδών : Α) Εξωτερικές : Παλμός βήματος (step). Είναι ένας τετραγωνικός παλμός μεταβλητής συχνότητας, με λόγο κατάτμησης %. Παλμός φοράς περιστροφής (dir). Είναι μία είσοδος λογικής κατάστασης 0 ή 1. Παλμός επανεκκίνησης μέσω υλικού (reset). Είναι μία είσοδος λογικής κατάστασης 0 ή 1. Σε κανονική λειτουργία η είσοδος αυτή πρέπει να είναι λογικό 1. Β) Εσωτερικές : Είσοδος παύσης υψηλής τάσης (HV). Παράγεται από το κύκλωμα ελέγχου και ενημερώνει τον επεξεργαστή πότε το ρεύμα έφτασε την ονομαστική του τιμή και να διακόψει την αγωγή της υψηλής τάσης στο κύκλωμα ισχύος. Είσοδος σφάλματος (EO). Παράγεται από το κύκλωμα ελέγχου και ενημερώνει τον επεξεργαστή πότε το ρεύμα ξεπέρασε κατά πολύ την ονομαστική του τιμή (βραχυκύκλωμα στην έξοδο) ή πότε η θερμοκρασία ξεπέρασε ένα ανώτατο επιτρεπτό όριο (υπερθέρμανση) και να διακόψει την λειτουργία του κυκλώματος. - 3 -

3.1.2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ 3.2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Κυκλώματα τέτοιας φύσεως, δηλαδή με ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος, έχουν ιδιαίτερο πρόβλημα στις μη ομαλές συνθήκες λειτουργίας δηλαδή όταν έχουμε βραχυκυκλώματα που δημιουργούνται υπερρεύματα, όταν εμφανίζονται υπερτάσεις και όταν εμφανίζονται υψηλές θερμοκρασίες. Σε τέτοιες συνθήκες είναι σίγουρο ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος θα καταστραφούν. Γι αυτόν τον λόγο επιβάλλεται η προστασία των στοιχείων αυτών. Η προστασία δεν μπορεί να επιτευχθεί με απλές ασφάλειες τήξεως, διότι ως γνωστόν μία ασφάλεια τήξεως για να τακεί, πρέπει να την διαρρεύσει ρεύμα μεγαλύτερο από το ονομαστικό της για ένα χρονικό διάστημα, κάτι απαγορευτικό όταν έχουμε να κάνουμε με ημιαγώγιμα στοιχεία. Μπορεί να επιτευχθεί προστασία με ασφάλειες υπερταχείας τήξεως, ειδικά κατασκευασμένες για αυτόν τον σκοπό δηλαδή για ημιαγωγούς. Η λύση της ασφάλειας υπερταχείας είναι μη βολική διότι καταλαμβάνει μεγάλο όγκο στην πλακέτα, κυρίως όταν έχουμε να κάνουμε με τόσο μικρές διατάξεις (χωροδιαταξιακά), κάθε φορά που τηκεται πρέπει να αντικαθίσταται και το κυριότερο είναι ακριβές άρα μιλάμε για μία μη βολική και αντιοικονομική λύση. Μία λύση, η οποία επιλέχθηκε μάλιστα, είναι ο έλεγχος του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα ισχύος και ο έλεγχος της θερμοκρασίας των ημιαγώγιμων στοιχείων ισχύος με την βοήθεια τελεστικών ενισχυτών που λειτουργούν σαν συγκριτές. Η έξοδος του κάθε συγκριτή πάει σε έναν ακροδέκτη εισόδου του μικροελεγκτή, όπου είναι προγραμματισμένος να αναγνωρίζει υψηλό δυναμικό (λογικό High (+5V)) και όταν το κάνει, το πρόγραμμα ανταποκρίνεται αναλόγως. Παρακάτω, στο διάγραμμα ροής, θα φανεί τι συμβαίνει με το πρόγραμμα όσον αφορά την λειτουργία του κυκλώματος, ανάλογα με τις εξόδους των συγκριτών. - 4 -

3.2.1 ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο έλεγχος/δειγματοληψία του ρεύματος του κυκλώματος ισχύος επιτυγχάνεται πολύ εύκολα με την προσθήκη μίας αντίστασης δειγματοληψίας κατάλληλης ισχύος στην γραμμή της γείωσης του κυκλώματος ισχύος. Συγκεκριμένα η αντίσταση τοποθετείται εν σειρά με την γραμμή της γείωσης, διακόπτοντας το κύκλωμα, και παρεμβάλλεται μεταξύ της γης του τροφοδοτικού και της εξόδου του κυκλώματος ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, όλο το ρεύμα του κυκλώματος ισχύος διαρρέει την αντίσταση και έτσι έχουμε το αποτέλεσμα να αναπτύσσεται μία τάση στα άκρα της ανάλογη του ρεύματος που την διαρρέει. Ο τελεστικός ενισχυτή που χρησιμοποιήθηκε είναι ο LM358 όπου είναι ένας Τ.Ε. τάσης. Η αντίσταση δειγματοληψίας επιλέχθηκε να έχει την τιμή =0.1 Ω, που σημαίνει ότι [3]: V = I * (1) συνεπώς η τάση δειγματοληψίας θα ισούται με: V Sample = I *0.1 (2) όπου είναι φανερό ότι παίρνουμε 100mV ανά 1A ρεύματος που την διαρρέει. Η ισχύς της αντίστασης υπολογίζεται ως εξής [3]: 2 P = I * (3) και για τη διάταξή μας, αν υποθέσουμε ότι το μέγιστο ρεύμα μου θα διαρρεύσει την αντίσταση έστω και στιγμιαία είναι 2Α, η ισχύς βρίσκεται : P = 2 2 *0.1 = 0. 4W άρα επιλέγουμε αντίσταση ισχύος 1W για να είμαστε ασφαλείς. Η τάση αναφοράς υλοποιείται με την δημιουργία ενός μεταβλητού διαιρέτη τάσης. Αυτό γιατί μας δίνει την δυνατότητα να μεταβάλλουμε την τιμή της και άρα τις παραμέτρους λειτουργίας του κυκλώματος, με μία απλή ρύθμιση μέσω ενός ποτενσιόμετρου. 3.2.