Fordulatszámmérő és szabályozó áramkör tervezése egyenáramú kefés motorhoz

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Automatizálási és Infokommunikációs Intézeti Tanszéke Villamosmérnöki BSc szak Ipari automatizálás és kommunikáció szakirány Fordulatszámmérő és szabályozó áramkör tervezése egyenáramú kefés motorhoz Szakdolgozat Tervezésvezető: Trohák Attila adjunktus Készítette: Ostrom Balázs DZUDEG 2014

2 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... 1 Ábrajegyzék... 3 Bevezetés A fordulatszám mérése Fordulatszámmérők Fordulatszámlálók Az elektronikus fordulatszámláló Az elektronikus stroboszkópok Tachométerek Villamos motorok fordulatszámának változtatása Váltakozó áramú aszinkronmotor fordulatszám szabályzása Frekvenciaváltók Egyenáramú motor fordulatszám szabályozása Az impulzusvezérlés elvi lehetőségei Egyenáramú kefés motorok forgásirány váltása Soros gerjesztésű motorok Párhuzamos gerjesztésű motor Külső gerjesztésű motor Egyenáramú motorok fékezése Visszatápláló fékezés Ellenállásos fékezés Ellenáramú fékezés Az általam tervezett eszköz bemutatása Tervezési irányelvek A felhasznált mikrovezérlő A mikrovezérlő általam használt perifériáinak ismertetése A felhasznált kijelző Az eszköz felépítése, alkatrészeinek és azok funkcióinak bemutatása Felépítés Az alkatrészek és azok funkcióinak ismertetése A fordulatszámmérő funkció megvalósítása Az eszköz működése A működtető program ismertetése Összegzés Summary Irodalomjegyzék

3 Mellékletek sz. melléklet A H-híd kapcsolási rajza sz. melléklet A vezérlő kapcsolási rajza sz. melléklet A H-híd NYÁK terve és beültetési rajza sz. melléklet A működtető program ASM forráskódja sz. melléklet Az áramkör fotói

4 Ábrajegyzék 1. ábra - Elektronikus fordulatszámláló ábra - Fordulatszámmérésre alkalmas stroboszkóp ábra - Fordulatszám nyomaték jelleggörbe ábra - Frekvenciaváltó blokkvázlata ábra-szinuszosan modulált PWM jel ábra - Az impulzusvezérlés lehetőségei ábra - Soros motor kapcsolása ábra - Párhuzamos motor kapcsolása ábra - Külső gerjesztésű motor kapcsolása ábra - Soros motor visszatápláló fékezésének megvalósítása ábra - Soros motor ellenállásos fékezése ábra - A PIC16F690 lábkiosztása (DIL20) ábra - Az ECCP modul blokkvázlata ábra - A TIMER1 időzítő blokkvázlata ábra - TMR0/WDT blokkvázlata ábra - A komparátor modul blokkvázlata ábra - A teljes híd megvalósítása ábra - Az általam tervezett áramkör blokkvázlata ábra - A PWM jel előállítása ábra - A PIC16F690 megszakítási logikája

5 Bevezetés A dolgozatom témája egy fordulatszámmérő és szabályzó áramkör megtervezése, megépítése és tesztelése. Dolgozatomban kitérek a különböző fordulatszám mérési módszerekre és ezek közül a legalkalmasabbat választom ki és használom fel a feladat megoldásához. Ismertetem a villanymotorok fordulatszám változtatásának lehetőségeit kezdve a váltakozó áramú motorokkal és bezárólag a feladatban említett egyenáramú kefés motorokkal, amelyeknél kitérek az irányváltás és a fékezés megvalósításának lehetőségeire is. Megvizsgálom az ismertetett módszereket és a legkézenfekvőbb módszert alkalmazom majd az általam tervezett áramkörben. Bemutatom az általam tervezett áramkört, kitérve a fontosabb alkatrészek részletes ismertetésére. Gondolok itt az alkalmazott mikrovezérlőre, a teljesítmény fokozatra és a kettő egymáshoz való illesztését szolgáló alkatrészekre. Leírom, hogyan működik a program, amely a fordulatszám mérését, változtatását, forgásirányváltást és a fékezést hivatott megoldani. Végül ismertetem a tesztelés során felmerülő hibákat és azok megoldását valamint az áramkör továbbfejlesztésének lehetőségeit. 4

6 1. A fordulatszám mérése 1.1 Fordulatszámmérők Mielőtt a fordulatszámmérés módjaira és eszközeinek ismertetésére kitérnék definiálni kell a fordulatszámot. A fordulatszám egy forgó tengely meghatározott időegységre vonatkoztatott körbefordulásainak a száma. Leggyakrabban n-el jelöljük. Mértékegysége fordulat/másodperc vagy fordulat/perc. Az ω szögsebesség és az n fordulatszám között a következő összefüggés írható fel: A mérési elv szempontjából a fordulatszámot mérő műszereknek két csoportja van, ezek az alábbiak: fordulatszámlálók, amelyek átlagfordulatszámot mérnek tachométerek, amelyek pillanatnyi fordulatszámot mérnek [1.] 1.2 Fordulatszámlálók Kis fordulatszámok tipikusan ig, meghatározhatók a fordulatok szabad szemmel történő számlálásával és az idő stopperrel való mérésével. Ha N a t idő alatti fordulatok száma, akkor az n fordulatszámot az alábbi összefüggés adja: Ha a fordulatszám ingadozik, ez az összefüggés az időre vonatkoztatott átlagfordulatszámot adja. Egy mérés során minél hosszabb ideig számláljuk a fordulatokat, annál pontosabban határozhatjuk meg az átlag fordulatszámot. [1.] Nagyobb fordulatszámok mérése esetén használhatunk úgynevezett ugró-számos fordulatszámlálókat. Ilyenek vannak beépítve például a villanyórában, gépkocsik kilométer-számlálójában, stb. Ennél a műszernél a forgó tengellyel együtt forog egy számláló korong, amely minden tíz körülfordulás után egytizeddel elfordítja a tízes számláló korongot. 5

7 Ennek minden tízedik körülfordulása egytizeddel elfordítja, a százas számláló korongot és így tovább egészen a legmagasabb helyi értékig. A korongok palástjára egyenletes osztásban 0-tól 9-ig felrajzolt számokat leolvasva kapjuk a megtett fordulatok számát. Ha stopperóra segítségével megmérjük a számlálás idejét is, akkor az átlagfordulatszám számítható.[1.] 1.3 Az elektronikus fordulatszámláló Felépítését tekintve áll egy jeladóból, amely feszültség impulzust szolgáltat minden fordulat után. Továbbá áll egy számlálóból, amit ez az impulzus léptet és áll egy időmérő eszközből, ami a mérési időalapot adja. A jeladó általában fotocella vagy más néven optokapu, amely előtt elforduló réselt tárcsa fordulatonként vagy inkrementális jeladóknál bizonyos szögelfordulásonként ad egy megvilágítást, ami az optokapu tranzisztorának nyitását eredményezi, vagyis feszültség változást. Ezt detektálja a számláló bemenete, ennek hatására lép egyet a számláló. A pontosság növelése és a mérési idő csökkentése érdekében célszerű a rések számát növelni. Az 1. ábrán az elektronikus fordulatszámláló elvi felépítése látható.[1.] 1. ábra - Elektronikus fordulatszámláló A számláló a mérés helyétől távol is elhelyezhető, így távmérés is megvalósítható és egyéb, például kiíró, vezérlő, szabályozó berendezés is működtethető vele. Ugyan ezt a mérési elvet felhasználva optika jeladó és érzékelő helyett alkalmazható induktív jeladó vagy hall-elemes jeladó is. Például ahol az optikai jeladó szennyeződésnek van kitéve. Az induktív jeladó vevő része egy tekercs, amely egy állandó mágnesű magra van felcsévélve. 6

8 Az adó bármilyen mágnesezhető fém, ami meg tudja változtatni az állandó mágnes erővonalainak záródási útját. Amikor ez a mágnesezhető fém megfelelő távolságban és megfelelően nagy sebességgel elhalad a jelvevő tekercs előtt a mágneses erővonalak hirtelen változása feszültséget indukál a tekercsben, amit erősítés és jelformálás után felhasználhatunk a számláló léptetésére. Hall jeladó esetén az adó egy állandó mágnes, amely egy úgynevezett Hall-IC előtt halad el minden fordulatnál, illetve olyan megvalósítás is létezik, ahol a mágnes és a Hall-IC fix pozícióban foglal helyet és közéjük valamilyen mágnesezhető tárcsa kerül, amin egy helyen egy kivágás található. Ez hasonlít az optokapus megoldásra. Amikor a tárcsa rése elhalad az adó mágnes és vevő IC előtt akkor megszűnik a mágneses árnyékolás és az IC kimenőjele megváltozik. Ezt a változást szintén felhasználhatjuk a számláló léptetésére. [2.] 1.4 Az elektronikus stroboszkópok Ez egy változtatható frekvenciával villogó villanócsővel felszerelt lámpa, amivel megvilágítják a forgó testet, amire egy jól látható színű (fehér) jelölést festenek. Ha a villogás frekvenciája megegyezik a forgó tárgy fordulatszámával, a tárgyon lévő jel állni látszik. A műszerről a beállított frekvencia, azaz a fordulatszám leolvasható. Ezeket leginkább az autószerelő műhelyek használják többek között fordulatszámmérésre. A 2. ábrán egy ilyen stroboszkóp látható.[1.] 2. ábra - Fordulatszámmérésre alkalmas stroboszkóp 7

9 1.5 Tachométerek Ez tulajdonképpen egy dinamó, amely a fordulatszámmal arányos feszültségjelet ad. Ha ismerjük a feszültség és a fordulatszám közötti kapcsolatot, akkor a feszültséget mérve a fordulatszám megkapható. Minél nagyobb a fordulatszám annál nagyobb feszültséget ad a tachométer. Egyes típusok váltakozó áramú jelet szolgáltatnak, aminek a frekvenciáját mérve és a jeladó póluspár számát ismerve számíthatjuk a fordulatszámot.[1.] 8

10 2. Villamos motorok fordulatszámának változtatása A villanymotorokat két csoportra oszthatjuk. Váltakozó áramú motorokra, ezen belül aszinkron egyfázisú és aszinkron háromfázisú, valamint szinkron motor. A második csoportba az egyenáramú motorok tartoznak. Ezekből is többféle működési elvű létezik: Soros gerjesztésű Párhuzamos gerjesztésű Külső gerjesztésű Vegyes gerjesztésű Állandó mágneses gerjesztésű [3.] Az egyenáramú kefenélküli (BLDC) motorokat szándékosan hagytam ki a felsorolásból, mert a kommutációjukat elektronikusan kell megvalósítani egyébként szinkron gépnek, minősülnének. A villamos motorok fordulatszám változtatásának igénye nem új keletű dolog, gondoljunk csak a széles körben elterjedt egyenáramú hajtásokra, amelyek már hosszú ideje szerves részét képezik a különféle ipari technológiáknak. Az iparban legelterjedtebb, nagy darabszámban telepített villamos forgógép a háromfázisú rövidre zárt forgórészű kisfeszültségű aszinkronmotor. [5.] Miért szükséges a fordulatszám változtatása? Leginkább takarékoskodási okokból szükséges. Például ha egy szivattyú szállítási sebességét a szállító cső keresztmetszetének szabályozásával változtatjuk, az sokkal több energiát igényel, mintha lecsökkentenénk a fordulatszámot, ami nem, hogy nem igényel többletet, hanem kevesebb energia felhasználást eredményez.[5.] 2.1 Váltakozó áramú aszinkronmotor fordulatszám szabályzása A fordulatszám-szabályozás működésének megértéséhez szükséges az indukciós motor működési elvének megértése. E motor működése a transzformátor működéséhez hasonló. Ha a motort a váltakozó áramú hálózatra csatlakoztatjuk, akkor az állórészben létrejön egy a hálózati frekvenciának megfelelő fordulatszámmal forgó mágneses mező. A forgó mező hatására, a forgórész tekercsben indukálódott feszültség következtében kialakuló áram és a mágneses mező kölcsönhatása következtében, a forgórész forogni kezd. A forgórész mindig lassabban forog, mint a forgó mező, vagyis a szinkron fordulatszám, mert különben nem lenne a nyomatékot létrehozó erővonalmetszés. Ezt a fordulatszám-különbséget nevezzük szlipnek, amely a terhelés függvényében változik. Ha nő a terhelés, akkor a szlip növekszik, a munkapont egyre inkább a motor billenő nyomatékának közelébe kerül. [5.] 9

