ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka
´ PRACE ´ DIPLOMOVA N´ avrh ˇ r´ıdic´ı jednotky pro elektrokolo
Praha, 2010
Autor: Jan Fiala
Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou pr´aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uveden´e v pˇriloˇzen´em seznamu.
V Praze dne podpis
i
Podˇ ekov´ an´ı R´ad bych podˇekoval vedouc´ımu diplomov´e pr´ace Doc.Ing. Ondˇreji Vysok´emu, CSc. za cenn´e rady a pˇripom´ınky. D´ık patˇr´ı tak´e moj´ı rodinˇe za jejich podporu po celou dobu studia.
ii
Abstrakt C´ılem pr´ace je navrhnout a realizovat ˇr´ıdic´ı jednotku pro elektrokolo poh´anˇen´e tˇr´ıf´azov´ ym bezkomut´atorov´ ym motorem, kter´ y se nach´az´ı v n´aboji pˇredn´ıho nebo zadn´ıho kola. N´avrh zahrnuje sestaven´ı celkov´eho elektrick´eho sch´ematu vˇcetnˇe v´ ybˇeru vhodn´ ych souˇca´stek, tvorbu desek ploˇsn´ ych spoj˚ u a pˇr´ıpravu ochrann´eho krytu elektroniky. Navrˇzen´a ˇr´ıdic´ı jednotka disponuje funkcemi plynul´eho ˇr´ızen´ı pohonu podle momentov´e nebo v´ ykonov´e ˇ ızen´ı motoru je ˇreˇseno prostˇrednictv´ım tˇr´ıf´azov´eho m˚ trakˇcn´ı charakteristiky. R´ ustku. Jednotliv´e sp´ınac´ı prvky m˚ ustku jsou ovl´ad´any nez´avisl´ ymi sign´aly s pulsnˇe ˇs´ıˇrkovou modulac´ı, kter´e generuje osmibitov´ y mikrokontrol´er. Tato konfigurace umoˇzn ˇuje vyuˇz´ıt bezkomut´atorov´ y motor i pro gener´atorov´ y reˇzim s volitelnou velikost´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı. Gener´atorov´eho reˇzimu je vyuˇzito pro regenerativn´ı brzdˇen´ı. Aby byl syst´em co nejuniverz´alnˇejˇs´ı, obsahuje ˇr´ıdic´ı jednotka uˇzivatelsk´e rozhran´ı s displejem a tlaˇc´ıtky pro jej´ı diagnostiku, parametrizaci a volbu funkce. Na z´avˇer jsou jeˇstˇe diskutov´any dostupn´e technologie elektrochemick´ ych ˇcl´ank˚ u vhodn´e pro nap´ajen´ı elektrokol.
iii
Abstract Purpose of this thesis is to design and implement electronic control unit for electric bike powered by brushless motor placed in the hub of front or rear wheel. Design includes complete electronic schematics with selection of suitable components, creation of printed circuit board and casing for device protection. Control unit provides smooth control according to traction characteristics of torque or power. Motor control is executed by a three-phase bridge. Each of the switching devices is controlled by independent, pulsewidth modulated signal generated by microcontroller. This configuration allows use of brushless motor for specified voltage generation. Generator mode is used for regenerative braking. To make whole system more versatile, the user interface with display and pushbuttons is added for control, parametrization and basic diagnostics. Finally, available technologies of elektrochemical cells are discussed and the most suitable one is selected.
iv
vloˇzit origin´aln´ı zad´an´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı !!!!!
v
vi
Obsah Seznam obr´ azk˚ u
ix
Seznam tabulek
xi
Seznam pouˇ zit´ ych kratek
xiv
´ 1 Uvod
1
1.1
Hybridn´ı pohony a elektrokola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Vlastnosti elektrokol a poˇzadavky na ˇr´ıdic´ı jednotku . . . . . . . . . . . .
2
2 Bezkomut´ atorov´ e motory pro elektrokola ´ 2.1 Uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 5
2.2
Mechanick´a konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Permanentn´ı magnety BLDC motor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
Z´akladn´ı parametry a charakteristika BLDC motoru . . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı BLDC motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´
9 11
2.5.1
Princip ˇcinnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.5.2
Komutace proud˚ u statorov´eho vinut´ı . . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.5.3
Urˇcov´an´ı polohy rotoru
14
2.5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Technick´ e prostˇ redky ˇ r´ıdic´ı jednotky
17
3.1
Souvislost vlastnost´ı jednotky s technick´ ymi prostˇredky . . . . . . . . . .
17
3.2
Mikrokontrol´er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.2.1
PCPWM Modul
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.2.2
Motion Feedback Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.2.3
10-ti bitov´ y analogovˇe-ˇc´ıslicov´ y pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . .
22
3.3
Obvody ochran a mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.4
Zdroj napˇet´ı pro ˇr´ıdic´ı jednotku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
vii
3.5
3.6
Tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.5.1
Struktura a ˇr´ızen´ı m˚ ustku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.5.2
Reˇzim rekuperace elektrick´e energie
. . . . . . . . . . . . . . . .
34
Sch´ema zapojen´ı ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4 Mechanick´ a konstrukce
43
4.1
Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2
Mechanick´a konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5 Program ˇ r´ıdic´ıho syst´ emu
51
5.1
V´ yvojov´e prostˇred´ı a programovac´ı jazyk . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
5.2
Program ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
5.2.1
54
5.2.3
Inicializace syst´emu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı motorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´ ˇ ızen´ı regenerativn´ıho brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´
5.2.4
Syst´em ochran a uˇzivatelsk´eho rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.2.2
6 Akumul´ atory pro pohon elektrokola 6.1
55 60
67 67
6.2
Volba akumul´atoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ anky LiFePO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cl´
6.3
Olovˇen´e ˇcl´anky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
69
7 Z´ avˇ er
73
Literatura
80
A Soupiska souˇ c´ astek
I
viii
Seznam obr´ azk˚ u 2.1
Rotory DLDC motor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
Hysterezn´ı B-H kˇrivka permanentn´ıho magnetu . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3
Materi´aly pro v´ yrobu permanentn´ıch magnet˚ u . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.4
Momentov´a charakteristika BLDC motoru . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.5
12
2.6
Zjednoduˇsen´a konstrukce BLDC motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ y pr˚ ubˇeh proud˚ u vinut´ımi motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.7
Struktura Hallova sn´ımaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.8
Pr˚ ubˇehy sign´al˚ u sn´ımaˇc˚ u polohy rotoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.1
Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.2
Blokov´e sch´ema PCPWM modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.3
Blokov´e sch´ema Motion Feedback modulu . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.4
Blokov´e sch´ema A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.5
Oˇsetˇren´ı v´ ystup˚ u z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u polohy rotoru . . . . . . . . . . .
24
3.6
Hlavn´ı sp´ınaˇc m˚ ustku s proudovou ochrannou . . . . . . . . . . . . . . .
25
3.7
Obvod pro mˇeˇren´ı svorkov´eho napˇet´ı ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . .
26
3.8
Obvod pro mˇeˇren´ı teploty v ˇr´ıdic´ı jednotce . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.9
Obvod resetov´an´ı mikrokontrol´eru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.10 Zapojen´ı stabiliz´atoru napˇet´ı LM2675-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.11 Zapojen´ı stabiliz´atoru napˇet´ı LM2675ADJ . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.12 Tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.13 Zapojen´ı budiˇce poloviˇcn´ıho m˚ ustku IR2101 . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.14 Zapojen´ı n´abojov´e pumpy s obvodem 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.15 N´ahradn´ı sch´ema tˇr´ıf´azov´eho BLDC motoru . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.16 Topologie zvyˇsuj´ıc´ıho mˇeniˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.17 Graf z´avislosti koeficientu mˇeniˇce na velikosti stˇr´ıdy . . . . . . . . . . . .
37
4.1
44
Motivy DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
4.2
Sch´ema zapojen´ı pomocn´e DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.3
Motiv spodn´ı vrstvy pomocn´e DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.4
Kryt pro DPS ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.1
Stavov´a reprezentace z´akladn´ı funkce programu . . . . . . . . . . . . . .
53
5.2
Proudov´a regulaˇcn´ı smyˇcka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.3
V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
5.4
Souvislost mezi pr˚ ubˇehy svorkov´eho napˇet´ı BLDC gener´atoru a sign´al˚ u Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
5.5
Sekvence vyuˇzit´ı vinut´ı v gener´atorov´em reˇzimu . . . . . . . . . . . . . .
61
5.6
Proudov´e ˇr´ızen´ı boost mˇeniˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
5.7
V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.8
V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
5.9
Nab´ıdka uˇzivatelsk´eho rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
6.1
Nab´ıjec´ı charakteristika lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u
69
6.2
Vyb´ıjec´ı charakteristika lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u v z´avislosti na vyb´ıjec´ım proudu
x
. . . . . . . . . . . . . . . . .
70
Seznam tabulek 3.1
Z´akladn´ı parametry tranzistoru IRF1018 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.1
Parametry pro stanoven´ı ztr´atov´eho v´ ykonu tranzistoru . . . . . . . . . .
46
4.2
Tabulka propojen´ı konektor˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
5.1
Tabulka soubor˚ u zdrojov´eho k´odu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.2
Tabulka ˇr´ıdic´ı sekvence motorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.3
Tabulka stanoven´ı konstant PID regul´atoru pomoc´ı Z-N metody . . . . .
58
5.4
Tabulka ˇr´ıdic´ı sekvence gener´atorov´eho reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . .
62
6.1
Tabulka pouˇziteln´ ych elektrochemick´ ych ˇcl´ank˚ u . . . . . . . . . . . . . .
68
A.1 Soupiska souˇca´stek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I
xi
xii
Seznam pouˇ zit´ ych zkratek ADC
analogovˇe ˇc´ıslicov´ y pˇrevodn´ık (Analog-to-Digital Converter)
BLDC
bezkout´atorov´ y motor (Brushless DC motor)
BMS
syst´em spr´avy baterie (Battery Management System)
DPS
deska ploˇsn´ ych spoj˚ u
DSP
sign´aln´ı procesor (Digital Signal Processor)
EEPROM
elektricky mazateln´a pamˇet’ (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)
EMF
zpˇetn´e elektromotorick´e napˇet (Electromotive Force)
ESR
s´eriov´ y odpor kondenz´atoru (Equivalent Series Resistance)
FIFO
fronta typu prvni dovnitˇr, prvn´ı ven (First In, First Out)
GMK
Geometrick´e M´ısto Koˇren˚ u
IC
jednotka mikrokontrol´eru pro zachycen´ı vstupn´ıho sign´alu (Input Capture)
ICSP
s´eriov´e programov´an´ı v zapojen´ı (In Circuit Serial Programming)
IGBT
bipol´arn´ı tranzistor s izolovan´ ym hradlem (Insulated Gate Bipolar Transistor)
LCD
displej s tekut´ ymi krystaly (Liquid Crystal Display)
MCU
mikrokontrol´er (Micro Controller Unit)
MOSFET
polem ˇr´ızen´ y tranzistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) xiii
PCPMW
modul gener´atoru synchronizovan´ ych, pulsnˇe-ˇs´ıˇrkovˇe modulovan´ ych sign´al˚ u (Power Control PMW)
PLL
smyˇcka f´azov´eho z´avˇesu (Phase Locked Loop)
PMSM
synchronn´ı stroj s permanentn´ımi magnety (Permanent Magnet Synchronous Machine)
PWM
pulsnˇe-ˇs´ıˇrkov´a modulace (Pulse Width Modulation)
QEI
rozhran´ı pro kvadraturn´ı inkrement´aln´ı sn´ımaˇc (Quadruple Encoder Interface)
SISO
syst´em s jedn´ım vstupem a jedn´ım v´ ystupem (Single Input, Single Output)
SoC
stav nabit´ı baterie (State of Charge)
USART
Synchronn´ı a asynchronn´ı s´eriov´e rozhran´ı (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)
xiv
Kapitola 1 ´ Uvod 1.1
Hybridn´ı pohony a elektrokola
V souˇcasn´e dobˇe zaˇc´ınaj´ı b´ yt pomˇernˇe popul´arn´ı hybridn´ı pohony v nejr˚ uznˇejˇs´ıch osobn´ıch dopravn´ıch prostˇredc´ıch. Nejˇcastˇeji se jedn´a o kombinaci pohonn´e jednotky na klasick´a paliva jako benzin nebo nafta s elektrick´ ym pohonem, kter´ y sice nen´ı tak v´ ykonn´ y, ale jeho provoz je v´ yraznˇe levnˇejˇs´ı a ekologiˇctˇejˇs´ı. Myˇslenka vyuˇzit´ı elektrick´e energie jako pomocn´eho pohonu se objevila dokonce i ve Formuli 1, kde byl v sez´onˇe 2009 povolen a nˇekter´ ymi st´ajemi vyuˇz´ıv´an syst´em pro obnovu kinetick´e energie tzv. KERS (Kinetic ´ Energy Recovery System). Ukolem KERS bylo zuˇzitkovat energii uvolˇ novanou pˇri brzdˇen´ı pomoc´ı gener´atoru / elektromotoru. Vygenerovan´a energie byla uloˇzena do akumul´ator˚ u a pozdˇeji mohla poslouˇzit ke kr´atkodob´emu nav´ yˇsen´ı v´ ykonu cel´e pohonn´e jednotky. D˚ uvodem pro jeho zaveden´ı byla u ´spora paliva a snaha o zatraktivnˇen´ım z´avod˚ u. V´ yjimkou v oblasti vyuˇzit´ı pomocn´ ych elektrick´ ych pohon˚ u nejsou ani klasick´a j´ızdn´ı kola. Nˇekter´a jsou totiˇz vybavena pomocn´ ym elektromotorem, kter´ y je urˇcen pro odlehˇcen´ı z´atˇeˇze cyklist˚ um pˇri j´ızdˇe v kopcovit´em ter´enu. Pohonn´e jednotky pro pouˇzit´ı na j´ızdn´ıch kolech vˇsak podl´ehaj´ı evropsk´e normˇe EN 15194:2009, kter´a elektrokolo jasnˇe definuje. Jako asistovan´e kolo lze povaˇzovat pouze stroj, kter´ y je vybaven motorem o maxim´aln´ım kontinueln´ım v´ ykonu do 250 W a rychlosti do 25 km/h. Vyˇsˇs´ı v´ ykon motoru znamen´a, ˇze je na elektrokolo pohl´ıˇzeno jako na motorov´e vozidlo. Nˇekteˇr´ı v´ yrobci koncipuj´ı sv´a elektrokola jako stroje, na kter´ ych je moˇzn´e jezdit dokonce t´emˇeˇr i bez nutnosti ˇslap´an´ı. Tyto syst´emy se vyznaˇcuj´ı akumul´atory (trakˇcn´ı olovˇen´e nebo lithiov´e) o vyˇsˇs´ı kapacitˇe a motory s v´ ykony aˇz 2 kW. Sp´ıˇse neˇz klasick´emu j´ızdn´ımu kolu se pak uˇz sv´ ym designem bl´ıˇz´ı elektrick´ ym sk´ utr˚ um. Jin´ı v´ yrobci koncipuj´ı 1
´ KAPITOLA 1. UVOD
2
elektropohon skuteˇcnˇe jen jako pomocn´ y. V´ ykon tˇechto ˇreˇsen´ı se pohybuje v rozmez´ı 100 aˇz 250 W a jsou vybaveny kompaktnˇejˇs´ımi, nejˇcastˇeji lithiov´ ymi akumul´atory. Aˇz na nˇekolik m´alo vyj´ımek (napˇr. Gruber Antrieb) b´ yvaj´ı pouˇzity tzv. hub motory. Jedn´a se o bezkart´aˇcov´e motory s permanentn´ımi magnety um´ıstˇen´e v n´aboji pˇredn´ıho pˇr´ıp. zadn´ıho kola. Z principu funkce a um´ıstˇen´ı bezkomut´atorov´eho motoru ho lze pouˇz´ıt kromˇe pohonu i pro regenerativn´ı brzdˇen´ı. Tuto funkci ale implementuje do sv´ ych ˇreˇsen´ı m´alo v´ yrobc˚ u. D˚ uvodem je pr´ y mal´e prodlouˇzen´ı ujet´e dr´ahy - u ´dajnˇe asi o 4%. Teoreticky ale m˚ uˇze rekuperace slouˇzit i pro z´amˇern´e zv´ yˇsen´ı fyzick´e z´atˇeˇze s c´ılem intenzivnˇejˇs´ıho tr´eninku. V nab´ıdce obchod˚ u se vyskytuj´ı zaˇr´ızen´ı urˇcen´a pro pˇribrzd’ov´an´ı zadn´ıho kola. D´ıky tomuto zaˇr´ızen´ı je moˇzno na kole tr´enovat i v obdob´ı, kdy j´ızda venku nen´ı moˇzn´a. Budeli motor namontov´an v zadn´ım kole, staˇc´ı pouze kola nadzvednout a syst´em prim´arnˇe urˇcen´ y pro pohon zastane stejnou funkci jako uveden´e zaˇr´ızen´ı. Kromˇe hotov´ ych elektrokol obchodn´ıci prod´avaj´ı i soupravy obsahuj´ıc´ı vˇse potˇrebn´e pro pˇrestavbu na nˇe. K dost´an´ı jsou i jednotliv´e ˇc´asti syst´emu (hub motory, ˇr´ıdic´ı jednotky, akumul´atory, apod.), kter´e d´avaj´ı pomˇernˇe velk´e skupinˇe nadˇsenc˚ u prostor pro vlastn´ı experimentov´an´ı s pohonem a upravov´an´ı syst´emu podle sv´ ych pˇredstav. Tato pr´ace by mˇela b´ yt pˇr´ıspˇevkem do t´eto oblasti a jej´ım hlavn´ım c´ılem je kompletnˇe navrhnout vlastn´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotku pro ˇr´ızen´ı hub motoru.
1.2
Vlastnosti elektrokol a poˇ zadavky na ˇ r´ıdic´ı jednotku
Vyr´abˇen´a elektrokola vesmˇes pracuj´ı ve dvou reˇzimech: 1) Ped´alov´ y asistent - Vedle ped´al˚ u je um´ıstˇen sn´ımaˇc jejich pohybu a pohonn´a jednotka je aktivn´ı pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze se ped´aly ot´aˇc´ı. Motor pak pom´ah´a v´ ykonem, na kter´ y je nastaven ovladaˇcem um´ıstˇen´ ym nejˇcastˇeji v rukojeti ˇr´ıd´ıtek. 2) Pˇr´ım´e ovl´ad´an´ı - Ovladaˇcem v´ ykonu se pˇr´ımo ˇr´ıd´ı motor podle urˇcit´e charakteristiky a je lhostejn´e, zda cyklista ˇslape do ped´al˚ u, ˇci nikoliv. Podrobnˇejˇs´ı informace o trakˇcn´ıch charakteristik´ach a chov´an´ı pohon˚ u ˇz´adn´ y z v´ yrobc˚ u neuv´ad´ı. Toto bude tedy pˇredmˇetem experimentov´an´ı a v´ ysledkem by mˇelo b´ yt nˇekolik m´od˚ u j´ızdy, mezi kter´ ymi si bude moˇzno vybrat, pˇr´ıp. upravovat jejich parametry. U navrhovan´e jednotky se nepoˇc´ıt´a s funkc´ı ped´alov´eho asistenta. Sn´ımaˇc ot´aˇcen´ı
ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKU 1.2. VLASTNOSTI ELEKTROKOL A POZADAVKY NA R
3
ped´al˚ u zvyˇsuje n´aklady pˇr´ıp. n´aroky na instalaci a sniˇzuje spolehlivost syst´emu. Jeho funkce lze nav´ıc ˇc´asteˇcnˇe nahradit vhodnˇe tvarovanou charakteristikou pohonu nebo tlaˇc´ıtkem nedaleko ovladaˇce v´ ykonu. Souˇc´ast´ı elektrokol, kter´a b´ yv´a ˇcasto ˇreˇsena velmi jednoduˇse, je rozhran´ı s uˇzivatelem. Vˇetˇsinou se vyskytuje v podobˇe ovladaˇce v´ ykonu, sp´ınaˇce v brzd´ach a sadˇe 3 LED pro indikaci pˇribliˇzn´eho stavu baterie. Uˇzivatelsk´emu rozhran´ı bude v tomto n´avrhu vˇenov´ana vˇetˇs´ı pozornost, aby bylo moˇzno syst´em v pˇr´ıpadˇe ˇspatn´e funkce diagnostikovat resp. mˇenit parametry pohonu. Rozhran´ı mezi uˇzivatelem a ˇr´ıdic´ı jednotkou bude tedy oproti standardn´ım prvk˚ um doplnˇeno o LCD se sadou tˇr´ı tlaˇc´ıtek. Dalˇs´ım rozd´ılem oproti bˇeˇzn´e ˇr´ıd´ıc´ı jednotce bude moˇznost regenerativn´ıho brzdˇen´ı. Jak bude uk´az´ano, nem´a tato vlastnost pˇr´ımo vliv na zapojen´ı vlastn´ı ˇr´ıdic´ı jednotky, ale sp´ıˇse je tomu zapotˇreb´ı pˇrizp˚ usobit jej´ı program a akumul´atory. U perspektivn´ıch technologi´ı akumul´ator˚ u (LiP ol, LiF eP O4) je pˇri nab´ıjen´ı totiˇz nutn´e napˇet´ı na jednotliv´ ych ˇcl´anc´ıch vyrovn´avat, aby nedoˇslo k jejich poˇskozen´ı nebo ne´ umˇern´emu sniˇzov´an´ı kapacity. S ohledem na evropsk´e smˇernice a normy bude ˇr´ıdic´ı jednotka vyv´ıjena pro pohon o st´al´em v´ ykonu 250W. Bˇehem cel´eho n´avrhu bude kladen d˚ uraz na kompaktnost cel´eho zaˇr´ızen´ı pro zajiˇstˇen´ı bezprobl´emov´e instalace na j´ızdn´ı kolo.
4
´ KAPITOLA 1. UVOD
Kapitola 2 Bezkomut´ atorov´ e motory pro elektrokola
2.1
´ Uvod
Hub motory elektrokol svou konstrukc´ı odpov´ıdaj´ı typu motoru oznaˇcovan´emu jako BLDC. BLDC motory jsou synchronn´ı stroje, kter´e maj´ı rotor opatˇren permanentn´ımi magnety. Magnetick´ y tok rotoru je vytv´aˇren pomoc´ı permanentn´ıch magnet˚ u a nikoliv elektrick´ ym proudem tekouc´ım vinut´ım, jako je tomu u klasick´ ych stejnosmˇern´ ych motor˚ u. BLDC motor tak nepotˇrebuje komut´ator s kart´aˇcky. Z t´eto skuteˇcnosti vznikl i n´azev motor˚ u: brushless - bezkart´aˇcov´ y (t´eˇz bezkomut´atorov´ y). Spolu s komut´atorem byly odstranˇeny i nejvˇetˇs´ı neduhy stejnosmˇern´ ych motor˚ u, kter´ ymi b´ yv´a spolehlivost a elektromagnetick´a kompatibilita. Mezi dalˇs´ı pˇr´ızniv´e vlastnosti patˇr´ı vˇsak tak´e lepˇs´ı momentov´a charakteristika, rychlejˇs´ı odezva, delˇs´ı a pomˇernˇe tich´ y chod. Navzdory potˇrebˇe podstatnˇe sloˇzitˇejˇs´ıho ˇr´ızen´ı v porovn´an´ı s klasick´ ymi komut´atorov´ ymi motory se BLDC st´avaj´ı st´ale v´ıce rozˇs´ıˇren´ ym typem pohonu. K ˇcastˇejˇs´ımu nasazov´an´ı tˇechto motor˚ u pˇrispˇely pˇredevˇs´ım v´ yrazn´e pokroky v oblasti v´ yvoje permanentn´ıch magnet˚ u, v´ ykonov´e elektroniky a v neposledn´ı ˇradˇe i dostupnost mikroprocesor˚ u popˇr. DSP pouˇz´ıvan´ ych pro jejich ˇr´ızen´ı. 5
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E
6
2.2
Mechanick´ a konstrukce
BLDC motory se vyskytuj´ı ve dvou z´akladn´ıch uspoˇr´ad´an´ıch oznaˇcovan´ ych jako Inrunner a Outrunner. V pˇr´ıpadˇe Inrunner se jedn´a o klasick´e uspoˇra´d´an´ı rotoru uvnitˇr statoru. Takto konstruovan´e motory jsou urˇcen´e pro vyˇsˇs´ı pracovn´ı rychlosti a menˇs´ı toˇciv´ y moment. U typu outrunner, narozd´ıl od pˇredchoz´ıho pˇr´ıpadu, rotor ve tvaru bubnu, na jehoˇz vnitˇrn´ı stranˇe jsou pod´elnˇe pˇripevnˇeny pl´atky permanentn´ıho magnetu, ob´ıh´a kolem statoru s vinut´ım. Toto uspoˇra´d´an´ı nab´ız´ı vˇetˇs´ı toˇciv´ y moment a niˇzˇs´ı maxim´aln´ı ot´aˇcky. Konstrukce outrunner je velmi popul´arn´ı pˇredevˇs´ım v pohonech diskov´ ych jednotek PC a v model´aˇrstv´ı pro pohon vrtul´ı model˚ u letadel. D´ale se vyskytuj´ı v podobˇe tzv. hub motor˚ u, hojnˇe pouˇz´ıvan´ ych v hybridn´ıch pohonech nejr˚ uznˇejˇs´ıch dopravn´ıch prostˇredk˚ u.