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΔΙΑΚΟΠΗ ΑΓΩΓΗΣ ΤΗΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Από την αντίσταση δειγματοληψίας παίρνουμε την τάση δειγματοληψίας και την οδηγούμε σε ένα τελεστικό ενισχυτή. Από έναν διαιρέτη τάσης παίρνουμε μία τάση αναφοράς ίση με V ref =140mV. Αυτή η τάση σύμφωνα με τον τύπο 2 αντιστοιχεί σε ρεύμα στο κύκλωμα ισχύος ίσο με 1.4 Α. Την έξοδο του συγκριτή την δίνουμε σε έναν ακροδέκτη του μικροελεγκτή (PD4) που αναγνωρίζει την υψηλή στάθμη εξόδου του που σημαίνει ότι το ρεύμα έχει αποκατασταθεί, δηλαδή έφτασε την ονομαστική τιμή του και διακόπτει την αγωγή του τρανζίστορ της υψηλής τάσης. 3.2.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ Από την ίδια αντίσταση δειγματοληψίας παίρνουμε την τάση δειγματοληψίας και την οδηγούμε σε ένα τελεστικό ενισχυτή. Από έναν δεύτερο διαιρέτη τάσης παίρνουμε μία τάση αναφοράς ίση με V ref =200mV. Αυτή η τάση σύμφωνα με τον τύπο 2 αντιστοιχεί σε ρεύμα στο κύκλωμα ισχύος ίσο με 2 Α. Την έξοδο του συγκριτή την δίνουμε σε έναν άλλο ακροδέκτη του μικροελεγκτή (PD5) που αναγνωρίζει την υψηλή στάθμη εξόδου του που σημαίνει ότι το ρεύμα έχει ξεπεράσει την ονομαστική του τιμή, άρα έχουμε βραχυκύκλωμα στο κύκλωμα ισχύος (μπορεί να είναι από τον κινητήρα η ακόμη και από λάθος συνδεσμολογία) και διακόπτει την λειτουργία του κυκλώματος. Το βραχυκύκλωμα μπορεί να δημιουργηθεί και το ρεύμα να ξεπεράσει την ονομαστική του τιμή ακόμη και όταν έχουμε χαμηλή τάση, γι αυτό χρειάζεται ξεχωριστός τελεστικός ενισχυτής (συγκριτής) για την περίπτωση βραχυκυκλώματος. Άλλωστε δεν έχει καμιά σχέση η συμπεριφορά του κυκλώματος κατά την κανονική λειτουργία με ονομαστικά μεγέθη, αφού άλλη είσοδο έχουμε στον μικροελεγκτή για την διακοπή της υψηλής τάσης (PD4) και άλλη είσοδο για τα σφάλματα (PD5). Άρα είναι απαραίτητος ο δεύτερος Τ.Ε. που έχει μεν είσοδο από την ίδια αντίσταση δειγματοληψίας του κυκλώματος ισχύος, έχει όμως διαφορετική συμπεριφορά λόγο διαφορετικής τάσης αναφοράς και οδηγεί άλλη είσοδο του μικροελεγκτή. - 5 -

3.2.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Στα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη ψυκτικών. Οι λόγοι για τους οποίους τοποθετήθηκαν ψυκτικά είναι δύο: Πρώτον για να μπορέσουμε να δειγματοληπτίσουμε την θερμοκρασία των ημιαγώγιμων στοιχείων ισχύος και δεύτερον, μας δίνεται η δυνατότητα για επιπλέον προστασία αφού εάν τοποθετήσουμε έναν οποιονδήποτε κινητήρα με μεγαλύτερα ονομαστικά μεγέθη ρεύματος και ρυθμίσουμε το κύκλωμα ελέγχου του ρεύματος έτσι ώστε το κύκλωμα ισχύος να μας δίνει περισσότερο ρεύμα, πάρα το γεγονός ότι τα τρανζίστορ ισχύος θα μπουν στην ενεργό περιοχή, αφού είναι πολωμένα στον κόρο με πολύ μικρή ανοχή (σχεδόν οριακά, εξηγείται παρακάτω ο λόγος), θα θερμαίνονται άλλα δεν θα καταστραφούν. Όταν θερμανθούν αρκετά (εμείς ορίζουμε πόσο) τότε το κύκλωμα θερμικής προστασίας θα παύσει την λειτουργία του κυκλώματος ισχύος, και έτσι το προστατεύουμε. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας γίνεται με ένα θερμικό στοιχείο, το LM 35, που είναι ένα στοιχείο τριών ακροδεκτών, οι δύο ακροδέκτες παίρνουν τροφοδοσία και από τον τρίτο ακροδέκτη παίρνουμε τάση ανάλογη της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα παίρνουμε τάση 10mV/ o C, γραμμικά. Αυτή λοιπόν είναι η τάση δειγματοληψίας για την θερμοκρασία. Η τάση αναφοράς για τον συγκριτή της θερμικής προστασίας την ορίσαμε σε V ref = 0mV που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία ίση με o C, σύμφωνα με τα παραπάνω. Την έξοδο του συγκριτή την δίνουμε στον ακροδέκτη του μικροελεγκτή (PD5), που πάει και η εντολή από τον συγκριτή του ελέγχου για βραχυκύκλωμα, και αναγνωρίζει την υψηλή στάθμη εξόδου του, που σημαίνει ότι το η θερμοκρασία έχει ξεπεράσει την ονομαστική της τιμή (αυτήν δηλαδή που έχουμε ορίσει) άρα έχουμε υπερθέρμανση του κυκλώματος ισχύος και διακόπτεται η λειτουργία. Στο σχήμα 3 φαίνεται ολόκληρο το κύκλωμα της ελέγχου και προστασίας του κυκλώματος ισχύος. +5V +5V Power Circuit 1' sample GND 1' +5V 1'' 2 GND Vsample Vref High Current 3 + LM358 OUT 2-8 V+ 4 V- GND +5V 8 1 POT PD4 1'' 2 Vref shortcircuit Vsample 3 + LM358 OUT 2 - V+ 4 V- 1 D1 1 2 +5V 1' 1'' 2 GND Vref Temperature Vsample temperature 3 + GND +5V LM358 OUT 2-8 V+ 4 V- 1 D2 1 2 POT PD5 GND GND Σχήμα 3: Κύκλωμα ελέγχου και προστασίας Οι δίοδοι D1 και D2 κάνουν απομόνωση, επειδή στον ακροδέκτη PD5 του μικροελεγκτή πάνε δύο εντολές από δύο διαφορετικούς συγκριτές, της προστασίας από βραχυκύκλωση και από υπερθέρμανση. 4. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Η υλοποίηση αυτής της ερευνητικής εργασίας έγινε σε στάδια. Σε πρώτο στάδιο φτιάχτηκε ένα θεωρητικό μοντέλο ενός διπολικού κυκλώματος οδήγησης, αρχικά για μία τάση, εξομοιώθηκε η συμπεριφορά του στο περιβάλλον του PSpice και ελέγχθηκε η ορθότητα λειτουργίας. Κατόπιν έγιναν οι συμπληρωματικές συνδεσμολογίες και προστέθηκε και η δεύτερη τάση, υψηλής τιμής. Η συμπεριφορά της νέας υλοποίησης εξομοιώθηκε στο περιβάλλον του PSpice και παράχθηκαν κάποιες γραφικές. - 6 -