11 Az aszinkronmotor fordulatszámát a következő összefüggés adja: Az összefüggésből az derül ki, hogy a fordulatszámot három paraméter változtatásával (hálózati frekvencia /f/, póluspár szám /P/ és szlip /s/) tudjuk változtatni. Ezek közül a póluspár szám a fizikai kialakítás miatt kötött. A fordulatszám változtatására tehát csak a frekvencia és a szlip alkalmas. Az aszinkron motorok fordulatszám-nyomaték jelleggörbéjéből kiolvasható, hogy a motor működése során a szlip és a nyomaték egy adott munkapontba (MP) áll be. Az ábrán látható munkapont helyzete csak a terhelés jelleggörbéjének ismeretében határozható meg. Minden terheléshez más nyomaték-fordulatszám jelleggörbe tartozik, amely megmutatja, hogy az adott sebességgel történő forgatásához mekkora nyomaték szükséges. A két görbe metszéspontja adja meg a munkapontot, ahogy az a 3. ábrán látszik.. [11.] 3. ábra - Fordulatszám nyomaték jelleggörbe A váltakozó áramú motorok fordulatszámának a változtatása a frekvencia változtatásával kivitelezhető a legjobban. Frekvenciaváltó segítségével ésszerű határok között megoldható az aszinkron motorok fordulatszám szabályzása Frekvenciaváltók A frekvenciaváltó tehát egy olyan készülék, amibe bevezetjük az áramot és a kimenetére aszinkronmotort kapcsolunk. A frekvenciaváltó a motorra nem csak 50 Hz-es feszültséget, 10

12 hanem egy (bizonyos határok között) tetszőlegesen változtatható frekvenciájú feszültséget tud adni. A 4. ábrán látható a frekvenciaváltók általános felépítésének blokkvázlata. [4.] 4. ábra - Frekvenciaváltó blokkvázlata 1. Betáplálás. Jellemzően 3x400 V AC 2. Háromfázisú egyenirányító híd, amely az egyenáramot állítja elő a teljesítmény fokozat számára 3. Közbenső kör 4. Szűrőtekercsek 5. Nagy kapacitású szűrőkondenzátor, amelyen előáll a közbenső köri szűrt, körülbelül 520 V-os egyenfeszültség 6. Félvezetős kapcsoló üzemű teljesítmény fokozat. Háromfázisú tranzisztor híd (általában IGBT), amely a közbenső köri DC feszültségből PWM jel segítségével előállítja a motor számára a változtatható frekvenciájú feszültséget 7. A meghajtott hagyományos 400 V AC aszinkronmotor 8. Vezérlő elektronika, amely vezérli a teljesítmény fokozatot, ellenőrzi az üzemi körülményeket, előállítja a kimenő jeleket, kezeli a bemeneteket, lehetővé teszi a paraméterezést, stb. [4.] A hálózati feszültséget először egyen irányítja és szűri (2, 3), így egyenfeszültség jön létre. Egy félvezetős 3 fázisú kapcsoló híd (6) ebből az egyenfeszültségből PWM (impulzus szélesség moduláció) segítségével előállítja a tetszőleges frekvenciájú (például: Hz) szinuszos átlagértékű 3 fázisú motorfeszültséget. [4.] Az 5. ábra ezt a PWM jelet és a PWM jel átlagértékeként előálló szinuszos jelet ábrázolja egy fázison. 11

13 5. ábra-szinuszosan modulált PWM jel A PWM modulációra azért van szükség, mert ezzel lehet megfelelő hatásfokot elérni. Tehát ha a fent említett teljesítményfokozatot nem kapcsolóüzemben használnánk, hanem analóg módon állítaná elő a motor szinuszos tápfeszültségét, akkor hatalmas veszteségekkel kellene számolnunk, amit a félvezetők hő formájában eldisszipálnának. Kapcsoló üzem esetén, a félvezetőn a P = U * I szorzat közel nulla, mivel kikapcsolt állapotban a félvezető eszközön nem folyik áram, bekapcsolt állapotában pedig nem esik rajta (számottevő) feszültség. Tehát az eldisszipált hő jóval kevesebb, mint analóg szinuszos üzem esetén. A PWM jel modulációja szinuszos és a moduláció frekvenciája a beállított frekvenciával egyenlő. Maga a PWM jel frekvenciája ettől sokkal magasabb.[4.] A frekvenciaváltó működését a vezérlő egység (8) koordinálja. Ez hozza létre a PWM vezérlő jelet a híd számára, veszi a külső parancsokat, ellenőrzi az üzemi körülményeket, realizálja a több szintű védelmet, stb. A frekvenciaváltót digitális és analóg jelekkel lehet vezérelni, vagy valamilyen szabványos ipari kommunikációs vonalon (közönséges RS422, Modbus, Profibus, stb.). Gyakori a digitális be és kimenetek felhasználása a vezérlésre. A digitális bemenetek általában kontaktust vagy 0/+24 V DC feszültséget fogadnak. A digitális kimenetek nyitott kollektoros tranzisztor kimenetek vagy relé kontaktusok. Analóg jel általában 0/10 V-os feszültség, vagy 0-20/4-20 ma áramjel. Ettől eltérő megoldások is vannak, például az impulzus bemenet. Az impulzus bemenet esetében az alapjelet egy négyszögjel frekvenciája határozza meg. [4.] Egy frekvenciaváltó funkciói: Motor fordulatszámának fokozatmentes változtatása Elektromechanikus fékkel szerelt fékmotorok kezelésének képessége (ez jóval több is lehet annál, mint hogy a motor running jelzés kioldja a féket A motor védelme (túláram, túlterhelés, hőmérséklet védelem) Motor fáziskiesés és fázis zárlat és földzárlat védelem Hálózati fáziskiesés és túlfeszültség védelem Frekvenciaváltó túlterhelés és túlmelegedés védelem 12

14 Nyomatékvezérlés Zárt és nyílt hurkú sebesség vagy nyomatékszabályozás Vezérlő ki és bemenetek vagy azok egy részének funkciója programozható Kommunikációs lehetőség számítógéppel, diagnosztikai és beállítási céllal Digitális kommunikáció szabványos terepi buszon Paraméterezés a készülékbe épített kezelőfelülettel Automatikus motorillesztési lehetőség Szlip kompenzáció Rezonanciacsillapítás Beépített PID vezérlő Többféle feszültség-frekvencia és nyomaték karakterisztika Start, stop késleltetési lehetőség Gyors leállítás Egyenáramú fékezés, tartónyomaték A motor generátor üzemű járatása (fékezés) Speciális aszinkron motorok kezelése (például kúpos forgórészű emelő motorok, stb.) Nem lineáris rámpa típusok Analóg, több lépcsős, fel/le, buszos módú referencia alapjel Teljesítmény monitor (motor áramfelvétele, számított fordulata, teljesítmény felvétele, feszültsége, nyomatéka, stb.) Statisztika és log (visszanézhető hibanapló, motor és frekvenciaváltó üzemóra számláló, újraindítás számlálók, stb.) Több frekvenciaváltó esetén terhelés megosztás a DC körök sínre fűzésével Háromfázisú kis teljesítményű motorok használata egy fázisú hálózatról Széles teljesítmény választék (néhány 100 W-tól kw-ig) [4.] 2.2 Egyenáramú motor fordulatszám szabályozása Az egyenáramú motort zárt rendszernek tekintjük, csak azt vizsgáljuk, hogy a fordulatszám (n) és a szolgáltatott nyomaték (M) a kapcsok felől hogyan befolyásolható. Az általános (a nagygépekre is jellemző) összefüggéseket, az alábbi két alapegyenlet adja: 13

15 Ahol: U k : a kapocsfeszültség k 1, k 2 : a gépfelépítésétől függő állandók : a gép mágneses jellemzője, ami nagy gépek esetén befolyásolható I a : armatúra áram (motor főáramköri árama) R a : armatúra (főáramköri) ellenállás (nagygépeknél néhány Ω) R e : külső főáramköri előtét ellenállás (opció) [9.] Vegyük sorra a fenti képletből látható fordulatszám változtatási módokat, mivel ez a feladat egyik valódi célja. A kapcsok felől három lehetőség nyílik a fordulatszám megváltoztatására. a) A gépen belüli elektromágneses jellemző Φ növelése b) A motor tekercseléséből adódó R a ellenállással sorosan külső ellenállás kapcsolása c) Az U k kapocsfeszültség csökkentése A fenti lehetőségek közül kismotoroknál az a) megoldás nem jöhet számításba, mert legtöbbször a motor állórészében állandó mágnes van elhelyezve ( perma motor ), vagy ha elektromágnessel készült, akkor az nincs külön kivezetve, és ami a legdöntőbb: ez a típusú beavatkozás külön változtatható tápforrást igényelne. Nagygépek esetén ez a módszer további műszaki, biztonsági problémákat vet fel. [9.] A b) megoldás viszonylag egyszerűen kivitelezhető. Hátránya magából a beavatkozási elvből következik. A motor főárama át folyik az R e előtét-ellenálláson, ami többlet veszteséget okoz, vagyis a felesleget eldisszipálja. Ha ezt a megoldást követjük, akkor gondolni kell az előtét-ellenálláson keletkező hő felemésztésére. További kellemetlen hatás akkor lép fel, amikor a motortól várt nyomatékigény növekszik. Állandó kapocsfeszültség esetén is csökkenni fog a fordulatszám, (hiszen I a, arányos a nyomatékkal), azaz a külső előtét-ellenállás járulékos fordulatszámesést okoz. [9.] A c) beavatkozási lehetőség a legkézenfekvőbb. Persze itt sem alkalmazható az analóg folyamatos üzemű szabályzás, mint ahogy a frekvencia váltóknál sem, mert egy ilyen megoldás megegyezne a b) változattal. Annyi lenne a különbség, hogy az R e ellenállás szerepét egy félvezető töltené be. Például egy áteresztő tranzisztoros szabályzó esetében.[9.] 14

