Hardver pogona zasnovanog na trofaznom asinhronom motoru (II deo)

Transcription

1 Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu Diplomski rad Hardver pogona zasnovanog na trofaznom asinhronom motoru (II deo) - Projekat minidrive - Kandidat Bora Novaković Mentor Prof. Dr Slobodan Vukosavić

2 1. Uvod Ušteda energije trenutno je jedna od najzastupljenijih tema istraživanja u oblasti elektrotehnike. Konstantan rast cene energenata, kao i ograničeni energetski resursi na planeti Zemlji najveći su razlozi za ulaganje u navedena istraživanja. Električna energija je jedan od najzastupljenijih oblika energije. Prema nekim podacima, 60-70% proizvedene električne energije troši se za napajanje električnih mašina i elektromotornih pogona [1.1, 1.]. Rezultati istraživanja sprovedenih na teritoriji SAD i Velike Britanije pokazuju da 90% svih motora proizvedenih u poslednjoj deceniji 0. veka čine motori snage do 750W.

3 1.1 IEEE konkurs Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) [1.3], najveće svetsko udruženje inžinjera elektrotehnike i elektronike, svake druge godine raspisuje konkurs Internacional Future Energy Challenge sa ciljem pospešivanja istraživanja na temu uštede električne energije i unaprađenja elektromotornih pogona. Teme IEEE konkursa Internacional Future Energy Challenge 005 [1.4] su bile: Tema A: Single-Phase Adjustable Speed Motor Drive Tema B: Utility Interactive Inverter System for Small Distributed Generation Glavni zahtevi konkursa u okviru teme A, bili su da se projektuje elektromotorni pogon sa stepenom iskorišćenja većim od 70%, sa mogućnošću kontinualnog zadavanja brzine u opsegu od 150rpm do 5000rpm, kao i da njegova cena na milionskom tiražu bude manja od 40 američkih dolara. Ovakav elektromotorni pogon bi trebalo da zameni elektromotore odgovarajuće snage, jer bi mu performanse bile superiorne u odnosu na do sad korišćena rešenja. Obzirom na količinu električne energije utrošene za napajanje elektormotora, jasno je da bi poboljšanje stepena iskorišćena za samo jedan procenat, značajno doprinelo uštedi električne energije na globalnom nivou. Kompletna lista zahteva konkursa u okviru teme A data je kao prilog u poglavlju 10.1 Zahtevi konkursa. U okviru laboratorije za Digitalno upravljanje elektromotornim pogonima Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu realizovan je projekat na temu A. Celokupna dokumetacija ovog projekta (minidrive) predstavljena je u pet diplomskih radova čiji su autori: Miloš Živanović, Ušćumlić Blagoje, Bora Novaković, Ivan Petruševski i Aleksandar Živković. U okviru ovog diplomskog rada biće obrađeni određeni delovi hardverskog dela projekta. Delovi koji se ne nalaze u ovom diplomskom radu, a tiču se hardverskog dela projekta, obrađeni su u diplomskom radu Ivana Petruševskog. 3

4 1. Literatura [1.1] V.R. Stefanović, Present Trends in Variable Speed AC Drives, in Conf. Rec. of IPEC 1983, pp [1.] B.K. Bose, (Editor) Adjustable Speed Drives, IEEE Press [1.3] IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - [1.4] Future Energy Challenge

5 . Specifikacija pogona Dimenzije 0 x 10 x 50 Težina Napajanje Brzina Rezolucija komande brzine Tolerancija regulacije brzine Tip upravljanja brzinom Smer obrtanja Nominalna snaga Nominalna brzina 10kg Monofazno 30VAC +10/-15%; 50/60Hz ob/min 5 ob/min 1) Za brzine do 1000 ob/min tolerancija ±50 ob/min ) Za brzine preko 1000 ob/min tolerancija ±5% reference Bezsenzorski algoritam zasnovan na merenju struje jednosmernog međukola Suprotno od smera kazaljke na satu, kada se gleda sa strane gde je osovina pogona 500W 1500 ob/min Nominalni momenat Displej 3.18Nm Domet IR komunikacije 1.5m Radni opseg temperature Maksimalna nadmorska visina 1) Četiri sedmosegmentna LED displeja sa decimalnom tačkom ) minidrive Windows aplikacija za PocketPC Od -0 do +40 C 1000m Standardi IEC

6 3. Struktura minidrive-a U ovom poglavlju date su osnovne smernice i ideje potrebne za realizaciju ovog projekta i ispunjenje što većeg broja zahteva konkursa. Kako bi se ispunio zahtev po pitanju kontrole brzine obrtanja vratila elektromotornog pogona, potrebno je razmotriti nekoliko mogućih rešenja koja mogu dati informaciju o brzini ili promeni brzine. Jedno rešenje je da se pomoću nekog od senzora za merenje brzine dobije informacija o brzini i da se ta informacija prosledi upravljačkom kolu. U ovom projektu nije korišćen senzor za merenje brzine zbog njegove cene, već se brzina procenjuje na osnovu merenja struje potrošnje. Struja potrošnje se može jednostavno meriti pomoću rednog šant otpornika. Trofazni asinhroni motor snage 550W pokazao se kao najpogodnije rešenje obzirom na zahteve konkursa (pogledati diplomski rad Miloša Živanovića). Po uslovu konkursa napajanje bi trebalo da bude monofazno, pa je za generisanje trofaznog sistema napona neophodnog za napajanje ovakvog motora potrebno obezbediti hardver koji će to omogućiti. Ovakav hardver bi se sastojao iz ispravljačkog kola i invertora. Za upravljanje invertorom potrebno je posebno upravljačko kolo i odgovarajuće pomoćno napajnje. Brzina se može zadavati analogno ili digitalno (pogledati diplomski rad Bore Novakovića). Blok šema opisanog elektromotornog pogona data je na slici 3.1. Kontrola i napajanje motora (Invertor) Informacija o brzini obrtanja vratila motora (LED, PDA) Monofazno napajanje 30V 50Hz Ispravljačko kolo (DC LINK) Digitalno i analogno zadavanje brzine ref Kontrola Zaštite Drajveri Pomoćno napajaje PHASE_A PHASE_B PHASE_C Trofazni asinhroni motor Slika 3.1 Blok šema elektromotornog pogona minidrive 6