Το επόμενο στάδιο ήταν η κατασκευή του κυκλώματος, όπου έγινε με διακριτά στοιχεία και εξαρτήματα, ενώ ενσωματώθηκαν και δύο ολοκληρωμένης μορφής εξαρτήματα όπου είναι ο μικροελεγκτής και οι τελεστικοί ενισχυτές. Η παλμοδότηση γίνεται από τον μικροελεγκτή, ενώ οι τελεστικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο και την προστασία του κυκλώματος ισχύος όπως έγινε φανερό από τα προηγούμενα. 4.1 ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΟΔΗΓΗΣΗΣ ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΗΘΗΚΕ Στο σχήμα 4 βλέπουμε το σχηματικό διάγραμμα του διπολικού κυκλώματος οδήγησης που υλοποιήθηκε και στον πίνακα 1 βλέπουμε τις προδιαγραφές λειτουργίας (γενικά χαρακτηριστικά) του κυκλώματος αυτού. Σχήμα 4: Σχηματικό διάγραμμα του διπολικού κυκλώματος οδήγησης που υλοποιήθηκε ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ BIPOLA DIVE V DC_HIGHnom 67 V V DC_LOWnom 5 V V DC_low powernom 5 V I OUT 1.4 A Διαστάσεις 100 x 160 x 38 (Euroack) Θερμοκρασία λειτουργίας έως + ο C 1 4.2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Η επιλογή ενός ημιαγωγικού στοιχείου γίνεται βάσει δύο χαρακτηριστικών μεγεθών λειτουργίας: την μέγιστη τάση (peak τιμή) έτσι ώστε να μην έχουμε διάτρηση του στοιχείου και την μέση ή ενεργό τιμή του ρεύματος, ανάλογα ποιου μεγέθους εξαρτώνται οι απώλειες αγωγής δηλαδή αν επικρατεί η Von ή on στο ισοδύναμο κύκλωμα του στοιχείου. Το στοιχείο που επιλέξαμε είναι BJT τεχνολογίας. Επειδή η on του BJT είναι πολύ μικρή, τότε οι απώλειες αγωγής οφείλονται στην τάση Von και άρα επιλέγουμε το στοιχείο με κριτήριο στην μέση τιμή του ρεύματος που το διαρρέει (I AV ). 1 Αφού η θερμική προστασία ρυθμίστηκε να λειτουργεί για θερμοκρασία ο C. - 7 -

Λόγω του ότι τα BJT έχουν πολύ μικρές απώλειες αγωγής δεν έχουμε μεγάλες πτώσεις τάσης πάνω στο διακοπτικό στοιχείο και αποτέλεσμα αυτού είναι να μην έχουμε θερμικές απώλειες αφού η on είναι πολύ μικρή και άρα δεν χρειαζόμαστε καθόλου ψυκτικά! Επιλέχθηκαν για τρανζίστορ ισχύος τα TIP41C (NPN) και TIP42C (PNP), (Q1-Q9), όπου είναι μεσαίας ισχύος, δίνουν ρεύμα μέχρι και 6 Α, ανάστροφη τάση μεταξύ συλλέκτη εκπομπού έως 100V ενώ έχουν εύρος ζώνης κέρδους ρεύματος μέχρι 3 MH Z. Τα TIP41 και TIP42, θα λειτουργήσουν σαν ημιαγωγικοί διακόπτες, δηλαδή στις περιοχές του κόρου και της αποκοπής. Για αυτές τις συνθήκες λειτουργίας το κέρδος ρεύματος που μας δίνουν είναι 20 άρα χρειάζονται υψηλό ρεύμα βάσης για να πάρουμε κάποιο αξιόλογο ρεύμα στην έξοδό τους, δηλαδή τους συλλέκτες, άρα πρέπει να οδηγηθούν από άλλα τρανζίστορ τους λεγόμενους οδηγούς. Για οδηγούς χρησιμοποιήσαμε μόνο NPN τρανζίστορ για να έχουμε ευκολία στον σχεδιασμό του κυκλώματος αλλά και στην υλοποίησή του (δεν δημιουργείται σύγχυση κατά την τοποθέτησή τους πάνω στην πλακέτα αφού είναι όλα ίδια και τοποθετούνται με τον ίδιο τρόπο), χρησιμοποιήσαμε τα BJT (Q10-Q26), όπου είναι χαμηλής ισχύος, δίνουν ρεύμα μέχρι και 200 mα, υπεραρκετό για την πόλωση των τρανζίστορ για την εφαρμογή μας, ανάστροφη τάση μεταξύ συλλέκτη εκπομπού έως 300V ενώ έχουν εύρος ζώνης κέρδους ρεύματος μέχρι MHZ. Τέλος μένει να αναφέρουμε τις διόδους όπου επιλέχθηκαν για την υλοποίηση του κυκλώματος, όπου είναι τριών διαφορετικών τύπων, ταχείας φυσικά, αφού για κάθε εργασία επιλέχθηκε η κατάλληλη και τις βλέπουμε παρακάτω: Δίοδος διέλευσης αποκοπής της χαμηλής τάσης στο κύκλωμα ισχύος (D9): BY399 έχουν δυνατότητα να διαχειριστούν σε διακοπτική λειτουργία ρεύματα μέχρι και 3Α, αντέχουν ανάστροφη τάση 800V ενώ έχουν χρόνο ανάστροφης ανάκτησης 2nsec δηλαδή μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες μέχρι 4 MHZ. Δίοδος καταστολής υπέρτασης και επιστροφής της ενέργειας στην πηγή (D1-D8): BYV96Ε έχουν δυνατότητα να διαχειριστούν σε διακοπτική λειτουργία ρεύματα μέχρι και 1.5Α, ανάστροφη τάση 800V ενώ έχουν χρόνο ανάστροφης ανάκτησης 300nsec δηλαδή μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες μέχρι 3.3 MHZ. Δίοδος αντιεπιστροφής των οδηγών τρανζίστορ των ισχύος PNP (ΤΙΠ42), όπου υποβάλλονται στην μεγάλη τάση (D10-D13): 1Ν4148 έχουν δυνατότητα να διαχειριστούν σε διακοπτική λειτουργία ρεύματα μέχρι και 200 mα, υπεραρκετό για την πόλωση των οδηγών τρανζίστορ, ανάστροφη τάση 75V ενώ έχουν χρόνο ανάστροφης ανάκτησης 4nsec δηλαδή μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες μέχρι 2 MHZ. Όλα τα στοιχεία επιλέχθηκαν επίσης βάσει οικονομικών κριτηρίων και διαθεσιμότητάς τους στην αγορά. 4.3 ΠΟΛΩΣΕΙΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Η βασική φιλοσοφία υλοποίησης του κυκλώματος, στηρίζεται στην συνδεσμολογία σε τοπολογία Darlington όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Η συνδεσμολογία Darlington [4] μας παρέχει την δυνατότητα να μπορέσουμε να ικανοποιήσουμε τις προδιαγραφές λειτουργίας του κινητήρα που επιλέχθηκε, δηλαδή τη δυνατότητα παροχής ρεύματος 1.4 Α και τάση εξόδου 3.6V με λειτουργία των ημιαγωγικών στοιχείων στις καταστάσεις κόρου αποκοπής. Παρατηρούμε μία ομοιότητα των τριών κυκλωμάτων, γεγονός αναμενόμενο αφού λειτουργούν με τις ίδιες τροφοδοσίες, γι αυτό και η ανάλυση θα είναι ενιαία. Όπου χρειαστεί θα γίνει περαιτέρω σχολιασμός. Όταν το στοιχείο λειτουργεί στην περιοχή του κόρου ή την αποκοπή, οι τάσεις και τα ρεύματα είναι καλά ορισμένα και δεν εξαρτώνται από παραμέτρους όπως το β. Επίσης η κατανάλωση ισχύος στις δύο αυτές περιοχές είναι ελάχιστη. Το κέρδος ρεύματος ενός τρανζίστορ και η τάση βάσης - εκπομπού για την λειτουργία του στην περιοχή του κόρου δίνονται από τους κατασκευαστές. Για να μπορέσει να λειτουργήσει το τρανζίστορ στην περιοχή του κόρου πρέπει να επιβάλουμε ρεύμα βάσης τουλάχιστον ίσο (κατά προτίμηση μεγαλύτερο για να μπει βαθιά στον κόρο) με [4]: I = C I (4) B β Στη συνέχεια υπολογίζονται οι τιμές των αντιστάσεων που πολώνουν τα τρανζίστορ. Θα κάνουμε τους υπολογισμούς για το τρανζίστορ NPN (σχήμα 5 (ΙΙ)). Τα ίδια ισχύουν και για τα PNP απλά αλλάζουν οι πολικότητες των τάσεων και οι φορές των ρευμάτων. - 8 -

From V+ 67Vdc V2 2 TIP42C 5Vdc V1 1 HV Control 3 1 1k Q2 Q1 To Motor V- Conrol 3 Q2 2 Q1 TIP41C To Motor (Ι) (ΙΙ) From V+ 5Vdc V1 6 1k D10 1 2 TIP42C V+ Conrol HV Control 5 3 Q3 Q4 4 7 1k Q2 Q1 To Motor (ΙΙΙ) Σχήμα 5. Η βασική μονάδα Darlington της εφαρμογής μας (Ι) διακόπτης υψηλής τάσης, (ΙΙ) διακόπτης σύνδεσης με την γείωση του κυκλώματος, (ΙΙΙ) διακόπτης σύνδεσης με την τροφοδοσία 2 Από τις γραφικές των στοιχείων που παρέχονται από τους κατασκευαστές, βλέπουμε την δυναμική τους συμπεριφορά και δημιουργούμε τον πίνακα 2: ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Δυναμική συμπεριφορά των τρανζίστορ που χρησιμοποιήσαμε Τύπος Τρανζίστορ Οδηγούμενο V CESAT (V) V BESAT (V) β Ρεύμα (ma) MPSA 42 (NPN) 100 0.17 0.8 10 TIP41C (NPN) 1400 0.3 1 20 TIP42C (PNP) 1400-0.3-1 20 Παρατηρήσεις: 1. Οι τιμές αυτές των τάσεων ισχύουν μόνο για τις συγκεκριμένες τιμές των ρευμάτων. Αν το ρεύμα αλλάξει τότε αλλάζουν κι αυτές. Αν το ρεύμα αυξηθεί τότε αυξάνουν με κίνδυνο τα τρανζίστορ να μπουν στην ενεργό περιοχή αν τα έχουμε πολώσει οριακά, ενώ αν το ρεύμα μειωθεί τότε και οι τάσεις μειώνονται και τα τρανζίστορ μπαίνουν πιο βαθιά στον κόρο. 2. Εμείς πολώσαμε σχεδόν οριακά τα τρανζίστορ ισχύος (όχι τους οδηγούς) για να μην έχουμε μεγάλες απώλειες στο κύκλωμα ελέγχου, μιας και έχουμε πολύ υψηλή τιμή τάσης στο κύκλωμα ισχύος (άρα και οι απώλειες πολύ μεγαλύτερες) Για τους οδηγούς (NPN τρανζίστορ ) Από τύπο 1 και το σχήμα 5 (ΙΙ) έχουμε: 2 Τα (ΙΙ) και (ΙΙΙ) αποτελούν τον ένα κλάδο της πλήρους γέφυρας του διπολικού κυκλώματος για το ένα τύλιγμα φυσικά. - 9 -

IC 0.1 I B = = 0. 01A (5) β 10 και VB VBESATQ2 VBESATQ 1 5 0.8 1 B = = = 0Ω (6) I B 0.01 Επιλέγουμε αντίσταση βάσης B =Ω όπου είναι η πιο κοντινή διαθέσιμη τιμή που υπάρχει στο εμπόριο, και εξασφαλίζουμε πολύ βαθιά λειτουργία στον κόρο μιας και οι απώλειες ισχύος στους οδηγούς είναι πολύ μικρές αφού το ρεύμα βάσης που πρέπει να διοχετευθεί είναι πολύ μικρό. Για το NPN τρανζίστορ ισχύος - TIP41C (σχήμα 5 (ΙΙ)) Από τύπο 1 και το σχήμα 5 (ΙΙ) έχουμε: = IC 1.4 I B = = = 0. 07A (7) β 20 και VCC VCESATQ2 VBESATQ 1 5 0.17 1 C = = = 54. 7Ω (8) I B 0.07 Επιλέγουμε αντίσταση πόλωσης του τρανζίστορ ισχύος CQ2 = BQ1 = 1 =51Ω όπου είναι η πιο κοντινή διαθέσιμη τιμή που υπάρχει στο εμπόριο, και εξασφαλίζουμε λειτουργία στον κόρο. Ισχύς αντίστασης: P = V I = ( VCC VCESATQ V ) 2 BESATQ1 I = 3.83 0.07 = 0. 