16 Célszerűnek tűnik a félvezető elemeket, ebben az esetben, is mint kapcsolót felhasználni. Az ideális kapcsolóüzem jellemzője, hogy vezetésnél nincs rajta feszültség esés, kikapcsolt állapotban pedig nem folyik áram. Tehát a veszteségi disszipációs teljesítmény (P d = U * I) nulla, hiszen a szorzótényezők közül az egyik mindig nulla. [9.] Az impulzusvezérlés elvi lehetőségei A teljesítmény változtatását egyen áramú áramforrásból az egyenáramú szaggatók valósítják meg. Az eljárás lényege az, hogy az átalakító bemeneti oldali állandó U be feszültségét a kapcsoló a vezető állapotban a kimenetre küldi, a vezetési állapot megszűnése után a kimenetet elválasztja a bemenettől. Az előző mondatban megfogalmazott viselkedés önmagában csak egy teljesítménykapcsoló. Azonban, ha a kapcsolási műveletet periodikusan legalább n * 10 Hz frekvenciával végezzük, akkor a kimenetre jutó feszültséget a kitöltési tényező és a bemeneti feszültség határozza meg. [9.] Az egyik elvi lehetőség a frekvencia mellett az impulzusszélesség változtatása. Mivel T=t ki +t be, ezért a kétféle állapot ellentétesen változik. Ez az eljárás az impulzus szélesség moduláció. (PWM) Előnye hogy a zavarszűrés és a kimeneti hullámosság szűrése könnyebben megoldható az állandó frekvencia miatt. [9.] A másik lehetőség a kapcsolási frekvencia befolyásolása, a frekvencia moduláció. (PFM) Ebben az esetben tovább bonyolódik a helyzet, mert a frekvenciaváltozás mellett állandó értéken tartjuk a t be bekapcsolási időt vagy a t ki kikapcsolási időt, de lehetséges mind a három tényező egyidejű változtatása is. Ebben az esetben a szűrés nehezebben megoldható. [9.] A 6. ábrán láthatjuk az imént felsorolt lehetőségek grafikus szemléltetését: 15

17 6. ábra - Az impulzusvezérlés lehetőségei Az impulzus vezérlés előnyei: nagyobb az indító nyomaték az egész fordulatszám tartományban nagyobb nyomaték a vezérlő veszteségei kisebbek [9.] 16

18 3. Egyenáramú kefés motorok forgásirány váltása Ebből a szempontból meg kell különböztetni a különböző gerjesztésű egyenáramú motorokat. 3.1 Soros gerjesztésű motorok Soros gerjesztésű motornál a forgórész (armatúra) áramköre és az állórész gerjesztő tekercse a 7. ábra szeint sorosan kapcsolódnak. [13.] 7. ábra - Soros motor kapcsolása A soros gerjesztésű motor forgásiránya a polaritás változásától független mivel a forgó és állórész tekercseiben egyszerre fordul meg az áram iránya. Irányváltás csak úgy lehetséges, ha csak az egyik tekercsben fordítjuk meg az áram irányát. A soros gerjesztésű motor jellegzetessége, hogy (mivel az álló és forgórészen ugyanaz az áram folyik át) váltakozó áramú táplálásnál is üzemképes szénkefés motor készíthető ilyen felépítéssel. Ezeket nevezzük univerzális motornak. Az univerzális megnevezés ellenére egy 230 V 50 Hz táplálásra tervezett motor nem üzemképes 230 V egyenfeszültségű táplálás esetén. Az egyen és váltakozó feszültségű táplálásra egyaránt méretezett motorok esetén feltüntetik a névleges egyen és váltakozó tápfeszültséget is. A legjelentősebb szerkezeti eltérés az egyenáramú géphez képest, hogy a váltakozó áramú táplálás miatt az állórészt is lemezelt kivitelben kell elkészíteni. [13.] 3.2 Párhuzamos gerjesztésű motor Párhuzamos gerjesztésű motoroknál az armatúra és a gerjesztő tekercs a 8. ábra szerint egymással párhuzamosan kapcsolódnak. [13.] 17

19 8. ábra - Párhuzamos motor kapcsolása Ebben az esetben is ugyan az a helyzet, mint a soros gerjesztésű motornál, a forgó és állórész árama egyszerre vált irányt, tehát a forgás irány nem változik. Csak akkor változik a forgás irány, ha csak az egyik tekercsben fordítjuk meg az áram irányt. Ugyanez jellemző a vegyes gerjesztésű motorokra is. [13.] 3.3 Külső gerjesztésű motor Ennél a motornál az armatúrát és az állórészköri gerjesztő tekercset külön tápláljuk, ahogy az a 8. ábrán is látható. Az állandó mágneses állórészű egyenáramú gép is ide sorolható, bár az egyenárammal táplált gerjesztő körnek megvan az előnye, hogy a gerjesztő áramot az armatúraáramtól függetlenül tudjuk változtatni. [13.] 9. ábra - Külső gerjesztésű motor kapcsolása Az ilyen motoroknál a forgásirány megváltozik a tápfeszültség polaritásának felcserélésével. A szakdolgozatom további részében e típusú motorok vezérlésével foglakozok majd. 18

20 4. Egyenáramú motorok fékezése A korszerű hajtásokban, különösen szakaszos üzeműeknél, igen gyakran szükséges a fékezőüzem. A féküzemet a berendezések gyors és pontos megállítására, irányváltására vagy egyirányú aktív terhelőnyomaték esetén a berendezés állandó sebességen való tartására (pl. teher süllyesztése) alkalmazzák. A fékezést célszerű villamosan végezni, mert itt nincsenek elhasználódásnak kitett alkatrészek, mint a mechanikai fékek esetében, azon kívül egyes esetekben a fékezéskor felemésztendő energiát vissza is nyerhetjük. A fékező hatásnak, üzembiztosnak és könnyen vezérelhetőnek kell lennie. Három féle fékezési üzemállapotot különböztetünk meg: 1. visszatápláló (generátoros) fékezés, 2. ellenállásos (vagy dinamikus ) fékezés; 3. ellenáramú (irányváltásos) fékezés. [14.] Fékezéskor a mechanikai teljesítmény iránya megfordul (II. és IV. koordináta negyed), a motor energiát vesz fel a tengelyről, azonban az egyes üzemállapotokban különbség van ennek az energiának a felhasználása szempontjából. [14.] 4.1 Visszatápláló fékezés A motor visszatáplálással fékez, ha a forgással indukált U b feszültség nagyobb az U kapocsfeszültségnél. A képlet szerint az armatúraáram negatívvá válik és a motor a lefékezett mechanikai teljesítmény egy részét visszaadja a hálózatnak. A külső és vegyes gerjesztésű motoroknál üresjárási fordulatszámon az U=U b teljesül tehát a fékezés csak az üresjárati fordulatszám feletti fordulatszámokról lehetséges. Soros gerjesztésű motorok esetén a féküzem hátrányos, mert csökkenti a fluxust ezért kisebb nyomatékot tud a motor kifejteni. A soros gerjesztőtekercset visszatápláláskor célszerű kiiktatni. Soros gerjesztésű motoroknál a visszatápláló fékezés feltétele (U b >U) önműködően nem jöhet létre, mert annyira lecsökken a motor fluxusa, hogy az eredeti kapcsolásban a kapocsfeszültség mindig nagyobb lesz, mint a motor U b belső feszültsége. Ezen kívül a nyomaték iránya csak az armatúra és a soros tekercs kölcsönös kapcsolásának megváltoztatásával válhat 19

21 ellentétessé. Ezért a soros gerjesztésű motorok visszatápláló fékezését bonyolultabb megvalósítani. A módszer grafikus szemléltetése látható a 10. ábrán [14.] 10. ábra - Soros motor visszatápláló fékezésének megvalósítása A visszatápláló fékezés hátránya, hogy nem lehet vele teljesen megállítani a motort és állandó feszültségű táplálás esetén fékezni is csak az üresjárási fordulatszámnál nagyobb fordulatszámról lehet.[14.] 4.2 Ellenállásos fékezés Ebben az esetben a motor armatúráját lekapcsoljuk a hálózatról és egy ellenállásra kapcsoljuk. Külső gerjesztésű motorokon a gerjesztés megmarad, és ez tartja fenn a fluxust, soros motorokon a gépnek fel kell gerjednie a fluxus fenntartásához. Lényegében ez is generátoros fékezés, a motor, mint generátor az ellenállásra, mint terhelésre dolgozik, csak ebben az esetben nem nyerjük vissza a mechanikai teljesítményt, hanem a terhelő ellenálláson eldisszipáljuk. [14.] Külső gerjesztésű motor esetén a belső feszültség arányos a szögsebességgel. mivel más feszültség nincs az armatúra áramkörben és a fluxus és az áram állandó ezért a nyomaték is arányos a szögsebességgel. A hajtási állapothoz képest az áram iránya megfordul ezért fékező nyomatékot kapunk. Ha ellenállásos fékezéssel megközelítőleg megállásig akarunk nagy nyomatékkal fékezni, akkor ugyan úgy, mint az indításnál több fokozatban kell az ellenállás értékét csökkenteni. Mivel az R b belső ellenállást nem lehet kiiktatni ezért nem lehet ezzel a módszerrel megállásig fékezni a motort rövidre zárt kapcsokkal sem. Külső gerjesztésű motorok ellenállásos fékezését elsősorban nem irányváltós hajtások fékezésére szokás alkalmazni, mert kapcsolástechnikailag ez a legegyszerűbb fékezési mód. [14.] 20

22 Soros motor ellenállásos fékezésekor a hajtási üzemállapotról féküzemre úgy állunk át, hogy a motort a gerjesztő tekercsen és az R f külső ellenálláson rövidre zárjuk. Ebben az esetben is fel kell cserélni a gerjesztő tekercs és a forgórész tekercs egymáshoz való kapcsolását úgy, hogy a remanencia feszültség olyan irányú áramot hozzon létre, amely erősíti a gép fluxusát. Motor nyomatéka a negatív áram miatt ellentétes tehát fékező hatásúvá válik. (11. ábra)[14.] 11. ábra - Soros motor ellenállásos fékezése 4.3 Ellenáramú fékezés Hajtáskor az armatúra körben az U feszültség az I áram növelése irányában, U b ezzel szemben dolgozik. Ellenáramú fékezéskor U-t fordított polaritással kapcsoljuk az armatúrakörre, a körben U és U b azonos irányban hat, az armatúrában az áramirány a hajtási állapothoz képest megfordul tehát a nyomaték is ellentétes lesz, ami fékezi a motort. Ellenáramú fékezéskor álló állapotban is van negatív nyomaték. Ha a motort ekkor nem kapcsoljuk ki, és a terhelő nyomaték sem túl nagy, akkor a motor negatív forgásirányban kezd hajtani ezért a forgásirányváltás kapcsolása az ellenáramú fékezéssel a legegyszerűbb. Ennek a módszernek a hátránya a jelentős veszteség. Ha például a motor névleges fordulatszámon a névleges nyomatékkal fékez, akkor a tengelyén a névleges mechanikai teljesítményt veszi fel és a két teljesítmény összege alakul hővé az armatúraköri ellenálláson. [14.] Összefoglalva a fentieket a visszatápláló fékezéssel nagyrészt visszanyerjük a fékezési energiát, azonban csak az üresjárási fordulatszámnál nagyobb fordulatszámokon lehet fékezni. Ezért ez a fékezési mód állandó kapocsfeszültségről táplált motorok esetében igen ritka, ezzel szemben a változó kapocsfeszültségű (pl. Ward-Leonard) hajtás jellegzetes fékezési módja. Ellenállásos fékezéskor a fékezési energia a motorban és az 21

23 előtét ellenállásban hővé alakul. Egészen megállásig nem lehet vele fékezni, ezért mechanikai fék alkalmazása szükséges. Ez sokszor előnyös lehet, mert a motor nem akar a fékezés végén ellenkező irányú forgást létrehozni. A gerjesztés létesítéséhez a külső gerjesztésű motorok csak néhány százalékos teljesítményt vesznek fel. Az ellenállásos fékezés az egyszerűsége miatt a nem irányváltó egyenáramú hajtások szokásos fékezési módja. Ellenáramú fékezéssel egészen az álló állapotig nagy nyomatékkal fékezhetünk, a megállás pillanatában azonban a motort ki kell kapcsolni. Főleg irányváltásos hajtások esetén alkalmazzák, ahol a fékezés és az ellentétes irányú felgyorsulás egy folyamat. Itt is meleggé alakul át a fékezési energia, azonban az ellenállásos fékezéshez viszonyítva, itt - azonos fékezőáram esetén többszörös energiaveszteség lép fel, mert a hálózatból is nagy teljesítményt vesz fel a motor, például névleges árammal való fékezéskor a névleges teljesítményt. [14.] 22