7 6. Hardver pogona U ovom poglavlju biće opisan hardver pogona pod imenom minidrive. Pod terminom hardver se ovde podrazumevaju svi fizički opipljivi delovi uređaja, kutija u kojoj se nalazi elektronika, odnosno štampane ploče, same štampane ploče, veze između njih i veze uređaja sa spoljnim svetom pa i sam motor. Iako je motor jedna od hardverskih komponenti ovog sistema on je opisan posebno u poglavlju 4 (diplomski rad Miloša Živanovića) i neće biti razmatran u okviru ovog poglavlja. U narednom tekstu će biti opisan sistem u celini i u opštim crtama podsistemi koji su fizički odvojeni jedni od drugih kao i veze između njih. Kasnije u tekstu svakom od podsistema biće posvećeno po jedno podpoglavlje u kome će biti detaljno opisan. 6.1 Uvod Pokretanje asinhronog elektromotora i njegovo efikasno kontrolisanje zahteva složen hardver. Zahtevi konkursa u okviru koga je realizovan pogon minidrive, pa i harver koji ga je pokretao, bili su dosta strogi po pitanju sigurnosti i cene kompletnog uređaja (pogledati poglavlje 10.1 Zahtevi konkursa). Ispunjenje ovih zahteva je značilo da pri izradi hardvera, odnosno pri konstrukciji svih podsistema uređaja treba obratiti posebnu pažnju na komponente od kojih su ovi podsistemi sačinjeni. Ako se za jedan od ciljeva postavi da uređaj bude što manji, tada izrada štampanog kola i kutije, tako da hlađenje uređaja bude što efikasnije a da se ne ugroze sigurnosni standardi, predstavlja poseban izazov. Pri izboru komponenata bilo je neophodno voditi računa o njihovom temperaturnom opsegu, načinu montaže i naravno njihovoj ceni. Elektrolitski kondenzatori su birani tako da imaju maksimalni mogući radni vek na povišenoj temperaturi koja se može očekivati unutar kutije. Visokonaponski elektrolitski kondenzator koji smo koristili bio je jedan od najskupljih komponenata uređaja i najkritičniji po pitanju predviđenog radnog veka. Svi otpornici i sve komponente koje nisu temperaturno kritične su SMD da bi zauzele što manje prostora na štampi. One 7

8 komponente koje su temperaturno kritične su birane tako da imaju najveći mogući temperaturni opseg i pogodan način hlađenja. Kompletna elektronika je zatvorena u kutiju u kojoj nema strujanja vazduha pa su neke komponente, sa većom disipacijom, predimenzionisane da bi se povećala pouzdanost. Štampane ploče i layout su rađeni tako da uređaj bude što manji, a da se obezbedi pravilan rad sistema i hlađenje temperaturno kritičnih komponenti. Vrednosti napona na ploči su i preko 400V, što znači da se pri rešavanju štampanog kola moralo voditi računa i o rutiranju linija visokog napona. Pogon bi trebalo da se koristi prvenstveno u domaćinstvima, pa je sigurnost korišćenja uređaja bila jedna od bitnih stavki. Pri izradi uređaja trudili smo se da ispoštujemo što veći broj zahteva standarda IEC : Household and similar electrical appliances Safety Part 1: General requirements [6.1]. Da bismo ispoštovali što više zahteva pomenutog standarda posebnu pažnju obratili smo na uzemljenje kompletnog uređaja, ožičenje i dizajn kutije tako da ne postoji opasnost od elektičnog udara. Ne postoje ogoljeni delovi pod naponom, svi metalni delovi su propisno povezani na uzemljenje a uređaj je na napajanje povezan preko standardnog IEC30 konektora i odgovarajućeg standardnog kabla. Obezbeđeni su odgovarajući osigurači i to jedan primarni, dostupan spolja, kod konektora za napajanje i sekundarni unutar kutije. Osigurači su vezani na različite napojne vodove, jedan na fazni a drugi na nulti vod. Prekidačko kolo prekida oba voda napajanja, i fazni i nulti pa ne postoji opasnost da isključen urađaj ostane pod naponom. Uređaj je obeležen kako zahteva pomenuti standard. Svaki ulazni signal ima naznačen dozvoljeni naponski opseg i eventualno učestanost i ulaznu struju. Na kutiji se nalaze potrebna upozorenja kao i etiketa na kojoj su naznačeni osnovni podaci o pogonu Opis hardvera pogona Na slici dat je uprošćeni blok dijagram kompletnog hardvera pogona. Na dijagramu su prikazane fizički odvojene komponente sistema, tj. one koje nisu na istim štampanim pločama. Prikazani su svi ulazni signali i signali koji povezuju pojedine blokove. Energetski odnosno visokonaponski signali su prikazani podebljanim linijama, niskonaponski signali tanjim dok su digitalni signali prikazani 8

9 strelicama. Smer strelice je određen smerom signala (ulazni, izlazni ili ulazno-izlazni). Svi signali sa ove blok šeme su nabrojani i ukratko opisani u tabeli Kućište za štampane ploče EARTH SW 1 0V 50Hz F 4A IEC 30 Emi filtar Prekidno kolo Osigurač Led displej IrDA NEUTRAL PHASE VCC1_10V 0 DSR CTS TX RX SDA G L A V N A P L O Č A PHASE_A PHASE_B PHASE_C EARTH M O T O R SCL BNC Test_ulaz EARTH Slika 6.1.1: Blok šema kompletnog hardvera pogona minidrive Signali Naponski nivo Strujni Tip Opis kapacitet signala PHASE 30VAC +10/- analogni Faza, napajanje pogona 15%; 50-60Hz (u odnosu na NEUTRAL) NEUTRAL analogni Nula, napajanje pogona EARTH analogni Masa motora, kutije i signala za analogno zadavanje brzine SCL 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0) 10mA(max) (1) 0.75mA (min) () digitalni Clock I C magistrale. Izlaz sa otvorenim SDA 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0) 10mA(max) (1) 0.75mA (min) () digitalni kolektorom. Data I C magistrale Izlaz sa otvorenim kolektorom. Rx 0-5V TTL (u odnosu na 0) 5mA (max) (1) digitalni Receive signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-usart) 9