268W (9) Για το PNP τρανζίστορ ισχύος - TIP42C (σχήμα 5 (Ι) και (ΙΙΙ)) Μένει να υπολογίσουμε τις αντιστάσεις που πολώνουν τα PNP τρανζίστορ όταν εφαρμόζεται η υψηλή τάση. Από τύπο 1 και το σχήμα 5 (Ι) έχουμε: IC 1.4 I B = = = 0. 07A (10) β 20 και VCC VCESATQ2 VBESATQ 1 65 0.17 1 C = = = 911. 8Ω (11) I B 0.07 Επιλέγουμε αντίσταση πόλωσης του τρανζίστορ ισχύος CQ2 = BQ1 = 1 =1kΩ. Επιλέξαμε τιμή μεγαλύτερη από αυτήν που υπολογίσαμε, γιατί μετά από μετρήσεις είδαμε ότι τα τρανζίστορ μπαίνουν για μικρότερο ρεύμα στον κόρο απ ότι υπολογίσαμε θεωρητικά. Έτσι επιλέξαμε λίγο μεγαλύτερη αντίσταση (1kΩ) για να έχουμε και λιγότερες απώλειες ισχύος. Ισχύς αντίστασης: P = V I = ( VCC VCESATQ V ) 2 BESATQ1 I = 63.83 0.07 = 4. 468W (12) Η αντίσταση 2 σε όλες τις συνδεσμολογίες του σχήματος 5 που συνδέουν τον την βάση με τον εκπομπό, υπάρχουν για να αποσύρουν τα φορτία που συσσωρεύονται στην βάση όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στον κόρο και πάει στην αποκοπή (pull up ή pull down αντίσταση για τα PNP και NPN αντίστοιχα). Τέλος μένει να υπολογίσουμε τις πτώσεις τάσης που έχουμε πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία με σκοπό να δούμε τελικά τι τάση εξόδου παίρνουνε. Μας ενδιαφέρει αυτό μόνο στην χαμηλή τάση μιας και αυτή είναι η μόνιμα επιβαλλόμενη τάση σε μόνιμη κατάσταση και έχει να κάνει με τα ονομαστικά μεγέθη του κινητήρα. Οι πτώσεις τάσης που έχουμε είναι των δύο τρανζίστορ που άγουν και τροφοδοτούν το κύκλωμα και της διόδου διέλευσης που επιτρέπει την αγωγή της χαμηλής τάσης όταν δεν υπάρχει η υψηλή, άρα: VOUT = VCC ΔV = VCC VCE _ PNP VCE _ NPN VD = 5 0.3 0.3 0.7 = 3. 7V (13) όπου είναι και η ονομαστική τάση του κινητήρα! - 10 -

Ένα βασικό πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε είναι το πώς θα μπορέσουμε να πολώσουμε το πάνω PNP τρανζίστορ της πλήρους γέφυρας, αφού αυτό υποβάλλεται σε δύο διαφορετικές τάσεις. Αυτό το γεγονός δεν μας επιτρέπει να μπορούμε να το πολώσουμε με έναν απλό οδηγό τρανζίστορ και μία αντίσταση, μιας και όταν θα αλλάζει η τάση από υψηλή σε χαμηλή και αντίστροφα, το ρεύμα της βάσης του τρανζίστορ ισχύος θα αλλάζει και άρα δεν θα έχουμε σωστή λειτουργία. Το πρόβλημα αντιμετωπίσθηκε με την υλοποίηση μιας έξυπνης συνδεσμολογίας. Πολώνουμε το τρανζίστορ ισχύος PNP με ρεύμα βάσης με μία αντίσταση τέτοιας τιμής (1kΩ) ώστε να λειτουργεί αυτό στον κόρο όταν έχουμε υψηλή τάση. Όταν έχουμε χαμηλή τάση, παραλληλίζουμε την μεγάλη αντίσταση βάσης με μία μικρής τιμής (51Ω) και έτσι η συνολική αντίσταση πόλωσης του ρεύματος βάσης είναι τέτοια ώστε με την χαμηλή τάση το τρανζίστορ να πολώνεται πάλι κανονικά στον κόρο. Αυτό υλοποιείται με την βοήθεια ενός ηλεκτρονικού διακόπτη (τρανζίστορ) όπου ενεργοποιείται από την εντολή που δίνουμε για να ενεργοποιήσουμε την υψηλή τάση και όταν αυτή είναι ενεργοποιημένη, ο διακόπτης είναι κλειστός (τρανζίστορ στην αποκοπή) και η μικρή αντίσταση βάσης δεν παραλληλίζεται με την μεγάλη ενώ όταν η υψηλή τάση είναι απενεργοποιημένη, ο διακόπτης είναι ανοικτός (τρανζίστορ στον κόρο) και η μικρή αντίσταση βάσης παραλληλίζεται στην μεγάλη. Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 5 (ΙΙΙ). Το τρανζίστορ PNP που ανοιγοκλείνει την υψηλή τάση πολώνεται μόνο με την υψηλή τάση ενώ τα NPN τρανζίστορ που συνδέονται με την γη επίσης πολώνονται μόνο με την χαμηλή τάση άρα δεν υπάρχει η ανάγκη για μεταβολή της αντίστασης πόλωσης του ρεύματος βάσης τους. Στο σχήμα 6 βλέπουμε το πλήρες ημικύκλωμα (αριστερό τμήμα) της πλήρους γέφυρας, με τις τροφοδοσίες, τις διόδους ελεύθερης διέλευσης, διόδους καταστολής υπέρτασης, την δίοδο διέλευσης, τις εισόδους και τον πυκνωτή εξόδου. 67Vdc V2 27 Q1 TIP42C 22 1k 4 Q10 D9 HV Control V+ Conrol V- Conrol 5Vdc V1 1 21 1k D10 2 Q11 3 28 Q12 23 1k Q13 5 29 Q14 30 31 Q2 Q3 TIP42C TIP41C D1 D3 C1 100n (+) Output GND Σχήμα 6. Το πλήρες ημικύκλωμα της γέφυρας Η Η υλοποίηση όλου του κυκλώματος έγινε με διακριτά στοιχεία. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζεται ανάγκη ύπαρξης ψυκτικού (οι υπολογισμοί φαίνονται στην ενότητα 4.4), γεγονός που ρίχνει τον όγκο και το κόστος της κατασκευής. Ο λόγος για τον οποίο τοποθετήθηκαν τα ψυκτικά είναι για αύξηση της προστασίας του κυκλώματος και δυνατότητα λειτουργίας κάτω από σκληρές συνθήκες όπως εξηγείται παραπάνω. Τα τρανζίστορ Q 12, Q 17, Q 20, Q 25, χρησιμοποιούνται, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, για τον παραλληλισμό των αντιστάσεων 28, 35, 36, 43 (51Ω) με τις αντιστάσεις 23, 24, 25, 26 (1kΩ), έτσι ώστε να μπορέσουν να πολωθούν τα τρανζίστορ ισχύος όταν η τάση τροφοδοσίας μεταβαίνει από την υψηλή στην χαμηλή τιμή. Το αποτέλεσμα αυτού είναι τα PNP ισχύος που οι εκπομποί τους υποβάλλονται σε δύο διαφορετικές τάσεις (Q 2, Q 4, Q 6, Q 8 ) να μπορούν λειτουργούν στην περιοχή του κόρου και υπό τις δύο αυτές τάσεις. Το πρόβλημα που παρουσιάσθηκε ήταν ότι όταν τα τρανζίστορ αυτά βρίσκονταν στην αποκοπή, διαρρέονταν από ένα ανάστροφο ρεύμα που εξέρχεται από την βάση με αποτέλεσμα να μην αποκόπτονται τα PNP ισχύος τελείως και να μπαίνουν στην ενεργό περιοχή, με αποτέλεσμα να έχουμε διαρροή ρεύματος από την τροφοδοσία στην γή μέσω του κλάδου όπου είναι ενεργοποιημένο το αντίστοιχο NPN. Γι αυτόν το λόγο τοποθετήθηκαν οι δίοδοι αντιεπιστροφής D 10, D 11, D 12, D 13. Η ύπαρξη του πυκνωτή στης έξοδο (C 1 ) αιτιολογείται από την απόσβεση των ταλαντώσεων της τάσης εξόδου. - 11 -

4.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΤΩΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Σ αυτήν την ενότητα θα υπολογίσουμε τις θερμικές απώλειες των τρανζίστορ ισχύος. Συγκεκριμένα θα υπολογίσουμε των TIP41 δηλαδή των NPN τρανζίστορ αφού τα θερμικά χαρακτηριστικά των TIP42, PNP τρανζίστορ, είναι ίδια. Η θερμική αντίσταση επαφής περιβάλλοντος είναι: thj-amb_max = 62.5 o C/W. Το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει το τρανζίστορ είναι: I max = 1.4A. Η πτώση τάσης μεταξύ συλλέκτη εκπομπου στον κόρο για ρεύμα 1.4Α είναι: V CESAT = 0.3V Συνεπώς η μέγιστη κατανάλωση ισχύος πάνω στο στοιχείο είναι: P max = I max * V CESAT = 1.4*0.3 = 0.42Watt (14) Άρα Τ tranzistor = P max * thj-amb_max = 0.42W * 62.5 o C/W = 26.25 o C (15) Με δεδομένο ότι η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία λειτουργίας της επαφής είναι 1 o C τότε διαπιστώνουμε ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος δεν χρειάζονται ψύξη. 4.5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ Στο σχήμα 7 βλέπουμε την εξομοίωση του κυκλώματος που υλοποιήσαμε για ένα τύλιγμα του βηματικού κινητήρα (με τα χαρακτηριστικά του, αντίσταση =2.6Ω και εμπέδηση L=9mH) στο περιβάλλον εξομοίωσης του Orcad PSpice Version 9.2.3. Για την εκτέλεση των εξομοιώσεων κάναμε τις εξής θεωρήσεις: 1. Όλα τα τυλίγματα του βηματικού κινητήρα είναι απόλυτα όμοια μεταξύ τους. 2. Ένα πηνίο του κινητήρα μπορεί να βρίσκεται μόνο στις εξής δύο καταστάσεις: 3. Πλήρως αφόρτιστο 4. Πλήρως φορτισμένο 5. Όταν έχουμε μεταπήδηση από υψηλή τάση σε χαμηλή κατά την διαδικασία φόρτισης του πηνίου, δεν υπάρχουν μεταβατικά φαινόμενα 3. Η θεώρηση 2 είναι πολύ χρήσιμη διότι μας βοηθάει να απλοποιήσουμε το πολύπλοκο θεωρητικό ισοδύναμο μοντέλο των τυλιγμάτων του κινητήρα. Αυτή η θεώρηση παύει να υφίσταται στην πράξη όταν η συχνότητα λειτουργίας αυξάνει αφού η σταθερά χρόνου του ισοδύναμου του κάθε τυλίγματος του κινητήρα είναι μεγαλύτερη του χρόνου αγωγής τους και άρα το κάθε τύλιγμα έχει αποθηκευμένο κάποιο ποσό ενέργειας όταν φορτίζεται η εκφορτίζεται. Παρατηρούμε ότι στα αποτελέσματα της εξομοίωσης η τάση ανεβαίνει ακαριαία στην μέγιστη τάση εισόδου, με αποτέλεσμα να έχουμε πολύ γρήγορη αποκατάσταση ρεύματος στο πηνίο, ενώ μετά σταματάει να άγει το τρανζίστορ της υψηλής τάσης και εφαρμόζεται η χαμηλή τάση στο πηνίο, με αποτέλεσμα να έχουμε στα άκρα του περίπου την ονομαστική τάση λειτουργίας του. Επίσης παρατηρούμε ότι γι αυτήν την υψηλή τάση, ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί στα ονομαστικά του μεγέθη μέχρι τα 0.2msec δηλαδή την συχνότητα των 5ΚHz, ενώ μετά από αυτήν την συχνότητα η υψηλή τάση δεν παύει ποτέ να εφαρμόζεται πάνω στο πηνίο μιας και το ρεύμα δεν φθάνει ποτέ το ονομαστικό του μέγεθος αφού η αγωγή των στοιχείων συμβαίνει για μικρότερο χρονικό διάστημα σε σχέση με την σταθερά χρόνου του κυκλώματος (για συχνότητες μεγαλύτερες των 5ΚHz, χρόνος αγωγής μικρότερος από την σταθερά χρόνου του L δηλαδή του τυλίγματος του κινητήρα (0.2msec)). Θεωρητικά, αυτό σημαίνει ότι μέχρι την συχνότητα αυτήν θα έχουμε ονομαστική ροπή στον άξονα του κινητήρα. Μετά την συχνότητα αυτή, το ρεύμα μειώνεται και η ροπή αντίστοιχα. Παρατήρηση: Στην εξομοίωση δεν μπορούμε και δεν συμπεριλάβαμε την ανάστροφη τάση από επαγωγή που αναπτύσσεται στα τυλίγματα του κινητήρα λόγο περιστροφής του δρομέα του. Για τον λόγο αυτόν και στην πράξη η συχνότητα για την οποία λειτουργεί ο κινητήρας υπό ονομαστικά μεγέθη είναι 3,3 KHz, δηλαδή 34% μικρότερη από αυτήν που υπολογίστηκε 3 Με δεδομένο ότι έχει επιλεγεί τέτοια χαμηλή τάση όπου ο κινητήρας λειτουργεί στα ονομαστικά μεγέθη του και ότι η υψηλή τάση παύει όταν το ρεύμα έχει φθάσει την ονομαστική του τιμή, όπως και γίνεται στην υλοποίηση της διάταξής μας - 12 -