24 5. Az általam tervezett eszköz bemutatása Terveznem kellett egy olyan fordulatszám szabályzó és mérő eszközt, amely digitálisan megjeleníti a vezérelt motor fordulatszámát. Az eszköznek tudnia kell forgásirányt váltani és fékezni a motort. A feladat megoldását mikrovezérlő segítségével kellett megvalósítanom. 5.1 Tervezési irányelvek Az általam ismert mikrovezérlők közül a Microchip által gyártott PIC mikrovezérlőt tartom erre a legjobban használhatónak. Ezzel a típusú mikrovezérlővel már valósítottam meg egyszerű feladatokat. A PIC mikrovezérlők Harvard architektúrásak, külön program és adat memóriával rendelkeznek. A program memóriájuk flash alapú, az utasításkészletük redukált (RISC), és minden utasítása négy órajel ciklust vesz igénybe (kivéve az elágazásokat) ami megkönnyíti a programrészek végrehajtási idejének számítását. Ezek a mikrovezérlők sokféle perifériával rendelkeznek, főleg olyanokkal, amik ennek a feladatnak a megoldását jelentősen megkönnyítik. Előnye még ennek a típusnak az elterjedtsége, a könnyű beszerezhetősége, az olcsó ára, az ingyenes fejlesztőkörnyezet és a fordító elérhetősége. Kényelmes dolgozni velük, a megírt program könnyen a tokba égethető. A PIC alkalmazástechnikájáról és programozásáról sok irodalom található magyar nyelven akár könyv, akár internetes írás formájában. Ezek nagy segítségemre voltak a tervezés és programozás során. Az általam választott vezérlő típusa a PIC16F690-es. A választásom azért esett erre a vezérlőre, mert tökéletesen kielégíti a feladat megoldásához felmerülő igényeket. Ezek az igények a következők: Tartalmazzon A/D átalakítót, hogy a fordulatszám beállítására szolgáló potméter által szolgáltatott feszültség értéket digitális formára alakíthassam. Legyen elegendő számú digitális I/O portja, hogy egy 2*16 karakteres LCD modult meghajthasson, ugyanis ilyen LCD modult használok a fordulatszám megjelenítésre. Tartalmazzon még PWM generátort, illetve úgynevezett H-híd meghajtására alkalmazható perifériát, hogy a híd meghajtását ne szoftveres úton kelljen megoldani. A szoftveres megoldás jelentősen lefoglalná a mikrovezérlő erőforrásait. 23

25 5.2 A felhasznált mikrovezérlő 12. ábra - A PIC16F690 lábkiosztása (DIL20) A 12. ábrán látható a PIC16F690 vezérlő lábkiosztása. A tokozását tekintve DIL20-as, három port-tal rendelkezik, ezek közül egy nyolcbites port, a C port és két ötbites port az A, és B port. Minden portláb többfunkciós, és mindegyik használható csak digitális I/O bemenetként (kivéve az MCLR láb, mert azt csak bemenetként lehet konfigurálni). A többi funkció már port specifikusabb. Nem lehet például minden port-on A/D átalakítást végezni vagy PWM jelet hardveresen előállítani. [6.] Ez a mikrovezérlő maximálisan 20 MHz-es órajellel tud üzemelni külső kristály alkalmazásával, ami azt jelenti, hogy: 200 ns idő alatt tud egy utasítást végrehajtani. Rendelkezik egy belső órajel generátorral is, ami maximum 8 MHz-es órajelet generál és diszkrét lépcsőkben beállítható alacsonyabb értékeket is elő tud állítani. Ezek a következők: 4 MHz (ez az alapértelmezett), 2 MHz, 1 MHz, 500 khz, 250 khz, 125 khz és 31 khz. Ezek közül én az alapértelmezett 4MHz-es órajel frekvenciát használom. A 4MHz-et a fenti képletbe behelyettesítve 1µs-os utasítás végrehajtási időt kapunk ami bőven elég az általam megoldandó feladathoz. Természetesen a külső kristály alkalmazásával pontosabb órajelet lehet előállítani, ami fontos, ha pontos időmérési feladatokról van szó. [6.] Tápfeszültsége 5,5 V-tól 1,8 V ig terjed, az áramfelvétele normál üzemben 1 ma alatt van 5,5 V-os tápfeszültségről, de ha sleep, vagyis készenléti állapotban van, akkor 2 V-os 24

26 tápfeszültségről 1 na körüli áramot vesz csak fel, ami elemes vagy akkumulátoros alkalmazásoknál nagyon fontos. Az utasításkészletét tekintve redukált, mindössze 35 assembly utasítása van. Emiatt olyan műveleteket, amiket a komplex utasításkészlettel rendelkező mikrovezérlők vagy processzorok egyetlen utasítással végrehajtanak ennél csak bizonyos utasítások kombinációjával több lépésben lehet végrehajtani. [6.] Ez némi kényelmetlenséggel jár a fejlesztés során, de cserébe egy kiszámíthatóbb mikrovezérlővel dolgozhatunk A mikrovezérlő általam használt perifériáinak ismertetése Első az A/D átalakító, amivel a fordulatszám beállítására szolgáló potméter által szolgáltatott feszültség értékét alakítom át digitális értékké. Ennek a vezérlőnek egy tizenkét csatornás 10 bit felbontású A/D konvertere van. Az átalakítás módszerét tekintve ez egy fokozatos közelítésű analóg-digitális átalakító (SAR ADC). [12.] A bemenetére érkező jelet ciklikus összehasonlítással (közelítéssel) határozza meg. A jel átalakítása maximum annyi lépés, ahány bites a felbontás (8 bites felbontás esetén tehát 8 lépésből áll). Előnye az amplitúdó független konverziós idő, a közepes mintavételezési sebesség (<5 Msps), az elég magas (8-16 bit) felbontás, mintavételezés sebességétől függő energiafogyasztás, és az olcsónak mondható ára. [12.] A mikrovezérlőkben szinte csak ilyen A/D konvertert használnak. A konverzió vége után a digitális 10 bites érték az ADRESH és az ADRESL regiszterekben található. Beállítható, hogy jobbra, illetve balra igazítva jelenjen meg a két 8 bites regiszterben a 10 bites érték. Balra igazítás esetén a felső 8 bit az ADRESH regiszterben foglal helyet az alsó kettő az ADRESL felső két bitje a többi bit nulla. Jobbra igazítás esetén az alsó 8 bit kerül az ADRESL regiszterbe a felső kettő az ADRESH-ban foglal helyet. [6.] Második felhasznált periféria az ECCP modul (13. ábra) ezen belül is a PWM generátor. Ez hardveresen tud PWM jelet előállítani a TIMER2 számláló segítségével. A CCP1CON regiszterbe elhelyezett bitkombinációval lehet bekapcsolni a PWM modult. Ez négyféle üzemet tud: szimpla kimenet, fél híd, teljes híd előre, teljes híd hátra. [10.] Esetemben a teljes híd előre, illetve hátra funkciókat használom, hogy a motort mindkét irányba tudjam vezérelni, illetve alkalmazhassak ellenáramú fékezést. 25

27 13. ábra - Az ECCP modul blokkvázlata A PWM jelek digitális elemekkel történő megvalósításához szükség van egy állandó órajellel léptetett számlálóregiszterre, amelynek teljes átfutása adja a PWM jel T PWM periódusidejét. Számítása az alábbi összefüggés alapján történik: A TMR2 számlálóregiszter minden túlcsordulásakor új periódus kezdődik, a PWM kimenet szintje logikai 1 -re vált. Egy a számlálóregiszterrel megegyező hosszúságú kitöltési ciklus (CCPR1L) regiszterbe kell elhelyezni a kitöltési tényezőnek megfelelő értéket, amely folyamatos összehasonlításra kerül a számlálóregiszterrel. Amikor a számlálóregiszter értéke eléri a kitöltési tényező regiszter értékét, a PWM kimenet szintje logikai 0 -ra vált. A PWM jel aktív szintjének idejét az alábbi képlet adja: A PWM jelek pontosságát a kitöltési tényező beállíthatóságának pontossága, vagyis a számlálóregiszter hossza határozza meg. A maximális felbontást a következő képlettel lehet kiszámítani: 26

28 A PWM jelek két alapjellemzője: a felbontás, amelyet a számlálóregiszter hossza, azaz bitszáma határoz meg (például 8-bites PWM jel ); és a frekvencia, amely a számlálóregiszter hosszától és léptető jelének frekvenciájától függ. [7.] Az ECCP modulnak további hasznos funkciója, hogy különböző események hatására leállítja a PWM generátort. Ezek az események a következők: bármelyik komparátor kimenetének szint változása alacsony logikai szint az INT bemeneten és a fenti kettő kombinációja [6.] Hasznos ez a funkció, amikor áramkorlátot akarunk alkalmazni, mert sokkal gyorsabb lekapcsolást tesz lehetővé, mint a szoftveres áramméréssel történő korlát megvalósítása. Az általam készített áramkörben is ezt alkalmazom az áramkorlátozására. A harmadik periféria, amit használok az a TIMER1 nevű 16 bites számláló, amely 8 bites regiszterből áll és tartalmaz még egy 8 bites előosztót is. [6.] A TIMER1 blokkvázlata a 14. ábrán látható. 14. ábra - A TIMER1 időzítő blokkvázlata 27

29 Aszinkron módban is képes számlálni külső órajel forrás hatására, ekkor SLEEP üzemmódban is tovább számlál, túlcsorduláskor ébreszti a mikorvezérlőt, és a SLEEP utasítás utáni programrészlet hajtódik végre. Külső órajelforrásról való léptetés esetén választható ki a szinkron és aszinkron mód a T1CON nevű regiszter T1SYNC nevű bitjének nulla vagy egyes logikai szintre való állításával. A külső órajel forrás lehet kristály oszcillátor, amit a T1CKI és T1G lábra kell kötni, vagy lehet a T1CKI lábra vezetett négyszögjel is. Túlcsordulása esetén hívatható vele megszakítás is. Számlálóregiszterei tetszés szerint írhatók és olvashatók. Működtethető külső logikai szinttől függően is. Ekkor a T1G lábon lévő alacsony vagy magas logikai szinttel lehet indítani és megállítani a számlálást. [7.] Ezt a perifériát használom a fordulatszám mérésénél a fél másodperces időalap előállítására. Használom még a TIMER0 nevű számlálót is, (15. ábra) amivel a másodpercenkénti fordulatok számát mérem. Ez a számláló 8 bites, tehát 256-ig tud számolni a nullát is beleértve. Rendelhető hozzá előosztó is, ha éppen nem a WDT (Watch Dog Timer)-hez van rendelve. Ennek értéke 2-től 256-ig terjed a TIMER0 esetében. WDT esetében 1-től 128-ig. [6.] 15. ábra - TMR0/WDT blokkvázlata Az órajelét tekintve lehet a belső órajel negyede, illetve külső jel a T0CKI lábon. Túlcsordulása esetén a TIMER1-hez hasonlóan hívhat megszakítást. A TIMER0 nem használható SLEEP üzemmódban, mert ekkor ki van kapcsolva. A WDT (Watch Dog Timer) szerepe az esetleges program lefagyás esetén a mikorvezérlő újraindítása. A WDT is egy számláló, amit ha bekapcsolunk, attól a ponttól elkezd számlálni, ahogy a 28