10 Tx CTS DSR Signali Naponski nivo Strujni kapacitet Tip signala Opis 0-5V TTL 5mA (max) (1) digitalni Transmit signal (u odnosu na 0) (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-usart) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 5mA (max) (1) digitalni Clear To Send (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju) 5mA (max) (1) digitalni Data Set Ready (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju) PHASE_A 0-30V; 0-170Hz 1.5A (nom) analogni Napajanje motora (u odnosu na 0) PHASE_B 0-30V; 0-170Hz 1.5A (nom) analogni Napajanje motora (u odnosu na 0) PHASE_C 0-30V; 0-170Hz 1.5A (nom) analogni Napajanje motora (u odnosu na 0) 0 0V DC analogni Masa svih gore pomenutih digitalnih signala i napajanja pomoćne ploče Vcc1_10V 10V DC 100mA analogni Napajanje male ploče Test_ulaz 0-10V DC (u odnosu na EARTH) 0.5mA Pri: Test_ulaz=10V Ulazni signal za analogno zadavanje brzine Napomena (1) - Apsolutno maksimalne vrednosti koje kola vezana na taj signal mogu da daju. Napomena () - Minimalna vrednost da bi se postigao odgovarajući V IL naponski nivo. Tabela 6.1.1: Opis signala sa blok šeme sa slike 6.1 Ako se izuzme motor, ostatak hardvera pogona je smešten u modifikovani klembert, koji predstavlja kućište za smeštanje štampanih ploča. U kućištu se nalaze dve štampane ploče, EMI filtar, prekidno kolo i potrebni konektori. Na glavnoj ploči se nalaze sve komponente odnosno sistemi neophodni za rad uređaja, dok je na pomoćnoj ploči LED displej i modul za infracrvenu komunikaciju (IrDA). Da bi se pokretao i kontrolisao trofazni asinhroni motor, potrebno je obezbediti trofazni naponski sistem promenljive učestanosti i amplitude (pogledati poglavlje 4. u diplomskom radu Miloša Živanovića i poglavlje 5. u diplomskom radu Blagoja Ušćumlića). Ovakav naponski sistem je najlakše generisati uz pomoć invertora napajanog odgovarajućim jednosmernim naponom. Za dobijanje potrebnog jednosmernog napona potrebna je neka vrsta ispravljačkog kola. Ovim kolom bi se standardni naizmenični monofazni napon 30V/50Hz, kojim se napaja naš uređaj, ispravio i eventualno podigao na nivo dovoljan za napajanje invertorskog mosta. Pored invertora neophodno je i kolo koje će kontrolisati provođenje tranzistora invertorskog mosta, odnosno periode PWM signala, tako da se dobiju željeni 10

11 visokonaponski signali. Ovo kolo može biti neki od bržih mikrokontrolera ili DSP zbog vremenskih zahteva, obima i složenosti proračuna kojima se određuje duty ratio PWM signala. Da bi se motor kontrolisao i kompenzovalo klizanje nastalo promenom opterećenja neophodno je imati neku informaciju o brzini obrtanja vratila motora. Jedna od mogućnosti je da se brzina ne meri direktno pomoću nekog senzora, već da se procenjuje na osnovu potrošnje odnosno struje statora motora. Struja motora se može izmeriti pomoću preciznog šant otpornika. Na ovaj način se izbegavaju skupi senzori odnosno dodatni uređaji koji bi se eventualno vezivali na vratilo motora. Za rad sistema potrebno je i pomoćno napajanje za niskonaponske komponente i kolo za zadavanje referentene brzine, u ovom slučaju za analogno zadavanje referentne brzine (pogledati poglavlje 10.1 Zahtevi konkursa). Svi ovi podsisitemi se nalaze na glavnoj ploči pogona. Na pomoćnoj ploči nalaze se podsistemi koji nisu neophodni za ispravno funkcionisanje pogona. Odlučeno je da pogon pored analognog ima mogućnost i digitalnog zadavanja brzine. Za vizuelno praćenje broja obrtaja vratila odabran je četvorocifreni sedmosegmentni LED displej. Ova dva modula se nalaze na pomoćnoj ploči. Sa modulima na pomoćnoj ploči se komunicira preko dva standardna interfejsa USART i I C. Ideja je bila da pomoćna ploča bude opciona čime bi se umanjila ukupna cena uređaja. Još jedna prednost ovakvog pristupa je da ne mora biti određeno šta će biti na pomoćnoj ploči, već se ona može posmatrati kao kartica za proširenje sistema. Na primer umesto trenutno korišćene infracrvene komunikacije može se postaviti radio komunikacija, a umesto LED displeja LCD displej ili neki drudi vid signalizacije. Sa kontrolerom LED displeja se komuicira preko I C magistrale, a sa modulom za infracrvenu komunikaciju preko asinhonog serijskog porta USART sa dva kontrolna signala DSR i CTS. Pomoćna ploča je sa glavnom povezana preko devetožilnog flah kabla i moguće ju je odvojiti. Kabl bi trebalo da je što kraći da bi se umanjile smetnje koje mogu nastati na vezi. Prekidač za puštanje pogona u rad, primarni osigurač i EMI filtar se nalaze u okviru posebnog modula. Na ovom modulu se nalazi i IEC30 priključak na koji se vezuje odgovarajući napojni kabl. 11

12 6. Glavna ploča Kao što je ranije pomenuto, elektronika pogona je podeljena na dve ploče. Na slici je prikazana blok šema glavne ploče. Kompletna elektronika pretvarača se može podeliti na nekoliko logičkih celina: Energetski deo (kolo za popravku faktora snage i invertorsko kolo) Pomoćno napajanje (Flyback) Mikrokontroler sa okruženjem (kontrolno i zaštitno kolo) Kolo za analogni ulaz (galvanski razdvaja DC ulaz od glavne ploče) Na blok šemi su prikazani i svi signali koji povezuju određene blokove, kao i konektori kojima se glavna ploča povezuje sa pomoćnom pločom (Konektor J3) i motorom (Konektor J). Konektori J10 J11 J1 Konektor BNC J1 1 EARTH NEUTRAL PHASE Test_ulaz EARTH Kolo za popravku faktora snage (PFC) DC_LINK 0 EARTH Pomoćno napajanje (Flyback) +15V +5V(galv) EARTH Kolo za analogni ulaz SHUNT +5V +3V 0 AN4 Kontrolno i zaštitno kolo 0 DC_LINK PHASE_A_HI PHASE_B_HI PHASE_C_HI PHASE_A_LO PHASE_B_LO PHASE_C_LO ITRIP 0 +15V Invertorsko kolo (IRAMS) VCC1_10V 0 DSR CTS Tx Rx SDA SCL PHASE_C PHASE_B PHASE_A Konektor J Konektor J3 Slika 6..1: Blok šema glavne ploče 1