από την εξομοίωση. Αυτό είναι φανερή απόδειξη του πόσο σημαντική είναι η επαγόμενη τάση και πόσο μεγάλο πρόβλημα αποτελεί για τους κατασκευαστές κυκλωμάτων οδήγησης βηματικών κινητήρων. 80 40 0-40 -80 0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms I(L1)*10 V(1:1,C6:2) Time Σχήμα 8 Εξομοίωση του κυκλώματος για ένα τύλιγμα του κινητήρα 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα ενδεικτικά πειραματικά αποτελέσματα, που φανερώνουν την ορθή λειτουργία του κυκλώματος που κατασκευάστηκε. Είναι παλμογραφήματα ρεύματος και τάσης για την μία φάση του κινητήρα για τις πιο καίριες συχνότητες και επίσης του ρεύματος της φάσης και της τάσης ελέγχου της υψηλής τάσης του κυκλώματος ισχύος. Η λειτουργία του κυκλώματος γίνεται για πλήρες βήμα. Η υψηλή τάση εφαρμόζεται αρχικά και γίνεται η αποκατάσταση του ρεύματος ταχύτατα και στην συνέχεια όταν αυτό φθάσει την ονομαστική του τιμή, διακόπτεται η υψηλή τάση και παραμένει μόνο η χαμηλή μέχρι να έλθει το επόμενο βήμα. Αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας έχει ροπή στον άξονά του όταν είναι ακινητοποιημένος σε μία θέση, γεγονός που απορρέει από τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή. Αξίζει να παρατηρήσουμε το χρονικό διάστημα που η τάση της φάσης πρέπει να μηδενίζεται (αυτήν την χρονική περίοδο τροφοδοτείται με ρεύμα η επόμενη φάση). Αυτό δεν συμβαίνει διότι δημιουργείται στην απενεργοποιημένη φάση τάση εξ επαγωγής λόγο περιστροφής του δρομέα του κινητήρα, διότι έχουμε κλειστό βρόχο λόγο της διόδου καταστολής υπέρτασης με συνέπεια να ρέει ρεύμα στην απενεργοποιημένη φάση και να έχουμε απώλειες σε ροπή. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί τροχοπέδη για τις προδιαγραφές λειτουργίας του κινητήρα. Στο σχήμα 14 παρατίθενται κάποια παλμογραφήματα ρεύματος και τάσης σε μια φάση του κινητήρα για διάφορες συχνότητες λειτουργίας. Στα παλμογραφήματα (α) και (β) παρατηρούμε για αυτές τις συχνότητες, την λειτουργιά του διπολικού κυκλώματος όπου το ρεύμα και η τάση σε μία φάση του κινητήρα, αντιστρέφεται η πολικότητά τους, με χαρακτηριστικό το ότι εφαρμόζεται πρώτα η υψηλή τάση με αποτέλεσμα το ρεύμα να αποκαθίσταται στην φάση πολύ γρήγορα ενώ μετά διακόπτεται η υψηλή τάση και παραμένει η χαμηλή για να συνεχίσει το κύκλωμα να λειτουργεί υπό ονομαστικά μεγέθη. Στο παλμογράφημα (γ) παρατηρούμε την οριακή συχνότητα όπου το ρεύμα δεν φθάνει την ονομαστική του τιμή και παύει πλέον η χαμηλή τάση να μπαίνει σε αγωγή, αφού η σταθερά χρόνου του κυκλώματος είναι μεγαλύτερη του χρόνου αγωγής των τρανζίστορ της γέφυρας. Αυτό συμβαίνει στην συχνότητα των 3.3KHz. Στα παλμογραφήματα (δ) και (ε) συνεχίζουμε να παρατηρούμε, αυξανόμενης της συχνότητας, την σταδιακή αλλοίωση των μορφών και μεγεθών της τάσης και του ρεύματος. Αξίζει να παρατηρήσουμε τα παλμογραφήματα (ε) και (στ) όπου εδώ γίνεται κατανοητό το φαινόμενο της επαγόμενης τάσης στα τυλίγματα που είναι απενεργοποιημένα. Πήραμε μία μέτρηση της τάσης και του ρεύματος της μίας φάσης για 7.4KHz καθόσον περιστρεφόταν ο άξονας του κινητήρα (ε) και κατόπιν ακινητοποιήσαμε τον άξονα του και για την ίδια συχνότητα πήραμε πάλι μέτρηση (στ). Όταν ο άξονας δεν περιστρέφεται έχουμε απλά αγωγή ρεύματος μέσα από πηνία χωρίς καμία ανάπτυξη τάσης από επαγωγή αφού δεν κινείται ο άξονας του κινητήρα και το ρεύμα αποκαθίσταται όπως σε ένα L κύκλωμα. Αντίθετα, είναι εμφανής η ανάπτυξη της τάσης από επαγωγή στο παλμογράφημα (ε) και βλέπουμε πως το ρεύμα αλλοιώνεται και εκφυλίζεται. - 13 -

Ρεύμα Τάση Ρεύμα Τάση 20V/div 0mA/div 20V/div 0mA/div (α) (β) Τάση Τάση Ρεύμα Ρεύμα 20V/div 0mA/div 20V/div ma/div (γ) (δ) Τάση Τάση Ρεύμα Ρεύμα 20V/div ma/div 20V/div ma/div (ε) (στ) Σχήμα 14 Παλμογραφήματα ρεύματος και τάσης σε μια φάση του κινητήρα για διάφορες συχνότητες λειτουργίας α: f=100hz, β: f=1κhz, γ: f=3.3hz, δ: f=6κhz, ε & στ: f=7.4κhz - 14 -