BLDC motory lze d´ale kategorizovat podle zp˚ usobu um´ıstˇen´ı permanentn´ıch magnet˚ u na rotoru (viz obr. 2.1):
1) Permanentn´ı magnety (p´oly rotoru) jsou uloˇzeny na jeho povrchu. Toto je nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´e uspoˇr´ad´an´ı d´ıky jednoduchosti v´ yroby. Zmˇena velikosti vzduchov´e mezery mezi p´oly statoru a rotoru je zanedbatelnˇe mal´a. U typu inrunner omezuje povrchov´a mont´aˇz permanentn´ıch magnet˚ u maxim´aln´ı ot´aˇcky motoru. Pˇri vysok´ ych ot´aˇck´ach rostou odstˇrediv´e s´ıly (hlavnˇe u vˇetˇs´ıch stroj˚ u) a magnety by se mohly uvolnit a poˇskodit motor. U typu outrunner toto ˇza´dn´e omezen´ı nepˇredstavuje (magnety jsou um´ıstˇeny na vnitˇrn´ı stˇenˇe bubnu).
2) Permanentn´ı magnety um´ıstˇeny pod povrchem rotoru. V tomto pˇr´ıpadˇe je mechanick´a odolnost konstrukce rotoru podstatnˇe vˇetˇs´ı a motor m˚ uˇze pracovat i pˇri vysok´ ych ot´aˇck´ach. Induktance se pˇri ot´aˇcen´ı rotoru mˇen´ı z d˚ uvodu zmˇeny ˇs´ıˇrky mezery mezi permanentn´ımi magnety a p´oly statoru.
3) Rotor m´a v´alcov´e magnetick´e j´adro a p´oly jsou na nˇem vytvoˇreny hranolov´ ymi n´astavci. T´ım je doc´ıleno spojen´ı v´ yhod obou pˇredeˇsl´ ych ˇreˇsen´ı (odolnost a nemˇenn´a vzd´alenost p´ol˚ u rotoru a statoru). Nev´ yhodou je vˇsak sloˇzitˇejˇs´ı v´ yroba.
˚ 2.3. PERMANENTN´I MAGNETY BLDC MOTORU
7
Obr´ azek 2.1: Rotory DLDC motor˚ u
Ve statoru vyroben´eho z plech˚ u magneticky mˇekk´eho materi´alu je uloˇzeno statorov´e vinut´ı. Zp˚ usob uspoˇra´d´an´ı tohoto vinut´ı a t´ım dan´ y tvar v nˇem indukovan´eho napˇet´ı je to hlavn´ı, ˇc´ım se BLDC liˇs´ı od ostatn´ıch PMSM. PMSM jsou stejnˇe jako BLDC synchronn´ı stroje s permanentn´ımi magnety na rotoru. Oproti BLDC maj´ı vinut´ı uspoˇra´d´ano koncentricky, ˇc´ımˇz je doc´ıleno, ˇze indukovan´e napˇet´ı kaˇzd´e f´aze m´a sinusov´ y a ne trapezoidn´ı pr˚ ubˇeh. Vˇetˇsina BLDC motor˚ u m´a stator navinut tˇr´ıf´azovˇe s topologi´ı hvˇezda. Motory s jin´ ym poˇctem f´az´ı neˇz tˇri nebo s vinut´ımi zapojen´ ymi do troj´ uheln´ıka b´ yvaj´ı pouˇz´ıv´any m´enˇe. Nˇekter´e BLDC motory maj´ı na sv´em statoru jeˇstˇe um´ıstˇenu sadu tˇr´ı Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u. Tyto slouˇz´ı jako zpˇetn´a vazba polohy rotoru pro ˇr´ıdic´ı elektroniku. Vz´ajemn´a poloha (´ uhel, o kter´ y jsou sn´ımaˇce posunuty) z´avis´ı na poˇctu p´olov´ ych dvojic motoru. Polohu rotoru lze urˇcit napˇr. i z velikosti indukovan´ ych napˇet´ı v jednotliv´ ych f´az´ıch, takˇze pouˇzit´ı Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u nen´ı pro ˇr´ızen´ı nutn´e. Detailnˇejˇs´ı informace o urˇcov´an´ı polohy rotoru jsou uvedeny v odstavci 2.5.3.
2.3
Permanentn´ı magnety BLDC motor˚ u
Permanentn´ı magnety jsou d˚ uleˇzit´ ym prvkem BLDC motor˚ u a pr´avˇe jejich vlastnostmi ˇ ım jsou magnety silnˇejˇs´ı, t´ım vˇetˇs´ı jsou z velk´e ˇc´asti d´any i parametry cel´eho stroje. C´ toˇciv´ y moment je motor schopen dodat. Na druhou stranu se t´ım zvyˇsuje hodnota zpˇetnˇe indukovan´eho napˇet´ı, coˇz zp˚ usobuje sn´ıˇzen´ı maxim´aln´ıch ot´aˇcek motoru. Vlastnost, kterou permanentn´ı magnety v synchronn´ıch motorem ovlivˇ nuj´ı jen nepatrnˇe, je u ´ˇcinnost. Ta je d´ana pˇredevˇs´ım vlastnostmi materi´alu plech˚ u, ze kter´ ych je poskl´ad´an magnetick´ y obvod statoru.
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E
8
Permanentn´ı magnety jsou nejl´epe charakterizov´any hysterezn´ı B-H kˇrivkou na obr. 2.2, kde B je magnetick´a indukce [T ] a H je intenzita magnetick´eho pole [Am−1 ]. Kdyˇz je materi´al permanentn´ıho magnetu (magneticky tvrd´ y materi´al) vystaven vnˇejˇs´ımu magnetick´emu poli, ˇcemuˇz odpov´ıd´a kˇrivka prvotn´ı magnetizace, z˚ ustane zmagnetizov´an i po odeznˇen´ı u ´ˇcink˚ u vnˇejˇs´ıho magnetick´eho pole. T´eto skuteˇcnosti odpov´ıd´a na hysterezn´ı kˇrivce bod Br - remanentn´ı magnetismus. Velikost Br a t´ım i velikost magnetick´eho toku, kter´ ym permanentn´ı magnet disponuje, je d´ana kvalitou materi´alu, ze kter´eho je vyroben. P˚ usob´ı - li na permanentn´ı magnet pole opaˇcn´e polarity, sniˇzuje se t´ım velikost magnetick´eho toku po B-H kˇrivce aˇz do bodu, kdy magnetick´ y tok vytv´aˇren´ y permanentn´ım magnetem bude nulov´ y. Tento bod se naz´ yv´a koercitivita (Hc). Koercitivita je tedy intenzita vnˇejˇs´ıho pole nutn´a k potlaˇcen´ı magnetick´eho toku permanentn´ıho magnetu.
Obr´ azek 2.2: Hysterezn´ı B-H kˇrivka permanentn´ıho magnetu
Velikost energie, kterou je moˇzno z magnetu vyuˇz´ıt, je pˇr´ımo u ´mˇern´a maximu souˇcinu ˇ ım vˇetˇs´ı je hodnota hodnoty magnetick´e indukce B a intenzity magnetick´eho pole H. C´ maxim´aln´ıho souˇcinu max(BH) [kJm−3 ], t´ım je permanentn´ı magnet v´ ykonnˇejˇs´ı. Jin´ ymi ˇ ım m´a magnet vyˇsˇs´ı hodnoty Br a Hc, t´ım vˇetˇs´ı magnetick´ slovy: C´ y tok je schopen dod´avat. Nejˇcastˇejˇs´ım typem materi´alu pro v´ yrobu permanentn´ıch magnet˚ u b´ yvaj´ı ferity. Hlavn´ımi sloˇzkami pro jejich v´ yrobu jsou oxidy ˇzeleza, baria a stroncia. Tyto materi´aly jsou levn´e a proto i magnety z nich vyroben´e se vyznaˇcuj´ı n´ızkou cenou a rovnˇeˇz dobr´ ym pomˇerem
´ ´I PARAMETRY A CHARAKTERISTIKA BLDC MOTORU 2.4. ZAKLADN
9
cena / v´ ykon. Z pouˇz´ıvan´ ych materi´al˚ u maj´ı ale nejmenˇs´ı hustotu magnetick´eho toku a jsou velmi kˇrehk´e. Velmi podobn´e vlastnosti nab´ızej´ı slitiny alnico. Oproti ferit˚ um vˇsak vynikaj´ı sv´ ymi mechanick´ ymi vlastnostmi. Nejlepˇs´ımi materi´aly (co se hustoty magnetick´eho toku t´ yˇce) pro v´ yrobu permanentn´ıch magnet˚ u jsou slitiny vz´acn´ ych zemn´ıch magnet˚ u. Jsou jimi samarium (samarium - kobalt) a neodym (neodym-ˇzelezo-bor). S jejich pomoc´ı se dosahuje nejlepˇs´ıho pomˇeru hustoty magnetick´eho toku na jednotku objemu. Oproti feritu a alnico jsou vˇsak podstatnˇe draˇzˇs´ı a ˇspatnˇe sn´aˇsej´ı vysok´e teploty. Hlavn´ı druhy materi´al˚ u pro permanentn´ı magnety pouˇz´ıvan´e v pr˚ umyslu jsou zn´azornˇeny na obr. 2.3.
Obr´ azek 2.3: Materi´aly pro v´ yrobu permanentn´ıch magnet˚ u
2.4
Z´ akladn´ı parametry a charakteristika BLDC motoru
Pro charakterizov´an´ı BLDC motoru jsou kromˇe jmenovit´eho napˇet´ı, proudu, ot´aˇcek a v´ ykonu d˚ uleˇzit´e konstanty Kv [ot/V] a Kt [Nm/A]. Kdyˇz se rotor motoru ot´aˇc´ı, permanentn´ı magnet proch´az´ı kolem statorov´ ych c´ıvek a indukuje v nich napˇet´ı. Toto napˇet´ı je pˇr´ımo u ´mˇern´e rychlosti ot´aˇcen´ı motoru a plat´ı pro nˇej rovnice 2.1. Ui = B · N · l · r · ω,
(2.1)
kde B je magnetick´a indukce, N poˇcet z´avit˚ u c´ıvky, l d´elka rotoru, r polomˇer rotoru a ω u ´hlov´a rychlost ot´aˇcen´ı rotoru. Indukovan´e napˇet´ı lze tak´e vyj´adˇrit jako Ui =
ω . Kv
(2.2)
10
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E Konstanta Kv tedy vyjadˇruje pomˇer mezi ot´aˇckami napr´azdno a svorkov´ ym (ˇspiˇckov´ ym)
napˇet´ım. Druh´a uveden´a konstanta slouˇz´ı pro urˇcen´ı pr˚ ubˇehu momentu motoru v z´avislosti na proudu podle vztahu
M = Kt · I.
(2.3)
Moment je tedy pˇr´ımo u ´mˇern´ y proudu, kter´ y motor odeb´ır´a. Pomˇernˇe zaj´ımav´ ym faktem je, ˇze souˇcin konstant Kv a Kt je stejn´ y pro vˇsechny motory a plat´ı pro nˇe rovnice 2.4.
Kv · Kt = 1
(2.4)
Na obr. 2.4 je vyobrazena mechanick´a charakteristika n = f (M ) BLDC motoru. Motor v oblasti plynul´eho provozu m˚ uˇze b´ yt zatˇeˇzov´an aˇz do jmenovit´eho momentu. Moment z˚ ust´av´a konstantn´ı v cel´em rozsahu rychlost´ı od 0 aˇz do jmenovit´ ych ot´aˇcek. Motor vˇsak mˇze b´ yt provozov´an i na vyˇsˇs´ıch ot´aˇck´ach, neˇz jsou jmenovit´e (aˇz 150% jmenovit´ ych), ale toˇciv´ y moment bude klesat. V aplikac´ıch, kde je ˇcast´ y rozbˇeh, zastavov´an´ı nebo reversov´an´ı smˇeru ot´aˇcen´ı, je d´ıky setrvaˇcnosti z´atˇeˇze po urˇcitou dobu poˇzadov´an vyˇsˇs´ı moment neˇz jmenovit´ y. Pr˚ ubˇeh momentu v t´eto oblasti provozu b´ yv´a v´ yraznˇe v´ıce zvlnˇen´ y neˇz v oblasti do jmenovit´eho momentu. Parametry odpov´ıdaj´ıc´ı vyznaˇcen´ ym bod˚ um na mechanick´e charakteristice jsou rozhoduj´ıc´ı pˇri v´ ybˇeru vhodn´eho motoru pro danou aplikaci.
ˇ ´IZEN´I BLDC MOTORU 2.5. R
11
Obr´ azek 2.4: Momentov´a charakteristika BLDC motoru
2.5 2.5.1
ˇ ızen´ı BLDC motoru R´ Princip ˇ cinnosti
V n´asleduj´ıc´ım textu bude uvaˇzov´an tˇr´ıf´azov´ y BLDC motor s vinut´ımi zapojen´ ymi do hvˇezdy. Tento typ patˇr´ı mezi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı a pr´avˇe t´eto konstrukce je i hub motor, pro kter´ y je ˇr´ıdic´ı jednotka navrhov´ana. Obr. 2.5 a) vyobrazuje velmi zjednoduˇsenou konstrukci BLDC motoru. Stator m´a v tomto pˇr´ıpadˇe tˇri p´olov´e dvojice (pro kaˇzdou f´azi jedna). P´olovou dvojici tvoˇr´ı vˇzdy dva protˇejˇs´ı p´olov´e n´astavce, kter´e jsou opatˇreny vinut´ım jedn´e f´aze. Vinut´ı je na nˇe uspoˇra´d´ano tak, aby p´oly vytv´aˇrely magnetick´e pole stejn´e velikosti, ale opaˇcn´e polarity. Takto jsou vytvoˇreny tˇri elektromagnetick´e obvody spojen´e do spoleˇcn´eho bodu. Kaˇzd´ y z obvod˚ u je uprostˇred rozdˇelen, coˇz umoˇzn ˇuje permanent´ımu magnetu rotoru se natoˇcit do stˇredu indukovan´eho magnetick´eho pole. Aby se rotor zaˇcal ot´aˇcet, je potˇreba pomoc´ı statorov´ ych vinut´ı vytvoˇrit toˇciv´e magnetick´e pole. U konfigurace tˇr´ı f´az´ı zapojen´ ych
12
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E
do hvˇezdy se tento poˇzadavek d´a zajistit pˇrikl´ad´an´ım napˇet´ı na dvˇe f´aze, zat´ımco tˇret´ı f´aze z˚ ust´av´a odpojena. Toto je dalˇs´ı odliˇsnost od ostatn´ıch PMSM, kde jsou k nap´ajen´ı pˇripojeny vˇzdy vˇsechny tˇri f´aze vinut´ı motoru, d´ıky ˇcemuˇz maj´ı m´enˇe zvlnˇen´ y pr˚ ubˇeh momentu. Polarita a sekvence, v jak´e je potˇreba napˇet´ı pˇripojovat je naznaˇcena pomoc´ı ˇ ˇsipek na obr. 2.5 b). Sipka znaˇc´ı orientaci napˇet´ı a ˇc´ıslo poˇrad´ı v jednom elektrick´em cyklu. Pro opaˇcn´ y smˇer ot´aˇcen´ı se v naznaˇcen´em cyklu postupuje v opaˇcn´em poˇrad´ı.
Obr´ azek 2.5: Zjednoduˇsen´a konstrukce BLDC motoru
V prvn´ım kroku jsou aktivov´ana vinut´ı A-B a f´aze C je odpojena. Rotor se zaˇcne nat´aˇcet ve smˇeru jimi generovan´eho pole. V urˇcit´e poloze rotoru ˇr´ıdic´ı syst´em komutuje proudy tekouc´ı do vinut´ı. Magnetick´e pole generovan´e f´az´ı B si mus´ı zachovat svoji orientaci a novˇe vznikl´e pole generovan´e f´az´ı C s n´ım bude m´ıt totoˇznou orientaci. Na z´akladˇe toho jsou aktivov´ana vinut´ı C-B a A odpojeno. Takto se postupuje d´ale, aˇz se vystˇr´ıdaj´ı vˇsechny moˇzn´e kombinace. Tˇech je celkem ˇsest a t´eto posloupnosti ˇr´ık´ame elektrick´ y cyk´ lus. Uhel, o kter´ y se rotor za tento jeden cyklus otoˇc´ı, z´avis´ı na poˇctu p´olov´ ych dvojic statoru. S rostouc´ım poˇctem p´olov´ ych dvojic statoru a rotoru kles´a (pˇri zachov´an´ı frekvence elektrick´ ych cykl˚ u) rychlost ot´aˇcen´ı motoru, ale z´aroveˇ n tak´e roste toˇciv´ y moment motoru. V tomto pˇr´ıpadˇe se pˇri kaˇzd´e komutaci statorov´eho proudu otoˇc´ı rotor o 60◦ a jeden elektrick´ y cyklus odpov´ıd´a jedn´e ot´aˇcce hˇr´ıdele motoru. V´ yˇse uveden´e magnetick´e uspoˇra´d´an´ı rotoru v˚ uˇci statoru neodpov´ıd´a u ´plnˇe pˇresnˇe realitˇe (ve skuteˇcnosti se maxim´aln´ıho toˇciv´eho momentu dos´ahne, kdyˇz je permanentn´ı magnet posunut vzhledem k magnetick´emu poli statoru o 90◦ ), nicm´enˇe m˚ uˇze dobˇre poslouˇzit pro u ´vod do problematiky ˇr´ızen´ı BLDC motoru, o coˇz zde jde pˇredevˇs´ım.
ˇ ´IZEN´I BLDC MOTORU 2.5. R
2.5.2
13
Komutace proud˚ u statorov´ eho vinut´ı
Jak uˇz bylo ˇreˇceno, aby se BLDC motor zaˇcal ot´aˇcet, je na statorov´e vinut´ı potˇreba pˇriv´est elektrick´ y proud s odpov´ıdaj´ıc´ım poˇctem f´az´ı a vhodn´ ym pr˚ ubˇehem. Viz obr´azek 2.6 , kde je typick´a uk´azka pr˚ ubˇehu proud˚ u ve statorov´em vinut´ı tˇr´ıf´azov´eho BLDC motoru.
ˇ Obr´ azek 2.6: Casov´ y pr˚ ubˇeh proud˚ u vinut´ımi motoru
Pˇri pohledu na pr˚ ubˇehy proud˚ u jednotliv´ ych f´az´ı, sv´ ym tvarem velmi pˇripom´ınaj´ı pr˚ ubˇeh klasick´eho sinusov´eho tˇr´ıf´azov´eho proudu, kde jsou f´aze posunuty o 120◦ . Pˇrivedemeli tento tˇr´ıf´azov´ y proud na svorky motoru, motor se bude toˇcit, ale charakteristika nebude pˇr´ıliˇs v´ yhodn´a. Rozbˇehov´ y moment bude n´ızk´ y a vysoce setrvaˇcn´e syst´emy nezvl´adne motor v˚ ubec. Motor nav´ıc nen´ı moˇzn´e pro dosaˇzen´ı maxim´aln´ı u ´ˇcinnosti nap´ajet ze zdroje stˇr´ıdav´eho tˇr´ıf´azov´eho gener´atoru s pevn´ ym kmitoˇctem. Za tˇechto podm´ınek by totiˇz mohly nastat tyto situace: 1) Kmitoˇcet je niˇzˇs´ı, neˇz jsou ot´aˇcky motoru pro dan´e zat´ıˇzen´ı. Rotor se bude zastavovat v poloze, kdy jsou jeho p´oly nejbl´ıˇze p´ol˚ um statoru a nebude se ot´aˇcet rovnomˇernˇe. Kaˇzd´e pˇribrzdˇen´ı bude n´asledov´ano urychlen´ım a energie potˇrebn´a na tyto opakuj´ıc´ı se n´abˇehy bude patˇrit mezi ztr´aty. 2) Kmitoˇcet bude shodn´ y s frekvenc´ı ot´aˇcen´ı rotoru. Toto je pro synchronn´ı stroj ide´aln´ı stav. Pˇri zv´ yˇsen´ı nad urˇcitou mez zat´ıˇzen´ı nebo poklesu napˇet´ı motor vypadne ze synchronismu a zastav´ı se. 3) Kmitoˇcet bude vyˇsˇs´ı, neˇz ot´aˇcky rotoru. Rotor se v tomto pˇr´ıpadˇe nebude toˇcit, ale kmitat kolem urˇcit´e polohy. Gener´ator tedy mus´ı m´ıt nutnˇe promˇenn´ y kmitoˇcet, kter´ y se mˇen´ı v z´avislosti na rychlosti ot´aˇcen´ı rotoru. Z´aroveˇ n mus´ı m´ıt i vhodnou f´azi, aby byla zajiˇstˇena maxim´aln´ı teˇcn´a s´ıla rotoru a t´ım i maxim´aln´ı u ´ˇcinnost motoru. I kdyˇz je BLDC ze sv´e podstaty stroj na stˇr´ıdav´ y proud, pro jeho nap´ajen´ı nen´ı
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E
14
pouˇz´ıv´an proud sinov´eho pr˚ ubˇeh. Nam´ısto toho jsou jeho svorky pˇripojeny k tˇr´ıf´azov´emu m˚ ustku vybaven´eho ˇsesti sp´ınac´ımi prvky. Aktivov´an´ım pˇr´ısluˇsn´ ych dvojic sp´ınaˇc˚ u je pak snadn´e komutovat proudy ve vinut´ıch podle sekvence naznaˇcen´e na obr. 2.5 b).
2.5.3
Urˇ cov´ an´ı polohy rotoru
Pro spr´avn´e ˇr´ızen´ı m˚ ustku je naprosto kl´ıˇcov´a znalost polohy rotoru vzhledem ke statoru, aby byl zajiˇstˇen pˇrechod mezi jednotliv´ ymi kroky elektrick´eho cyklu ve vhodn´ y okamˇzik. Sn´ım´an´ı polohy rotoru se dˇel´ı na dvˇe z´akladn´ı skupiny. Jsou to metody se sn´ımaˇci a bezsenzorov´e. Volba metody z´avis´ı na poˇzadovan´e pˇresnosti a tak´e na cenˇe motoru. Do skupiny senzorov´ ych metod sn´ım´an´ı polohy rotoru se ˇrad´ı resolvery, optick´e inkrement´aln´ı sn´ımaˇce a Hallovy sondy. Prvn´ı dva jmenovan´e se vyznaˇcuj´ı velmi dobr´ ymi rozliˇsovac´ımi schopnostmi a vysokou cenou, d´ıky ˇcemuˇz nach´az´ı uplatnˇen´ı jen u motor˚ u urˇcen´ ych pro pˇresn´e polohov´an´ı. Sn´ımaˇce zaloˇzen´e na Hallovu jevu (obr. 2.7) jsou nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım zp˚ usobem sn´ım´an´ı polohy rotoru BLDC motor˚ u. Jsou citliv´e na vnˇejˇs´ı magnetick´e pole (zde pole rotoru) a podle nˇej nastavuj´ı sv˚ uj v´ ystup do vysok´e nebo n´ızk´e u ´rovnˇe. Vˇsechny obvody potˇrebn´e pro jejich ˇcinnost (stabiliz´ator napˇet´ı, zesilovaˇc, kompar´ator s hysterez´ı a budiˇc) jsou um´ıstˇeny do jednoho miniaturn´ıho pouzdra, coˇz umoˇzn ˇuje jejich snadn´e pouˇzit´ı. Nav´ıc jsou velmi levn´e a jejich pouˇzit´ı snadn´e. Na stator mus´ı b´ yt um´ıstˇena vˇzdy trojice Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u, aby bylo rozpozn´ano vˇsech ˇsest poloh komutace v r´amci jednoho elektrick´eho cyklu. Souvislost mezi pr˚ ubˇehy sign´al˚ uz Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u a proudy statorov´eho vinut´ı jsou uvedeny na obr. 2.7.
Obr´ azek 2.7: Struktura Hallova sn´ımaˇce
Bezsn´ımaˇcov´e mˇeˇren´ı polohy rotoru je zaloˇzeno na vyhodnocov´an´ı indukovan´eho napˇet´ı ve f´azi, kter´a zrovna nen´ı pˇripojena ani k jednomu p´olu nap´ajec´ıho napˇet´ı. Motor, kter´ y ˇr´ıd´ıme detekc´ı BEMF na sobˇe tedy nem´a um´ıstˇeny ˇza´dn´e sn´ımaˇce. Existuje v´ıce metod,
ˇ ´IZEN´I BLDC MOTORU 2.5. R
15
jak okamˇzik komutace z BEMF urˇcit, ale nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı je hled´an´ı pr˚ uchodu indukovan´eho napˇet´ı umˇele vytvoˇrenou nulou. Protoˇze je tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek ˇr´ızen pomoc´ı PWM, mus´ı b´ yt sign´aly pˇred vyhodnocen´ım vhodnˇe upraveny filtry. Vyfiltrovan´e sign´aly pot´e pˇrich´az´ı na neinvertuj´ıc´ı vstupy trojice operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u. Invertuj´ıc´ı vstupy jsou pˇres rezistory spojeny do jednoho bodu - umˇel´a nula nebo v pˇr´ıpadˇe vyveden´eho stˇredu hvˇezdy do nˇej. V´ ystupy zesilovaˇc˚ u pak sv´ ym tvarem odpov´ıdaj´ı sign´al˚ um, kter´e generuje trojice Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u. Sign´aly z´ıskan´e z BEMF jsou oproti sign´al˚ um Hallov´ ych sond posunuty o 30◦ . Viz obr. 2.8. Bezsn´ımaˇcov´e metody nejsou pˇr´ıliˇs vhodn´e pro motory pracuj´ıc´ı pˇri n´ızk´ ych ot´aˇck´ach. Indukovan´e napˇet´ı m´a pˇri nich malou amplitudu, coˇz zp˚ usobuje obt´ıˇznˇejˇs´ı detekci pr˚ uchodu nulou a zvyˇsuje citlivost na okoln´ı ruˇsen´ı. Dalˇs´ı probl´em nast´av´a pˇri rozbˇehu motoru. Motor mus´ı b´ yt spouˇstˇen v otevˇren´e smyˇcce tzn. bez zpˇetn´e vazby polohy rotoru. Na ˇr´ızen´ı zpˇetnovazebn´ı se pˇrejde aˇz v okamˇziku, kdy indukovan´e napˇet´ı dos´ahne u ´rovnˇe, pˇri kter´e je jeho zpracov´an´ı moˇzn´e. Rozbˇehov´a charakteristika je tedy horˇs´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe senzorov´eho ˇr´ızen´ı. O BEMF bude jestˇe podrobnˇeji pojedn´ano v kapitole 3.5.2.