13 U daljem tekstu biće dat kratak opis svakog bloka sa šeme sa slike Svaki blok je detaljno opisan u odgovarajućem podpoglavlju u okviru ovog poglavlja. Takođe su priložene i detaljne šeme svakog bloka u okviru odgovarajućeg podpoglavlja, dok se spisak korišćenih komponenti nalazi u prilogu 10. Spisak korišćenih komponenti (Bill of Materials). Prva test ploča je za ulazno kolo imala standardni ispravljački most sa dva elektrolitska kondenzatora. Kako bi pogon ispunjavao IEEE standarde koji se tiču harmonijskog sastava ulazne struje, standardno ulazno kolo je zamenjeno kolom za popravku faktora snage (Power Factor Correction Circuit - PFC). Osim značajno smanjenih viših harmonika, dobijen je i viši napon na DC link-u, što je omogućilo dobijanje veće snage na osovini motora. Kolo za popravku faktora snage je realizovano kao Follower Boost PFC, što je inovativni pristup i detaljnije će biti opisan u poglavlju 6..1 Kolo za popravku faktora snage (Power Factor Correction ). Napon dobijen na izlazu kola za popravku faktora snage (visokonaponski signal DC_LINK) dovodi se na invertorsko kolo. Kao invertorsko kolo korišćen je IRAMS modul u kome je integrisan IGBT invertorski most, potrebni drajveri, kao i određene zaštite. Njegova osnovna uloga je da napon dobijen na DC link-u pretvori u trofazni simetričan sistem napona, kojim bi se napajao sam motor. Kontrolne signale, na osnovu kojih IRAMS modul formira trofazni simetričan sistem napona, generiše mikrokontroler. Mozak celog pogona je Atmel-ov mikrokontroler ATmega 168 [6.]. Trofazni sistem napona se formira pomoću impulsno širinske modulacije, i to pomoću SVPWM algoritma (Space Vector Pulse Width Modulation). Kontrolni signali se prosleđuju IRAMS modulu i kontrolišu stanja tranzistora invertorskog mosta. Kao što je već pomenuto u poglavlju (Opis hardvera pogona), kompenzacija klizanja se vrši bez dodatnih senzora brzine. Brzina se procenjuje pomoću jačine struje DC link-a, koja se očitava sa šant otpornika. U okviru kontrolnog i zaštitnog kola su implementirane četiri vrste zaštita, i to zaštita od kratkog spoja, temperaturna, prenaponska i podnaponska zaštita. Za funkcionisanje elektronskih kola, neophodno je obezbediti i njihovo napajanje. Pomoćno napajanje je realizovano kao Flyback konvertor. Takvo rešenje je izabrano zbog potrebe za različitim naponskim nivoima, kao i zbog potrebe za galvanski izolovanim kolom za analogni ulaz, što ovakvo pomoćno napajanje omogućava. Na izlazu pomoćnog napajanja su na raspolaganju naponi od +15V, +5V, 13

14 +3V, +5V(galvanski izolovan izlaz), kao i nestabilisan izlaz od +10V koji se vodi na malu pločicu gde se stabiliše na +5V. Pomoću kola za analogni ulaz se vrši zadavanje brzine pogona. Spoljnim izvorom jednosmernog napona se dovodi napon od 0-10V čime se reguliše brzina u rasponu od obr/min. Samim tim se nameće činjenica da je potrebna galvanska izolacija ovog dela sistema. Jednosmerni napon sa ulaza prihvata pomoćni mikrokontroler ATtiny15, i prilagođava signal za glavni mikrokontroler, do koga se prenosi preko optokaplera [6.3]. Pomoćni mikrokontroler se napaja sa galvanski izolovanog izlaza pomoćnog napajanja +5V(galv). U tabeli 6. su prikazani naponski nivoi, strujni kapaciteti, kao i kratki opisi svih signala sa blok šeme sa slike 6.. Signali Naponski nivo Strujni Tip Opis kapacitet signala PHASE 30VAC +10/- analogni Faza, napajanje pogona 15%; 50-60Hz NEUTRAL analogni Nula, napajanje pogona EARTH analogni Masa motora, kutije i signala za analogno zadavanje brzine DC_LINK 380V DC.1A (nom) analogni Ispravljeni napon posle PFC-a SHUNT 0 / V 0 / 6.05A analogni Napon na šantu pomoću kojeg se meri struja potrošnje motora AN4 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0) 10mA(max) (1) 0.75mA (min) () digitalni Prenosi informaciju o zadatoj brzini do glavnog SCL SDA Rx Tx CTS 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0) 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) mikrokontrolera 10mA(max) (1) digitalni Clock I C magistrale. 0.75mA (min) () Izlaz sa otvorenim kolektorom. 10mA(max) (1) digitalni Data I C magistrale 0.75mA (min) () Izlaz sa otvorenim kolektorom. 5mA (max) (1) digitalni Receive signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-usart) 5mA (max) (1) digitalni Transmit signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-usart) 5mA (max) (1) digitalni Clear To Send (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju) 14