30 mikrovezérlő tápfeszültséget kap és megtörténik a számlálásának engedélyezése. Órajelet a belső 31kHz frekvenciájú oszcillátorról kap. Túlcsordulása esetén újraindítja a mikorvezlérlőt. Használata esetén a kész program kódban időnként ki kell adni egy CLRWDT utasítást, hogy nullázódjon a számláló és ne okozzon újraindulást. Ha a program lefagy vagy kikerül a ciklusból, akkor nem adódik ki a CLRWDT utasítás és bekövetkezik a túlcsordulás ekkor újraindul a mikorvezérlő kikerülve ezzel a működésképtelen állapotot.[7.] Az áramkorláthoz szükség van még a komparátor modul (16. ábra) használatára. Ebből kettő is van a választott mikrovezérlőben. Én csak az egyes számút használom. A bemenetére kapcsolt két feszültség arányának megfelelően áll be a kimenete logikai 1 illetve 0 szintre. Be lehet állítani úgy is, hogy az invertáló bemeneten lévő nagyobb feszültség hatására álljon logikai 1 be a kimenete vagy úgy is, hogy ha itt kisebb a feszültség, akkor álljon logikai 1 be a kimenete. [7.] 16. ábra - A komparátor modul blokkvázlata Kiválasztható a referencia feszültség forrása is, ami lehet külső referencia vagy a belső D/A átalakító által szolgáltatott feszültség. Én a belsőt választottam így lehetőség van a szoftveres referenciafeszültség változtatásra. Így tudom szoftveresen befolyásolni az áramkorlát megszólalási küszöbét. Ki lehet választani melyik lábon érkezzen a komparátor bemenetére az összehasonlítandó feszültség. A kimenetére vonatkozóan eldönthető hogy kivezetjük a mikrovezérlőből, vagy csak belső felhasználásra kerüljön a kimenet értéke.[6.] 29

31 5.3 A felhasznált kijelző A kijelző egy HD44780 kompatibilis LCD modul, kék háttérvilágítással és fehér karakterkijelzéssel. Tápfeszültsége 5 V, áramfelvétele függ a háttérvilágítás erősségétől.[10.] Az ilyen LCD modulok ASCII kódot fogadnak a 8 bites adatsínűkön és gazdag karakterkészlettel rendelkeznek. Egyedi karakterek is formázhatók szoftveres úton. A kijelző 16 kivezetéssel rendelkezik, ebből nyolc darab a D0-D7-ig terjedő adatsín és van ezen kívül három darab vezérlő bemenete és két kivezetés a háttérvilágítás meghajtására, valamint a tápfeszültség és a kontraszt beállítására szolgáló lábak. A vezérlő lábai a következők: az RS lábbal állítható be a parancsmód, illetve a karaktermód. A parancsmód szolgál arra, hogy a kijelzőt be tudjuk állítani az elképzeléseinknek megfelelően. Például egy vagy két soros legyen, kurzor pozíciója villogása, 4 vagy 8 bites mód stb. A beállításokra vonatkozó bitkombinációkat, illetve hexadicimális értékeket a kijelző adatlapjában megtaláljuk. Az R/W láb magas vagy alacsony szintje dönti el, hogy a kijelzőre írunk vagy olvasunk belőle. Az olvasás például a kijelző foglaltságának vizsgálatakor szükséges, hogy megtudjuk küldhető-e a következő karakter vagy parancs. Az E lába az enable, vagy enter ezzel lehet érvényesíteni a parancsot vagy a karaktert, amit az adatsínen elhelyeztünk. Az érvényesítést követően a karakter megjelenik a kijelzőn a parancs végrehajtódik a kijelzőben. A kontraszt beállítására szolgáló VR lábon két soros üzemben az általam használt kijelzőnél körülbelül 1,2 V-ot kellett potméterrel vagy ellenállással beállítani, hogy megfelelő legyen a kontraszt. Típusonként változik ez az érték. [10.] A kijelző fentebb említett négybites módját akkor célszerű használni, ha kevés az I/O port, amit erre a célra használhatunk. 4 bites módban elég bekötni a kijelző felső 4 bitjének megfelelő kivezetést és a vezérlő lábakat. Annyiban változik az adatbevitel a kijelzőbe, illetve az olvasása, hogy két részletben kell megtenni. Először a felső majd az alsó 4 bitet kell olvasni. Ez valamelyest lassítja a kijelzést és több ideig foglalja a mikrovezérlőt. Nagy lábszámú mikrovezérlőhöz való illesztéskor, és ha olyan a feladat, hogy nincs sok idő a kijelzésre, akkor érdemes 8 bites módban vezérelni, egyébként a 4 bites mód a kézenfekvőbb és takarékosabb. [10.] 30

32 6. Az eszköz felépítése, alkatrészeinek és azok funkcióinak bemutatása 6.1 Felépítés A tervezés során felhasznált perifériák bemutatása után jöjjön az általam tervezett áramkör (18. ábra) részletezése. Mivel az építés és tesztelés házi körülmények között történt törekedtem a minél egyszerűbb és megvalósíthatóbb költséghatékony megoldásra. A motor forgásirányának változtathatósága miatt olyan meghajtó/teljesítménykapcsoló kapcsolástechnikát kellett választani, ami ezt lehetővé teszi. Három féle módot vettem számításba: szimpla tápfeszültség esetén váltó érintkezős relével megvalósított polaritás váltás szimpla tápfeszültség esetén félvezetőkből vagy relékből kialakított H-híd kettős tápfeszültség esetén félvezetős fél híd vagy váltó érintkezős relé A relés megoldást a mai félvezető kínálatot ismerve nem tartom megfelelőnek. Az érintkezők kopása és a nem túl gyors kapcsolási sebesség miatt kizártam a használatát. A fordulatszám változtatásának igénye miatt amúgy is szükséges lenne teljesítmény-félvezető alkalmazása, mivel impulzusszélesség modulációval akartam megoldani a motorra jutó kapocsfeszültség változtatását. Erre a relé alkalmatlan. Kettős tápfeszültség ritkán áll rendelkezésre, ezért a félvezetős félhidas módszert is kizártam, így maradt a félvezetőkből felépített teljes híd. A 17. ábrán látható a H-híd és a mikrovezérlő összekötésének blokkvázlata. 17. ábra - A teljes híd megvalósítása 31

33 Előnye, hogy nincs mechanikus alkatrész és nagyobb áramot elbírnak a félvezetők, mint a relék érintkezői, amire szükség is van, mert a megépített áramkört egy 12 V-os 95 W teljesítményű állandó mágneses motorhoz készítettem, aminek nem csekély az áramfelvétele. További előnye ennek a hídnak, hogy minden további nélkül alkalmazható az impulzus szélesség modulációval (PWM) megvalósított fordulatszám vezérlés. Mivel irányváltós kapcsolást készítettem ezért az ellenáramú fékezést választottam a fentebb említett módszerek közül. Az általam használt motor olyan, mint egy külső gerjesztésű motor az állandó mágneses gerjesztés miatt ezért egyszerűen alkalmazható hozzá ez a fékezési mód ebben a kapcsolásban. Gondolkodtam még az ellenállásos fékezésen is, de az plusz két félvezető beépítését tette volna szükségessé és feleslegesen elbonyolítja az áramkört. A fordulatszám változtatását a fentebb említett impulzusszélesség modulációval oldottam meg. A PWM frekvenciát tapasztalati úton 1,2 khz frekvenciájúra választottam meg. Ez a frekvencia már elég magas ahhoz, hogy a motor ne rángatva induljon el és nem túl magas ahhoz, hogy a motor tekercsének induktivitása jelentős veszteségeket okozzon. Persze ez a frekvencia ahhoz a motorhoz, amivel teszteltem az áramkört és hozzá hasonló teljesítményű motorokhoz megfelelő, de más motorok más frekvenciával működnek megfelelőbben. A motor, amivel teszteltem az áramkört egy a modellezésből ismert 540-es méretű motor. Hosszúsága 50 mm, átmérője 35 mm, súlya 180 g. Feszültsége 12 V, maximális árama folyamatosan 15 A, lefogva 72 A, üresjárási fordulatszáma 12 V-ról körülbelül fordulat/perc. A mikrovezérlőt úgy választottam ki, hogy rendelkezzen H-hídvezérlő perifériával, mert így egyszerűbb programmal is megoldható mind az irányváltás, mind a fékezés, mind a fordulatszám változtatása. Az áramkör megvalósítása furatszerelt kivitelben történt (3. sz. melléklet) a házilag történő megépítés és a tesztelés során felmerülő hibák kijavításának könnyítése végett. A mikrovezérlő és a meghajtó híd külön panelen kapott helyet és vezetékekkel került összekötésre. Erre azért volt szükség, mert egy ilyen áramkört, sőt bármilyet először tesztelni kell, nem lehet azonnal tökéletesen működőt tervezni és a vezetékezéssel nagyobb lehetőség van a módosításokra. A tesztelés során merültek fel hibák, amelyeket kijavítottam és a kapcsolási rajzot ennek megfelelően módosítottam. Amikor már minden tökéletesen működik, az áramkört át kell tervezni egyetlen panelre, esetleg SMD kivitelben a méretek és ezzel együtt az esetleges gyártás költségének csökkentése miatt. 32

34 18. ábra - Az általam tervezett áramkör blokkvázlata 6.2 Az alkatrészek és azok funkcióinak ismertetése A tápegység 1 darab 78L05 feszültség stabilizátor IC és a hozzátartozó puffer és hidegítő kondenzátorokból áll. Ez látja el tápfeszültséggel a mikrovezérlőt, az optokaput és a kijelzőt, valamint ebből osztja le a potméter az A/D átalakító számára a fordulatszám beállítására használt feszültséget. A teljesítménykapcsoló közvetlenül a bemenő 12 V feszültséget kapja. A teljesítménykapcsoló kapcsolási rajzán lévő D6 dióda szerepe, hogy a motor által okozott tápfeszültség ingadozásokat C2 elektrolit kondenzátor segítségével leválassza a táp IC bemenetéről. A dióda nélkül ugyanis ez a csekély kapacitású kondenzátor nem tudná megfelelően simítani a motor által keltett ingadozásokat, mert róla nem csak a táp IC és a DC-DC konverter felé folyna áram, hanem a motor felé is, és ezt akadályozza meg a dióda. A fordulatszám beállítására egy 4,7 kω-os lineáris potmétert alkalmaztam feszültségosztó kapcsolásban, ez elegendő áramot biztosít a pontos A/D átalakításhoz. A PIC16F690 adatlapja szerint 10 kω a határérték az A/D átalakítóra köthető feszültségforrás belső ellenállására vonatkozóan. Persze nagyobb belső ellenállású feszültségforrás is köthető rá csak ebben az esetben nem fogunk pontos értéket kapni. Az A/D átalakító referencia feszültsége maga a tápfeszültség tehát 5 V. A potméter állásától függően az A/D értéke 00H és 3FFH értéket vehet fel. (Decimálisan közötti) Tehát a fordulatszám 1024 lépésben állítható be. A vezérlő kapcsolási rajzán lévő C5 kondenzátor szűri a potméterről jövő feszültséget. Erre azért van szükség, hogy a potméter állítása közben a 33