Τέλος στο σχήμα 15 παρατηρούμε τα παλμογραφήματα του ρεύματος της μίας φάσης και την τάση που ελέγχει τη αγωγή της υψηλής τάσης του κυκλώματος ισχύος. Βλέπουμε ότι κατά την διάρκεια που γίνεται η αποκατάσταση του ρεύματος, η τάση ελέγχου είναι λογικό μηδέν ( 0 ) και ο μικροελεγκτής δίνει εντολή να άγει η υψηλή τάση ενώ όταν το ρεύμα στην φάση αποκατασταθεί η τάση ελέγχου γίνεται +5V δηλαδή λογικό 1 και ο μικροελεγκτής παύει την αγωγή της υψηλής τάσης (παλμογράφημα α). Επίσης παρατηρούμε την οριακή συχνότητα των 3.3KHZ όπου το ρεύμα στην φάση δεν φθάνει ποτέ την ονομαστική του τιμή και η τάση ελέγχου είναι πάντα λογικό μηδέν ( 0 ) και δεν κόβεται ποτέ η αγωγή της υψηλής τάσης (παλμογράφημα β). Οι αιχμές που εμφανίζονται εδώ είναι θόρυβος όπου αποκόπτονται από το πρόγραμμα. Τάση Τάση Ρεύμα Ρεύμα (α) (β) Σχήμα 15 Παλμογραφήματα ρεύματος σε μια φάση του κινητήρα και τάσης ελέγχου αγωγής υψηλής τάσης για διάφορες συχνότητες λειτουργίας α: f=700hz, β: f=3.3κhz 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το κύκλωμα που κατασκευάστηκε, δείχνει να ανταποκρίνεται πολύ καλά στις απαιτήσεις οδήγησης του βηματικού κινητήρα. Τον οδηγεί πολύ ικανοποιητικά μέχρι την συχνότητα των 3.3kHZ περίπου και εμφανίζει αξιόλογη ροπή, ενώ η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας που φτάσαμε είναι 7.4kHZ φυσικά με πολύ μειωμένη ροπή. Το πρόβλημα της επαγόμενης τάσης από την περιστροφή του δρομέα του κινητήρα, είναι πολύ εμφανές και συμβάλει στην μείωση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα. Το γεγονός της μείωσης ή εξαφάνισης της επαγόμενης τάσης είναι ένα θέμα που μπορεί να αποτελέσει εδάφιο ερευνητικής εργασίας στο μέλλον προς εύρεση λύσης. Το κύκλωμα ελέγχου της υψηλής τάσης λειτούργησε πολύ ικανοποιητικά και όπως είδαμε και στις γραφικές των πειραματικών αποτελεσμάτων, η διακοπή της υψηλής τάσης γίνεται αυτόματα και χωρίς να δημιουργεί προβλήματα στην ομαλή λειτουργία του κυκλώματος ισχύος και η αποκατάσταση του ρεύματος γίνεται όπως αναμενόταν. Το κύκλωμα προστασίας επίσης λειτούργησε ικανοποιητικά κατόπιν δοκιμής. Για την θερμική προστασία, θερμάναμε τον αισθητήρα θερμοκρασίας με φλόγα και μόλις η θερμοκρασία του ανέβηκε αρκετά ( ο C όπου ήτανε ρυθμισμένη η τάση αναφοράς), η προστασία λειτούργησε και το κύκλωμα μπήκε σε κατάσταση αναμονής. Για το βραχυκύκλωμα επίσης κατόπιν δοκιμής, βραχυκυκλώσαμε την έξοδο και αυτομάτως η προστασία έθεσε το κύκλωμα σε κατάσταση αναμονής. Οι δυνατότητες του κυκλώματος αυτού είναι πολύ περισσότερες και δεν περιορίζονται μόνο σ αυτήν την υλοποίηση. Με αντικατάσταση των αντιστάσεων πόλωσης και ενίσχυση των αγωγών του τυπωμένου κυκλώματος με καλάι για να αυξηθεί η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος, μπορεί να οδηγήσει μέχρι 6Α ρεύμα ενώ η χαμηλή τάση μπορεί να φθάσει μέχρι και τα 12V, ίσως και παραπάνω. Η ψύξη σε αυτές τις συνθήκες λειτουργίας είναι απαραίτητη. Επίσης με απλή αλλαγή του προγράμματος, το κύκλωμα μπορεί να λειτουργήσει σε μισό βήμα, να έχει μηδενική, μόνιμη ή διακοπτόμενη έξοδο μετά την εκτέλεση του βήματος ανάλογα με την εφαρμογή που θέλουμε να υλοποιήσουμε και την βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας. - 15 -

7. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Takshi Kenjo, Akira Sugawara, Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, 2 nd edition, Oxford Science Publications, Oxford, 1994 [2] Mohan / Underland / obbins, «Ηλεκτρονικα Ισχύος» Β Έκδοση Ελληνική, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 1996. [3] Μάργαρης Ι. Νίκος, «Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων» Τομος Α και Β, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 2000. [4] Sedra S. Adel / Smith C. Kenneth, «Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα» Τομος Α και Β, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, Αθήνα, 1994. [5] Νικόλαος Χρ. Μίχος, «Μελέτη Κατασκευής και Λειτουργικής Συμπεριφοράς Βηματικών Κινητήρων. Πειραματική Διερεύνηση.» Διπλωματική Εργασία Νο 168, Πάτρα, Ιούλιος 1998. [6] Χρονόπουλος Σπ. Θρασύβουλος, «Μελέτη και Κατασκευή Διάταξης ελέγχου Βηματικού Κινητήρα.» Διπλωματική Εργασία Νο 214, Πάτρα, Ιούλιος 2004. [7] ATMEL, ATtiny2313/V, 8-bit Microcontroller with 2K Bytes In-System Programmable Flash, User s manual, 2005. [8] http://www.automotsys.com.au [9] http://hibp.ecse.rpi.edu [10] http://users.pandora.be/educypedia/ [11] http://www.ni.com [12] http://www.allegromicro.com [13] http://www.anaheimautomation.com/intro.htm [14] http:// www.st.com [15] http://www.stepperworld.com [16] http://www.atmel.com [17] http://www.rta.it - 16 -