15 Signali Naponski nivo Strujni Tip Opis kapacitet signala DSR 0-5V TTL (u odnosu na 0) 5mA (max) (1) digitalni Data Set Ready (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju) PHASE_A_HI PHASE_B_HI PHASE_C_HI PHASE_A_LO PHASE_B_LO PHASE_C_LO 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) 0-5V TTL (u odnosu na 0) ITRIP V / 5V(visk nivo) PHASE_A 0-30V; 0-170Hz (u odnosu na 0) PHASE_B 0-30V; 0-170Hz (u odnosu na 0) 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS 5mA (max) (1) analogni / digitalni Merenje temperature IRAMS modula / Temperaturna zaštita IRAMS modula 1.5A (nom) analogni Napajanje motora 1.5A (nom) analogni Napajanje motora PHASE_C 0-30V; 0-1.5A (nom) analogni Napajanje motora 170Hz (u odnosu na 0) +15V 15VDC 100mA analogni Napajanje IRAMS modula i PFC-a +5V 5VDC 00mA analogni Napajanje glavnog mikrokontrolera i zaštitnog kola +3V 3VDC 1mA (3) analogni Napajanje zaštitnog kola +5V(galv) 5VDC 50mA analogni Napajanje kola za analogni ulaz Vcc1_10V 10V DC 300mA analogni Napajanje male ploče Napomena (1) - Apsolutno maksimalne vrednosti koje kola vezana na taj signal mogu da daju. Napomena () - Minimalna vrednost da bi se postigao odgovarajući V IL naponski nivo. Napomena (3) - Za maksimalnu varijaciju napona od 10% Tabela 6..1: Opis signala sa blok šeme sa slike 6. 15

16 6.. Pomoćno napajanje Pomoćno napajanje je kolo koje bezbeđuje napajanje elektronskih komponenata koje rade na nižim naponskim nivoima od ostatka kola. Neke od osnovnih karakteristika pomoćnog napajanja potrebnog za realizaciju minidrive elektromotornog pogona su: - Ulazni napon je ispravljeni mrežni napon od 0VAC (oko 30V), odnosno napon sa izlaza kola za popravku snage (oko 400V) - Procenjena izlazna snaga od oko 6W. - Potrebna najmanje dva galvanski razdvojena naponska izlaza od oko 10V i 0V. - Što manje dimenzije na štampanoj ploči. U toku realizacije minidrive projekta imali smo nekoliko mogućih rešenja za pomoćno napajanje uređaja. U daljem tekstu biće detaljno opisano samo pomoćno napajanje koje realizovano u pogonu a ukratko će biti opisana i varijanta koja je bila prvi izbor pri projektovanju pogona Prekidački izvori za napajanje Poslednjih godina prekidački izvori za napajanje (SMPS Switch Mode Power Supply) se sve više koriste. Koriste se sve veće prekidačke učestanosti, što znači da se za istu izlaznu snagu mogu isprojektovati manji i jeftiniji induktivni elementi, koji su i najskuplja stavka kod ovakvih uređaja. Za male snage, sve su dostupnija kontrolna kola koja u sebi imaju integrisane prekidačke elemente, kontrolnu logiku i potrebne zaštite. Ovo znači da je projektovanje znatno olakšano, istovremeno je smanjen broj komponenata a time dimenzije i cena celog sistema. Pored niske cene i malih dimenzija, prekidački izvori obično imaju i male gubitke, pogotovo kada su u pitanju velike izlazne struje a manje razlike između ulaznog i izlaznih napona. Gotovo su neophodni za napajanje modernih procesorskih kola koja zahtevaju veoma stabilne napone od samo nekoliko volti a veoma velike struje, čak do nekoliko desetina ampera. 16

17 Osnovna mana ovakvih uređaja je to što su oni veliki izvor elektromagnetnih smetnji, a u poslednje vreme se sve više obraća pažnja na elektromagnetnu kompatibilnost elektronskih uređaja. Zahtevi konkursa (pogledati poglavlje 10.1) i koncept po kom je razvijan minidrive pogon imaju veoma stroge zahteve po pitanju efikasnosti, cene i fizičkih dimenzija pogona (pogledati poglavlja 1 i ). Ova činjenica i potrebna izlazna snaga pomoćnog napajanja, su glavni razlozi zbog kojih je izabran prekidački izvor za napajanje. Potreba za galvanskim razdvajanjem, velika razlika između ulaznog i izlaznih naponskih nivoa kao i veći broj izlaznih naponskih nivoa diktira izbor topologije na neku koja koristi transformatorsku spregu. Najjednednostavnija topologija DC-DC konvertora sa transformatorskom spregom je Flyback tipa. Pomoćno napajanje minidrive pogona je bazirano na ovom tipu konvertora Flyback konvertor Konvertori Flyback tipa su veoma jednostavne topologije, uprošćena šema jednog Flyback konvertora sa više izlaza data je na slici Neke od prednosti konvertora ovog tipa su: - Sors prekidačkog mosfeta je na masi što olakšava kontrolu. - Za ovaj konvertor postoje kontrolna kola sa integrisanim MOSFET-om, kontrolnom i zaštitnom logikom. - Poseduju samo jedan induktivni element odnosno jedan transformator. Ovaj transformator ima dvostruku ulogu, obezbeđuje galvansko razdvajanje i induktivnost potrebnu za funkcionisanje konvertora. Transformator omogućava da se na jednostavan način obezbediti veći broj izlaznih napona povećanjem broja sekundara. Pošto su svi sekundari spregniuti dovoljno je kontrolisati samo jedan izlaz, ostali će ga prilično dobro pratiti. - Još jedna od pogodnosti korišćenja transformatorske sprege je mogućnost korišćenja prenosnog odnosa transformatora za snižavanje napona kada su velike razlike između ulaznog i izlaznih napona. - Ovakav konvertor je idealan za male izlazne snage kada su jednostavnost, niska cena i male dimezije bitan faktor. 17

18 V DC + L M Kontrola G n P D n S1 V + OUT1 - I P S + V - OUTn n Sn Slika 6...1: Uprošćena šema Flyback konvertora Neke od mana konvertora Flyback tipa su: - Relativno visok napon na prekidačkom elementu. Prekidački element je obično MOSFET tranzistor. - Napon na prekidačkom elementu može dodatno porasti usled prisustva rasipne induktivnosti transformatora. Da bi se sprečilo uništenje prekidačkog elementa obično je, za konvertore ovog tipa, neophodno i Clamp kolo, ovo smanjuje efikasnost konvertora pa je potrebno pažljivo isprojektovati i namotati transformator da bi se rasipna induktivnost minimizovala. - Struja na primaru transformatora odnosno iz ulaznog izvora za napajajnje je diskontinualna. Ovo može biti izvor ozbiljnih elektromagnetnih smetnji pa na ulazu uređaja sa napajanjem ovog tipa neophodan EMI filtar. - Na sekundarima transformatora struja je takođe diskontinualna. Da bi se postigla zadovoljavajuća talasnost izlaznog napona, na izlazima su obično potrebni kondenzatori sa malim serijskim otpornostima, čija je cena nešto veća, ili LC filtri Kontrolna kola Na tržištu se danas može naći veliki broj kontrolnih kola za DC-DC konvertore male snage, većina ovih kola zahtevaju veoma mali broj ekstenih komponenti. Najčešće se mogu naći kontroleri za konvertore Buck i Flyback tipa. Neka proizvodjači nude kontrolna kola sa integrisanim prekidačkim tranzistorima koja su specijalno projektovana za konvertore malih izlaznih snaga koji spuštaju 18