35 csúszkája által okozott zaj ne jusson az A/D átalakító bemenetére, ellenkező esetben nem lenne egyenletes a potméter állítása közbeni fordulatszámváltozás. A működtető programot úgy írtam meg, hogy az A/D átalakító ADRESH regiszteréből kiolvasásra kerülő érték átmásolódik a PWM generátor CCPR1L regiszterébe, az ADRESL regiszterből kiolvasott érték, vagyis az alsó két bitje a CCP1CON 4. és 5. bitjének helyére kerül. Tehát az A/D átalakító értéke határozza meg a kitöltési tényezőt %-ig. A 19. ábrán látható módon állítja elő a vezérlő a PWM jelet: 19. ábra - A PWM jel előállítása A 19. ábrán megfigyelhető a 10 bitesre kibővített TMR2 számlálóregiszter is, amely a PWM jel generátor állandó órajellel léptetett számlálóregisztere. (A TMR2 előtti két, az ábrán sárga színnel jelölt számlálóbit előosztás nélküli léptetés esetén egy külön 2 bites számlálóval van megvalósítva, amelyet közvetlenül a mikrovezérlő órajele léptet. Előosztásos (1:4, 1:16) léptetés esetén a sárga színnel jelölt számlálóbitek az előosztó számlálójának utolsó bitjei. [7.] A TMR2 számlálóregiszter felső 8 bitjének állapota állandó összehasonlításra kerül a PR2 regiszter szoftverből beállított értékével. Egyezés esetén, bizonyos késleltetéssel a következők történnek meg: a 10 bitesre kibővített TMR2 számlálóregiszter nullázódik; az iránytól függően éppen modulált kivezetés, logikai 1 értékűre vált; a CCPR1L kitöltési tényező regiszter szoftverből beállított értéke átíródik CCPR1H tároló regiszterbe; 34

36 A 10-bitesre kibővített TMR2 számlálóregiszter állapota állandó összehasonlításra kerül a CCPR1H regiszter és a CCP1CON regiszter két kijelölt bitjének értékével. Egyezés esetén az iránytól függően éppen modulált kivezetés 0 értékűre vált. [7.] A mikrovezérlő készenléti üzemmódjának aktiválásakor a TIMER2 léptetése leáll, az iránytól függően éppen modulált kivezetés az újraindításig megőrzi értékét. Az újraindítás után a PWM működés folytatódik. Bármely Reset-esemény hatására a CCP modul kikapcsolt helyzetbe áll be. [7.] A T1 tranzisztor szerepe az optokapu illesztése a mikrovezérlő bemenetére. Nélküle nem tudna különbséget tenni a mikrovezérlő a logikai magas és alacsony szint között. Az alkalmazott optokapu nyomtatókban használatos az adó és vevője közti távolság alig 4 mm. Ezt ketté kellett vágnom, hogy a motorra szerelt henger közé férjen, így eltávolodott egymástól az adó és vevő ezért nem tudta az adó fénye teljesen kinyitni a tranzisztort. A 120 kohm-os kollektor ellenállás is kevésnek bizonyult a teljes kinyitáshoz. Amikor az adó fénye megvilágította a vevőt a tranzisztor kollektorán még 180 mv feszültség volt mérhető. A mikrovezérlő csak 100 mv alatti feszültséget értelmez alacsony logikai szintnek. Ez a 180 mv már kevés ahhoz, hogy T1-et kinyissa viszont a 120 kohm-os kollektor ellenállás elég áramot biztosít a T1 teljes kinyitásához a vevő tranzisztor zárt állapotában így T1 kollektorán szinte nem is mérhető feszültség nyitott állapotban. T1 alkalmazása természetesen fázist fordít, de a mikrovezérlőn beállítható, hogy az adott bemenet lefutó vagy felfutó élt érzékeljen így nem lényeges ez a fázisfordító hatás. A teljesítménykapcsoló (1. sz. melléklet) és egyben a H-híd szerepét 4 darab IRL2203 típusú N-csatornás MOSFET látja el. Mivel a híd minden eleme azonos csatornájú ezért kapcsolástechnikailag elkerülhetetlen, hogy a motor a felső két FET source körébe kerüljön. Ez felvet egy olyan problémát, hogy az eddig 5 V-os logikai szintről vezérelhető FET-et ilyen esetben U tmotor + 5 V-ról kelljen vezérelni, különben nem nyit ki teljesen. A motor tápfeszültsége 0 és 12 V között változik a PWM kitöltési tényezőjétől függően. Tehát legalább 17 V-os vezérlő feszültséget kell előállítani. Ezt egy MC34063 típusú DC-DC konverter IC feszültségnövelő kapcsolásban történő alkalmazásával oldottam meg. Ezt a kapcsolást az IC adatlapjában lévő ajánlás szerint alkalmaztam, mindössze az R1 és R2 ellenállás arányát módosítottam, hogy megkapjam a kellő feszültséget a kimeneten. Ez a két ellenállás feszültségosztót alkot, a kimenet feszültségét osztja le az MC34063 visszacsatolást megvalósító bemenete számára. Innen tudja az IC, hogy mikor kell csökkenteni a kimenet feszültségét. A T1 és T2 tranzisztor végzi el az 35

37 illesztést a mikrovezérlő és a növelt vezérlőfeszültségű FET-ek között. Az R7 és R8 ellenállás biztonsági okból került beépítésre az esetleges vezetékszakadás miatti egymásra nyitást akadályozza meg. Tehát vezérlés nélkül lezárva maradnak a FET-ek. Alkalmazásuk a készre fejlesztett áramkörnél elhagyható. A D2-D4 és D3-D5 zener dióda védi a felső FET-ek gate elektródáját az esetleges túlfeszültségtől. Az R9 és R10 ellenállás korlátozza a hozzá tartozó nyitott tranzisztor kollektora felé folyó áramot, ami azért alakul ki, mert a nem általa vezérelt FET source elektródája a tápfeszültségig emelkedik és a motor álló helyzetben szinte rövidzárként viselkedik. Az alsó FET-eket a mikrovezérlőről közvetlenül lehet vezérelni. Azért esett a választásom a MOSFET-re bipoláris tranzisztor helyett, mert gyakorlatilag nagyon kevés áram kell a vezérléséhez, ez az áram is csak abból adódik, hogy a gate-source kapacitásokat tölteni és kisütni kell. Tehát csak nagyobb frekvenciákon jelentkezik számottevően. A FET típusa behatárolja a meghajtható motor teljesítményét. Ez a FET 30 V-os drain source feszültséget és 116 A drain áramerősséget tud elviselni folyamatosan. [8.] Ebből az következik, hogy maximum névlegesen U * I= 12 V * 116 A= 1392 W terhelést tud elviselni 12 V-os tápfeszültséggel. Nyilvánvalóan nem szokás a félvezetőket a határértékük közelében működtetni, tehát ettől alacsonyabb teljesítményű motorokat tud csak vezérelni ezzel a félvezetővel. Az általam tesztelésre használt motor teljesítménye mindössze 95 W az adatlapja szerint. Tehát 12 V-on ehhez a teljesítményhez 95 W/12 V=7,91 A szükséges. Terhelés hatására ez az áramerősség a terhelés nagyságának megfelelően növekszik. A motor 15 A áramerősséget tud elviselni folyamatosan károsodás nélkül. A FET ellenállása bekapcsolt állapotban maximum 0,007 ohm. A FET-en eső teljesítmény a maximális terhelést feltételezve I 2 * R dson = * 0,007= 94 W. Az általam használt motor maximális áramfelvételével számolva 15 2 A*0,007 ohm=1,575 W, amit akár hűtés nélkül is elviselnek a félvezetők. Egy teljesítmény tranzisztor ilyen áramerősség mellett a nagyobb szaturációs feszültsége miatt több hőt disszipálna és nagyobb árammal is kell meghajtani, ami tovább bonyolítaná az áramkört. A motoron átfolyó áram érzékelésére az R17-es ellenállást építettem be, így közvetve érzékelhetővé válik a motor árama. Az R17 ellenálláson eső feszültség arányos a motoron átfolyó áram erősségével. Hogy ne legyen túl nagy a feszültség veszteség ezen az ellenálláson az értéke mindössze 3 milliohm. A kivitelét tekintve 0,55 mm átmérőjű lakkozott rézvezeték, a hossza körülbelül 25 cm, önhordó kivitelben tekercselve. A rajta 36

38 eső millivolt nagyságrendű feszültséget az IC2 erősíti a mikrovezérlő által kiértékelhető nagyságúra. Az IC2 LM358 típusú műveleti erősítő, amire azért esett a választásom, mert képes működni szimpla tápfeszültségről is nagyon alacsony offszetfeszültséggel. Kompenzálást gyakorlatilag nem is igényelt. Nem invertáló alapkapcsolásban működik mivel csak földhöz képest pozitív irányú feszültséget kell erősítenie és a szimpla tápfeszültség miatt nem is tudna ellenkező irányú bemeneti feszültséget erősíteni. [16.] Az erősítése ebben a kapcsolásban az alábbi képlet szerint körülbelül négyszeres. Az R11 és C5 soros RC tag aluláteresztő szűrőt alkot. Feladata a PWM frekvencia kiszűrése, hogy az erősítő bemenetére és onnan a mikrovezérlő bemenetére minél simább feszültség kerüljön. Méretezése kritikus, mert ha túl nagy az RC tag időállandója, akkor túl lassú lesz az áramkorlát reagálása, ami miatt tönkremehetnek a félvezetők vagy a motor. Az áramkorlát megvalósításához felhasználtam a mikrovezérlő egyes számú komparátorát. Ez a vezérlőn belül rá van kötve a PWM logikára, és ha a komparátor kimenetén él váltás jön létre, akkor leállítja a PWM generátort a félvezetők inaktív állapotba kapcsolásával. A PWM generátor újraindítása hardveresen automatikusan történik. Ha továbbra is fennáll a túláram a komparátor kimenete ezt ismét jelzi és megint inaktív állapotba kerülnek a félvezetők. A komparátor nem invertáló bemenetére kapcsolt belső referencia beállításával az áramkorlát küszöbe változtatható anélkül, hogy az IC2 erősítését változtatni kellene. 6.3 A fordulatszámmérő funkció megvalósítása A motor fordulatszámának mérésére sokféle lehetőség adódik. A legolcsóbb megoldást abban láttam, hogy egy a motor tengelyére szerelt tárcsán lévő furatok elhaladnak egy optokapu előtt, ami ennek hatására ad a kimenetén alacsony, illetve magas szintet. A mérés elve az, hogy a mikrovezérlő TIMER1 számlálójával létrehozok egy fél másodperces időalapot és ez alatt a fél másodperc alatt a TMR0 és egy általam szoftveresen növelt regiszter a TMRH által megszámolt értéket szorzom 60-al és megkapom a fordulat/perc értéket. A gyakorlatban a motoron lévő tárcsa (henger) két jelet ad egy fordulat alatt, tehát elég fél másodpercenként mérni, hogy ugyanakkora számú jelet kapjunk 60 másodpercre vonatkoztatva. 37