16
´ ´ MOTORY PRO ELEKTROKOLA KAPITOLA 2. BEZKOMUTATOROV E
Obr´ azek 2.8: Pr˚ ubˇehy sign´al˚ u sn´ımaˇc˚ u polohy rotoru
Kapitola 3 Technick´ e prostˇ redky ˇ r´ıdic´ı jednotky 3.1
Souvislost vlastnost´ı jednotky s technick´ ymi prostˇ redky
Aby byla ˇr´ıdic´ı jednotka schopna zajistit poˇzadavky naznaˇcen´e v kapitole 1.2, mus´ı disponovat pˇr´ısluˇsn´ ymi technick´ ymi prostˇredky. Z´akladn´ı blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky je na obr. 3.1. Protoˇze poˇzadujeme kromˇe roztoˇcen´ı motoru i ˇr´ızen´ı jeho momentu resp. v´ ykonu a informace o stavu cel´eho syst´emu, je v´ yhodnˇejˇs´ı pouˇz´ıt programovateln´ y mikrokontrol´er, neˇz monolitick´ y ˇr´ıdic´ı obvod jako napˇr. 8902-A od spoleˇcnosti Allegro nebo M56730ASP od Mitsubishi. Mikrokontrol´er ˇr´ıd´ı BLDC motor prostˇrednictv´ım tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku tak, ˇze pro kaˇzd´ y jeho sp´ınaˇc generuje sekvenci PWM sign´al˚ u na z´akladˇe kombinace stav˚ u v´ ystup˚ u z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u. Zmˇenou stˇr´ıdy ˇr´ıdic´ıch sign´al˚ u pak m˚ uˇze mikrokontrol´er mˇenit velikost proudu tekouc´ıho vinut´ım motoru a t´ım i toˇciv´ y moment motoru. Dalˇs´ımi podsyst´emey, kter´e mikrokontrol´er ovl´ad´a, jsou LCD a prostˇrednictv´ım budiˇce tranzistor sp´ınaj´ıc´ı kladn´ y p´ol baterie k tˇr´ıf´azov´emu m˚ ustku. Tranzistor je mezi m˚ ustek a baterii zaˇrazen jednak z d˚ uvodu moˇznosti odpojen´ı z´atˇeˇze pˇri zkratu a ˇr´ızen´ı toku energie jedn´ım nebo druh´ ym smˇerem. V motorov´em m´odu sv´ ym sepnut´ım umoˇzn´ı dod´avku energie pro roztoˇcen´ı motoru, zat´ımco v gener´atorov´em reˇzimu se uplatn´ı pˇredevˇs´ım jeho ochrann´a dioda. Ta br´an´ı proudu, aby tekl do motoru, neˇz se gener´ator dostane do f´aze, kdy dod´av´a vyˇsˇs´ı napˇet´ı, neˇz je napˇet´ı baterie. Pak uˇz nen´ı probl´em tranzistor sepnout, aby se sn´ıˇzil u ´bytek napˇet´ı na diodˇe. Budiˇc tranzistoru v sobˇe integruje nav´ıc i proudovou ochranu. Obvody zprostˇredkov´avaj´ıc´ı informaci o dˇen´ı v ˇr´ıdic´ı jednotce jsou sn´ımaˇc motorov´eho proudu, sn´ımaˇc svorkov´eho napˇet´ı baterie a senzor teploty v´ ykonov´ ych prvk˚ u. Sn´ımaˇc proudu slouˇz´ı jako zpˇetn´a vazba pro regul´ator proudu implementovan´ y ve fir17
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
18
mware a nach´az´ı uplatnˇen´ı jak pˇri motorov´em, tak pˇri gener´atorov´em reˇzimu. Mˇeˇren´ı napˇet´ı na svork´ach baterie je d˚ uleˇzit´e pro hl´ıd´an´ı jej´ıho stavu nabit´ı. Pˇreb´ıjen´ım nebo pˇr´ıliˇsn´ ym vybit´ım se mohou totiˇz ˇcl´anky nevratnˇe poˇskodit. V´ ystupy uveden´ ych sn´ımaˇc˚ u jsou pˇripojeny na vstupy AD pˇrevodn´ıku mikrokontrol´eru spolu s referenc´ı v´ ykonu resp. toˇciv´eho momentu pohonu.
Obr´ azek 3.1: Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky
Kaˇzd´ y blok bude v dalˇs´ım textu detailnˇeji diskutov´an a nakonec jejich spojen´ı vy´ ust´ı v koneˇcn´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky.
3.2
Mikrokontrol´ er
Do funkce prvku ˇr´ıdic´ıho ˇcinnost cel´eho syst´emu byl vybr´an mikrokontrol´er PIC18F4431 od firmy Microchip. PIC18F4431 je 8-bitov´ y mikrokontrol´er s 16 kB FLASH pamˇeti a
´ 3.2. MIKROKONTROLER
19
maxim´aln´ı pracovn´ı frekvenc´ı 40MHz, pˇri kter´e dosahuje v´ ypoˇcetn´ıho v´ ykonu 10 MIPS. Standardnˇe je vyr´abˇen ve 40-ti(PDIP) nebo 44(TQFP, QFN) v´ yvodov´ ych pouzdrech. Kromˇe standardn´ıch vlastnost´ı rodiny PIC18F nab´ız´ı tento model specializovan´e periferie, d´ıky kter´ ym se hod´ı pro ˇr´ızen´ı vˇsech typ˚ u motor˚ u. 18F4431 disponuje konkr´etnˇe tˇemito prostˇredky: - 16 kB programov´a pamˇet’ - 768 B datov´a pamˇet’ - 256 B EEPROM - flexibiln´ı oscil´ator s maxim´aln´ım kmitoˇctem 40 MHz - 36 I/O pin˚ u rozdˇelen´ ych do 5 bran (PORTA, . . . , PORTE) - 14-ti bitov´ y Power Control PWM modul - motion feedback modul - vysokorychlostn´ı, 200 Ksps, 10-bit A/D pˇrevodn´ık (aˇz 9 kan´al˚ u) - 4 ˇcasovaˇce + watchdog ˇcasovaˇc - prioritn´ı pˇreruˇsen´ı, tˇri extern´ı pˇreruˇsen´ı - s´eriov´a komunikace: USART, IIC, SPI - 3 m´ody spr´avy nap´ajen´ı: Run, Idle, Slep - ICSP rozhran´ı V n´asleduj´ıc´ım textu budou nˇekter´e tyto, pro navrhovanou jednotku pouˇz´ıvan´e, periferie struˇcnˇe pops´any. V´ıce detail˚ u o pouˇzit´em mikrokontrol´eru lze nal´ezt v datov´em listu souˇc´astky [17].
3.2.1
PCPWM Modul
PCPMW (Power Control Pulse-Widht Modulation) byl navrhnut tak, aby co nejv´ıce zjednoduˇsil u ´lohy generov´an´ı synchronizovan´ ych pulsnˇe-ˇs´ıˇrkovˇe modulovan´ ych sign´al˚ uv aplikac´ıch ˇr´ızen´ı motor˚ u a mˇeniˇc˚ u napˇet´ı. Z´akladn´ı blokov´e sch´ema je na obr. 3.2.
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
20
Obr´ azek 3.2: Blokov´e sch´ema PCPWM modulu
Modul obsahuje jednu ˇcasovou z´akladnu (registry PTMR, PTPER a kompar´ator) ud´avaj´ıc´ı frekvenci PWM sign´alu a d´ale urˇcuje, zda bude sign´al zarovnan´ y podle jeho n´abeˇzn´e hrany nebo podle stˇredu aktivn´ıho u ´seku periody. Perioda sign´alu je plnˇe pod kontrolou uˇzivatelsk´eho programu a lze ji mˇenit On − the − f ly, tedy za bˇehu programu. Na ˇcasovou z´akladnu navazuj´ı ˇctyˇri gener´atory stˇr´ıdy s maxim´aln´ım rozliˇsen´ım 14 bit˚ u. Stˇr´ıdu ud´av´a hodnota pˇr´ısluˇsn´ ych registr˚ u PDC. Rozliˇsen´ı PWM sign´alu kles´a se zvyˇsuj´ıc´ı se frekvenc´ı. V´ ystup PCPWM modulu tvoˇr´ı 8 v´ ystupn´ıch pin˚ u, kter´e jsou seskupeny do dvojic tak, ˇze kaˇzd´a dvojice pˇr´ısluˇs´ı jednomu gener´atoru stˇr´ıdy. Dvojici pin˚ u lze nakonfigurovat bud’
´ 3.2. MIKROKONTROLER
21
zp˚ usobem, ˇze budou poskytovat stejn´ y pr˚ ubeh nebo (v komplement´arn´ım m´odu) sign´aly doplˇ nkov´e. Mezi v´ ystupn´ı pin a gener´atory je zaˇrazen jeˇstˇe Dead time gener´ator, kter´ y v pˇr´ıpadˇe potˇreby (v komplement´arn´ım m´odu) vkl´ad´a pˇri zmˇenˇe logick´e u ´rovnˇe sign´alu mezi sestupnou a n´abˇeˇznou hranu komplement´arn´ıch sign´al˚ u ˇcasovou prodlevu. Pˇri aplikaci ˇr´ızen´ı m˚ ustku se tak d´a zamezit sepnut´ı horn´ıho a doln´ıho sp´ınaˇce ve stejn´ y okamˇzik a t´ım ochr´anit sp´ınac´ı prvky. Kaˇzd´emu kan´alu pˇr´ısluˇs´ı jeˇstˇe PWM Output Override bit, kter´ y umoˇznuje odpojit v´ ystup PWM gener´atoru od v´ ystupn´ıho pinu. V pˇr´ıpadˇe odpojen´ı pinu se na nˇem objev´ı programovˇe definovan´a logick´a u ´roveˇ n. PCPWM modul m´a implementov´any dva chybov´e vstupy F LT A a F LT B aktivn´ı v logick´e 0. S jejich pomoc´ı lze odpojit modul od v´ ystupn´ıch pin˚ u v pˇr´ıpadˇe poruchy. Kaˇzd´ y z chybov´ ych vstup˚ u m´a dvˇe moˇznosti, jak se bude pˇri v´ yskytu chyby chovat. Jedna moˇznost pˇredstavuje deaktivaci PWM v´ ystup˚ u a jejich ponech´an´ı v neaktivn´ım stavu i po odeznˇen´ı chyby. Funkci lze pak opˇet obnovit nastaven´ım pˇr´ısluˇsn´eho bitu v programu. Druh´a moˇznost nastaven´ı deaktivuje PWM v´ ystupy jen na dobu, po kterou trv´a stav poruchy. Odpojen´ı nen´ı realizov´ano ve spolupr´aci se software, n´ ybrˇz ˇcistˇe hardwarovˇe. PCPWM modul m´a moˇznost spouˇstet nˇekter´e ud´alosti synchronnˇe s ˇcasovou z´akladnou pomoc´ı Special event trigger. Nejv´ yznamnˇejˇs´ı je spouˇstˇen´ı A/D pˇrevodn´ıku v definovan´em bodˇe periody sign´alu, coˇz m˚ uˇze slouˇzit pro meˇrˇen´ı proudu proch´azej´ıc´ıho ˇr´ızen´ ym obvodem (napˇr. vinut´ım motoru).
3.2.2
Motion Feedback Modul
Motion Feedback modul (viz obr. 3.3) je specializovan´a periferie urˇcen´a pro sn´ım´an´ı polohy nebo rychlosti pohybu ˇr´ızen´eho syst´emu. Cel´ y modul se skl´ad´a ze dvou ˇca´st´ı: Input Capture (IC) a Quadrature Encoder Interface (QEI). IC a QEI nemohou pracovat z´aroveˇ n. Povolen´ı jednoho automaticky zak´aˇze funkci druh´eho. Modulu pˇr´ısluˇs´ı jeˇstˇe ˇcasovaˇc 5 a filtry ˇsumu pˇripojen´e na kaˇzd´em vstupu modulu. Rozhran´ı QE je uzp˚ usobeno pro pˇripojen´ı zpˇetnovazebn´ıho kvadraturn´ıho inkrement´aln´ıho sn´ımaˇce ot´aˇcek a polohy. M´a tedy vstupy pro sign´aly f´az´ı A, B a INDX, kter´ y ˇ ıdic´ı logika detekuje sled hran sign´al˚ sn´ımaˇc generuje jednou za ot´aˇcku sv´eho hˇr´ıdele. R´ u A resp. B a produkuje pulsy pro ˇc´ıtaˇc (Position Counter), odkud je ˇctena informace ˇ o poloze resp. rychlosti. Cetnost puls˚ u z´avis´ı na zvolen´em pracovn´ım reˇzimu. Z´akladn´ı reˇzimy jsou celkem dva: x2 a x4. V m´odu x2 jsou detekov´any hrany jen sign´alu A a sign´al B slouˇz´ı pro stanoven´ı smˇeru pohybu. M´od x4 detekuje hrany sign´al˚ u A i B a nab´ız´ı tak 2 x vˇetˇs´ı rozliˇsen´ı neˇz x2. QEI d´ale poskytuje informaci o smˇeru pohybu, pˇr´ıznak zmˇeny
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
22
smˇeru ot´aˇcen´ı a ˇr´ıdic´ı sign´aly pro pˇridruˇzen´ y ˇcasovaˇc. Rozhran´ı IC (zachycen´ı u ´rovnˇe vstupu) sest´av´a ze tˇr´ı zachycovac´ıch jednotek. Kaˇzd´a obsahuje programovateln´ y prescaler (dˇeliˇc kmitoˇctu) n´asledovan´ y detektorem hran a ˇcasovaˇcem. D´ıky ˇcasovaˇci je moˇzn´e mˇeˇrit ˇcas mezi zmˇenami resp. poˇcet zmˇen za ˇcas na vstupech IC a zjistit tak napˇr. d´elku trv´an´ı pulsu nebo rychlost pohybu. Kaˇzd´a zachycovac´ı jednotka m˚ uˇze b´ yt d´ale konfigurov´ana tak, aby pˇri vzestupn´e ˇci sestupn´e hranˇe sign´alu na vstupu generovala pˇreruˇsen´ı.
Obr´ azek 3.3: Blokov´e sch´ema Motion Feedback modulu
3.2.3
10-ti bitov´ y analogovˇ e-ˇ c´ıslicov´ y pˇ revodn´ık
Mikrokontrol´er 18F4431 obsahuje 10-bitov´ y A/D pˇrevodn´ık o rychlosti aˇz 200 000 vzork˚ u za sekundu s maxim´aln´ım poˇctem dev´ıti vstup˚ u. Jako referenci lze pouˇz´ıt bud’ extern´ı napˇet´ı nebo nap´ajec´ı napˇet´ı MCU. Blokov´e sch´ema modulu pˇrevodn´ıku je na obr. 3.4.
´ 3.2. MIKROKONTROLER
23
Obr´ azek 3.4: Blokov´e sch´ema A/D pˇrevodn´ıku
Vstupy do pˇrevodn´ıku jsou rozdˇeleny do 4 skupin A(AN0, AN4, AN8), B(AN1, AN5), C(AN2, AN6), D(AN3, AN7). Sign´aly ze skupin A a C vstupuj´ı do vzorkovac´ıho obvodu pˇres multiplexer, kter´ ym se vyb´ır´a konkr´etn´ı kan´al z tˇechto dvou skupin. Skupiny B a D maj´ı rovnˇeˇz sv˚ uj multiplexer a sv˚ uj vzorkovac´ı obvod. Z tˇechto dvou vzorkovaˇc˚ u se opˇet multiplexerem vyb´ır´a vzorek pro pˇrevod. Tato struktura tedy umoˇzn ˇuje souˇcasn´e ovzorkov´an´ı dvou vybran´ ych sign´al˚ u. Vlastn´ı pˇrevod m˚ uˇze prob´ıhat ve dvou reˇzimech. Singl shot umoˇzn ˇuje jednor´azov´ ya Continuous loop cyklick´ y pˇrevod definovan´ ych kan´al˚ u. D´ale je moˇzn´e definovat, zda se m´a pˇrev´adˇet jedin´ y kan´al nebo sekvence vybran´ ych kan´al˚ u. Zah´ajen´ı pˇrevodu lze spouˇstˇet z nˇekolika r˚ uzn´ ych zdroj˚ u: RC3/INT0 pin, pˇreteˇcen´ı ˇcasovaˇce 5, Input Capture 1 (IC1), CCP2 ,vzestupnou hranou sign´alu z Power Control PWM nebo nastaven´ım pˇr´ısluˇsn´eho bitu v SW. Uveden´e zp˚ usoby lze pak d´ale libovolnˇe kombinovat. V´ ysledek pˇrevodu je v z´avislosti na nastaven´ı ukl´ad´an bud’ pˇr´ımo do registru ADRES nebo do ˇctyˇr-´ urovˇ nov´eho kruhov´eho bufferu typu FIFO, odkud je moˇzno pomoc´ı ukazatele bufferu ADPNT v´ ysledky ˇc´ıst. Pˇreruˇsen´ı od AD pˇrevodn´ıku m˚ uˇze b´ yt ve spolupr´aci s t´ımto bufferem generov´ano bud’ s kaˇzd´ ym jednotliv´ ym, kaˇzd´ ym druh´ ym nebo
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
24
kaˇzd´ ym ˇctvrt´ ym dokonˇcen´ ym pˇrevodem. Tohoto se d´a s v´ yhodou vyuˇz´ıt pˇri pˇrevodu sekvence kan´al˚ u a ud´alost pˇreruˇsen´ı obslouˇzit, aˇz kdyˇz jsou k dispozici v´ ysledky z poˇzadovan´e sady sign´al˚ u.
3.3
Obvody ochran a mˇ eˇ ren´ı
Pro zajiˇstˇen´ı spr´avn´e funkce cel´eho syst´emu je potˇreba do n´avrhu zaˇclenit sadu ochrann´ ych prvk˚ u. Tyto monitoruj´ı provozn´ı podm´ınky a pˇri jejich odch´ ylen´ı od pˇr´ıpustn´ ych mez´ı zajist´ı generov´an´ı varovn´e informace a omezen´ı funkce syst´emu. Pro funkci ˇr´ızen´ı motoru je nezbytn´e zpracov´avat informaci z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u (viz obr. 3.5. V´ ystup Hallova sn´ımaˇce je v podobˇe otevˇren´eho kolektoru a mus´ı b´ yt tedy opatˇren pull − up rezistorem. D´ale mus´ı b´ yt pˇripojeny blokovac´ı kondenz´atory pro filtrov´an´ı pˇr´ıpadn´eho ˇsumu. Pˇres mal´ y odpor je pak sign´al uˇz pˇriveden k IC modulu mikrokontrol´eru.
Obr´ azek 3.5: Oˇsetˇren´ı v´ ystup˚ u z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u polohy rotoru
Asi nejobt´ıˇznˇejˇs´ı u ´lohou je mˇeˇren´ı velikosti prot´ekaj´ıc´ıho proudu. Pˇri maxim´aln´ım uvaˇzovan´em proudu 14 A nen´ı praktick´e pouˇzit´ı sn´ımac´ıho rezistoru proudu z d˚ uvodu tepeln´ ych ztr´at vznikaj´ıc´ıch na nˇem podle rovnice 3.1 a jeho rozmˇer˚ u. P = R · I2
(3.1)
Velikost proudu je proto sn´ım´ana pˇrevodn´ıkem ACS714. Jedn´a se o pˇrevodn´ık zaloˇzen´ y na Hallovu jevu umoˇzn ˇuj´ıc´ı mˇeˇren´ı proudu v rozmez´ı ±5 aˇz ±30 A (z´aleˇz´ı na konkr´etn´ım typu). Uvnitˇr obvodu se nach´az´ı vodiˇc, kolem kter´eho se vytv´aˇr´ı magnetick´e pole u ´mˇern´e velikosti prot´ekaj´ıc´ıho proudu. V jeho bl´ızkosti je um´ıstˇena Hallova sonda pˇrev´adˇej´ıc´ı
ˇ REN ˇ ´I 3.3. OBVODY OCHRAN A ME
25
intenzitu magnetick´eho pole na elektrick´e napˇet´ı. Aby bylo moˇzno mˇeˇrit pr˚ uchod proudu v obou smˇerech, m´a v´ ystup pˇrevodn´ıku pˇri nulov´em proudu na v´ ystupu polovinu nap´ajec´ıho napˇet´ı. Se zvyˇsuj´ıc´ım se proudem v jednom smˇeru tato hodnota roste a ve smˇeru opaˇcn´em kles´a podle pˇrevodn´ı konstanty. Pro svoji funkci obvod vyˇzaduje jen pˇripojen´ı extern´ıho filtraˇcn´ıho kondenz´atoru. V´ ystup obvodu ACS714 je pˇriveden pˇres RC filtr na vstup AD pˇrevodn´ıku pˇresnˇe podle doporuˇcen´eho zapojen´ı v datov´em listu souˇca´stky (viz [5]). V dobˇe n´avrhu byl k dispozici pouze model ACS714ELCTR-30A-T s rozsahem ±30 A. Vhodnˇejˇs´ı by bylo vzhledem k velikosti maxim´aln´ıch proud˚ u pouˇzit´ı ACS714ELCTR20A-T s rozsahem ±20 A, kter´ y m´a pˇrevodn´ı konstantu 100 mV /A. Pouˇzit´ y pˇrevodn´ık s pˇrevodn´ı konstantu pouze 66 mV /A nab´ız´ı niˇzˇs´ı pˇresnost a v kombinaci s 10-ti bitov´ ym AD pˇrevodn´ıkem to odpov´ıd´a maxim´aln´ımu moˇzn´emu rozliˇsen´ı 0, 074 A, coˇz by mˇelo b´ yt pro tuto aplikaci postaˇcuj´ıc´ı. Jin´ ym prvkem, kter´ y hl´ıd´a velikost proudu, je integrov´an v budiˇci tranzistoru pˇrip´ınaj´ıc´ıho cel´ y m˚ ustek k nap´ajen´ı z akumul´atoru (viz obr. 3.6).
Obr´ azek 3.6: Hlavn´ı sp´ınaˇc m˚ ustku s proudovou ochrannou
Zp˚ usob, jak´ ym proudov´a ochrana pracuje b´ yv´a zn´am jako obvod detekce desaturace pˇrechodu tranzistoru. P˚ uvodnˇe byl urˇcen pro IGBT k detekci stavu, kdy se IGBT dostal z oblasti saturace v d˚ usledku vysok´eho proudu. Protoˇze s rostuc´ım proudem vodiv´eho kan´alu u MOSFETu roste i jeho napˇet´ı, m˚ uˇze b´ yt tento mechanismus pouˇzit i u MOSFET˚ u. Budiˇc IR2127 tedy hl´ıd´a velikost napˇet´ı UDS mezi v´ yvody drain a source tranzistoru. Pˇri pˇrekroˇcen´ı velikosti UDS nastaven´e rezistory R25 resp. R28 budiˇc tranzistor vypne a sv˚ uj v´ ystup F AU LT uvede do aktivn´ı (n´ızk´e) u ´rovnˇe. Tento v´ ystup je spojen s F LT A v´ yvodem MCU. To m´a za n´asledek automatick´e odpojen´ı v´ ystup˚ u PWM a nastaven´ı pˇr´ıznaku chyby v SW. Aby nedoch´azelo k aktivaci ochrany v d˚ usledku proudov´e
26
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
ˇspiˇcky pˇri zapnut´ı, je povolena se zpoˇzdˇen´ım typicky 700 ns oproti sepnut´ı tranzistoru. V´ ypoˇcet hodnot rezistor˚ u R25 a R28 provedeme na z´akladˇe zvolen´ı maxim´aln´ıho povolen´eho u ´bytku napˇet´ı UDS . Maxim´aln´ı velikost UDS vol´ım 0, 3 V (omezen´ı asi na 30 A). Proudov´a ochrana se aktivuje pˇri pˇrekroˇcen´ı 250 mV na v´ yvodu 6 obvodu IR2127. Odporov´ y dˇeliˇc tvoˇren´ y z rezistor˚ u R25 a R28 mus´ı m´ıt na sv´em v´ ystupu (v´ yvodu 6) 250 mV pˇri UDS = 0, 3 V , zvˇetˇsen´em o u ´bytek napˇet´ı na diodˇe UD = 1, 7 V . Pak uˇz lze snadno pˇri zvolen´ı R28 = 10kΩ podle rovnice 3.2 dopoˇc´ıtat R25 = 70kΩ. R24 m´a pro nap´ajen´ı budiˇce 15-ti volty typicky hodnotu 22 kΩ. R28 ), (3.2) R28 + R25 Funkce samotn´eho sp´ınaˇce je identick´a se zp˚ usobem buzen´ı horn´ıho tranzistoru m˚ ustku, UISEN SE = (UDS + UD ) · (
kter´a bude pops´ana v kapitole 3.5.1. Podrobnˇejˇs´ı informace o funkci vybran´eho obvodu IR2127 a zp˚ usobu nastaven´ı proudov´e ochrany lze nal´ezt v [10] nebo [12]. Obvodovou veliˇcinou, kterou je tak´e potˇreba hl´ıdat, je svorkov´e napˇet´ı ˇr´ıdic´ı jednotky. To nesm´ı pˇrekroˇcit maxim´aln´ı povolen´e napˇet´ı stabiliz´atoru (45 V). V pˇr´ıpadˇe pˇrekroˇcen´ı meze motoru dojde k rozepnut´ı hlavn´ıho sp´ınaˇce a odpojen´ı PWM v´ ystup˚ u. Jak uˇz bylo ˇreˇceno v´ yˇse, napˇet´ı je ale d˚ uleˇzit´e hl´ıdat hlavnˇe z d˚ uvodu dodorˇzen´ı pˇr´ıpustn´ ych provozn´ıch podm´ınek akumul´atoru.