19 napon direktno sa ispravljenog mrežnog napona. Da bi knvertor radio sa ispravljenog mrežnog napona integrisani tranzistori moraju biti predviđeni za dosta visoke napone, obično V. Proizvođač integrisanih kola ON-Semicondiuctor ( nudi čitave serije ovakvik kola, serije nose oznaku NCP. Kola su specijalno dizajnirana za kontrolisanje Flyback konvertora osnosno za napajanja malih snaga napajana sa mrežnog napona (tzv. Off Line SMPS). Za ova kola proizvodjač pored vrlo detaljne dokumentacije nudi simulacione modele za OrCAD, a za NCP105x i Excel tabele koje olakšavaju dizajn konvertora. Modeli i tabele se mogu skinuti sa sajta proizvođača a dati su i na pratećem CD-u. Kola serije NCP101x i NCP105x su vrlo slična. Poslednji broj u oznaci određuje za koju izlaznu snagu je projektovano kolo. Kola imaju integrisan MOSFET na 700V, kontrolnu logiku za regulaciju izlaznog napona i integrisano samonapajanje, pa je broj eksternih komponenti minimalan. Povratna sprega se ostvaruje preko jednog optokaplera pa nisu potrebni dodatni namotaji na istoj masi sa primarom. Regulacija je tipa strujnog programiranja kod obe vrste kola. Kola obe serije imaju neku vrstu šetanja prekidačke učestanosti da bi se poboljšala elektromagnetna kompatibilnost uređaja. Integrisana je temperaturna zaštita i zaštita od preopterećenja, u slučaju kratkog spoja na izlazu kola ulaze u poseban režim rada koji štiti mosfet od pregrevanja. Kola NCP101x serije imaju nešto napredniju regulaciju od kola NCP105x serije. Prekidačka učestanost (centralna učestanost prekidanja [6.18]) je fiksna i proizvodjač nudi kola na 65kHz, 100kHz i 130kHz. Prekidanje se vrši stalno a regulacija se obavlja variranjem maksimalne struje MOSFET-a, maksimalna struja praktično zavisi od izlazne potrošnje. Samo pri vrlo maloj izlaznoj potrošnji kolo ulazi u takozvani skip cycle mod odnosno preskače neke prekidačke periode. Na ovaj način je u regularnom radu obezbeđena vrlo fina regulacija čak i na spregnutim izlazima koji nisu direktno kontrolisani. Pored nešto naprednije kontrole ova kola imaju još jednu prednost u odnosu na NCP105x seriju tj. imaju integrisan soft start u trajanju od 1ms. Tokom ovog perioda kolo postepeno podiže maksimalnu struju MOSFET-a. Ovo poboljšava ponašanje konvertora prema mreži jer se smanjuje struja pri uključivanju odnosno pri punjenju kondenzatora, tzv. in-rush-current.. Na slici 6... su ilustrativno dati rezultati simulacije za Flyback konvertor sa NCP1013 i NCP1053 kolima. Sa slike se može videti koja je razlika u radu kola. Očigledno je da NCP1013 ima bolje karakteristike. Na slici 6...-(a) za NCP1013 se mogu videti 19

20 izlazni napon, napon na drejnu MOSFET-a i struja kalema. Kolo normalno radi u DCM-u (Discontinuous Conduction Mode), osim u toku prelaznih procesa jer izlazni naponi nisu dostigli dovoljno visoku vrednost. Na graficima se može videti kako kolo reaguje na promenu opterećenja, na oko 3,3ms od početka simulacije napunjeni su izlazni kondenzatori i konvertor prelazi u regularan režim rada odnosno pada mu izlazna struja. Vidi se da kolo reguliše izlazni napon promenom maksimalne struje MOSFET-a. Ovo kolo je bilo naš prvi izbor pri projektovanju pomoćnog napajanja za minidrive elektromotorni pogon ali u to vreme nije bilo lako dostupno na tržištu, posebno u malim količinama, pa smo se preorjentisali na NCP105x seriju kola. Za detaljnije informacije o ovim kolima pogledati datasheet za bilo koje kolo NCP101x serije [6.18]. 40V 0V SEL>> 0V 1.0KV V(OUT) 0V -1.0KV 400mA V(DRAIN) 0A -400mA 0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms.0ms.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms I(LP) Time (a) m A 0 A S E L > > m A 3 0 V I ( L P 1 ) 0 V 1 0 V 0 V 0 s 1 m s m s 3 m s 4 m s 5 m s 6 m s 7 m s 8 m s 9 m s 1 0 m s V ( O U T ) T i m e (b) Slika 6...: (a)rezultati simulacije za konvertor sa NCP1013 kolom- 1. grafik: napon na izlazu,. grafik: napon na drejnu i 3. grafik: struja drejna. (b) Rezultati simulacije za konvertor sa NCP1053 kolom- 1. grafik: struja drejna i. grafik: napona na izlazu. 0