39 A szorzás elvégzése után BCD konverzió hajtódik végre majd számjegyenkénti ASCII konverzió után az érték kiíródik a kijelzőre. 6.4 Az eszköz működése A motor indítása és leállítása a start/stop gomb megnyomásával lehetséges. Az irányváltásra külön gombot alkalmaztam. E gomb megnyomásakor, ha a motor forog, a vezérlő először lefékezi a motort és csak ezután indítja a motort a másik irányba a beállított kitöltési tényezővel. Az irányváltó gomb ismételt megnyomásakor ismét a jelenlegivel ellentétes irányba vált a motor forgása, természetesen a megelőző fékezést követően. A Start/Stop gomb megnyomásakor a motor lefékeződik és megáll. A fékezésre az ellenáramú módszert használom, mert az irányváltós kapcsolásnak köszönhetően külön félvezetők alkalmazása nélkül van lehetőség a fékezésre. A fékezést egy előre beállított mértékű a forgásra ellentétesen ható feszültség motorra való kapcsolásával végzi az eszköz. Fékezés közben méri a motor szögsebességét és egy minimális érték elérése után a megnyomott gombtól függően megállítja, vagy ellentétes irányba indítja el a motort. Az áramkörök kapcsolási rajzai a mellékletek közt megtalálhatók. (1-es és 2-es számú melléklet) 6.5 A működtető program ismertetése A programot assembly nyelven írtam a Microchip által biztosított ingyenes fejlesztőkörnyezet az MPLAB ID segítségével. Ez magába foglalja a fordítót és a szimulátort is. A program beégetése a tokba a PICkit2 nevű debugger segítségével történt. A program a processzor meghatározásával és a hozzátartozó header file beillesztésével kezdődik. Itt megadom az úgynevezett configword-öt, ami beállítja az órajel forrást a watchdog timer használatát, a kódvédelmet a külső reset használatát stb. Ezután a változó deklarálás következik. Ezekkel a változókkal végzi a program a logikai és aritmetikai műveleteket. Erre a célra a 20h-tól a 7Fh címig fenntartott memória terület használható. A W és STATUS regiszter értékeinek a megszakítás idejére való elmentésére szolgáló változók deklarálásakor olyan címet kell megadni, hogy mind a négy memória bankból elérhető legyen. Mivel megszakítás szinte bármelyik pillanatban hívódhat, és a főprogramban váltakoznak a memória bankok az épp használt regisztereknek megfelelően ezért nem tudni, hogy a megszakítás pillanatában melyik bank van beállítva. A legjobb és leggyorsabb megoldás, ha olyan memória területre helyezzük a 38

40 STATUS és W regiszterek tartalmát, amelyek mindegyik memória bankban elérhetőek. Ez a terület a 70h-tól 7Fh címig tartó memória terület. A változók deklarálása után egy úgynevezett inicializálás következik, amelyben beállítom a mikrovezérlő perifériáinak a tulajdonságait. Az inicializálás itt még nem ér véget, mert az LCD modult is be kell állítani, ezt már maga a mikrovezérlő teszi meg. Tehát lefut a kijelző beállítására vonatkozó program részlet és csak ezután következik maga a főprogram. Az LCD modul vezérléséhez különböző szubrutinok megírására volt szükség. Ugyanis különböző módon kell kiküldeni egy karaktert és egy parancsot, más vezérlőláb beállításokat kívánnak. Vizsgálni kell a kijelző foglaltságát is, mert időre van szüksége a kiküldött karakterek megjelenítésére vagy a kiküldött parancsok végrehajtására. Ha egy állandó késleltetést használunk, ami alatt biztosan végrehajtódik a parancs vagy karakterkiírás, akkor elhagyható a foglaltság vizsgálata és megspórolható még egy portláb a mikrovezérlőn. Persze ennek elhagyása tovább rontaná a program gyorsaságát mivel állandó késleltetések lennének a karakterek, illetve parancsok között és nem csak annyi idő telne el, ami valóban szükséges. A kijelzőt tehát különböző szubrutinok vezérlik. Az LCDCMD címkéjűvel lehet kiküldeni a parancsokat. A szubrutinon belül újabb szubrutinhívás kezdődik, ami a foglaltságot vizsgálja. A mikrovezérlő STACK regisztere nyolc darab ilyen szubrutin egymásból való hívását teszi lehetővé. A STACK regiszterbe történik a programszámláló értékének elmentése. Erre azért van szükség, hogy a megszakítás után a főprogram onnan folytatódjon ahonnan a megszakítás miatt félbeszakadt. A RETFIE utasítás hatására töltődik vissza a mentett programszámláló érték STACK-ből a programszámlálóba. Szubrutin hívás esetén erre a RETURN utasítás használható. A szubrutinok lefutása után a főprogram onnan folytatódik tovább ahonnan hívódott a szubrutin, vagyis a szubrutinhívás címe + 1 programszámláló értékről. Az LCDCHAR rutinnal karaktert lehet küldeni, az LCDBUSY a foglaltságot vizsgálja. A parancs és a karakterküldő rutinok előtt a W regiszterbe kell tölteni a parancs vagy karakter hexadecimális értékét aztán egy CALL utasítása meghívni a rutin valamelyikét attól függően, hogy parancs vagy karakter került-e a W regiszterbe. A rutin hívását követően a W regiszter tartalma egy ideiglenes tárolóba kerül. Következő lépés a foglaltság vizsgálat. Olvasási irányba kell állítani a kijelzőt, 80 H értékre logikai és vizsgálattal tesztelni a portján lévő értéket. Amíg 80 H érték van a portokon addig foglalt, benne marad a program a vizsgáló rutinban és vár a foglaltság megszűnésére. Amint megszűnt kilép a foglaltság vizsgáló szubrutinból kezdődik a 39

41 kiírandó adat két részre bontása mivel 4 bites módban kezelem a kijelzőt. Előbb a felső 4 bitet maszkolom ki és küldöm a B portra. A B portot használom a kijelzővel való adatkommunikációra. Ezután az alsó 4 bit következik, négyet tolok rajta balra és maszkolok majd kiküldöm a B portra. A B port olyan kialakítású hogy csak a felső 4 bitje van kivezetve, ezért kell helyre tolni a felső 4 bit helyére az alsót. A BCD helyi értékek kiírásakor az LCDCHARD rutint kell hívni, ami annyiban különbözik a normál karakter kiküldő rutintól, hogy elvégzi az ASCII konverziót oly módon, hogy hozzáad 30 H értéket a BCD értékhez. Ki kell még térni a PIC mikrovezérlők megszakításkezelésére is, ugyanis ebben az alkalmazásban használok megszakítást is. Az inicializálás a 00H címen kezdődik. Egy a fordítónak szóló direktívával meg kell adnom, hogy a megszakításra vonatkozó program részlet kezdete a 04H címre fordítódjon. A PIC16xxxx család csak egy megszakítás vektort használ. Bármilyen megszakítás következik be a programszámláló értéke a STACK regiszterbe mentődik és a programszámláló új értéke 04H lesz. Tehát a 04H címtől folytatódik a program futása. Ezen a programrészen belül kell megállapítani. hogy a megszakítást melyik periféria hívta. A lekérdezés sorrendjével felállítható egy prioritási sorrend is. A PIC16F690 megszakítási logikája a 20. ábrán látható. [6.] 20. ábra - A PIC16F690 megszakítási logikája 40

42 A megszakításba való lépéskor illik elmenteni a W regiszter és a STATUS regiszter tartalmát egy ideiglenes tárolóba. Erre azért van szükség, mert az éppen folyó program a W regiszter segítségével végzi a műveleteket és bizonyos eredmények is itt képződnek. A STATUS regiszter értékének mentése azért szükséges, mert a műveletekre vonatkozóan tartalmaz jelzőbiteket. (Carry, Zero, DigitCarry stb.) Ezekre az értékekre a visszatérés után szükség van, hogy a program helyesen működjön tovább. Kellemetlen lenne, ha például egy ugrótábla kezelés során a tábla címét elveszítenénk a megszakításba való ugrás miatt és a visszatéréskor egy olyan címre ugrana a programszámláló, ami már nem képezi a tábla területét és ezért kikerülne a ciklusból és lefagyna. Ezután jöhet a megállapítás, hogy ki hívta a megszakítást és az annak megfelelő programrészre ugrás. Az általam írt programban három féle esemény hívhat megszakítást. Az INT láb felfutó él váltása, a TIMER0 és a TIMER1 túlcsordulása. Azt, hogy melyik esemény hívta a megszakítást, a megszakítás programrészlet elején kell megvizsgálni a megfelelő jelzőbitek tesztelésével Az első eset, amikor az INT láb felfutó éle hívja a megszakítást, tehát szögsebesség mérést kell csinálni. Ez csak abban az esetben lehetséges, ha a főprogramban fékezés vagy irányváltás hajtódik végre, mert csak ezekben a programrészekben van beállítva ennek a típusú megszakításnak az engedélyezése miközben a többi megszakítás tiltásra kerül. Ebben az esetben a program az engedélyezését követően az első INT típusú megszakítás hívásakor nullázza, majd elindítja a TIMER1 számlálót, tehát magát a mérést és az újabb megszakítás hívás következtében állítja le és olvassa ki a TIMER1 értékét. Ezt úgy oldottam meg, hogy a FIRST nevű változó első bitjét vizsgálom meg egy BTFSS paranccsal, ami csak akkor hajtja végre az utána közvetlenül következő utasítást, ha a tesztelt bit 0-ás logikai szinten van, egyébként átugorja azt. Tehát, ha nullát talál az említett helyen a következő GOTO utasítással az ELSO nevű címkére ugrik, és ott elindítja a TIMER1 számlálót, beírja a FIRST első bitjét ezzel jelezve, hogy már elindult a mérés és kilép a megszakításból. Amikor ismét megszakítás hívódik, újra teszteli a FIRST első bitjét és ez alkalommal már logikai 1-es lesz az értéke, amire az előbbi GOTO utasítás nem hajtódik végre, hanem megállítja a TIMER1 számlálását, megvizsgálja nem csordult e túl és ezután elmenti a Timer1 értékét egy ideiglenes regiszterbe. Eközben a TIMER1 nem használható a fél másodperces időalapnak, tehát fékezéskor nincs fordulatszámmérés. Ezután kilép megszakításból. A megszakításból való kilépés előtt törölni kell szoftveresen az INTCON regiszter INT típusú megszakítás jelző flag bitjét, hogy a mikrovezérlő a következő megszakítást is észlelni tudja. Egy minimális érték körülbelül

43 fordulat/percnek megfelelő szögsebesség alatt nem mér tovább a program, hanem elveszi a fékező áramot és kilép a fékező rutinból. Ekkor az INT típusú megszakítások tiltódnak és a TIMER1 és TIMER0 megszakításai engedélyeződnek újra. A második esetben a TIMER1 túlcsordulása hívja a megszakítást, ami azt jelenti letelt a fél másodperc, vagyis ebben az esetben a program kiolvassa a TMR0 és a kiegészítő regisztere a TMRH értékét és elmenti a szorzó szubrutin erre fenntartott két 8 bites regiszterébe. Ezután nullázza a TMR0 és TMRH regisztereket és a TIMER1-nek is megadja a kezdő értékét, ami a fél másodperces túlcsorduláshoz kell. A harmadik esetben a TIMER0 túlcsordulása okozza a megszakítást. A TIMER0 önmagában nem lenne elég a fordulatok megszámlálására nagyobb fordulatszámok esetén egész pontosan fordulat/perc fordulat felett. Ezt az értéket a következőképpen számítottam ki: A számláló 8 bites tehát 2 8-1=255 fordulatot tud megszámolni másodpercenként. A motorról egy fordulat alatt két jelet kapunk, de csak fél másodpercig mérünk, ezért ugyan oda jutunk a számolásban, mint ha egyetlen jelet adna fordulatonként, de egy másodpercig számlálnánk. Tehát 255 fordulat * 60 másodperc = fordulat/perc. Előosztót nem alkalmazhatok, mert annak az értékét nem lehet kiolvasni, amely rontja a mérés felbontását. Tehát kell egy egyéni regiszter, amit a memóriából foglaltam le TMRH néven és a TMR0 túlcsordulásakor növelek, egyel. Ebben az esetben a teendője a programnak növelni a TMRH regiszter értékét a TMR0 túlcsordulásakor aztán a megfelelő jelzőbit törlése után kilép a megszakításból. A főprogram végzi matematikai konverziókat, a gombok figyelését, a kijelzőre való írást, fékezést, irányváltást és az A/D átalakítást. Tehát a főprogram megnézi, hogy nincs-e megnyomva a start/stop gomb, vagy az irányváltás gomb. Ha nincs megnyomva, akkor kiírja a STOP feliratot és újra tesztel. Ha megnyomjuk a START gombot, akkor az ON nevű általam deklarált regiszterben megjegyzi, hogy meg volt nyomva a gomb, és ha igen, akkor elkezdi az A/D konverziót, vagyis indítja az A/D átalakítót az ADCON1 regiszter második bitjének logikai 1 -be állításával. Ez az érték logikai 0 -ra vált vissza automatikusan amint a konverzió elkészül. Tehát ennek a bitnek a figyelésével lehet tesztelni elkészült e már a konverzió. Amint elkészült kijövünk ennek a bitnek a tesztelő hurkából és kiolvasásra kerül az ADRESH és ADRESL regiszter tartalma. Vigyázni kell, mert nem azonos memória bankban foglalnak helyet, emiatt bankváltás kell a kezelésük között. A PIC mikrovezérlők regiszterkészlete általában négy darab memória bankra osztódik és az ADRESL a második ilyen bankban van. A bankváltást a STATUS regiszter 42