Obr´ azek 3.7: Obvod pro mˇeˇren´ı svorkov´eho napˇet´ı ˇr´ıdic´ı jednotky
Sn´ımac´ı obvod 3.7 je realizov´an pomoc´ı odporov´eho dˇeliˇce tvoˇren´eho rezistory R10 , R11 a R13 . N´asleduje filtraˇcn´ı kondenz´ator C10 a za n´ım neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc MCP6024 upravuj´ıc´ı parametry sign´alu pro vstup AD pˇrevodn´ıku. Zdroj napˇet´ı urˇcen´eho pro pˇrevod by totiˇz nemˇel m´ıt vnitˇrn´ı odpor vˇetˇs´ı neˇz Ri = 2, 5kΩ. Operaˇcn´ı zesilovaˇc by mˇel b´ yt typu Rail − T o − Rail, aby bylo moˇzno vyuˇz´ıt pro v´ ystup velikost nap´ajec´ıho napˇet´ı v pln´em rozsahu. Napˇet’ov´e zes´ılen´ı je d´ano pomˇerem odpor˚ u R14 a R15 jako Au = 1 +
R15 . R14
(3.3)
ˇ REN ˇ ´I 3.3. OBVODY OCHRAN A ME
27
Napˇet’ov´e zes´ılen´ı neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce bude Au = 2, a proto R14 = R15 = 100kΩ. Rezistory R10 resp. R13 pak mus´ı zajistit, aby se na vstupu operaˇcn´ıho zesilovaˇce vyskytovalo napˇet´ı o hodnotˇe asi 2 V pˇri maxim´aln´ım povolen´em nap´ajec´ım napˇet´ım 45 V . Jejich odpory lze urˇcit opˇet podle rovnice pro odporov´ y dˇeliˇc 3.4. Uv = UV ST · (
R13 ) R13 + R10
(3.4)
Opˇet zvol´ıme napˇr. R13 = 10kΩ a dopoˇc´ıt´ame R10 = 190kΩ. V neposledn´ı ˇradˇe mus´ı b´ yt tak´e hl´ıd´ana teplota v´ ykonov´ ych tranzistor˚ u. Sn´ımaˇcem teploty je integrovan´ y obvod LM50 . Jedn´a se o tˇr´ısvorkovou souˇca´stku s teplotn´ım rozsahem −40 aˇz 125 ◦ C v pouzdˇre SOT23 um´ıstˇenou pˇr´ımo na DPS v bl´ızkosti v´ ykonov´ ych MOSFET˚ u. Napˇet´ı na v´ ystupn´ı svorce obvodu LM50 je line´arn´ı funkc´ı teploty s pˇrevodn´ı konstantou 10 mV /◦ C + napˇet’ov´ y offset 500 mV (kv˚ uli moˇznost mˇeˇren´ı z´aporn´ ych ´ teplot). Uroveˇ n sign´alu je d´ale opˇet upravena neinvertuj´ıc´ım zesilovaˇcem s napˇet’ov´ ym zes´ılen´ım 2 a jeho v´ ystup pˇripojen k AD pˇrevodn´ıku mikrokontrol´eru (viz obr. 3.8).
Obr´ azek 3.8: Obvod pro mˇeˇren´ı teploty v ˇr´ıdic´ı jednotce
K obvod˚ um zajiˇst’uj´ıc´ım spr´avn´e funkce syst´emu patˇr´ı i zapojen´ı na obr. 3.9. Jedn´a se o oˇsetˇren´ı resetu mikrokontrol´eru. Rezistor a kondenz´ator slouˇz´ı pro zpoˇzdˇen´e zapnut´ı MCU dan´e ˇcasovou konstantou τ = R · C. M´a-li nap´ajen´ı pˇri zapnut´ı pomal´ y n´abˇeh, procesor by se spustil pˇri nedostateˇcn´em nap´ajen´ı, kdy nen´ı zaruˇceno spr´avn´e vykon´av´an´ı programu. Zm´ınˇen´ ym obvodem se zajist´ı spuˇstˇen´ı v´ ykonu programu aˇz pˇri dostateˇcnˇe vysok´em nap´ajec´ım napˇet´ı. Dioda D1 slouˇz´ı k vybit´ı kondenz´atoru pˇri vypnut´ı nap´ajen´ı. PIC18F4431 lze tak´e kdykoliv resetovat stisknut´ım tlaˇc´ıtka SW 3.
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
28
Obr´ azek 3.9: Obvod resetov´an´ı mikrokontrol´eru
3.4
Zdroj napˇ et´ı pro ˇ r´ıdic´ı jednotku
ˇ ıdic´ı syst´em elektrokola je navrhov´an pro motor o jmenovit´em napˇet´ı 24 V. Budeme-li R´ uvaˇzovat nejperspektivnˇejˇs´ı technologii akumul´atoru LiFePO4, maxim´aln´ı napˇet´ı 12-ti voltov´eho, plnˇe nabit´eho, akumul´atoru napr´azdno je pˇribliˇznˇe 17 V a odpov´ıd´a rovnˇeˇz jeho maxim´aln´ımu nab´ıjec´ımu napˇet´ı. Naproti tomu nejniˇzˇs´ı napˇet´ı, kdy jeˇstˇe nedoch´az´ı k poˇskozen´ı ˇcl´ank˚ u, ud´av´a v´ yrobce 10 V. Poˇzadovan´ ych 12 V odpov´ıd´a stˇredn´ımu vyb´ıjec´ımu napˇet´ı. Z uveden´eho plyne, ˇze obvody ˇr´ıdic´ı jednotky budou nap´ajeny ze stejnosmˇern´eho zdroje o napˇet´ı v rozmez´ı 20 aˇz 34 V, resp. 21,6 aˇz 29,4 V v pˇr´ıpadˇe olovˇen´eho akumul´atoru. Mikrokontrol´er, operaˇcn´ı zesilovaˇce a vˇsechny pouˇzit´e sn´ımaˇce vyˇzaduj´ı nap´ajec´ı napˇct´ı 5 V. Budiˇce v´ ykonov´ ych tranzistor˚ u potˇrebuj´ı pro ˇr´ızen´ı pouˇzit´ ych MOSFET˚ u nap´ajen´ı 15 V. D´ıky nutnosti sn´ıˇzit napˇet´ı v nejhorˇs´ım pˇr´ıpadˇe aˇz o 30 V pˇri maxim´aln´ım odhadovan´em proudu 300 aˇz 500 mA, nen´ı vhodn´e pouˇz´ıt klasick´ y line´arn´ı stabiliz´ator napˇet´ı. Na stabiliz´atoru by se mˇenilo pˇr´ıliˇs mnoho energie na neˇza´douc´ı teplo. Mnohem lepˇs´ı volbu pˇredstavuj´ı sp´ınan´e stabiliz´atory. Pro tento u ´ˇcel byl vybr´an obvod LM2675 v pouzdˇre SOIC8. Jedn´a se o sniˇzuj´ıc´ı sp´ınan´ y stabiliz´ator napˇet´ı typu Buck s maxim´aln´ım vstupn´ım napˇet´ım 45 V , u ´ˇcinnost´ı vˇetˇs´ı neˇz 90 % a to vˇse pˇri maxim´aln´ım proudu 1 A. Pracovn´ı frekvence mˇeniˇce je 260 kHz, coˇz umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı tlumivek s niˇzˇs´ımi indukˇcnostmi a rozmˇery neˇz u bˇeˇzn´ ych mˇeniˇc˚ u s niˇzˇs´ımi frekvencemi (typicky do 100 kHz). Pouˇzity jsou dvˇe verze obvodu zapojen´e do kask´ady. LM2675-ADJ (verze s nastaviteln´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım) jako zdroj 15V . Do 15ti voltov´e vˇetve je pˇripojen druh´ y mˇeniˇc s obvodem LM2675-5, kter´ y 15 V sniˇzuje na koneˇcn´ ych 5 V .
ˇ ´I PRO R ˇ ´IDIC´I JEDNOTKU 3.4. ZDROJ NAPET
29
Urˇcen´ı hodnot souˇca´stek pro verzi s pevn´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım LM2675-5 na obr. 3.10 se omezuje pouze na v´ ybˇer dle pˇr´ısluˇsn´ ych graf˚ u pˇr´ıp. tabulek, uveden´ ych v datov´em listu obvodu LM2675 [16] na stranˇe 13 (tlumivka) resp. 15 a 16 (vstupn´ı a v´ ystupn´ı kondenz´ator). Uvaˇzujeme-li maxim´aln´ı proud odeb´ıran´ y z 5-ti voltov´e vˇetve 0, 6 A a maxim´aln´ı vstupn´ı napˇet´ı 15 V , odpov´ıd´a to indukˇcnosti tlumivky 47 µH. Na z´akladˇe zjiˇstˇen´e indukˇcnosti z tabulek stanov´ıme kapacitu v´ ystupn´ıho kondenz´atoru. Indukˇcnosti 47 µH odpov´ıd´a kpacita 68 µF/10 V . Kapacita vˇsech kondenz´ator˚ u z´avis´ı na jeho technologii v´ yroby a pohybuje se v pomˇernˇe ˇsirok´ ych mez´ıch. Zde je volen elektrolytick´ yo kapacitˇe 100 µF/25 V . Bootstrap kondenz´ator C21 je keramick´ y o kapacitˇe 10 nF .
Obr´ azek 3.10: Zapojen´ı stabiliz´atoru napˇet´ı LM2675-5
V´ ypoˇcet hodnot souˇc´astek pro stabiliz´atoru LM2675-ADJ na obr.3.11 je o nˇeco m´alo komplikovanˇejˇs´ı.
Obr´ azek 3.11: Zapojen´ı stabiliz´atoru napˇet´ı LM2675ADJ
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
30
V´ ystupn´ı napˇet´ı urˇcuje pomˇer odporov´eho dˇeliˇce napˇet´ı podle rovnice R35 ), UOU T = UREF · (1 + R33,34
(3.5)
kde UREF = 1, 21 V . Doporuˇcen´a velikost odporu R35 = 1 kΩ. Z rovnice 3.5 pak pro v´ ystupn´ı napˇet´ı 15 V obdrˇz´ıme R33,34 = 11, 195 kΩ. Tento rezistor je ve sch´ematu sloˇzen ze dvou, aby se jejich souˇcet co nejv´ıce bl´ıˇzil vypoˇcten´emu odporu. Pro urˇcen´ı indukˇcnosti tlumivky mus´ıme nejdˇr´ıve zn´at E · T konstantu danou rovnic´ı 3.6.
E · T = (UIN,M AX − UOU T − USAT ) ·
UOU T + UD 1000 · , UIN,M AX − USAT + UD 260
(3.6)
kde UIN,M AX = 40 V , UOU T = 15 V , USAT = 0, 25 V (saturaˇcn´ı napˇet´ı sp´ınaˇce uvnitˇr obvodu LM2675), UD = 0, 5 V (´ ubytek napˇet´ı na diodˇe). Po dosazen´ı uveden´ ych hodnot obdrˇz´ıme E · T = 36, 66 V µs. Podle pˇr´ısluˇsn´eho grafu (opˇet v [16]), m´a m´ıt tlumivka indukˇcnost 150 µH. T´eto indukˇcnosti pˇr´ısluˇs´ı kapacita v´ ystupn´ıho kondenz´atoru 47 µF/25 V . Vstupn´ı kondenz´ator by mˇel postaˇcovat elektrolytick´ y o kapacitˇe 220 µF/50 V . Vˇsechny kondenz´atory je vhodn´e volit pro napˇet´ı rovn´e minim´alnˇe 1, 25 n´asobku pˇredpokl´adan´eho pracovn´ıho napˇet´ı.
3.5
Tˇ r´ıf´ azov´ y m˚ ustek
´ cinn´ Uˇ ym a nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım zp˚ usobem pro ˇr´ızen´ı elektromotor˚ u vˇsech typ˚ u je m˚ ustkov´e zapojen´ı. Pro tˇr´ıf´azov´ y BLDC motor je ide´aln´ı jeho tˇr´ıf´azov´a varianta, kter´a umoˇzn ˇuje ˇr´ızen´ı ot´aˇcekv obou smˇerech a ztr´atov´e i regenerativn´ı brzdˇen´ı. Funkce a ˇr´ızen´ı m˚ ustku v reˇzimu motorov´em i gener´atorov´em budou diskutov´any v n´asleduj´ıc´ıch odstavc´ıch.
3.5.1
Struktura a ˇ r´ızen´ı m˚ ustku
Tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek (viz obr. 3.12) se skl´ad´a ze ˇsestice sp´ınac´ıch prvk˚ u. Ke kaˇzd´e f´azi vystupuj´ıc´ı z m˚ ustku jsou pˇripojeny dva sp´ınaˇce. Prvn´ı umoˇzn ˇuje pˇripnout f´azi ke kladn´emu a
ˇ ´IFAZOV ´ ´ MUSTEK ˚ 3.5. TR Y
31
druh´ y k z´aporn´emu p´olu nap´ajen´ı. V souˇcasn´e dobˇe jsou v roli sp´ınac´ıch prvk˚ u pouˇz´ıv´any v´ yhradnˇe MOSFETy a IGBT. Bipol´arn´ı tranzistory se v tˇechto aplikac´ıch uˇz t´emˇeˇr nevyskytuj´ı. MOSFET a IGBT jsou na rozd´ıl od bipol´arn´ıch tranzistor˚ u napˇet´ım ˇr´ızen´e sp´ınac´ı prvky, coˇz ˇcin´ı jejich zap´ın´an´ı a vyp´ın´an´ı snazˇs´ım. Volba mezi MOSFETy a IGBT z´avis´ı na konkr´etn´ı aplikaci. IGBT se z pohledu ˇr´ıdic´ı elektrody (gate) chovaj´ı jako unipol´arn´ı tranzistor, ale na v´ ystupn´ı (C-E) uˇz jako bipol´arn´ı tranzistor. Ztr´aty na nˇem v otevˇren´em stavu odpov´ıdaj´ı P = I · UCEsat ,
(3.7)
P = I 2 · RDS,ON .
(3.8)
zat´ımco u MOSFETu
Aby mˇel MOSFET ztr´aty srovnateln´e s IGBT, mus´ı m´ıt velmi n´ızk´ y odpor RDS,ON (ˇr´adovˇe jednotky mΩ), coˇz pˇri napˇet´ıch asi nad 250 V uˇz nen´ı moˇzn´e. Se zvyˇsuj´ıc´ı se teplotou nav´ıc UCEsat kles´a a s n´ım i ztr´atov´ y v´ ykon. Odpor pˇcechodu S-D u MOSFETu naopak roste. Ve prospˇech MOSFETU vˇsak hovoˇr´ı ztr´aty vznikaj´ıc´ı pˇri pˇrep´ın´an´ı. IGBT pˇrep´ın´a mezi jednotliv´ ymi stavy (pˇredevˇs´ım vyp´ın´a) pomaleji a tyto ztr´aty maj´ı tud´ıˇz vyˇsˇs´ı neˇz MOSFET. Pro aplikace s napˇet´ım niˇzˇs´ım neˇz 250 V jsou pouˇz´ıv´any v´ yhradnˇe MOSFETy (IGBT se pro takov´a napˇet´ı t´emˇeˇr ani nevyr´abˇej´ı). Nad 1000 V jsou naopak jasnou volbou IGBT. V rozmez´ı 250 V aˇz 1000 V je nutn´e rozhodnut pˇredevˇs´ım podle frekvence pˇrep´ın´an´ı. Pro ˇr´ızen´ı 24 V BLDC motoru tedy pˇrich´az´ı v u ´vahu v´ yhradnˇe MOSFETy. Kaˇzd´ y tranzistor mus´ı b´ yt pˇri pr´aci s induktivn´ı z´atˇeˇz´ı jeˇstˇe doplnˇen o ochrannou diodu, aby ho napˇet´ı indukovan´e ve vinut´ı pˇri vyp´ın´an´ı nezniˇcilo. Pro tento konkr´etn´ı n´avrh byl vybr´an MOSFET typu IRF1018 s parametry 3.1. Pro ˇr´ızen´ı motoru na napˇet´ı 24 V za maxim´aln´ıho provozn´ıho proudu 14 A pˇr´ıp. nab´ıjen´ı baterie v gener´atorov´em reˇzimu sv´ ymi parametry naprosto postaˇcuje. maxim´aln´ı napˇet´ı S-D
UDS = 60 V
maxim´aln´ı proud tranzistoru
ID = 79 A
odpor pˇrechodu S-D v otevˇren´em stavu RDS,ON = 7, 1 mΩ max. ztr´atov´ y v´ ykon
PD @25◦ C = 110 W
pouzdro
D2P AK
Tabulka 3.1: Z´ akladn´ı parametry tranzistoru IRF1018
32
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
Obr´ azek 3.12: Tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek
Po v´ ybˇeru vhodn´eho sp´ınac´ıho prvku je nutn´e zajistit odpov´ıdaj´ıc´ı buzen´ı horn´ıch ˇ ızen´ı spodn´ıho tranzistoru (na obr. 3.12 Q1,Q3,Q5) a doln´ıch (Q2,Q4,Q6) tranzistor˚ u. R´ je jednoduˇsˇs´ı u ´lohou z d˚ uvodu pˇripojen´ı elektrody source resp. emitoru na zem (nulov´ y potenci´al). K n´ı se pak vztahuje ˇr´ıdic´ı napˇet´ı aplikovan´e na GATE a nap´ajec´ı napˇet´ı lze pro tento u ´ˇcel pouˇz´ıt v pln´em rozsahu. Horn´ı tranzistor m´a vˇsak k nulov´emu potenci´alu tuto elektrodu pˇripojenu pˇres z´atˇeˇz a dalˇs´ı tranzistor. Napˇet´ı UGS resp.UGE je sn´ıˇzeno o u ´bytek napˇet´ı na tˇechto prvc´ıch a nap´ajec´ı napˇet´ı pˇriveden´e na gate jiˇz nemus´ı b´ yt dostateˇcn´e pro pln´e otevˇren´ı kan´alu mezi svorkami source a drain. Existuje nˇekolik typ˚ u zapojen´ı ˇreˇs´ıc´ı tento probl´em. V tomto pˇr´ıpadˇe je pouˇzito integrovan´eho budiˇce (napˇr. IR2101 ) s bootstrap kondenz´atorem (viz obr. 3.13).
Obr´ azek 3.13: Zapojen´ı budiˇce poloviˇcn´ıho m˚ ustku IR2101
ˇ ´IFAZOV ´ ´ MUSTEK ˚ 3.5. TR Y
33
Budiˇc je pˇripojen na elektrody G a S resp. E horn´ıho tranzistoru. Tzv. bootstrap kapacitor C1 se pˇres diodu D1 nab´ıj´ı na nap´ajec´ı napˇet´ı v okamˇziku, kdy je sepnut doln´ı tranzistor. Pˇri sepnut´ı horn´ıho tranzistoru pak slouˇz´ı n´aboj uloˇzen´ y v C1 jako zdroj dostateˇcnˇe vysok´eho napˇet´ı pro pln´e otevˇren´ı tranzistoru. Komplikace by mohla nastat v pˇr´ıpadˇe, ˇze by byl horn´ı sp´ınaˇc sepnut trvale. Bootstrap kondenz´ator by se nenab´ıjel, ale naopak pouze vyb´ıjel (i kdyˇz velmi mal´ ym) svodov´ ym proudem ˇr´ıdic´ı elektrody tranzistoru. Pˇri vhodnˇe zvolen´e kapacitˇe kondenz´atoru C1 by tato situace v pˇr´ıpadˇe m˚ ustku nastat nemˇela, ale je potˇreba s t´ımto jevem poˇc´ıtat u budiˇce IR2127. Levn´ ym a nen´aroˇcn´ ym ˇreˇsen´ım tohoto probl´emu m˚ uˇze b´ yt napˇr. n´abojov´a pumpa s obvodem 555 podle obr. 3.14.
Obr´ azek 3.14: Zapojen´ı n´abojov´e pumpy s obvodem 555
Po sepnut´ı tranzistoru je pˇrivedeno pˇres rezistor R48 napˇet´ı na nap´ajec´ı piny obvodu 555. Protoˇze je jeho maxim´aln´ı provozn´ı povolen´e napˇet´ı 15 V , mus´ı b´ yt pouˇzita jeˇstˇe Zenerova dioda. Zapojen´ı generuje pravo´ uhl´ y sign´al o kmitoˇctu pˇribliˇznˇe 7, 5 kHz, ze kter´eho diody D10 , D11 a kondenz´ator C45 vytv´aˇr´ı napˇet´ı 15 V vzhledem k pinu 5 budiˇce IR2127 a nab´ıj´ı tak bootstrap kondenz´ator C18 . Toto a dalˇs´ı uˇziteˇcn´e zapojen´ı pro r˚ uzn´e pˇr´ıpady lze nal´ezt v [11].
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
34
Druh´ ym probl´emem je zamezen´ı sepnut´ı horn´ıho a doln´ıho tranzistoru jedn´e vˇetve ve stejn´ y okamˇzik pˇri pˇrep´ın´an´ı stavu jedn´e v´ ystupn´ı f´aze m˚ ustku. Toto se d´a nˇekdy zajistit uˇz v gener´atoru PWM vkl´ad´an´ım tzv. deadtime. Vˇetˇsina integrovan´ ych budiˇc˚ u sama zajist´ı vkl´ad´an´ı ˇcasov´ ych prodlev tak, aby ke zm´ınˇen´emu probl´emu nedoch´azelo.
3.5.2
Reˇ zim rekuperace elektrick´ e energie
M˚ ustkov´eho zapojen´ı se tak´e bˇeˇznˇe pouˇz´ıv´a k usmˇerˇ nov´an´ı stˇr´ıdav´eho tˇr´ıf´azov´eho proudu. Ve funkci sp´ınac´ıch prvk˚ u b´ yvaj´ı ˇcasto pouˇzity diody, u ˇr´ızen´ ych usmˇerˇ novaˇc˚ u pak tyristory resp. tranzistory. Pomoc´ı ˇr´ızen´ ych usmˇerˇ novaˇc˚ u je moˇzn´e zmˇenou u ´hlu otevˇren´ı sp´ınaˇce mˇenit stˇredn´ı hodnotu napˇet´ı na v´ ystupu usmˇerˇ novaˇce. Usmˇerˇ novaˇce sloˇzen´e z diod se vyznaˇcuj´ı jednoduchou strukturou a n´ızk´ ymi konstrukˇcn´ımi n´aklady. Na druhou stranu ale nedok´aˇzou pˇren´est tolik energie na v´ ystup, jako ˇr´ızen´e usmˇerˇ novaˇce. Jak je uvedeno v [2], niˇzˇs´ı efektivita je zapˇr´ıˇcinˇena zkreslen´ım pr˚ ubˇehu v´ ystupn´ıho proudu. Tento proud nav´ıc ani nen´ı s napˇet´ım u ´plnˇe ve f´azi. Zde jsou v roli sp´ınac´ıch prvk˚ u pouˇzity MOSFETy s integrovanou diodou. Bez jejich ˇr´ızen´ı se obvod bude chovat jako diodov´ y tˇr´ıf´azov´ y usmˇerˇ novaˇc. Jak jiˇz bylo naznaˇceno, tento typ nen´ı u ´plnˇe optim´aln´ım ˇreˇsen´ım a pro nab´ıjen´ı akumul´ator˚ u je nav´ıc potˇreba urˇcit´a u ´roveˇ n napˇet´ı, kter´e je moˇzn´e dos´ahnout jen ˇr´ızen´ ym usmˇerˇ novaˇcem. Topologie PCPWM modulu mikrokontrol´eru PIC18F4431 umoˇzn ˇuje ˇr´ıdit jednotliv´e tranzistory nez´avisle na ostatn´ıch a tak je moˇzn´e podle [7] provozovat tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek i v reˇzimu zvyˇsuj´ıc´ıho mˇeniˇce. BLDC gener´ator totiˇz nen´ı schopen pˇri niˇzˇs´ıch ot´aˇck´ach dodat dostateˇcnˇe vysok´e napˇet´ı potˇrebn´e pro nab´ıjen´ı akumul´ator˚ u. Jmenovit´e napˇet´ı motoru je 24 V pˇri asi 230 ot/min. Akumul´atory typu LiFePO4 o stˇredn´ım vyb´ıjec´ım napˇet´ı 24 V vyˇzaduj´ı pro sv´e nab´ıjen´ı pˇribliˇznˇe 34 V a olovˇen´e zhruba 30 V. Napˇet´ı BLDC gener´atoru je tedy t´emˇeˇr vˇzdy potˇreba zv´ yˇsit, aby bylo moˇzn´e energii do akumul´ator˚ u ukl´adat. Na obr. 3.15 je vyobrazeno zjednoduˇsen´e n´ahradn´ı sch´ema tˇr´ıf´azov´eho BLDC motoru s vinut´ımi zapojen´ ymi do hvˇezdy v gener´atorov´em reˇzimu. Kaˇzd´a f´aze se vyznaˇcuje urˇcitou indukˇcnost´ı L, odporem vinut´ı R a zdroje indukovan´e elektromagnetick´e energie (EMF). Na tˇechto uveden´ ych parametrech pak z´avis´ı velikos v´ ystupn´ıho f´azov´eho napˇet´ı (vztaˇzen´eho ke stˇredu hvˇezdy) gener´atoru podle n´asleduj´ıc´ıch rovnic popisuj´ıc´ıch BLDC
ˇ ´IFAZOV ´ ´ MUSTEK ˚ 3.5. TR Y
35
gener´ator. di1 + v1n dt di2 = Ri2 + L + v2n dt di3 = Ri3 + L + v3n dt
(3.10)
dix + vxn dt
(3.12)
e1n = Ri1 + L e2n e3n
(3.9)
(3.11)
Coˇz se d´a ps´at jako exn = Rix + L Rovnice pˇredpkl´adaj´ı n´asleduj´ıc´ı podm´ınky: L1 = L2 = L3 ,
(3.13)
L = Ls − Lm ,
(3.14)
R1 = R2 = R3 ,
(3.15)
i1 + i2 + i3 = 0,
(3.16)
kde Ls je vlastn´ı a Lm vz´ajemn´a, pro vˇsechny f´aze stejnˇe velk´a, indukˇcnost.