21 Kola NCP105x serije kao i NCP101x imaju fiksnu učestanost prekidanja i postoje verzije na 44kHz, 100kHz i 136kHz. Kontrola se obavlja nekom vrstom histerezisnog strujnog programiranja. MOSFET se uključuje odnosno isključuje u zavisnosti od izlaznog napona i signala prekidačkog radnog takta [6.19]. Još jedan od faktora koji isključije prekidač je maksimalna struja tranzistora koja je fiksna. Nudi se šest varijanti kola sa različitim maksimalnim strujama, od NCP1050 sa maksimalnom strijom prekidača od 100mA do kola NCP1055 čija je maksimalna struja 650mA. Maksimalna struja prekidača zajedno sa učestanošću prekidanja određuju koja je maskimalna snaga koju izvor sa datim kolom može da postigne. Pre izbora odgovarajućeg kontrolnog kola iz ove serije neohodno je odrediti još neke od parametara potrebnog izvora za napajanje Specifikacije U slučaju minidrive elektromotornog pogona naponski nivoi vezani za pomoćno napajanje su nabrojani u tabeli Naponski nivo Strujni kapacitet Oznaka signala na šemi Opis Ulazni V* - DC_LINK Ulazni napon u kolo za pomoćno napajanje. Ovo je napon DC linka koji treba spustiti na nivoe pogodne za niskonaponsku digitalnu i analognu elektroniku. Treba obezbediti i galvansko razdvajanje od ovog visokonaponskog ulaza. Izlazni 15V 100mA +15V 15V za napajanje IRAMS modula, maksimalna struja predviđena za ovaj izlaz je oko 100mA 5V 350mA +5V 5V za napajanje mikrokontrolera IC komunikacije i LED displeja, masimalna struja predviđena za ovaj izlaz je 350mA. Predviđeno je da potrošnja bude približno raspodeljena na sledeći način: o o o 100mA za IRDA modul 50mA za mikrokontroler i okruženje 00mA za LED displej 5V 50mA +5V(galv) 5V galvanski odvojeno od ostatka kola za napajanje kola za analogni ulaz, maksimalna struja predviđena za ovaj izlaz je oko 50mA * - Ovako širok opseg je izabran jer prvo počinje da radi kolo za pomoćno napajanje a tek onda PFC, zbog čega se pomoćno napajanje jedno vreme napaja sa ispravljenog mrežnog napona. Sa druge strane DC link prilikom kočenja, pre aktiviranja prenaponske zaštite, može dosta porasti. Tabela 6...1: Naponski nivoi na ulazu i izlazima pomoćnog napajanja 1

22 Izlazni naponski nivoi iz tabele se koriste za napajanje digitalne i analogne elektronike. Odlučeno je da se za dobijanje stabilnih naponskih nivoa koriste linearni stabilizatori. Postoji nekoliko razloga zbog kojih smo se odlučili za korišćenje stabilizatora. Prvi razlog je veliki opseg potrošnje, uglavnom zbog LED displeja, i činjenica da će biti više izlaznih napona a da će se preko povratne sprege kontrolisati samo jedan. Drugi razlog je smanjenje ripla izlaznog napona jer je odlučeno sa se na izlaze stavljaju samo kondenzatori a ne LC filtri. Treći razlog je temperaturna stabilizacija napona jer je odlučeno da naponska referenca bude obična Zenner dioda na 10V. Posledica ove odluke je da su na izlazu konvertora potrebni nešto veći naponski nivoi. Izabran je pad napona od 5V na stabilizatorima zbog veće pouzdanosti i zaštite od eventualnog propada napona pri naglim promenama potrošnje koje može da izazove LED displej. U tabeli 6... dati su potrebni naponski nivoi na izlazima konvertora i maksimalne snage za svaki od izlaza. Naponski Oznaka signala Strujni Maksimalna Napomena nivo na šemi kapacitet Snaga 0V VCC1_0V 100mA W Za ulaz stabilizatora na 15V koji napaja IRAMS 10V VCC1_10V 350mA 3.5W Za ulaz stabilizatora na 5V koji napaja mikrokontroler i IRDA, LED modul. 10V VCC_10V(galv) 50mA 0.5W Za stabilizator na 5V koji napaja kola za analogni ulaz. Ukupna maksimalna izlazna struja: 500mA Maksimalna izlazna snaga Pout= 6W Tabela 6...: Naponski nivoi i potrošnja na izlazima konvertora Iz tabele 6... se vidi da je potrebno isprojektovati konvertor koji na izlazu mora dati minimalno 6W. Ovo je korisna izlazna snaga, konvertor treba projektovati za nešto veću snagu jer treba uzeti u obzir i gubitke. Može se pretpostaviti efikasnost od oko 70% [6.19] Implementacija pomoćnog napajanja u pogon minidrive Disipacija čipa Hladjenje komponenata na ploči manjih dimenzija i odvođenje toplote iz kućišta kakvo je predviđeno za minidrive elektromotorni pogom može biti ozbiljan

23 izazov pogotovo ako je radni temperaturni opseg uređaja širok kao u našem slučaju (pogledati poglavlje:. Specifikacije pogona). NCP105x kontrolna kola imaju integrisan prekidački element pa je neophodno obratiti posebnu pažnju na gubitke kola i njegovo pravilno hlađenje. Sva kola NCP105x serije su dostupna u DIP8 i SOT3 pakovanju [6.19], za ovaj projekat opredelili smo se za DIP8 varijantu iako SOT3 ima nešto bolje termičke karakteristike, razlog za ovo je lakša montaža i lakša zamena u slučaju kvara. Maksimalna snaga gubitaka na kolu se dobija na osnovu maksimalne radne temperature ambijenta u kom se kolo nalazi T AMBmax, koja iznosi 85 o C [1.4], i maksimalne temperature kola T Jmax iz sledeće relaije: Ο Ο TJ max TAMB max PD max = = = 519mW R 77 θja (6...1) R θja je termička otpornost od kola (silicijumske pločice) do okoline pod pretpostavkom da je kolo na 5 mm bakra (1,5cm x 1,5cm popuna mase). Ovo je maksimalna disipacija kola i ona se deli na nekoliko izvora gubitaka unutar inegrisanog kola: 1. Prekidački gubici. Gubici kod uključenja mosfeta ne postoje jer je tada struja mosfeta I P = 0 pošto kolo radi u DCM modu. Međutim postoje parazitne kapacitivnosti MOSFET-a i kola za samonapajanje koje treba napuniti prilikom uključivanja MOSFET-a što izaziva gubitke. Kapacitivnosi se mogu naći u tabeli 16 datasheet-a za NCP105x kola [6.19]. Gubici se mogu proceniti na ocnovu prekidačke frekvencije f SW, napona na visokonaponskom ulazu kola V DC i pomenute parazitne kapacitivnosti C PAR na osnovu relacije: 1 P SW = f SW C PARVDC (6...) Vrednosti parazitne kapacitivnosti se može naći u datasheet-u za NCP105X kola (Figure 16 - [6.19]). Za najgori slučaj parazitna kapacitivnost iznosi oko 6pF, pa su gubici za sve tri radne učestanosti: Učestanost kola Gubici 44kHz 16mW 100kHz 36mW 136kHz 50mW Tabela 6...3: Prekidački gubici 3