44 RP0 és RP1 bitjének a megfelelő beállításával lehet elérni, vagy van rá fordító direktíva BANKSEL utasítás formájában, ami után beírjuk a kívánt regiszter értékét, majd ennek megfelelően elvégzi a bankváltást. Az ADRESH regiszter értékét át kell másolni a CCPR1L regiszterbe és a CCP1CON 4. és 5. bitjének helyére az ADRESL felső 2 bitje kerül. Ez utóbbi csak akkor fontos, ha 10 bites PWM felbontást szeretnénk, egyébként 8 bites felbontást kapunk, ami 256 lépésben való beállítást tesz lehetővé. Ezután a főprogram elhelyezi a TMR0 és TMRH értékét a MULTIPLAND és MULTIPLICAND1 regiszterekbe. Ez lesz a szorzandó. A szorzó, vagyis a 60 decimális érték kerül a MULTIPLER és a MULTIPLER1 regiszterekbe. Ezután meghívódik a szorzás szubrutin, majd ezután a BCD konverter szubrutin. Ezek lefutása után már megvannak a kijelzésre kerülő BCD számok, amiket ASCII karakterré való konvertálással egybe kötve a főprogram a kijelző kezelésére szolgáló szubrutinok segítségével kiír a kijelzőre. Ezután visszaugrik a program a START címkére és kezdi elölről az egészet. A motor tengelyén elhelyezett tárcsán 180 fokra egymástól helyezkednek el az impulzust adó jelek. Tehát egy körbefordulás alatt két impulzust ad. A számlálót nyolcas előosztóval alkalmazva 2 16 * 8 = µs alatt csordul túl. Kezdőértéknek 3035 decimális értéket adtam meg, mert 3035 * 8 = ez kivonódik az ból így pontosan fél másodperc alatt csordul túl a TIMER1. Mivel két impulzust kapunk fordulatonként és fél másodperces az időalap, így ugyan azt az értéket kapjuk a 60-al való szorzás után, mintha csak egy impulzust adna fordulatonként, de 1 másodperces időalappal. A gyakorlati megvalósítás miatt kellett ezt a változtatást eszközölni az eredeti egy másodperces elképzelés helyett. A tárcsa valójában henger alakú, aminek át van fúrva a palástja és ezen a furaton látja egymást az optokapu LED-je és fényérzékelő tranzisztora. Tehát 180 fokos elfordulásonként meglátják egymást, ami egy-egy impulzust eredményez és a számlálót sem lehet úgy beállítani, hogy egy másodperc alatt csorduljon túl csak külső órajel alkalmazásával, amely fölöslegesen bonyolítaná az áramkört. A fordulatszám számításának képlete a következő: Esetünkben fordulat/perc mértékegységgel kell kiírni a fordulatszámot. Tehát a fenti képlet szorzódik 60-al. 43

45 N = a TMR0 által megszámolt impulzusok száma, ami fordulatonként kettő, és amire fél másodperc áll rendelkezésre és ezt szorozza a program 60-al, hogy az 1/perc legyen a mértékegység. A legnagyobb fordulatszám, amit ki lehet jelezni os érték, mert a BCD konverter algoritmus csak 16 bites. A szorzás egyébként 32 bites eredményt is tud adni. A legkisebb mérhető fordulatszám 60 fordulat percenként, amikor a TMR0 csak 1 impulzust számol fél másodperc alatt. A mérés felbontása és ezzel együtt a pontossága növelhető, ha a számlálásra szánt bitszámot és a fordulatonkénti impulzus számot növeljük. Ez a bitszám jelenleg 16 bit, az impulzusok száma kettő. A pontosság és a felbontás igényét a felhasználás helye szabja meg. Ha csak a fordulatszám megjelenítése a cél, akkor elegendő a jelenlegi is, de ha visszacsatolt szabályzóhurokban kellene alkalmazni, akkor már kevés lenne, és a fél másodperc pedig túl sok a megfelelően gyors beavatkozáshoz. 44

46 Összegzés Az iparban gyakran kell megvalósítani egyenáramú kefés motorok fordulatszámának vezérlését, szabályozását, a motor fékezését és a fordulatszám kijelzését. A megfelelő mikrovezérlő alkalmazásával szinte bármilyen elektronikus eszköz megvalósítható minimális plusz alkatrész alkalmazása nélkül. Ezért választottam a fordulatszám mérő és szabályzó eszköz vezérlésére a PIC16F690 típusú mikorvezérlőt. A szakdolgozatomban megfogalmazott célkitűzéseket sikerült megvalósítanom. Az eszköz képes az egyenáramú külső gerjesztésű vagy ennek megfelelő kefés motorok fordulatszámának és forgásirányának változtatására, fékezésére és a fordulatszám mérésére, kijelzésére. A működtető program megírása assembly nyelven történt, ami nagyon nagy odafigyelést igényelt. Minden műveletet külön utasításonként kell megadni, ismerni kell a mikrovezérlő működését a legapróbb részletig. Ebben nagy segítséget jelentett a PIC16F690 adatlapja. A motorra jutó teljesítményt PWM (Pulse Width Modulation) alkalmazásával változtatja az eszköz. A fordulatszám mérése optoelektronikus elven történik. A terv elkészítését megelőző irodalomkutatás és maga a terv elkészítése közben sok új ismeretet szereztem. Nagy része ezeknek internetes írásokban volt megtalálható, de voltak olyanok, amelyeket csak könyvből sikerült hitelt érdemlően megtudnom és alkalmaznom a tervezés és tesztelés során. A feladat megvalósítása közben megismerkedtem a PIC mikrovezérlő olyan perifériáinak használatával is, amelyeket eddig még nem használtam, vagy az általa képviselt funkciókat szoftveresen oldottam meg. Biztosan állíthatom, hogy a hardveres perifériákkal, jóval egyszerűbben lehet megoldani bizonyos feladatokat. A feladat megvalósítása során különféle hibákba ütköztem, amelyek megoldása néha nagy kihívást jelentett számomra. Ilyenek voltak a programozás során elkövetett hibák okának megtalálása és a megszüntetésükre kitalált programozási fogások megvalósítása. A megtervezett és elkészített áramkör is tartalmazott hibákat, amikre a tervezés során nem számítottam. Ezeket is sikerült elhárítani és ezzel az áramkört tökéletesen működővé tenni. A mikrovezérlő alkalmazása lehetővé teszi az egyszerű továbbfejlesztést akár alkatrész csere nélkül is csupán a működtető program módosításával. Érdemes ezért még egy ICSP csatlakozót is rátervezni a kész áramkörre, hogy a program a mikrovezérlő eltávolítása nélkül is beégethetővé váljon. 45

47 Az általam tervezett áramkör még tovább fejleszthető zárthurkú szabályozással, amivel terhelésváltozás hatására is tartható a beállított fordulatszám, valamint potméter helyett valamilyen ipari buszon történő kommunikációval lekérdezhetővé és beállíthatóvá tehető a meghajtott motor fordulatszáma és forgásiránya, megváltoztatható lenne a fékerő stb. 46

48 Summary In the industry often must to accomplish the control of the rev brush engines, and the braking of the engine, and displaying the rev. When we apply the adequate microcontrolling, we can be to accomplish any kind of electronis devices without the application of a minimal plus component. It was the reason, that I chose the PIC16F690 type of microcontrolling for the speed gauge, and control onto the control of device. I could to accomplish my worded aims. This device is able to change the rev of the direct current brushy engine, andit is able to change the direction of the rotation of the device. This device is able to indicate the re von a display too. I wrote a program, which program runs the device. I wrote this program in assembly language. When I wrote the program, it needed big attention from me. All operations needed seperate instructions, when I wrote the program. that I can do this, I have To know the function of microcontrolling. The data sheet og PIC16F690 helped me a lot, when I wrote the program. The device change the accomplishment, what is attaching for the engine. It makes with PWM. The measurement of the rev happens on an optical principle. When I read the literature, I obtained much new knowledge and information, and I obtained new knowledge, when I formed the plan too. Much knowledge and information was can be found ont he internet, there were much information in books. These informations were authentic for me, and these informations, knowledges were applicable int he course of the planning and the testing. While I realised the task, I knew particularly the PIC microcontroller. I knew other peripheries, what I didn t use before. Iam sure, that I can solve tasks easily with harware peripheries. While I accomplished this task, I had much problem. The solutions were big challange for me. For example: to find the problems in programming, and to remove these problems. The electronic circuit had problems too, but I didn t think for these problems, while I planned it. I could to keep off these problems, and now the electric circuit works perfectly. Using a microcontroller makes possible the simple continuing to improve, without component substituting, only with the modification of the program. It is good, if 47

49 we add to an adjoining for the electric circuit, that we can burn the program for the microcontroller. for this activity, we don t have to get off the microcontroller. This electronic circuit what I planned, I think can be continued to improve with a closed loop regulation. So the configured rev is tenable, when the load changes. It can be good, that instead of the potention meter we can use standard industrial bus. We can use this industrial bus for the communications, and for the query. With this industrial bus we can configure the rev of the engine, which engine is driven, and we can configure the direction of the rotation too, and we can modify brake force. 48

50 Irodalomjegyzék [1] Idő és fordulatszámmérés ( ) [2] Fordulatszámmérés /Forr%C3%A1sanyag/992_%C3%A1talak%C3%ADt%C3%B3k_ford_2a.pdf ( ) [3] Hajtástechnika prezentáció ( ) [4] Mire jó a frekvenciaváltó ( ) [5] Frekvenciaváltókról alapfokon - 1. rész - Gulyás László, Siemens Rt. ( ) ( ) [6] A PIC16F690 adatlapja ( ) [7] Tudomány és Technika Közepes teljesítményű PIC mikrovezérlők Felhasználói Kézikönyv ( ) [8] IRL2203 FET adatlapja ( ) [9] Kisteljesítményű egyenáramú motorok impulzusüzemű fordulatszám-vezérlése Reinicz Béla műszaki tanár Rádiótechnika Évkönyve 1998/( old.) [10] Dr. Kónya László A PIC mikrovezérlők alkalmazástechnikája, ChipCad Elektronikai Disztribúció Kft, 2000 [11] Rácz György - Új módszerek egyfázisú aszinkron motorok jelfeldolgozó kontrolleres vezérléséhez, Tudományos Diákköri Dolgozat, ( ) [12] Analóg digitális átalakítók %ADt%C3%B3 ( ) [13] Mozsolics András Villanymotorok a gyakorlatban, Tanulási útmutató ( ) 49

51 [14] Halász Sándor Villamos hajtások, ( ) [15] Az MC34063 adatlapja ( ) [16] Az LM358 adatlapja ( ) 50

52 Mellékletek 1. sz. melléklet A H-híd kapcsolási rajza 51

53 2. sz. melléklet A vezérlő kapcsolási rajza 52

54 3. sz. melléklet A H-híd NYÁK terve és beültetési rajza 53