Obr´ azek 3.15: N´ ahradn´ı sch´ema tˇr´ıf´azov´eho BLDC motoru
Pro snadnˇejˇs´ı pochopen´ı funkce zvyˇsov´an´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı usmˇerˇ novaˇce jeho vhodn´ ym ˇr´ızen´ım je dobr´e sch´ema z obr. 3.15 pˇrekreslit na sch´ema na obr. 3.16. Na nˇem je zn´azornˇeno pˇripojen´ı jedn´e dvojice vinut´ı motoru k m˚ ustku a svoj´ı topologi´ı n´apadnˇe pˇripom´ın´a zapojen´ı zvyˇsuj´ıc´ıho mˇeniˇce oznaˇcovan´eho jako boost. Prvky L12 , R12 , e12 vznikly slouˇcen´ım indukˇcnost´ı, odpor˚ u a indukovan´ ych energi´ı obou pˇripojen´ ych f´az´ı.
36
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R Aby zapojen´ı jako boost mˇeniˇc fungovalo, je potˇreba jednu svorku motoru pˇripojit
na zem trval´ ym sepnut´ım Q4 a druh´ y konec stˇr´ıdavˇe pˇripojovat k obˇema p´ol˚ um v´ ystupu m˚ ustku. Tranzistor Q3 se pˇri ˇcinnosti nijak neuplatn´ı a tak byl ze sch´ematu vypuˇstˇen.
Obr´ azek 3.16: Topologie zvyˇsuj´ıc´ıho mˇeniˇce
V prvn´ım kroku se zkratuj´ı oba konce pˇripojen´ ych f´az´ı pomoc´ı Q2 a Q4, zat´ımco Q1 z˚ ust´av´a otevˇren´ y. V obvodu tvoˇren´em prvky Q2, Q4, L12 , R12 a e12 zaˇcne r˚ ust proud a v c´ıvk´ach se tak zaˇcne hromadit energie dle vztahu 3.17. W =
1 · L · I2 2
(3.17)
Na konci tohoto intervalu se zav´ır´a tranzistor Q2 a Q1 otv´ır´a. Q2 a Q1 tedy pracuj´ı v komplement´arn´ım m´odu. Z nashrom´aˇzdˇen´e energie se v d˚ usledku rozpojen´ı p˚ uvodn´ıho obvodu na c´ıvce indukuje napˇet´ı opaˇcn´e polarity podle 3.18. Ui = L ·
di dt
(3.18)
Toto napˇet´ı se seˇcte s EMF a je odv´adˇeno pˇres Q3 na v´ ystup m˚ ustku do filtraˇcn´ıch kondenz´ator˚ u. Velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı je tedy d´ana pomˇerem doby trv´an´ı zm´ınˇen´ ych interval˚ u (stˇr´ıdou PWM sign´alu) a okamˇzitou hodnotou indukovan´eho EMF. EMF je funkc´ı polohy a rychlosti ot´aˇcen´ı hˇr´ıdele a m´a kladnou hodnotu po jednu tˇretinu periody elektrick´eho cyklu. V´ ybˇer aktivn´ı dvojice vinut´ı se provede na z´akladˇe velikosti EMF resp. na z´akladˇe informace ze sn´ımaˇc˚ u polohy (viz kapitola 5.2.3). Pro v´ ystupn´ı napˇet´ı boost mˇeniˇce v kontinu´aln´ım reˇzimu, tzn. v pˇr´ıpadˇe, kdy proud induktorem nikdy neklesne na nulu, plat´ı vztah 3.19. UV Y ST =
UV ST , 1−D
(3.19)
ˇ ´IFAZOV ´ ´ MUSTEK ˚ 3.5. TR Y
37
kde D definovan´e rovnic´ı 3.20 odpov´ıd´a stˇr´ıdˇe bud´ıc´ıho PWM sign´alu. D=
tZAP , tZAP + tV Y P
(3.20)
Rovnici 3.19 odpov´ıd´a graf z´avislosti na obr. 3.17.
Obr´ azek 3.17: Graf z´ avislosti koeficientu mˇeniˇce na velikosti stˇr´ıdy
V grafu je vyobrazena jednak teoretick´a kˇrivka podle rovnice 3.19 a re´aln´a, kter´a se bl´ıˇz´ı k nule dosahuje-li D sv´eho maxima. Tento jev zp˚ usobuj´ı parazitn´ı jevy na c´ıvce, kondenz´atoru a tranzistoru a z toho d˚ uvodu je potˇreba stanovit maxim´aln´ı velikost stˇr´ıdy podle 3.21. Zde si je nutn´e uvˇedomit, ˇze ztr´aty v ˇzeleze c´ıvky vlivem v´ıˇriv´ ych proud˚ u budou oproti klasick´ ym sp´ınan´ ym mˇeniˇc˚ um vˇetˇs´ı. M´ısto feritu, kter´ y bˇeˇznˇe tvoˇr´ı j´adra tlumivek mˇeniˇc˚ u, je v tomto pˇr´ıpadˇe totiˇz tvoˇreno j´adro plechy statoru BLDC motoru, kter´e maj´ı horˇs´ı vlastnosti. Dmax =
k · (UV Y ST − UV ST,M IN ) ,0 < k < 1 UV Y ST
(3.21)
V´ ystupn´ı napˇet´ı mˇeniˇce s pˇripojenou z´atˇeˇz´ı o odporu RO lze spoˇc´ıtat z rovnice 3.22. r k · RO · TON UV Y ST = UV ST · , (3.22) 2L Boost mˇeniˇc mus´ı m´ıt nutnˇe na sv´em v´ ystupu filtraˇcn´ı kondenz´ator o dostateˇcn´e kapacitˇe pro dosaˇzen´ı pˇrijateln´e velikosti zvlnˇen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı. Kapacitu lze urˇcit podle rovnice 3.23. C>
(Iv,av,nom · TON ) URIP P LE
(3.23)
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
38
Zvlnˇen´ı by mˇelo b´ yt co nejmenˇs´ı, protoˇze ˇcl´anky na b´azi lithia velmi ˇspatnˇe sn´aˇs´ı napˇet´ı vyˇsˇs´ı (tˇreba jen o nˇekolik desetin V!), neˇz je maxim´aln´ı dovolen´e. Pro dosaˇzen´ı dobr´ ych parametr˚ u zapojen´ı je nutn´e pouˇz´ıt kondenz´atory oznaˇcovan´e jako low ESR, tedy kondenz´atory s n´ızk´ ym s´eriov´ ym odporem. V´ ystupn´ı napˇet´ı kaˇzd´eho sp´ınan´eho mˇeniˇce napˇet´ı je funkc´ı vstupn´ıho napˇet´ı, proudu dod´avan´eho do z´atˇeˇze a stˇr´ıdy PWM sign´alu. Z tohoto d˚ uvodu je nutn´e implementovat regul´ator, kter´ y zajist´ı konstantn´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı resp. proud pˇri zmˇen´ach vstupn´ıho napˇet´ı pˇr´ısluˇsnou velikost´ı stˇr´ıdy PWM sign´alu. Podrobnˇeji bude ˇr´ızen´ı boost mˇeniˇce diskutov´ano v kapitole 5.2.3.
3.6
Sch´ ema zapojen´ı ˇ r´ıdic´ı jednotky
´ redNa z´akladˇe v´ yˇse popsan´ ych blok˚ u m˚ uˇzeme sestavit koneˇcn´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky. Ustˇ n´ım prvkem je mikrokontrol´er PIC18F4431, k jehoˇz vstupnˇe-v´ ystupn´ım br´an´am se pˇripojuj´ı ostatn´ı podsyst´emy. Na jeho vstupnˇe - v´ ystupn´ı br´anu B (v´ ystup PCPWM modulu) jsou pˇripojeny tˇri budiˇce ˇsestice v´ ykonov´ ych MOSFET˚ u tvoˇr´ıc´ıch tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek. Br´ana D je cel´a vyhrazena pro pˇripojen´ı alfanumerick´eho LCD s velikost´ı zobrazovac´ı plochy 2x8 znak˚ u. LCD pracuje ve 4-bitov´em reˇzimu. Komunikace s n´ım prob´ıh´a pouze prostˇrednictv´ım jednoho nibblu neboli horn´ıch ˇctyˇrech datov´ ych bit˚ u. Mikrokontrol´er rovnˇeˇz ovl´ad´a pomoc´ı tranzistoru podsv´ıcen´ı displeje. Br´ana A pˇrij´ım´a informace ze senzor˚ u polohy rotoru pˇripojen´e na vstupy IC jednotky a zpˇetnovazebn´ı informace o napˇet´ı a proudu tekouc´ıho motorem prostˇrednictv´ım AD pˇrevodn´ıku. Br´ana C obsluhuje sp´ınaˇce brzd a skupinu tlaˇc´ıtek urˇcen´ ych k ovl´ad´an´ı pˇr´ıp. parametrov´an´ı programu ˇr´ıdic´ı jednotky. Nach´az´ı se zde i pouˇzit´ y chybov´ y vstup PCPWM modulu F LT A. Br´ana E sv´ ym jedn´ım pinem ovl´ad´a hlavn´ı sp´ınaˇc, druh´ y a tˇret´ı pouˇzit´ y pin je konfigurov´an jako vstup AD pˇrevodn´ıku pro vyhodnocov´an´ı teploty jednotky a zad´av´an´ı poˇzadovan´e hodnoty v´ ykonu/momentu pohonu. Vstupy (kan´aly) do AD pˇrevodn´ıku jsou zvoleny tak, aby je bylo moˇzn´e zpracovat sekvenˇcnˇe a nebylo nutn´e v SW konverzi nijak ˇr´ıdit. K mikrokontrol´eru je pˇripojen jeˇstˇe konektor pro ICSP, pro moˇznost naprogramov´an´ı MCU pˇr´ımo v obvodu. Celkov´e sch´ema se nach´az´ı na n´asleduj´ıc´ı dvoustanˇe a tak´e na pˇriloˇzen´em CD v podobˇe soubor˚ u vytvoˇren´ ych pomoc´ı SW OrCAD v16.2 Capture CIS.
´ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 3.6. SCHEMA ZAPOJEN´I R
39
40
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
´ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 3.6. SCHEMA ZAPOJEN´I R
41
Syst´em byl od poˇca´tku navrhov´an pro pouˇzit´ı s motorem na napˇet´ı 24 V . Maxim´aln´ı napˇet´ı, kter´e by se v tomto pˇr´ıpadˇe v obvodu pˇri nab´ıjen´ı vyskytlo, je 34 V . Motor na 24 V ale nebyl pˇri testech k dispozici a musel b´ yt pouˇzit model na napˇet´ı 36 V . Tento motor lze s touto jednotkou tak´e pouˇz´ıt, ovˇsem s omezen´ım funkce regenerativn´ıho brzdˇen´ı. Pˇri nab´ıjen´ı akumul´ator˚ u pro 36 − ti voltov´ y syst´em je potˇreba generovat napˇet´ı kolem 50 V (z´aleˇz´ı na technologii ˇcl´ank˚ u). Na toto napˇet´ı ale nejsou stavˇeny sp´ınan´e stabiliz´atory napˇet´ı LM2576. Jejich maxim´aln´ı povolen´e napˇet´ı se nach´az´ı u hranice 45V. Z d˚ uvodu rozˇs´ıˇrenosti 36 V motor˚ u by bylo dobr´e pˇrepracovat regul´atory napˇet´ı pro nap´ajen´ı ˇr´ıdic´ıch obvod˚ u. Pouˇzity by mohl b´ yt napˇr. obvod LM2591HV, kter´ y m´a rozsah pracovn´ıho napˇet´ı 1, 2 aˇz 57 V a proudovou zat´ıˇzitelnost 1 A. Se zv´ yˇsen´ım napˇet´ı mus´ı b´ yt upravena tak´e hodnota odpor˚ u vstupn´ıho dˇeliˇce sn´ımaˇce napˇet´ı. Kv˚ uli zajiˇstˇen´ı spolehlivosti vˇsech komponent by bylo potˇreba zvolit v´ ykonov´e MOSFETy na vyˇsˇs´ı napˇet´ı UGS . MOSFET IRF1018 maj´ı maxim´aln´ı povolenou hodnotu UGS = 60 V .
42
´ PROSTREDKY ˇ ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY KAPITOLA 3. TECHNICKE R
Kapitola 4 Mechanick´ a konstrukce M´ame-li pˇripraven´e kompletn´ı sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky, je potˇreba podle nˇej vytvoˇrit desku ploˇsn´ ych spoj˚ u a tu pak uloˇzit do krytu, kter´ y bude zaˇr´ızen´ı chr´anit pˇred nepˇr´ızniv´ ymi okoln´ımi vlivy. Krabiˇcka by mˇela b´ yt snadno upevniteln´a na kolo a rovnˇeˇz mus´ı zajistit dobr´ y odvod tepla vygenerovan´eho v´ ykonov´ ymi MOSFETy.
4.1
Deska ploˇ sn´ ych spoj˚ u
Ilustraˇcn´ı uk´azka motiv˚ u vrchn´ı a spodn´ı vrstvy mˇedˇen´ ych spoj˚ u je na obr. 4.1. Orientace na obr´azku odpov´ıd´a um´ıstˇen´ı do krytu ˇr´ıdic´ı jednotky. Do horn´ı ˇc´asti byl um´ıstˇen tˇr´ıf´azov´ y m˚ ustek spolu s budiˇci v´ ykonov´ ych MOSFET˚ u. Teplem stoupaj´ıc´ım vzh˚ uru tak nebudou ostatn´ı komponenty tolik ovlivnˇeny. Do stˇredn´ı ˇca´sti ˇr´ıdic´ı mikrokontrol´er s podp˚ urn´ ymi obvody a spodn´ı ˇca´st je vˇenov´ana obvod˚ um sp´ınanan´ ych regul´ator˚ u. N´avrhu DPS je potˇreba vˇenovat zv´ yˇsenou pozornost a dodrˇzovat nˇekolik z´akladn´ıch n´avrh´aˇrsk´ ych z´asad. Pˇri sp´ın´an´ı velk´ ych proud˚ u doch´az´ı ke generov´an´ı elektromagnetick´eho ruˇsen´ı, kter´e se ˇs´ıˇr´ı do bl´ızk´eho okol´ı a neˇza´douc´ım zp˚ usobem ovlivˇ nuje ˇcinnost ostatn´ı elektronick´ ych zaˇr´ızen´ı. Nejvˇetˇs´ım gener´atorem ruˇsen´ı cel´eho zapojen´ı je bezpochyby oblast v´ ykonov´ ych tranzistor˚ u tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku. Urˇcit´e ruˇsen´ı vˇsak produkuj´ı tak´e sp´ınan´e zdroje pro nap´ajen´ı ˇr´ıdic´ı jednotky. Tlumivky ve sp´ınan´ ych zdroj´ıch by mˇely b´ yt toroidn´ıho typu, aby se toto vyzaˇrov´an´ı sn´ıˇzilo na minimum. 43
44
´ KONSTRUKCE KAPITOLA 4. MECHANICKA
Obr´ azek 4.1: Motivy DPS
ˇ YCH ´ ˚ 4.1. DESKA PLOSN SPOJU
45
Na DPS se ovˇsem nevyskytuj´ı jen obvody generuj´ıc´ı ruˇsen´ı, ale tak´e obvody, jeˇz je nutn´e pˇred ruˇsen´ım ochr´anit. Jde pˇredevˇs´ım o zpˇetnovazebn´ı sign´aly z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u polohy a proudu. Citliv´ y na indukovan´ y ˇsum je rovnˇeˇz ˇr´ıdic´ı mikrokontrol´er u kter´eho m˚ uˇze vlivem napˇet’ov´ ych ˇspiˇcek doj´ıt k n´ahodn´emu resetu nebo skoku programu na nespr´avnou adresu v pamˇeti a zp˚ usobit tak jeho nedefinovan´e chov´an´ı. Z´akladn´ım prvkem pro sniˇzov´an´ı u ´rovnˇe ˇsumu v obvodech je pouˇzit´ı blokovac´ıch (keramick´ ych) kondenz´ator˚ u, kter´ ymi nen´ı dobr´e ˇsetˇrit. Minim´alnˇe jeden by se mˇel vˇzdy nach´azet tˇesnˇe u nap´ajec´ıch v´ yvodu kaˇzd´eho integrovan´eho obvodu. Jejich kapacita (obvykle ˇra´dovˇe jednotky aˇz des´ıtky nF ) se urˇc´ı napˇr. z graf˚ u v [18] podle pˇredpokl´adan´ ych kmitoˇct˚ u ruˇsiv´ ych sign´al˚ u. Pro ruˇsiv´e sign´aly se blokovac´ı kondenz´atory chovaj´ı jako zkrat vzhledem k nulov´emu potenci´alu a dojde tak k jejich potlaˇcen´ı. V bl´ızkosti souˇca´stek ovl´adaj´ıc´ıch velk´e mnoˇzstv´ı dalˇs´ıch prvk˚ u se d´ale um´ıst’uj´ı tzv. skupinov´e kondenz´atory. Nejˇcastˇeji b´ yvaj´ı tantalov´e o kapacitˇe jednotek uF a maj´ı za u ´kol vyrovn´avat chvilkov´a podpˇet´ı zp˚ usobenen´a napˇr. zapnut´ım v´ ykonov´e z´atˇeˇze. Pˇri podpˇet´ıch se m˚ uˇze zaˇc´ıt mikrokontrol´er opˇet chovat podivnˇe. Nejlepˇs´ı je ovˇsem sn´ıˇzit elektromagnetickou interferenci (EMI) na minimum pˇr´ımo v m´ıstech jej´ıho vzniku volbou vhodn´e topologie cest spoj˚ u na desce. Z´akladem je miniˇ ım je plocha menˇs´ı, t´ım malizace proudov´ ych smyˇcek, ve kter´ ych doch´az´ı ke sp´ın´an´ı. C´ k menˇs´ımu vyzaˇrov´an´ı doch´az´ı. Jedn´a-li se o v´ıcevrstv´ y spoj, vyplat´ı se jednu vrstvu ponechat jako GND (nejl´epe jedana z vnitˇrn´ıch vrstev), protoˇze se t´ım v´ yraznˇz zlepˇs´ı parametry EMI. Nen´ı-li toto moˇzn´e je dobr´e alespoˇ n mezi spoje ”rozl´ıt” mˇed’, coˇz je pˇr´ıpad navrhnut´eho ploˇsn´eho spoje. Okraje DPS je tak´e vhodn´e oˇsetˇrit bud’ um´ıstˇen´ı p´asu mˇedˇen´eho spoje okolo cel´e plochy ostatn´ıch spoj˚ u nebo alespoˇ n dodrˇzen´ı pravidla 20H. Samozˇrejmost´ı by pak mˇelo b´ yt tak´e um´ıstˇen´ı krystalu co nejbl´ıˇze pˇr´ısluˇsn´ ym v´ yvod˚ um mikrokontrol´eru. Z hlediska EMI je v´ yhodnˇejˇs´ı nevolit frekvenci krystalu pˇr´ıliˇs vysokou a radˇeji (umoˇzn ˇuje-ti to mikrokontrol´er) pouˇz´ıt funkce PLL a oscilace generovan´e krystalm tak vyn´asobit uvnitˇr souˇca´stky. Vˇsechny z´asady n´avrhu DPS a jejich vysvˇetlen´ı jsou uvedeny napˇr. ve skriptum [18] nebo v [6]. U t´eto konkr´etn´ı aplikace mus´ı b´ yt jeˇstˇe br´an zˇretel na moˇzn´e proudov´e zat´ıˇzen´ı spoj˚ u, nebot’ nˇekter´ ymi spoji bude prot´ekat proud aˇz 14 A. T´eto skuteˇcnosti mus´ı odpov´ıdat tlouˇst’ka mˇedˇen´eho pl´atov´an´ı. Napˇr. pl´atov´an´ı 70 µm pˇri ˇs´ıˇrce spoje 100 mil˚ u (1 mil = 0, 0254 mm) uˇz takovou proudovou z´atˇeˇz bez probl´em˚ u zvl´adne a proto bude pouˇzito na tuto DPS. Se sp´ın´an´ım velk´ ych proud˚ u souvis´ı tak´e ot´azka odv´adˇen´ı tepla od v´ ykonov´ ych sp´ınaˇc˚ u. Teplo vyzaˇrovan´e do okol´ı lze stanovit na z´akladˇe pracovn´ıch podm´ınek a parametr˚ u
´ KONSTRUKCE KAPITOLA 4. MECHANICKA
46
pouˇzit´eho MOSFETu IRF1018 (viz tabulka 4.1) n´asleduj´ıc´ım zp˚ usobem: UDS = 60 V
maxim´aln´ı napˇet´ı S-D
ID = 79 A
maxim´aln´ı proud tranzistoru ◦
RDS,ON = 10, 3 mΩ @ 80 C
odpor pˇrechodu S-D v otevˇren´em stavu
COSS = 400 pF
v´ ystupn´ı kapacita
QGD,M ILLER = 12 nC
Miller˚ uv n´aboj pˇrechodu G-D
QG,T OT = 46 nC
celkov´ y n´aboj ˇr´ıdic´ı elektrody
UGS,T HR = 2 V
prahov´e napˇet´ı tranzistoru
DM AX = 1
maxim´aln´ı stˇr´ıda sign´alu
IP = 14 A
maxim´aln´ı trval´ y proud
UDR = 15 V
v´ ystupn´ı napˇet´ı budiˇce IR2101
fSW = 19, 5 kHz
sp´ınac´ı frekvence
Tabulka 4.1: Parametry pro stanoven´ı ztr´atov´eho v´ ykonu tranzistoru
Ztr´aty vznikaj´ıc´ı na odporu kan´alu D-S v otevˇren´em stavu: PRES = (RDS,ON · IP2 ) · DM AX = 2, 019 W
ˇ potˇrebn´ Cas y k sepnut´ı tranzistoru: tSW = QGD,M ILLER ·
RDS,ON = 9, 5 · 10−12 s UDR − UGS,T HR
Ztr´aty vznikaj´ıc´ı pˇri sepnut´ı: PSW IT CH = (tSW · UDS,M AX · IP · fSW ) +
2 COSS · UDS · fSW = 0, 01 W 2
Ztr´aty vznikaj´ıc´ı kvli kapacitˇe v ˇr´ıdic´ı elektrodˇe: IG = QG,T OT · fSW = 8, 97 · 10−4 A PGAT E = IG · UDR = 0, 0135 W Celkov´ y ztr´atov´ y v´ ykon MOSFETu: PD = PRES + PSW IT CH + PGAT E = 2.043 W
ˇ YCH ´ ˚ 4.1. DESKA PLOSN SPOJU
47
V tˇr´ıf´azov´em m˚ ustku se tranzistory postupnˇe v ˇcinnosti po dvojic´ıch stˇr´ıdaj´ı a tak by mˇelo b´ yt vyz´aˇren´ı tepla o nˇeco lepˇs´ı, neˇz kdyˇz by tranzistory pracovaly poˇr´ad. Maxim´aln´ı ztr´atov´ y v´ ykon uvolˇ novan´ y na MOSFETech se pohybuje tedy kolem 2 W. Podle [8] je pro vyz´aˇren´ı takov´eho mnoˇzstv´ı energie z polovodiˇce v pouzdˇre D2 P AK pˇri okoln´ı teplotˇe 75 ◦ C zapotˇreb´ı na ploˇsn´em spoji mˇedˇen´a plocha o velikosti 25, 4 mm2 . Pro zlepˇsen´ı odvodu tepla se nab´ız´ı moˇznost pouˇzit´ı tzv. heatpipes, tedy prokoven´ ych propojek mezi obˇema vrstvami. Na opaˇcn´e stranˇe DPS se pod kaˇzdou souˇca´stkou produkuj´ıc´ı velk´e mnoˇzstv´ı tepla nach´az´ı mˇedˇen´a plocha, kter´a je s ploˇskou souˇc´astky propojena pomoc´ı zm´ınˇen´ ych heatpipes. Na tyto mˇedˇen´e plochy mohou b´ yt v pˇr´ıpadˇe nutnosti pˇripevnˇeny dalˇs´ı chlad´ıc´ı prvky. DPS o rozmˇerech 186 × 51mm je vyhotovena ve dvoustrann´em proveden´ı ve tˇr´ıdˇe pˇresnosti 5 pomoc´ı SW OrCAD v16.2 PCB Designer. Motivy jednotliv´ ych vrstev pro v´ yrobu se nach´az´ı na pˇriloˇzen´em CD ve formˇe gerer 274X.
Jak bude uvedeno d´ale, ˇr´ıdic´ı jednotka vyuˇz´ıv´a jeˇstˇe jedn´e pomocn´e desky ploˇsn´ ych spoj˚ u, urˇcen´e jen pro mont´aˇz konektor˚ u tvoˇr´ıc´ı rozhran´ı pro ostatn´ı prvky syst´emu. Sch´ema jej´ıho zapojen´ı a motivy DPS jsou na obr. 4.2 resp. na obr. 4.3. Tabulka 4.2 pak obsahuje popisy konektor˚ u desek.
Obr´ azek 4.2: Sch´ema zapojen´ı pomocn´e DPS
´ KONSTRUKCE KAPITOLA 4. MECHANICKA
48
Obr´ azek 4.3: Motiv spodn´ı vrstvy pomocn´e DPS
v´ yznam
kontakt na
vstup
v´ ystupn´ı
sign´alu
hlavn´ı DPS
L1 motoru
J5
J3
J4.3
L2 motoru
J6
J4
J4.4
L3 motoru
J7
J5
J4.5
+5 V
J8.1
J8.1
J7.1
Hall 1
J8.2
J8.2
J7.2
Hall 2
J8.3
J8.3
J7.3
Hall 3
J8.4
J8.4
J7.4
GND
J8.5
J8.5
J7.5
Pot 1
J1.1
J9.5
J10.5
Pot 2
J1.2
J9.6
J10.6
Pot 3
J1.3
J9.7
J10.7
Brzda (1)
SW1.1
J9.1
J10.1
Brzda (2)
SW1.2
J9.2
J10.2
Aktivace pohonu (1)
SW2.1
J9.3
J10.3
Aktivace pohonu (1)
SW2.2
J9.4
J10.4
pomocn´e DPS konektor
Tabulka 4.2: Tabulka propojen´ı konektor˚ u
Na tomto m´ıstˇe bych r´ad uvedl pozn´amku ohlednˇe v´ yroby ploˇsn´eho spoje. Pomoc´ı programu OrCAD 16.2 jsem vygeneroval podklady pro pro v´ yrobu ploˇsn´eho spoje. Celkem se jednalo o souˇradnice pro NC vrtaˇcku a 5 vrstev (vrchn´ı a spodn´ı mˇedˇen´a vrstva spoj˚ u,
´ KONSTRUKCE 4.2. MECHANICKA
49
vrchn´ı a spodn´ı p´ajiv´a maska, potisk s referencemi a obrysy souˇc´astek. Tento soubor dat byl pˇred´an v´ yrobci spoj˚ u. Za nˇejak´ y ˇcas mi bylo sdˇeleno, ˇze desku nen´ı moˇzn´e vyrobit, protoˇze obsahuje pˇr´ıliˇs mnoho vrstev (asi 9). Tento konkr´etn´ı v´ yrobce pouˇz´ıv´a pro pr´aci s motivy program CAM350 v2.7, kter´ y zˇrejmˇe neˇcte gerber data z OrCAD verze 16.x korektnˇe. Na desce jsem na nˇekolika m´ıstech pouˇzil oblasti s rozlitou mˇed´ı a CAM kaˇzd´ y z tˇechto objekt˚ u um´ıstil do jin´e vrstvy. Probl´em nevyˇreˇsila ani snaha o pˇrevod gerber dat pomoc´ı n´astroje GerbTool. V´ yroba byla proto zad´ana jin´emu v´ yrobci, kter´ y podklady pro v´ yrobu bez probl´em˚ u pˇrijal. Na tyto probl´emy s kompatibilitou si je potˇreba d´at pozor, protoˇze se tak d´a ztratit pomˇernˇe dost ˇcasu.
4.2
Mechanick´ a konstrukce
Uk´azka krabiˇcky do kter´e by mohla b´ yt deska ploˇsn´ ych spoj˚ u uloˇzena je na obr. 4.4. DPS m´a v kaˇzd´em ze 4 roh˚ u otvory urˇcen´e pro pˇripevnˇen´ı k zadn´ı stˇenˇe krytu prostˇrednictv´ım ˇctveˇrice distanˇcn´ıch sloupk˚ u M 4 × 15 o v´ yˇsce 15 mm. Orientace ˇr´ıdic´ı jednotky by mˇela b´ yt svisl´a (stˇena s otvory pro konektory pˇredstavuje dno) s t´ım, ˇze v´ ykonov´e prvky generuj´ıc´ı teplo s´ıdl´ı v horn´ı ˇca´sti, aby s´al´an´ım tepl´eho vzduchu vzh˚ uru neohˇr´ıvaly ostatn´ı komponenty. Materi´al pro v´ yrobu krytu mus´ı b´ yt volen s ohledem na pracovn´ı teploty a mechanickou odolnost. Nejbˇeˇznˇeji pouˇz´ıvan´ ym materi´alem pˇr´ıstrojov´ ych krabiˇcek je slitina hlin´ıku nebo ˇzelezn´ y plech s povrchovou u ´pravou proti oxidaci resp. korozi. Na pˇredn´ı stranˇe se nach´az´ı otvor, do kter´eho je pˇriˇsroubov´an LCD displej. Pod LCD displejem je um´ıstˇena trojice tlaˇc´ıtek pro parametrov´an´ı ˇr´ıdic´ı jednotky. Spodn´ı strana je vˇenov´ana rozhran´ı pro BLDC motor, ovl´adac´ı prvky a baterii. V souvislosti s tvorbou krabiˇcky mus´ı b´ yt zvoleny pro jednotliv´e pˇr´ıvody vhodn´e konektory. Silov´e konektory pro pˇripojen´ı ˇr´ıdic´ı jednotky k motoru a akumul´atoru se mus´ı vyznaˇcovat n´ızk´ ym pˇrechodov´ ym odporem, aby se zbyteˇcnˇe nezahˇr´ıvaly a nevznikal ˇ adouc´ı vlastnost konektor˚ na nich v´ yraznˇejˇs´ı u ´bytek napˇet´ı. Z´ u je urˇcitˇe i odolnost jejich povrchu proti oxidaci. Jako vhodn´ ym typek konektor˚ u se jev´ı kulat´e zlacen´e konektory pouˇz´ıvan´e v model´aˇrstv´ı. Skl´adaj´ı se ze zlacen´ ych dutinek p´ajen´ ych na ploˇsn´e spoje a ze zlacen´ ych n´aboj˚ u pˇripevnˇen´ ych k pˇr´ıvodn´ım vodiˇc˚ um. Tyto konektory jsou dimenzov´any na proudy aˇz 60 A a velmi dobˇre drˇz´ı spojen´e.
´ KONSTRUKCE KAPITOLA 4. MECHANICKA
50
Obr´ azek 4.4: Kryt pro DPS ˇr´ıdic´ı jednotky
Pro silov´e konektory je do dna vyvrt´ana pˇetice otvor˚ u, v nichˇz se nach´az´ı zlacen´e dutinky, do kter´ ych se zasunuj´ı jednotliv´e f´aze motoru a oba p´oly baterie. Aby se neˇst’astnou n´ahodou dutinky nedotkly kovov´eho obalu, je otvor ve stˇenˇe opatˇren gumovou pr˚ uchodkou. Nad silov´ ymi konektory jsou tˇesnˇe vedle sebe um´ıstˇeny dvˇe z´asuvky MOLEX. Jedna obsahuje ˇsest kontakt˚ u (typ MOLEX-6CKTS) a slouˇz´ı pro pˇripojen´ı Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u motoru. Druh´a, osmipinov´a (typ MOLEX-8CKTS), zprostˇredkov´av´a rozhran´ı pro ovl´adac´ı prvky ˇr´ıdic´ı jednotky. Vˇsechny uveden´e konektory na sobˇe nese mal´ y ploˇsn´ y spoj pˇriˇsroubovan´ y zevnitˇr ˇctyˇrmi ˇsrouby M 3 ke dnu ˇr´ıdic´ı jednotky. Vˇsechny ˇctyˇri stˇeny pˇresahuj´ı dno s konektory, aby tak konektory alespoˇ n ˇc´asteˇcnˇe chr´anily pˇred mechanick´ ym poˇskozen´ım a st´ekaj´ıc´ı vodou po stˇen´ach. Na lev´em i prav´em boku se nach´az´ı sada vˇetrac´ıch pr˚ uduch˚ u ve tvaru obd´eln´ıkov´ ych otvor˚ u se stˇr´ıˇskami uzp˚ usoben´ ymi tak, aby se dovnitˇr nedostaly svisle padaj´ıc´ı kapky vody.
Kapitola 5 Program ˇ r´ıdic´ıho syst´ emu 5.1
V´ yvojov´ e prostˇ red´ı a programovac´ı jazyk
Pro tvorbu programu mikrokontrol´er˚ u PIC nab´ız´ı Microchip bezplatnˇe v´ yvojov´e prostˇred´ı MPLAB, kter´e v sobˇe sdruˇzuje assembler, linker, softwarov´ y simul´ator a podporuje i dalˇs´ı ladic´ı n´astroje jako napˇr. Proteus VSM nebo hardwarov´e debbugery. Pro programov´an´ı mikrokontrol´er˚ u rodiny PIC18 je moˇzn´e kromˇe assembleru pouˇzit tak´e jazyk C. C kompil´ator˚ u se nab´ız´ı cel´a ˇrada (napˇr. mikroC, HI-TECH C, CCS), ale program pro ˇr´ıdic´ı jednotku bude vyv´ıjen ve v´ yvojov´em prostˇred´ı MPLAB s integrovan´ ym C18 kompil´atorem. C18 kompil´ator [4] poch´az´ı stejnˇe jako MPLAB od spoleˇcnosti Microchip. Je odvozen ze standardu ANSI C X3.159-1989 a od toho se odchyluje jen tam, kde standard sniˇzuje efektivitu PICmicro MCU. Spolu s kompil´atorem jsou k dispozici i knihovny funkc´ı [3] pro periferie MCU, matematick´e operace ˇci pr´aci s ˇretˇezci.
5.2
Program ˇ r´ıdic´ı jednotky
Cel´ y program se skl´ad´a z nˇekolika separ´atn´ıch soubor˚ u uveden´ ych v tabulce 5.1. Kaˇzd´ y soubor vˇzdy obsahuje funkce t´ ykaj´ıc´ı se jedn´e konkr´etn´ı oblasti u ´loh. Rozdˇelen´ı je provedeno pˇredevˇs´ım kv˚ uli zpˇrehlednˇen´ı k´odu. 51
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
52 n´azev souboru
u ´ˇcel souboru
def.h
definice meker konstant pouˇz´ıvan´ ych v programu
EEPROM.c
z´apis a ˇcten´ı z EEPROM
extern globals.c
extern´ı deklarace promˇenn´ ych
globals.h
deklarace glob´aln´ıch promˇenn´ ych
hw setup.c
inicializace periferi´ı
LCDCommands.c funkce pro pr´aci s LCD main.c
hlavn´ı programov´a smyˇcka, rutiny pˇreruˇsen´ı
user interface.c
funkce pro obsluhu tlaˇc´ıtek a zobrazov´an´ı nab´ıdky na LCD
XLCD.h
definice rozhran´ı s LCD Tabulka 5.1: Tabulka soubor˚ u zdrojov´eho k´odu
Z´akladn´ı funkci programu lze vyj´adˇrit stavov´ ym diagramem na obr. 5.1. Syst´em se ˇ m˚ uˇze nach´azet v jednom z pˇeti stav˚ u: INICIALIZACE, PRIPRAVEN, MOTOR, GE´ ´ NERATOR a CHYBA SYSTEMU. Po pˇripojen´ı nap´ajen´ı se program nach´az´ı ve stavu INICIALIZACE. Zde se provede inicializace HW a naˇcten´ı parametr˚ u z EEPROM. Po ˇ u ´spˇeˇsn´e inicializaci pˇrejde syst´em do stavu PRIPRAVEN. Zpˇet do tohoto stavu je moˇzn´e se vr´atit pˇri resetu syst´emu (v grafu to nen´ı kv˚ uli pˇrehlednosti uvedeno). Nepodaˇr´ı-li se uveden´e kroky inicializace korektnˇe prov´est, z˚ ust´av´a program ve stavu INICIALIZACE. ˇ Ze stavu PRIPRAVEN se lze dostat do v´ıce stav˚ u v z´avislosti na nastal´e ud´alosti. Pˇri stisku tlaˇc´ıtka aktivuj´ıc´ıho pohon je nastavena promˇenn´a drive status na hodnotu M OT a syst´em pˇrejde do stavu motorov´eho reˇzimu (stav MOTOR). Naopak po stisku brzdov´eho tlaˇc´ıtka m´a drive status hodnotu GEN a uskuteˇcnˇen je pˇrechod do stavu regenerativn´ıho ´ brˇzdˇen´ı (stav GENERATOR). Z obou jmenovan´ ych stav˚ u je moˇzn´e se vr´atit do jin´eho, jiˇz jmenovan´eho stavu, v d˚ usledku zmˇeny obsahu promˇenn´e drive status. Tlaˇc´ıtko brzdy m´a samozˇrejmˇe nejvyˇsˇs´ı prioritu, takˇze je-li stisknuto tlaˇc´ıtko brzdy z´aroveˇ n s jin´ ym, syst´em setrv´av´a v gener´atorov´em m´odu. Posledn´ım stavem, ve kter´em se m˚ uˇze syst´em ´ ˇ ´ nach´azet je CHYBA SYSTEMU. V bodech PRIPRAVEN, GENERATOR a MOTOR jsou kontrolov´any procesn´ı promˇenn´e zda nedoˇslo ke zmˇenˇe napˇet´ı pod nebo nad nastavenou u ´roveˇ n, pˇret´ıˇzen´ı, chyby sn´ımaˇc˚ u polohy, pˇr´ıpadnˇe pˇrekroˇcen´ı povolen´e teploty uvnitˇr zaˇr´ızen´ı. Z tohoto stavu se nelze dostat do jin´eho, dokud trv´a nˇekter´a z uveden´ ych poruch. Po odstranˇen´ı z´avad je moˇzn´e syst´em kvitov´an´ım poruch vr´atit do stavu ˇ PRIPRAVEN a obnovit jeho ˇcinnost. Nez´avisle na stavu syst´emu pracuje uˇzivatelsk´e rozhran´ı, kter´e informuje o aktu´aln´ım
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R dˇen´ı a jehoˇz prostˇrednictv´ım lze syst´em ovl´adat resp. parametrovat.
Obr´ azek 5.1: Stavov´a reprezentace z´akladn´ı funkce programu
53
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
54
5.2.1
Inicializace syst´ emu
Z PCPMW modulu je vyuˇzito ˇsest PWM v´ ystup˚ u (PWM0 - PWM5) z osmi konfigurovan´ ych v nez´avisl´em m´odu. Prostˇrednictv´ım bit˚ u registru OVDCOND tak m˚ uˇzeme jednotliv´e PMW v´ ystupy aktivovat nebo vyp´ınat. Pro funkci regenerativn´ıho brzdˇen´ı m˚ uˇze b´ yt pouˇzita i konfigurace komplement´arn´ıho m´odu a pˇremost’ovat tak v´ ystupn´ı diody boost mˇeniˇc˚ u. Pˇremostˇen´ım diody dojde k m´ırn´emu sn´ıˇzen´ı u ´bytku napˇet´ı na pˇr´ısluˇsn´em sp´ınac´ım prvku. ˇ Casov´ a z´akladna pracuje v reˇzimu f ree runnig, kdy ˇc´ıtaˇc zvyˇsuje sv˚ uj obsah dokud nedos´ahne velikosti registru PTPER. Pˇri shodˇe obsahu ˇc´ıtaˇce a registru dojde k jeho resetu a vygeneruje se pˇreruˇsen´ı, kter´e v tomto pˇr´ıpadˇe spouˇst´ı AD pˇrevodn´ık. Aby k pˇreruˇsen´ı nedoch´azelo v kaˇzd´e periodˇe PWM sign´alu, je pouˇzit prescaler s dˇel´ıc´ım pomˇerem 16:1. Frekvence PMW sign´alu odpov´ıd´a hodnotˇe uloˇzen´e PTPER (01FFh) a v tomto pˇr´ıpadˇe je 19, 5 kHz. Kmitoˇcet 19, 5 kHz se nach´az´ı mimo slyˇsiteln´e spektrum a z´aroveˇ n nezp˚ usobuje velk´e ztr´aty pˇri pˇrep´ın´an´ı tranzistor˚ u ani v ˇzeleze statoru BLDC motoru. Z chybov´ ych vstup˚ u PCPWM modulu je vyuˇzit pouze F LT A. Pˇri nadmˇern´em proudu tekouc´ıho pˇres hlavn´ı sp´ınaˇc dojde k aktivaci tohoto vstupu (log 0) a n´asledn´emu odpojen´ı v´ ystupn´ıch pin˚ u od PCPWM modulu. PCPWM modul je moˇzno opˇet pˇripnout k v´ ystupn´ım pin˚ um po odeznˇen´ı chybov´eho stavu a nastaven´ım pˇr´ısluˇsn´eho povolovac´ıho bitu. AD pˇrevodn´ık konvertuje analogovou hodnotu napˇet´ı na kan´alech AN0, AN1, AN6, AN7 do 10 - ti bitov´eho ˇc´ısla 0 aˇz 1023. Pˇrevod spouˇst´ı sv´ ym pˇreruˇsen´ım PCPWM modul. Z toho d˚ uvodu nen´ı pouˇzit reˇzim cyklick´eho pˇrevodu (Continuous Loop), ale jednor´azov´ y (Single shot). Dvojice kan´al˚ u (AN0, AN1) je ovzorkov´ana souˇcasnˇe, n´asleduje jejich pˇrevod a pak pˇrijde na ˇradu zbyl´a dvojice (AN6, AN7). V´ ysledky pˇrevodn´ık ukl´ad´a po jednom za sebou do kruhov´eho FIFO registru. Po nastaven´ı pˇr´ıznaku dokonˇcen´ı pˇrevodu je moˇzn´e prov´est 4x ˇcten´ı z registru ADRES, kam se z FIFO registru postupnˇe v´ ysledky pˇresunuj´ı. V SW se tedy nen´ı nutn´e (kromˇe zah´ajen´ı pˇrevodu) o ˇcinnosti modulu nijak zvl´aˇst’ starat a kaˇzdou ˇsestn´actou periodu PWM sign´alu AD pˇrevodn´ık poskytne ˇctveˇrici hodnot prostˇrednictv´ım FIFO registru. Jak uˇz bylo zm´ınˇeno dˇr´ıve, ke zpracov´an´ı informace z Hallov´ ych sond slouˇz´ı Motion Feedback Modul a to konkr´etnˇe jeho ˇca´st IC. Vˇsechny IC jednotky maj´ı totoˇzn´e nastaven´ı a generuj´ı pˇreruˇsen´ı pˇri jak´ekoliv zmˇenˇe u ´rovnˇe sign´alu ze sn´ımaˇce. Tato konfigurace umoˇzn ˇuje komutovat proudy ve vinut´ı v kaˇzd´em kroku elektrick´eho cyklu a z´aroveˇ n mˇeˇrit
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
55
rychlost ot´aˇcen´ı. Poˇcet ot´aˇcek za sekundu je urˇcen z pomocn´eho ˇc´ıtaˇce (timer count), kter´ y svou hodnotu navyˇsuje kaˇzdou jednu ms. S kaˇzd´ ym pˇreruˇsen´ım od IC jednotky je tento ˇc´ıtaˇc pˇreˇcten a vynulov´an. Pˇreˇcten´a hodnota odpov´ıd´a ˇcasu potˇrebn´eho na pˇrechod mezi jednotliv´ ymi f´azemi elektrick´eho cyklu, kter´ y m´a pˇr´ımou vazbu na mechanick´ y cyklus v z´avislosti na poˇctu p´olov´ ych dvojic motoru (pole pair). Rychlost ot´aˇcen´ı motoru v ot´aˇck´ach za sekundu lze stanovit podle rovnice 5.1.
speed =
1000 [ot · s−1 ], pole pair · timer count · 6
(5.1)
S periferiemi mikrokontrol´eru u ´zce souvis´ı tak´e nastaven´ı syst´emu pˇreruˇsen´ı. Kaˇzd´e periferii pˇr´ısluˇs´ı jeden bit povoluj´ıc´ı generov´an´ı pˇreruˇsen´ı (PIEx registry) a bit urˇcuj´ıc´ı jejich prioritu (IPRx registry). Mikrokontrol´ery rodiny PIC18F maj´ı pˇreruˇsen´ı dˇeleno podle priority do dvou u ´rovn´ı: Pˇreruˇsen´ı s n´ızkou a vysokou prioritou. Pˇreruˇsen´ı s vysokou prioritou nen´ı moˇzn´e na rozd´ıl od pˇreruˇsen´ı s n´ızkou prioritou v jejich ˇcinnosti nijak omezit a mˇely by v nich b´ yt ˇreˇseny u ´lohy, jeˇz mus´ı b´ yt neodkladnˇe provedeny pˇri v´ yskytu urˇcit´e ud´alosti. Jedin´a pˇreruˇsen´ı, jejichˇz prioritu ovlivnit nelze, jsou tˇri extern´ı vstupy INT0, INT1, INT2. Tyto maj´ı vˇzdy vysokou u ´roveˇ n. Pro ˇr´ızen´ı BLDC motoru jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ımi funkcemi komutace proud˚ u v z´avislosti na sign´alech z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u a regulace proudu tekouc´ıho motorem. Proto budou pˇreruˇsen´ı od IC modulu a AD pˇrevodn´ıku zpracov´av´any v pˇreruˇsen´ı s vysokou prioritou. Pro pˇreruˇsen´ı s n´ızkou prioritou je konfigurov´an ˇcasovaˇc 5, kter´ y ho generuje kaˇzdou ms a pˇreruˇsen´ı od ˇcasov´e z´akladny PCPWM modulu spouˇstˇej´ıc´ı AD pˇrevodn´ık. Po inicializaci HW je nutn´e prov´est inicializaci promˇenn´ ych programu. Tato procedura pˇredstavuje pˇreˇcten´ı hodnot konstant jako napˇr. limity procesn´ıch promˇenn´ ych, konstanty regul´ator˚ u, motorovo´a resp. gener´atorov´a rampa atd. Konstanty mohou b´ yt kdykoliv, kdy nen´ı aktivn´ı motorov´ y nebo gener´atorov´ y reˇzim, zmˇenˇeny a n´aslednˇe uloˇzeny zpˇet do EEPROM pro naˇcten´ı po dalˇs´ım restartu programu.
5.2.2
ˇ ızen´ı motorov´ R´ eho reˇ zimu
Jak uˇz bylo uvedeno v kapitole vˇenovan´e BLDC motor˚ um, pro zajiˇstˇen´ı jejich ot´aˇcen´ı je nutn´e komutovat proudy ve statorov´em vinut´ı na z´akladˇe informace z Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u. O tuto u ´lohu se star´a IC jednotka mikrokontrol´eru, ke kter´e jsou sn´ımaˇce polohy pˇripojeny.
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
56
Pˇred startem motoru si program pˇreˇcte hodnotu PORTA s maskou 1C hex, ˇc´ımˇz z´ısk´a kombinaci logick´ ych u ´rovn´ı v´ ystup˚ u Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u. Z nich pak urˇc´ı polohu hˇr´ıdele (index) v elektrick´em cyklu. Pomoc´ı z´ıskan´eho indexu vybere z tabulky pro motorov´ y reˇzim (viz 5.2) odpov´ıdaj´ıc´ı hodnotu registru OVDCON pro n´asleduj´ıc´ı krok v cyklu. Registr OVDCOND urˇcuje aktivn´ı kan´aly PMW a t´ım i aktivn´ı dvojici vinut´ı. Kaˇzd´a dalˇs´ı zmˇena logick´e u ´rovnˇe na vstupu IC jednotky zp˚ usoben´a ot´aˇcen´ım rotoru vyvol´a pˇreruˇsen´ı. V rutinˇe pˇreruˇsen´ı jsou opˇet pˇreˇcteny v´ ystupy sn´ımaˇc˚ u, zjiˇstˇen index a z tabulky vybr´ana kombinace aktivn´ıch sp´ınaˇc˚ u tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku pro n´asleduj´ıc´ı krok. krok el. cyklu
stav
regisr
aktivn´ı
sn´ımaˇc˚ u OVDCOND sp´ınaˇce
1
100
00001001
Q1, Q4
2
110
00100001
Q1, Q6
3
010
00100100
Q3, Q6
4
011
00000110
Q2, Q3
5
001
00010010
Q2, Q5
6
101
00011000
Q4, Q5
Tabulka 5.2: Tabulka ˇr´ıdic´ı sekvence motorov´eho reˇzimu
Stejnˇe d˚ uleˇzit´e jako zajistit samotn´e ˇr´ızen´ı tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku je tak´e zvolit spr´avnou mechanickou charakteristiku v motorov´em m´odu. V podstatˇe se zde nab´ız´ı dvˇe moˇznosti, jak se bude pohon chovat. Prvn´ı zp˚ usob ˇr´ızen´ı je zad´avat z ovladaˇce v ˇr´ıd´ıtk´ach moment, kter´ ym bude motor cyklistovi asistovat. Toˇciv´ y moment motoru je pˇr´ımo u ´mˇern´ y proudu, kter´ y prot´ek´a jeho vinut´ımi. Referenˇcn´ı hodnota proudu bude tedy pˇr´ımo i referenˇcn´ı hodnotou momentu (pouze zmˇenˇen´a o konstantu motoru Kt ). Pohon by tak mˇel m´ıt snahu dod´avat nastaven´ y moment nez´avisle na velikosti zat´ıˇzen´ı. Druh´a moˇznost by pak byla regulace na konstantn´ı v´ ykon. Mechanick´ y v´ ykon P [W ] toˇciv´eho stroje je d´an ot´aˇckami hˇr´ıdele motoru Ω [s−1 ] a toˇciv´eho momentu M [N m−1 ] podle rovnice 5.2. P =Ω·M
(5.2)
Pomoc´ı uveden´eho vztahu ze zadan´eho v´ ykonu podle okamˇzit´ ych ot´aˇcek vypoˇcteme potˇrebn´ y moment, kter´ y uˇz je v podobˇe proudu vstupn´ı reference pro regul´ator.
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
57
Implementace obou typ˚ u ˇr´ızen´ı znamen´a u BLDC motoru zav´est zpˇetnovazebn´ı regulaci proudu podle obr. 5.2.
Obr´ azek 5.2: Proudov´a regulaˇcn´ı smyˇcka
Regul´ator proudov´e smyˇcky popisuje rovnice 5.3. Jedn´a se o PID regul´ator v diskr´etn´ı podobˇe. Protoˇze se jedn´a o SISO syst´em, je PID regul´ator nejrozumnˇejˇs´ı volbou a nen´ı potˇreba implementovat jin´e sloˇzitˇejˇs´ı druhy ˇr´ızen´ı jak´ ymi jsou napˇr. LQ regul´atory. u(n) = Kp · e(n) + Ki ·
n X
·e(k) + Kd · (e(n) − e(n − 1)),
(5.3)
k=0
kde u(n) je akˇcn´ı z´asah (ˇc´ıslo ukl´adan´e do PDCx registr˚ u odpov´ıdaj´ıc´ı stˇr´ıdˇe), e(n) regulaˇcn´ı odchylka, Kp , Ki , Kd jsou proporcion´aln´ı, integraˇcn´ı resp. derivaˇcn´ı konstanty. Integraˇcn´ı a derivaˇcn´ı konstantu je moˇzn´e urˇcit z rovnic 5.4 a 5.5 ze znalosti proporcion´aln´ı konstanty Kp , vzorkovac´ı periody T a integraˇcn´ı Ti resp. derivaˇcn´ı Td ˇcasov´e konstanty. Ki =
Kp · T Ti
(5.4)
Kd =
Kp · Td T
(5.5)
Pro potlaˇcen´ı vlivu derivaˇcn´ı sloˇzky regul´atoru pˇri velk´em skoku ˇza´dan´e hodnoty se nˇekdy pouˇz´ıv´a pˇredpis 5.6, kdy se pro v´ ypoˇcet derivaˇcn´ıho ˇclenu z rovnice 5.3 zamˇen´ı regulaˇcn´ı odchylka e(n) za v´ ystup syst´emu y(n). u(n) = Kp · e(n) + Ki ·
n X k=0
·e(k) + Kd · (y(n) − y(n − 1))
(5.6)
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
58
ˇ ızen´ R´ y syst´em (motor + kolo) se vyznaˇcuje pomˇernˇe pomalou dynamikou a derivaˇcn´ı sloˇzka by nemˇela b´ yt nezbytnˇe nutn´a. Vynech´an´ı derivaˇcn´ı sloˇzky nav´ıc zkr´at´ı ˇcas potˇrebn´ y pro vykon´an´ı rutiny regul´atoru. Konstanty regul´atoru je moˇzn´e urˇcit nˇekolika zp˚ usoby. Zn´ame-li matematick´ y model motoru, urˇc´ıme podle nˇej pˇrenos regul´atoru (napˇr. frekvenˇcn´ı metody, GMK aj.) tak, aby chov´an´ı cel´eho syst´emu odpov´ıdalo poˇzadovan´e pˇrechodov´e charakteristice. Pˇresn´ y matematick´ y model ale nemus´ı b´ yt vˇzdy zn´am a v tom pˇr´ıpadˇe je nutn´e pouˇz´ıt nˇejakou z experiment´aln´ıch metod. Metoda Ziegler-Nicols je nejzn´amˇejˇs´ı experiment´aln´ı metodou, kdy zvyˇsujeme proporcion´aln´ı zes´ılen´ı Kp (za Ki = Kd = 0 ) do doby, neˇz se dostav´ı stabiln´ı oscilace syst´emu. V tomto stavu odeˇcteme kritick´e proporcion´aln´ı zes´ılen´ı Kc spolu s periodou oscilac´ı Tc a z nich urˇc´ıme podle tabulky 5.3 konstanty regul´atoru. regul´ator
Kp
Ti
P
0, 5 · Kc
PD
0, 65 · Kc
PI
0, 45 · Kc
0, 85 · Tc
PID
0, 65 · Kc
0, 5 · Tc
Td 0, 12 · Tc 0, 12 · Tc
Tabulka 5.3: Tabulka stanoven´ı konstant PID regul´atoru pomoc´ı Z-N metody
Zde vˇsak bude nutn´e nastavit konstanty pokusnˇe tak,, aby bylo dosaˇzeno co nejvˇetˇs´ıho pohodl´ı pˇri j´ızdˇe. Nyn´ı se jeˇstˇe pod´ıvejme, jak pracuje proudov´a regulaˇcn´ı smyˇcka. Kaˇzdou ˇsestn´actou periodu (kaˇzd´ ych asi 820 µs) PWM sign´alu ˇcasov´a z´akladna PCPWM modulu generuje pˇreruˇsen´ı n´ızk´e priority, v nˇemˇz se spouˇst´ı ˇcinnost AD pˇrevodn´ıku. AD pˇrevodn´ık po dokonˇcen´ı konverze generuje rovnˇeˇz ˇreruˇsen´ı (tentokr´at ovˇsem vysok´e priority), kde se ˇctou z bufferu aktu´aln´ı zmˇeˇren´e hodnoty napˇet´ı, proudu, reference a teploty. Ihned po pˇreˇcten´ı nov´ ych obvodov´ ych veliˇcin je zavol´ana funkce implementuj´ıc´ı PI regul´ator proudu. Jej´ımi parametry jsou (kromˇe Kp , Ki konstant) reference a zpˇetnovazebn´ı informace o velikosti proudu motoru. V´ ystupem funkce je potom ˇc´ıslo od 0 do 2048 pro 11-ti bitov´ y gener´ator stˇr´ıdy. Regul´ator nejprve spoˇc´ıt´a proporcion´aln´ı sloˇzku a porovn´a ji s maxim´aln´ı moˇznou stˇr´ıdou. Pˇri jej´ım pˇrekroˇcen´ı se v´ ystup uprav´ı na maxim´aln´ı hodnotu. V opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe se dopoˇc´ıt´a integraˇcn´ı sloˇzka, kter´a umoˇzn´ı doc´ılit nulov´e regulaˇcn´ı odchylky. Po pˇriˇcten´ı integraˇcn´ı sloˇzky je opˇet provedena kontrola velikosti akˇcn´ıho z´asahu. Uveden´a ˇcinnost motorov´eho reˇzimu je graficky vyj´adˇrena na obr. 5.7.
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
59
Obr´ azek 5.3: V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu
Pˇri utv´aˇren´ı charakteru pohonu je dobr´e vˇenovat pozornost nˇekolika dalˇs´ım faktor˚ um. Toˇciv´ y moment by se mˇel k referenˇcn´ımu dost´avat postupnˇe po definovan´e rampˇe. Tuto vlastnost v programu zajiˇst’uje funkce sof tstart, kter´a pˇreb´ır´a parametr o poˇzadovan´e rychlosti n´abˇehu poˇzadovan´e hodnoty. Nepˇrimˇeˇrenˇe rychl´ y n´abˇeh na poˇzadovan´ y moment resp. v´ ykon u motoru by mohl zp˚ usobovat spouˇstˇen´ı proudov´ ych ochran nebo zbyteˇcnˇe
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
60
velk´e nam´ah´an´ı v´ ykonov´ ych sp´ınac´ıch prvk˚ u. Kromˇe toho rychl´e zmˇeny sniˇzuj´ı pohodl´ı j´ızdy. Funkci motorov´eho reˇzimu by bylo d´ale dobr´e povolit jen v pˇr´ıpadˇe dosaˇzen´ı urˇcit´ ych ot´aˇcek a nepouˇz´ıvat motor k rozjezdu z nulov´e rychlosti. Se sniˇzuj´ıc´ımi se ot´aˇckami totiˇz kles´a u ´ˇcinnost BLDC motoru. Ta je optim´aln´ı pˇri jmenovit´ ych (nebo j´ım bl´ızk´ ym) ot´aˇck´ach.
5.2.3
ˇ ızen´ı regenerativn´ıho brzdˇ R´ en´ı
Pro sladˇen´ı ˇcinnosti tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku v gener´atorov´em reˇzimu s polohou rotoru je nutn´e vych´azet z obr. 5.4 a obr. 5.5. Pˇri jak´ekoliv zmˇenˇe v´ ystup˚ u sn´ımaˇc˚ u polohy mus´ı b´ yt pro funkci boost mˇeniˇce vybr´ana ta dvojice vinut´ı, kter´a bude m´ıt na sv´em v´ ystupu maxim´aln´ı napˇet´ı pˇrinejmenˇs´ım do okamˇziku dalˇs´ı zmˇeny indikovanou sn´ımaˇci. Dvojice vinut´ı, kter´e se v pˇr´ısluˇsn´em kroku elektrick´eho cyklu st´avaj´ı zdrojem mˇeniˇce ukazuje obr. Pro uspoˇra´d´av´an´ı jednotliv´ ych konfigurac´ı boost mˇeniˇce jsou zapotˇreb´ı pouze doln´ı sp´ınac´ı prvky Q2, Q4, Q6 a v tabulce 5.4) je pˇrehlednˇe uspoˇr´ad´ana posloupnost, jak tyto prvky sp´ınat. V prvn´ım kroku elektrick´eho cyklu dosahuje sv´eho maxima napˇet´ı Ua,b . Pr´avˇe ve dvojici vinut´ı a,b bude pomoc´ı diody v tranzistoru Q4 a PWM sign´alem sp´ınan´ ym tranzistorem Q2 v prvn´ım kroku hromadˇena energie. Pˇri rozepnut´ı tranzistoru Q2 se tato energie odvede pˇres diodu v Q1 (resp. pˇres sepnut´a tranzistor v komplement´arn´ım m´odu) na v´ ystup tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku. Jeˇstˇe neˇz sn´ımaˇce polohy daj´ı informaci o zmˇenˇe polohy, zaˇcne se ke sv´emu maximu bl´ıˇzit i napˇet´ı Uc,a resp. Ua,c , protoˇze m´a opaˇcnou polaritu. Pˇres diodu obsaˇzenou v Q6 zp˚ usob´ı sp´ın´an´ı tranzistoru v Q2 hromadˇen´ı energie i ve vinut´ıch a,c. Energie, kterou bude vinut´ı a,c schopno dod´avat ve druh´em kroku elektrick´eho cyklu, pˇrev´ yˇs´ı energii z vinut´ı a,b. Z´aroveˇ n se zaˇcne pomalu zvyˇsovat energie ve vinut´ıch b,c a ta bude hlavn´ım zdrojem v kroku tˇret´ım. Takto se postupnˇe vystˇr´ıdaj´ı vˇsechny kombinace vinut´ı neˇz se ˇcinnost obvodu dostane opˇet do prvn´ı f´aze elektrick´eho cyklu. Z naznaˇcen´eho postupu je tedy patrn´e, ˇze ve dvou po sobˇe jdouc´ıch f´az´ı elektrick´eho cyklu, je zachov´ana funkce i m´ısto jednoho vinut´ı v topologii boost mˇeniˇce a druh´e vinut´ı je zvoleno podle velikosti a orientace v nˇem obsaˇzen´e energie. Pro zajiˇstˇen´ı poˇzadovan´e funkce staˇc´ı v jednotliv´ ych kroc´ıch sp´ınat PWM sign´alem pouze jeden tranzistor (popˇr. dva v komplement´arn´ım m´odu) a o ostatn´ı ˇcinnost se postaraj´ı v ostatn´ıch tranzistorech integrovan´e diody.
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
61
Obr´ azek 5.4: Souvislost mezi pr˚ ubˇehy svorkov´eho napˇet´ı BLDC gener´ atoru a sign´al˚ u Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u
Obr´ azek 5.5: Sekvence vyuˇzit´ı vinut´ı v gener´atorov´em reˇzimu
Pro gener´ator tedy plat´ı obdobn´ y mechanismus ˇr´ızen´ı jako pro motorov´eho reˇzimu. Jedin´ ym rozd´ılem je v pouˇzit´ı jin´e tabulky s hodnotami OVDCOND registru (viz 5.4).
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
62 krok el. cyklu
stav
registr
sp´ınan´ y
sn´ımaˇc˚ u OVDCON MOSFET
1
100
00000010
Q2
2
110
00000010
Q2
3
010
00001000
Q4
4
011
00001000
Q4
5
001
00100000
Q6
6
101
00100000
Q6
Tabulka 5.4: Tabulka ˇr´ıdic´ı sekvence gener´atorov´eho reˇzimu
´ Uloha regulov´an´ı ˇcinnosti boost mˇeniˇce jakoˇzto zdroje konstantn´ıho napˇet´ı resp. proudu pro nab´ıjen´ı akumul´atoru je sloˇzitˇejˇs´ı u ´lohou neˇz regulov´an´ı momentu motoru. Lithiov´e akumul´atory se nab´ıjet metodou CC −CV (viz odstavec 6.2), coˇz znamen´a asi do 80% kapacity nab´ıjet konstantn´ım proudem a zbyl´ ych 20% konstantn´ım napˇet´ım. Naproti tomu olovˇen´e potˇrebuj´ı pro sv´e nabit´ı urˇcitou konstantn´ı hodnotu napˇet´ı (viz odstavec 6.3). Velikost nab´ıjec´ıho proudu z´avis´ı na konkr´etn´ı technologii a kapacitˇe akumul´atoru. Strukturu obecn´e regulaˇcn´ı smyˇcky pro zajiˇstˇen´ı uveden´ ych poˇzadavk˚ u zn´azorˇ nuje obr.5.6.
Obr´ azek 5.6: Proudov´e ˇr´ızen´ı boost mˇeniˇce
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
63
Pˇri nab´ıjec´ım procesu je tedy potˇreba sledovat tzv. SoC, ˇcili stav nabit´ı ˇcl´anku. Zb´ yvaj´ıc´ı kapacitu lze urˇcit ze svorkov´eho napˇet´ı akumul´atoru napr´azdno, nebot’ na sebe maj´ı pˇr´ımou vazbu. Pouˇzijeme-li tuto metodu v zapojen´em obvodu, bude svorkov´e napˇet´ı baterie sn´ıˇzeno o u ´bytek U∆ na vnitˇrn´ım odporu Ri zp˚ usoben´ y prot´ekaj´ıc´ım proudu I podle rovnice 5.7.
U∆ = Ri · I
(5.7)
Existuj´ı i metody, kdy se SoC poˇc´ıt´a jako mnoˇzstv´ı uloˇzen´eho n´aboje za ˇcas, ale ta je implementaˇcnˇe sloˇzitˇejˇs´ı a z´avis´ı na mnoˇzstv´ı dalˇs´ıch promˇenn´ ych. Metody zjiˇst’ov´an´ı stavu nabit´ı spolu s n´avrhem BMS pro Li-Ion/Li-Polymer akumul´atory lze nal´ezt v aplikaˇcn´ım listu [14]. Sledovan´e nab´ıjec´ı veliˇciny jsou regulov´any zmˇenou pracovn´ıho cyklu PWM. Je-li hodnota regulovan´e veliˇciny menˇs´ı neˇz poˇzadovan´a, zv´ yˇs´ı se pˇri kaˇzd´em pr˚ uchodu (tzn. kaˇzd´ ych 820 µs) gener´atorovou smyˇckou hodnota pˇr´ısluˇsn´eho registru PDC o definovan´ y krok. Opaˇcnˇe, kdyˇz aktu´aln´ı hodnota pˇrekroˇc´ı povolenou, dojde ke sn´ıˇzen´ı PDC o definovan´ y krok. S regulac´ı nab´ıjen´ı akumul´ator˚ u souvis´ı podobnˇe jako u motorov´eho m´odu nˇekter´e pomˇernˇe v´ yznamn´e detaily. Rychl´e aplikov´an´ı velk´eho brzdic´ıho momentu by p˚ usobilo pot´ıˇze pˇri ˇr´ızen´ı kola (pˇredevˇs´ım v pˇr´ıpadˇe mont´aˇze motoru na pˇredn´ım kole). Opˇet je zde pouˇzita funkce sof tstart s parametrem odpov´ıdaj´ıc´ımu rychlosti s jakou se nab´ıjec´ı proud a napˇet´ı dostanou na sv´a povolen´a maxima. Nutno poznamenat, ˇze s rostouc´ım SoC kles´a moment, jak´ ym syst´em brzd´ı a pˇri nabit´ı akumul´ator˚ u nepom´ah´a brˇzdˇen´ı v˚ ubec. Nen´ı zde tedy implementov´ana funkce zkratov´an´ı vinut´ı motoru PWM sign´alem ˇr´ızen´ ymi tranzistory. Chov´an´ı popsan´eho gener´atorov´eho reˇzimu lze opˇet pˇrehlednˇe popsat v´ yvojov´ ym diagramem na obr. 5.7.
64
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
Obr´ azek 5.7: V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu
5.2.4
Syst´ em ochran a uˇ zivatelsk´ eho rozhran´ı
Na zaˇca´tku hlavn´ı programov´e smyˇcky dojde vˇzdy ke kontrole provozn´ıch u ´daj˚ u teploty, napˇet´ı a proudu. Napˇet’ov´a a tepeln´a ochrana se vyznaˇcuje urˇcitou hysterez´ı. Dojdeli k pˇrehˇra´t´ı syst´emu (pˇrekroˇcen´ı pevnˇe nastaven´e teploty na DPS), program odpoj´ı
ˇ ´IDIC´I JEDNOTKY 5.2. PROGRAM R
65
m˚ ustek spolu s bud´ıc´ımi PWM sign´aly a na displeji se zobraz´ı informace, ˇze k t´eto skuteˇcnosti doˇslo. Opˇetovn´e obnoven´ı funkce je moˇzn´e aˇz v okamˇziku, kdy teplota klesne na pˇrijatelnou hodnotu. Obdobnˇe pracuje i hl´ıd´an´ı napˇet´ı baterie. Pˇri jeho poklesu pod uˇzivatelsky nastavenou u ´roveˇ n n´asleduje zak´az´an´ı motorov´eho reˇzimu (gener´atorov´ y reˇzim je povolen neust´ale). Bl´ıˇz´ı-li se baterie k vybit´emu stavu, mohla by tato vlastnost zp˚ usobovat menˇs´ı probl´emy. V dobˇe odpojen´ı m˚ uˇze napˇet´ı baterie opˇet vzr˚ ust nad limitn´ı u ´roveˇ n, ale obnoven´ı motorov´eho reˇzimu nem˚ uˇze b´ yt v tomto pˇr´ıpadˇe provedeno ihned. Pˇri dalˇs´ı zapnut´ı motoru by totiˇz napˇet´ı opˇet velmi rychle kleslo pod povolenou u ´roveˇ n a pohon by se znovu vypnul. V´ ysledkem tohoto jevu jsou momentov´e r´azy, kter´e by byly pro cyklistu a pro v´ ykonov´e prvky nepohodln´e. Svorkov´e napˇet´ı baterie (napr´azdno) je u ´mˇern´e stavu jej´ıho nabit´ı a motorov´ y reˇzim bude znovu povolen, aˇz dos´ahne definovan´e u ´rovnˇe. Pˇr´ıznak proudov´eho pˇret´ıˇzen´ı m˚ uˇze b´ yt nastaven bud’ na z´akladˇe pˇrekroˇcen´ı limitu sign´alu z proudov´eho pˇrevodn´ıku ACS714 nebo d´ıky aktivaci chybov´eho vstupu PCPWM modulu, kter´ y je konfigurov´an pro katastrofick´ y zp˚ usob vyhodnocen´ı chyby. Mezi chyby se ˇrad´ı tak´e sledov´an´ı pˇr´ıpustn´ ych kombinac´ı v´ ystup˚ u Hallov´ ych sn´ımaˇc˚ u polohy. Vyskytne-li se zak´azan´ y stav (napˇr. kombinace 0,0,0), pˇrejde syst´em do chybov´eho stavu. Pˇrechod nen´ı uskuteˇcnˇen okamˇzitˇe pˇri prvn´ım v´ yskytu chyby, ale aˇz pˇri dvou po sobˇe jdouc´ıch neplatn´ ych stavech. Vˇsechny chybov´a hl´aˇsen´ı je po odeznˇen´ı jejich pˇr´ıˇcin nutn´e kvitovat tlaˇc´ıtkem. Dokud nebude provedeno u ´spˇeˇsn´e kvitov´an´ı poruchy, syst´em nebude plnˇe funkˇcn´ı. Uveden´emu mechanismu odpov´ıd´a obr. 5.8.
Obr´ azek 5.8: V´ yvojov´ y diagram motorov´eho reˇzimu
Pro parametrizaci a ovl´ad´an´ı programu je pouˇzito menu zobrazovan´e na LCD ovl´adan´e tˇremi tlaˇc´ıtky. Na displeji se zobraz´ı v prvn´ım ˇr´adku vˇzdy n´azev poloˇzky a v druh´em
66
ˇ ´IDIC´IHO SYSTEMU ´ KAPITOLA 5. PROGRAM R
ˇra´dku hodnota. Tlaˇc´ıtko SW4 slouˇz´ı k pohybu mezi jednotliv´ ymi poloˇzkami menu a to vˇzdy jedn´ım smˇerem. Pˇri dosaˇzen´ı posledn´ı poloˇzky dalˇs´ı stisknut´ı tlaˇc´ıtka znamen´a posun na zaˇca´tek. Tlaˇc´ıtko SW5 slouˇz´ı pro zvyˇsov´an´ı velikosti zobrazovan´eho parametru a tˇret´ı tlaˇc´ıtko pro sniˇzov´an´ı hodnoty zobrazovan´eho parametru. V´ yˇcet poloˇzek s jejich struˇcn´ ym popisem a moˇzn´ ymi volbami parametr˚ u se nach´az´ı na obr. 5.9.
Obr´ azek 5.9: Nab´ıdka uˇzivatelsk´eho rozhran´ı
Kapitola 6 Akumul´ atory pro pohon elektrokola Pro zajiˇstˇen´ı spr´avn´e funkce cel´eho syst´emu elektrokola je zapotˇreb´ı vybrat vhodn´ y zdroj elektrick´e energie. Pr´avˇe ten pˇrev´aˇznˇe ud´av´a v´ yslednou hmotnost elektrokola, v´ ykon pohonu a d´elka dojezdu na jedno nabit´ı. V n´asleduj´ıc´ım textu budou zhodnoceny pouˇziteln´e technologie akumul´ator˚ u elektrick´e energie s jejich v´ yhodami a nev´ yhodami.
6.1
Volba akumul´ atoru
Vezme-li v u ´vahu i regenerativn´ı brˇzdˇen´ı, potˇrebujeme baterii o napˇet´ı 24 V, kapacitˇe alespoˇ n 10 Ah se schopnost´ı dod´avat pomˇernˇe velk´ y proud resp. se schopnost´ı se velk´ ymi proudy nab´ıjet. Z´aroveˇ n by hmotnost akumul´ator˚ u nemˇela b´ yt pˇr´ıliˇs vysok´a, aby zbyteˇcnˇe nezatˇeˇzovaly cyklistu pˇri vypnut´em motoru. Mˇely by se tedy vyznaˇcovat vysokou hustotou energie a nesm´ı trpˇet pamˇet’ov´ ym efektem, jinak by pˇri regenerativn´ım brˇzdˇen´ı velmi rychle ztratily svou kapacitu. Zaj´ımav´ y je i poˇcet nab´ıjec´ıch cykl˚ u urˇcuj´ıc´ı dobu, za ktrou bude potˇreba zdroj vymˇenit za nov´ y. Posledn´ım, ne vˇsak zanedbateln´ ym krit´eriem, bude cena a dostupnost. Vu ´vahu dnes pˇrich´azej´ı bud’ ˇcl´anky na b´azi lithia (Li-Ion, LiPOL, LiFePO4) nebo bez´ udrˇzbov´e olovˇen´e akumul´atory. Ostatn´ı, dˇr´ıve popul´arn´ı ˇcl´anky jako napˇr. NiCd nebo NiMH, maj´ı n´ızkou elektrochemickou u ´ˇcinnost, relativnˇe velk´ y vnitˇrn´ı odpor. NiCd nav´ıc trp´ı pamˇet’ov´ ym efektem a od kadmia se dnes upouˇst´ı kv˚ uli jeho toxick´ ym vlastnostem. Sledovan´e vlastnosti uveden´ ych typ˚ u jsou pˇrehlednˇe uspoˇr´ad´any do tabulky 6.1. 67
´ KAPITOLA 6. AKUMULATORY PRO POHON ELEKTROKOLA
68 typ
napˇet´ı
hustota
v´ ykon
ˇcl´anku
ˇcl´anku
energie
v´ ykon
-
[V]
vnitˇrn´ı
poˇcet nab.
odpor
cykl˚ u
%
[mΩ]
-
LiIon
3,6
160
1800
99,9
150-200
1200
LiPol
3,7
130-200
3000+
99,8
jednotky
500-1000
LiFePO4
3,25
80-120
1400
98
10
2000+
olovˇen´ y
2,1
30-40
180
70-92
50
500-800
[Wh/kg] [W/kg]
u ´ˇcinnost
Tabulka 6.1: Tabulka pouˇziteln´ ych elektrochemick´ ych ˇcl´ank˚ u
ˇ anky Lipol (Lithium Polymer) patˇr´ı mezi velmi perspektivn´ı elektrochemick´e zdroje Cl´ v oblasti elektrick´ ych pohon˚ u. Tato technologie nab´ız´ı velmi zaj´ımav´e parametry: Velmi mal´ y vnitˇrn´ı odpor, d´ıky ˇcemuˇz dok´aˇz´ı kr´atkodobˇe dod´avat proudy aˇz 160 A, n´ızk´e zahˇr´ıv´an´ı ˇcl´ank˚ u a jednu z nejvˇetˇs´ıch hustot energi´ı mezi akumul´atory. Pouˇzit´ı LiPol m´a ovˇsem tak´e sv´a u ´skal´ı. Napˇet´ı ˇcl´anku nesm´ı pˇrekroˇcit horn´ı (4,2 V) nebo klesnout pod doln´ı (3 V) napˇet’ovou mez. Pˇrekroˇcen´ı tˇechto limit˚ u ˇcl´anky spolehlivˇe poˇskod´ı. Pˇri nab´ıjen´ı LiPol bateri´ı mus´ı b´ yt pro dosaˇzen´ı dlouh´e ˇzivotnosti pouˇzit vyrovn´avaˇc napˇet´ı ˇcl´ank˚ u - BMS. U vyb´ıjen´ı je rovnˇeˇz nutn´e sledovat napˇet´ı jednotliv´ ych ˇcl´ank˚ u, aby nekleslo pod minim´aln´ı povolenou u ´roveˇ n. Technologie LiFePo4 se sv´ ymi vlastnostmi velmi podob´a ˇcl´ank˚ um Lipol. Hlavn´ı rozd´ıl spoˇc´ıv´a v moˇznosti nab´ıjen´ı vysok´ ymi proudy (aˇz 11 A) a tak podstatnˇe urychlit nab´ıjec´ı proces. D´ale se vyznaˇcuj´ı o nˇeco niˇzˇs´ım napˇet´ım na ˇcl´anek (3, 3 V ) neˇz maj´ı LiPol, vˇetˇs´ım vnitˇrn´ım odporem a vˇetˇs´ı mechanickou odolnost´ı a stabilitou ˇcl´anku. Pro jeˇstˇe lepˇs´ı stabilitu a odolnost se do LiFePO4 nˇekdy pˇrid´av´a prvek yttrium → LiFeYPO4. LiFePO4 vynikaj´ı pˇredevˇs´ım poˇctem nab´ıjec´ıch cykl˚ u. D´ıky uveden´ ym vlastnostem jsou velmi obl´ıben´ ym zdrojem pro elektrick´e pohony a elektrick´e n´aˇrad´ı. Pro dlouh´ y a bezprobl´emov´ y provoz by mˇely b´ yt rovnˇeˇz vybaveny BMS. Nˇekteˇr´ı v´ yrobci (napˇr. Thundersky) nab´ızej´ı kromˇe samostatn´ ych 3, 7 V ˇcl´ank˚ u i 12-ti voltov´e pr˚ umyslov´e LiFePO4 baterie, kter´e maj´ı balancov´an´ı napˇet´ı ˇreˇseno na u ´rovni elektrolytu a BMS tak nen´ı u ´dajnˇe potˇreba. Ostatn´ı uveden´e technologie elektrochemick´ ych zdroj˚ u uˇz nejsou zdaleka tak vhodn´e pro elektrokola. LiIon maj´ı pomˇernˇe vysok´ y vnitˇrn´ı odpor a to limituje jejich pouˇzit´ı pro v´ ykonnˇejˇs´ı pohonn´e jednotky. Olovˇen´e akumul´atory jsou nevhodn´e d´ıky sv´e vysok´e hmotnosti a pomal´emu nab´ıjen´ı, ale nevad´ı jim tolik hlubok´e vybit´ı, kter´e lithiov´e ˇcl´anky zniˇc´ı. Jedin´ y d˚ uvod, proˇc pˇrich´azej´ı v u ´vahu, je zhruba ˇctvrtinov´a cena LiPol nebo LiFePO4
ˇ ANKY ´ 6.2. CL LIFEPO4
69
akumul´ator˚ u. Nejv´ yhodnˇejˇs´ı volbou se bezesporu jev´ı pouˇzit´ı LiFePO4 akumul´ator˚ u a proto jim bude vˇenov´an jeˇstˇe n´asleduj´ıc´ı odstavec 6.2 obsahuj´ıc´ı nˇekter´e doplˇ nuj´ıc´ı informace. Kr´atk´a zm´ıˇ nka bude jeˇstˇe tak´e o olovˇen´ ych akamul´atorech v odstavci 6.3, nebot’ jsou pouˇzity pˇri testov´an´ı prvn´ıho prototypu t´eto ˇr´ıdic´ı jednotky a kv˚ uli sv´e n´ızk´e cenˇe pˇredstavuj´ı dostupnˇejˇs´ı variantu zdroje pro pohon elektrokola.
6.2
ˇ anky LiFePO4 Cl´
Na z´akladˇe z´avˇeru, ˇze nejperspektivnˇejˇs´ım zdrojem pro hybridn´ı pohony jsou a nˇejakou dobu jeˇstˇe jistˇe budou ˇcl´anky na b´azi lithia, si bl´ıˇze pop´ıˇseme nˇekter´e d˚ uleˇzit´e body pˇri pr´aci s nimi. Dodrˇzen´ı spr´avn´eho nab´ıjec´ıho a vyb´ıjec´ıho procesu je kl´ıˇcov´e pro dlouhou ˇzivotnost lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u. Z´akladn´ı nab´ıjec´ı charakteristika ˇcl´anku LiFePO4 je vyobrazena na obr. 6.1. Nab´ıjec´ı a vyb´ıjec´ı proudy se pˇri pr´aci s akumul´atory vyjadˇruj´ı v jednotk´ach C, kter´e pˇredstavuj´ı kapacitu baterie. Takˇze napˇr. vyb´ıjec´ı proud 1 C u akumul´atoru s kapacitou 5500 mAh odpov´ıd´a hodnotˇe 5, 5 A.
Obr´ azek 6.1: Nab´ıjec´ı charakteristika lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u
Nab´ıjec´ı metoda, kterou zmiˇ novan´ y obr´azek ilustruje, se oznaˇcuje jako CC − CV (Constant Current - Constant Voltage). Nab´ıjen´ı ˇcl´anku by se dalo rozdˇelit do dvou f´az´ı.
´ KAPITOLA 6. AKUMULATORY PRO POHON ELEKTROKOLA
70
V prvn´ı f´azi se ˇcl´anek nab´ıj´ı konstantn´ım proudem. Tento stav trv´a pˇribliˇznˇe do 80-ti % nab´ıjec´ıho ˇcasu a napˇet´ı ˇcl´anku zde dos´ahne sv´eho maxima. Jak ale naznaˇcuje pr˚ ubˇeh uloˇzen´eho n´aboje, ˇcl´anek v tento okamˇzik jeˇstˇe nen´ı plnˇe nabit. Od t´eto doby zaˇcne nab´ıjen´ı konstantn´ım napˇet´ım a nab´ıjec´ı proud se zaˇc´ın´a pomˇernˇe rychle zmenˇsovat. Jakmile nab´ıjec´ı proud klesne pod hodnotu 0, 05 C, signalizuje to, ˇze je ˇcl´anek jiˇz plnˇe nabit´ y. Jsou-li ˇcl´anky u ´plnˇe nov´e, doporuˇcuj´ı v´ yrobci prov´est asi tˇri nab´ıjec´ı a vyb´ıjec´ı cykly n´ızk´ ymi proudy (ˇra´dovˇe desetiny C). Po absolvov´an´ı t´eto procedury uˇz mohou b´ yt akumul´atory nab´ıjeny i vyb´ıjeny maxim´aln´ımi proudy, kter´e v´ yrobce uv´ad´ı. Vyb´ıjec´ı charakteristika LiFePO4 akumul´ator˚ u je kromˇe poˇca´tku a konce velmi ploch´a. Po pˇripojen´ı z´atˇeˇze klesne napˇet´ı napr´azdno na hodnotu stˇredn´ıho vyb´ıjec´ıho napˇet´ı jehoˇz velikost ud´av´a velikost vyb´ıjec´ıho proudu a d´ale se sniˇzuje jen pozvolna. Bl´ıˇz´ı-li se ˇcl´anek k vybit´emu stavu, napˇet´ı zaˇcne pomˇernˇe rychle klesat. Jak uˇz bylo nˇekolikr´at zd˚ uraznˇeno, vyb´ıjen´ı je nutn´e ukonˇcit pˇri dosaˇzen´ı napˇet´ı 2 V . Pˇr´ıklad z´avislosti napˇet´ı ˇcl´anku LiFePO4 na stavu vybit´ı zn´azorˇ nuje obr. 6.2. Z uveden´eho grafu je rovnˇeˇz patrn´e, ˇze s rostouc´ım vyb´ıjec´ım proudem kles´a i stˇredn´ı vyb´ıjec´ı napˇet´ı. Uveden´ y graf plat´ı pro teplotu 25 ◦ C.
Obr´azek 6.2: Vyb´ıjec´ı charakteristika lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u v z´avislosti na vyb´ıjec´ım proudu
ˇ E ´ CL ˇ ANKY ´ 6.3. OLOVEN
71
V obdob´ı, kdy nejsou ˇcl´anky pouˇz´ıv´any mus´ı b´ yt obˇcas (tˇreba jen ˇc´asteˇcnˇe) dobity. Samovyb´ıjen´ım, kter´e ˇcin´ı u lithiov´ ych bateri´ı jednotky % za mˇes´ıc, by se mohlo st´at, ˇze napˇet´ı ˇcl´anku klesne pod spodn´ı povolenou hranici a ˇcl´anek se zniˇc´ı. Do poˇctu nab´ıjec´ıch cykl˚ u se ˇc´asteˇcn´ y nab´ıjec´ı cyklus nepoˇc´ıt´a jako jeden. Nab´ıjec´ı cykly se zde poˇc´ıtaj´ı jako u ´pln´e tehdy, kdyˇz je z baterie odebr´ana resp. do baterie dod´ana energie odpov´ıdaj´ıc´ı jej´ı kapacitˇe. V kombinaci regenerativn´ım brˇzdˇen´ı se tedy jedn´a o velmi pˇr´ıznivou vlastnost. Pˇri pouˇz´ıv´an´ı tohoto typu zdroje elektrick´e energie mus´ı b´ yt tak´e db´ano na provozn´ı a ˇ anky ˇspatnˇe sn´aˇs´ı teploty mimo rozsah pˇribliˇznˇe −30 aˇz +50 ◦ C. Pˇri skladovac´ı teplotu. Cl´ nich se ˇcl´anky pouˇz´ıv´an´ım degraduj´ı mnohem rychleji neˇz pˇri standardn´ı teplotˇe 25 ◦ C. Zde si dovol´ım citovat zdroj [1], kde mˇe velmi zaujala forma, kterou se d´a popsat zp˚ usob zach´azen´ı s lithiov´ ymi ˇcl´anky: Nˇ ekolik rad, jak snadno a rychle zniˇ cit ˇ cl´ anky Lipol: -nab´ıjejte bez balanceru nebo nab´ıjeˇckou urˇcenou pro jin´ y typ bateri´ı -nab´ıjejte vyˇsˇs´ımi proudy neˇz povoluje v´ yrobce -vyb´ıjejte pod minim´aln´ı napˇet´ı – v´ yborn´a metoda je pˇripojit ˇcl´anky na ˇza´rovku a odej´ıt nebo 14 dn˚ u neodpojit od regul´atoru -skladujte vybit´e ˇcl´anky a nejl´epe dlouho a bez jak´ekoli kontroly napˇet´ı -zatˇeˇzujte ˇcl´anky vˇetˇs´ımi proudy neˇz specifikuje v´ yrobce, ˇc´ım v´ıce, t´ım l´epe – nejl´epe v˚ ubec nemˇeˇrit odeb´ıran´e proudy -zkratov´an´ı ˇcl´ank˚ u zapojen´ım konektor˚ u do sebe (m´ısto do regul´atoru) taky nen´ı ˇspatn´e -zajistˇete pˇrehˇr´ıv´an´ı ˇcl´ank˚ u za provozu – to je sice u kvalitn´ıch Lipol trochu obt´ıˇzn´e, ale jde to -sem tam ˇcl´anky lehce prop´ıchnˇete ˇspendl´ıkem, tak´e je dobr´e odstˇrihnout pˇrebyteˇcn´e okraje ˇcl´ank˚ u, jen zbyteˇcnˇe pˇrek´aˇz´ı
6.3
Olovˇ en´ eˇ cl´ anky
Pouˇz´ıje-li se olovˇen´ y akumul´atoru jako zdroj pro elektrokolo, tak se vˇzdy jedn´a o gelov´ y typ. Tento typ m´a elektrolyt ve formˇe gelu a pˇri poˇskozen´ı obalu akumul´atoru nehroz´ı vylit´ı kyseliny. Gelov´e akumul´atory jsou pˇri stejn´e kapacitˇe menˇs´ı a lehˇc´ı neˇz modely s kapaln´ ym elektrolytem, coˇz je zejm´ena pro dopravn´ı prostˇredky d˚ uleˇzit´ y parametr. Narozd´ıl
72
´ KAPITOLA 6. AKUMULATORY PRO POHON ELEKTROKOLA
od LiFePO4 nejsou tak n´achyln´e na poˇskozen´ı pˇri nespr´avn´em zach´azen´ı, ale na druhou stranu je nelze tak efektivnˇe pouˇz´ıt pro regenerativn´ı brˇzdˇen´ı. Olovˇen´e ˇcl´anky nemohou b´ yt nab´ıjeny pˇr´ıliˇs vysok´ ymi proudy a z toho d˚ uvodu trv´a jejich nabit´ı podstatnˇe delˇs´ı ˇ ızen´ı procesu nab´ıjen´ı je vˇsak snaˇzˇs´ı u dobu. R´ ´lohou neˇz nab´ıjen´ı LiFePO4 metodou CCCV. Pro olovˇen´e akumul´atory existuje nˇekolik metod nab´ıjen´ı, ale pro elektorkola bude nejzaj´ımavˇejˇs´ı metoda nab´ıjec´ı akumul´ator za co nejniˇzˇs´ı ˇcas. Nab´ıjec´ı cyklus sest´av´a z n´asleduj´ıc´ıch f´az´ı. V prvn´ım kroku pˇripoj´ıme ˇcl´anek k maxim´aln´ımu moˇzn´emu nab´ıjec´ımu napˇet´ı 2, 45 V s vhodn´ ym proudov´ ym omezen´ım, protoˇze v poˇca´teˇcn´ıch f´az´ıch m˚ uˇze b´ yt nab´ıjec´ı proud pomˇernˇe vysok´ y (aˇz 1, 2 C). Po dosaˇzen´ı napˇet´ı ˇcl´anku 2, 3 V je nutn´e omezit napˇet´ı pouze na udrˇzovac´ı napˇet´ı, kter´e ˇcin´ı asi onˇech 2, 3 V . Pˇri vyˇsˇs´ım napˇet´ı zaˇc´ın´a ˇcl´anek plynovat. Gelov´ y akumul´ator je uzavˇren´ y a nen´ı schopen odv´adˇet vznikl´ y plyn pˇri nab´ıjen´ı po dosaˇzen´ı pln´eho nabit´ı. Pokud se v nab´ıjen´ı pokraˇcuje, nafoukne se a zdeformuj´ı se desky, v krajn´ım pˇr´ıpadˇe obal akumul´atoru exploduje.
Kapitola 7 Z´ avˇ er Struktura zapojen´ı ˇr´ıdic´ı jednotky byla vytvoˇrena tak, aby umoˇzn ˇovala pouˇz´ıvat bezkomut´atorov´ y motor v motorov´em i gener´atorov´em reˇzimu. V obou pˇr´ıpadech je vyuˇzito vhodn´eho sp´ın´an´ı tranzistor˚ u tˇr´ıf´azov´eho m˚ ustku. V motorov´em reˇzimu m˚ ustek pracuje jen jako prostˇredek ke komutov´an´ı proud˚ u ve vinut´ı. V gener´atorov´em reˇzimu se jedn´a o ˇr´ızen´ y usmˇerˇ novaˇc s promˇenn´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım. Pro regulaˇcn´ı a bezpeˇcnostn´ı u ´ˇcely je obvod doplnˇen o sn´ımaˇc proudu, napˇet´ı a teploty. Hlavn´ı sp´ınaˇc jednotky zajiˇst’uje jeˇstˇe doplˇ nuj´ıc´ı ochranu proti pˇret´ıˇzen´ı. Zapojen´ı bylo vyv´ıjeno za podpory prostˇred´ı pspice (poˇc´ıtaˇcov´a simulace funkce obvod˚ u). Naskytla se moˇznost zkouˇset zapojen´ı v software Proteus, kter´ y obsahuje modely velk´eho mnoˇzstv´ı souˇca´stek vˇcetnˇe mikrokontrol´eru PIC18F4431, BLDC motoru i LCD. Jedin´e, co se v pspice nedalo testovat, bylo regenerativn´ı brzdˇen´ı. Podle navrhnut´eho zapojen´ı byl realizov´an zkuˇsebn´ı vzorek ˇr´ıdic´ı jednotky, kter´ y slouˇz´ı hlavnˇe pro ovˇeˇren´ı spr´avnosti simulac´ı a odolnosti zaˇr´ızen´ı proti vlastn´ımu ruˇsen´ı. Motor lze ˇr´ıdit podle dvou trakˇcn´ıch charakteristik: v´ ykonov´e a momentov´e. V obou pˇr´ıpadech je nutn´e regulovat proud motoru zmˇenou stˇr´ıdy PWM sign´al˚ u pˇripojen´e na ˇr´ıdic´ı elektrody v´ ykonov´ ych tranzistor˚ u, coˇz zde zajiˇst’uje PI regul´atoru. Gener´atorov´ y reˇzim je vyuˇzit k regenerativn´ımu brzdˇen´ı pro dob´ıjen´ı akumul´atoru. Funkce nab´ıjen´ı z´avis´ı na typu pouˇzit´eho akumul´atoru. Tato jednotka umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı olovˇen´ ych nebo LiFePO4 akumul´ator˚ u. Typ akumul´atoru urˇcuje vyp´ınac´ı napˇet´ı vyb´ıjec´ıho resp. nab´ıjec´ıho procesu. Lithiov´e ˇcl´anky ˇr´ıdic´ı jednotka nab´ıj´ı metodou CC-CV, kdeˇzto olovˇen´e konstantn´ım napˇet´ım. Pro zajiˇstˇen´ı plynul´eho ˇr´ızen´ı obou zm´ınˇen´ ych reˇzim˚ u jsou definov´any rampy po kter´ ych se ˇr´ızen´e veliˇciny dostanou na ˇza´danou hodnotu. Pro ˇsetrnˇejˇs´ı pr´aci s akumul´atory by bylo dobr´e vyvinout jeˇstˇe syst´em spr´avy baterie (BMS), kter´ y by zajistil vˇsechny u ´kony spojen´e s ukl´ad´an´ım a odeb´ır´an´ım energie. Tento 73
74
´ ER ˇ KAPITOLA 7. ZAV
syst´em bude nezbytn´ y, tvoˇr´ı-li baterii nˇekolik do s´erie spojen´ ych ˇcl´ank˚ u typu Li-Polymer. Aˇckoliv jsou Akumul´atory LiFePO4 nejperspektivnˇejˇs´ım a v dneˇsn´ı dobˇe i nevhodnˇejˇs´ım typem ˇcl´ank˚ u, byl syst´em testov´an pouze s gelov´ ym olovˇen´ ym akumul´atorem. Pˇr´ıˇcinou byla pˇr´ıliˇs vysok´a cena jak LiFePO4 akumul´ator˚ u, tak nab´ıjeˇcek pro nˇe urˇcen´ ych.
Pouˇ zit´ y software Cadence OrCAD 16.2 - tvorba sch´emat a podklad˚ u pro v´ yrobu DPS Microchip MPLAB IDE + PIC C18 compiler - v´ yvojov´e prostˇred´ı pro tvorbu programu MikTex 2.8 + WinEdt - textov´ y procesor MS Visio - tvorba v´ yvojov´ ych diagram˚ u
75
76
´ ER ˇ KAPITOLA 7. ZAV
Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD adres´aˇr
obsah
Application Notes
aplikaˇcn´ı listy pouˇzit´ ych souˇca´stek a komponent
Datasheets
datov´e listy pouˇzit´ ych souˇca´stek a komponent
Doc
tento dokument ve formˇe pdf
LaTeX
zdrojov´e soubory pro generov´an´ı pdf dokumentu DP
Design
sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky a podklady pro v´ yrobu DPS vytvoˇren´e v OrCAD 16.2
Software
zdrojov´e soubory programu ˇr´ıdic´ı jednotky
77
78
´ ER ˇ KAPITOLA 7. ZAV
Literatura [1] MGM compro.
Lithium polymerov´e akumul´atory KOKAM, Wide Energy.
http://mgm-compro.cz. [2] HYUNG-WOO LEE. Advanced control for power maximization od the brushless DC generator. PhD thesis, Texas A&M University, 2003. [3] Microchip. MPLAB C18 C Compiler Libraries. www.microchip.com, 2005. [4] Microchip. MPLAB C18 C Compiler User’s Guide. www.microchip.com, 2005. [5] Allegro Microsystems. Datov´y list ACS714. www.allegromicro.com, 2006. [6] Kraig Mitzner. Complete PCB design using OrCAD Capture and PCB editor. Elsevier Inc., 2009. ˇ e vysok´e uˇcen´ı technick´e [7] Pavel Nˇemeˇcek. Line´arn´ı spalovac´ı motor. PhD thesis, Cesk´ v Praze, 2009. [8] International Rectifiers. Application Note AN-994, Maximizing the Effectiveness of Your SMD Assemblies. www.irf.com. [9] International Rectifiers. Datov´y list IR2101. www.irf.com. [10] International Rectifiers. Application Note AN-1014, Using The Current Sensing IR212X Gate Drive ICs. www.irf.com, 2004. [11] International Rectifiers. Application Note AN-978, HV Floating MOS-Gate Driver ICs. www.irf.com, 2004. [12] International Rectifiers. Datov´y list IR2127. www.irf.com, 2004. [13] Mohammad Kamil Sagar Khare. Application Note 1279: Offline UPS Reference Design Using the dsPIC DSC. www.microchip.com, 2009. 79
80
LITERATURA
[14] Cypress Semiconductor. Application Note 2294: Li-Ion/Li-Polymer Battery Charger with Fuel Gauge Function. http://www.cypress.com/, 2005. [15] National Semiconductor. Datov´y list LM50. www.national.com, 1999. [16] National Semiconductor. Datov´y list LM2675. www.national.com, 2005. [17] Microchip
Technology.
Datov´y
list
PIC18F2331/2431/4331/4431.
www.microchip.com, 2005. ˇ [18] V´ıt Z´ahlava. N´avrh a konstrukce desek ploˇsn´ych spoj˚ u. Praha: Vydavatelstv´ı CVUT, 2005.
Pˇ r´ıloha A Soupiska souˇ c´ astek Tabulka A.1: Tabulka soupisky souˇc´astek.
reference
hodnota
C1,C2,C3,C4,C5,C6
47p
C7,C11
33p
C8,C9,C30
100n
C10,C28
47n
C12,C13,C14,C15, C29,C31,C32,C33,C34, C35,C36,C37,C38,C39,C40,C44,C45
10n
C16,C17,C18,C19,C26
3.3uF
C20,C21
10nF
C22
22uF/50V
C23
47uF/25
C24,C41
100uF/50V
C25
68uF/10
C27,C43
1n
D1,D9,D10,D11
1N4148
D2,D3,D4,D5,D7
SUF4007
D6,D8
SS16
D12
BZV55C15
L1
100uH/0.82A
L2
47uH/0.76A
Q1
BC817-25L Pokraˇcov´an´ı na dalˇs´ı stranˇe I
ˇ ´ILOHA A. SOUPISKA SOUC ˇ ASTEK ´ PR
II
Tabulka A.1 – pokraˇ cov´ an´ı z pˇ redchoz´ı strany reference
hodnota
Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8
IRF1018ESPbF
VR1,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R8,R11,R13,R22,R28
10k
R7,R9,R44,R45,R46
470
R10
180k
R12,R17
300
R14,R15,R18,R19,R47
100k
R16,R35,R48
1k
R20,R26,R27,R29,R32,R37,R39
33
R21,R23,R30,R31,R36,R38
330
R24
22k
R25
70k
R33
11k
R34
220
R40
2k
R41,R42,R43
4k7
U2
PIC18F4431
U3
MCP6024
U4
LM50
U5,U7,U10
IR2101
U6
IR2127
U8
LM2675ADJ
U9
LM2675-5
U11
ACS714ELCTR-20A-T
U12
CM555
Y1
10MHz