24 . Gubici kola za samonapajanje. Ovi gubici su zanemarljivi ako na koristi samonapajanje. Ako se ipak koristi gubici ovog dela integrisanog kola se mogu proceniti iz ulaznog napona V DC u konvertor i tipične struje kola za samonapajanje I CC1 [6.19] na osnovu relacije: P = V I (6...3) SUP DC CC1 U najgorem slučaju ovi gubici iznose oko 190mW. 3. Ostalo možemo iskoristiti za kondukcione gubitke mosfeta. Ako izaberemo varijantu na 100KHz ovi gubici iznose: P DMOS = 519mW - 36mW -190mW = 93mW (6...4) Predviđeni temperaturni radni opseg pogona je veoma širok a elektronika je zatvorena u klembert bez protoka vazduha zbog čega je dobro uzeti kolo sa najmanjom otpornošću mosfeta da bi se što manje grejalo. NCP1053, NCP1054 i NCP1055 imaju manju otpornost mosfeta od ostalih kola u seriji i ona iznosi R DSON 10Ω [6.19]. Na osnovu ove vrednosti može se naći maksimalna struja drejna za gore pomenute uslove hladjenja: DMOS PRMS P = I R I = DSON PRMS P R DMOS DSON (6...5) I PRMS d 3 = I PMAX I PMAX = I PRMS (6...6) 3 d Ako se usvoji da je d (duty ratio) oko 40%, za maksimalnu struju drejna I PMAX se dobija vrednost od 470mA. Kolo sa maksimalnom strujom drejna ispod ove vrednosti je NCP1053. Ako se za pomoćno napajanje koristi ovo kolo, pod gore pomenutim uslovima, u kontinualnom radu, ne bi trebalo da dođe do njegovog pregrevanja. Prenosni odnos transformatora Kontrolna kola NCP105X serije imaju integrisan n-kanalni prekidački MOSFET tranzistor. Ni u kom slučaju se ne sme dozvoliti provodjenje diode supstratdrejn, da bi ovo bilo ispunjeno postoje ograničenje za prenosni odnos transformatora. Prilikom prekidanja javljaju se prigušene osilacije usled parazitnih induktivnosti i 4

25 kapacitivnosti. Maksimalna amplituda ovih oscilacija jednaka je reflektovanom naponu sa sekundara na primar. Oscilacije se javljaju pri isključenju izlaznih dioda kada je srednja vrednost napona na drejnu V DC (pogledati sliku 6...3). Da bi napon na drejnu uvek bio pozitivan reflektovani napon nikada ne sme biti veći od ulaznog napona. Ako se pretpostavi da je minimalni ulazni napon V Dcmin = 00V i maksimalni napon na direkno polarisanoj izlaznoj diodi V f, prenosni odnos transformatora n je ograničen sa: n n P n = (6...7) S n + < (6...8) ( VOUT V f ) VDC min V n V DC min OUT + V f 00V = 10V + 1.5V = (6...9) Slika Talasni oblik napona an drejnu prilikom prekidanja Postoji još jedno ograničenje prenosnog odnosa transformatora. Ovo ograničenje diktira maksimalni napon na drejnu MOSFET-a koji u ovom slučaju iznosi V DSmax = 700V. Ako se pretpostavi da je maksimalna amplituda oscilacija koje nastaju prilikom osključivanja mosfeta V RAS = 80V dobija se: n < ( VOUT + V f ) + VDC max + VRAS VDS max V n DS max V V OUT RAS + V V f DC max = (6...10) (6...11) 5

26 Vrednost za amplitudu oscilacija prilikom isključenja MOSFET-a V RAS =80V uzeta je kao sigurnosna mera i pod pretpostavkom da postoji posebno clamp kolo koje će ograničiti amplitudu ovih scilacija. Uzima se manja vrednost od prethodne dve. Zbog lakšeg računa Vrednost za prenosni odnos transformatora biće zaokružena na prvi manji ceo broj n = 14. Sada je reflektovani napon Vr=161V što nam ostavlja marginu od 89V do maksimalnog napona drejn sors. Prethodni proračun je izvršen za jedan od izlaznih namotaja. Da bi se dobile vrednosti ostalih izlaznih napona, prenosni odnosi za sve namotaje su: n S1 : ns : ns 3 = :1:1 n n : n : n 14 : :1:1 (6...1) P : S1 S S 3 = Čak i pored pažljivog izbora prenosnog odnosa transformatora nemoguće je sprečiti makar kratkotrajnu direktnu polarizaciju baza drejn u slučaju kada ulazni filtar ima veliku kapacitivnost. U tom slučaju ulazni kondenzator se pri nestanku napajanja sporo prazni pa baza-drejn biva direktno polarisan, što posle samo nekoliko isključivanja uređaja uništava kolo. Da bi se ovo sprečilo može se postaviti dioda kao D5 na slici Ova dioda mora biti brza i dimenzionisana za visoke napone, preko 700V. U našem slučaju iskorišćena je dioda BYM6E (V R = 1000V; I F = 1A t RR = 75ns). Izlazne diode Diode za prekidačka napajanja koja rade na višim učestanostima moraju biti brze odnosno moraju imati malo kratko vreme oporavka (Reverse Recovery Time). Mogu se koristiti Shottky diode ili brze ispavljčke diode. Pre izbora odgovarajućih dioda neophodno je odrediti maksimani inverzni napon na diodama V INVmax : V V = + V DC max I NV max OUT (6...13) nmin U najgorem slučaju ovaj napon iznosi 85V i to za najveći izlazni napon. Bitno je još odrediti i maksimalnu i PEAK i maksimalnu srednju struju diode I max. Srednja struja se može dobiti iz maksimalne izlazne snage za pojedine izlaze a maksimalna iz 6

27 prenosnog odnosa transformatora i maksimalne struje magnetizacione induktivnosti L M : P I = OUT max (6...14) VOUT i PEAK = I max n (6...15) P Izlazi [V] V INVmax [V] I max [A] i PEAK [A] Tabela 6...4: naponi i struje izlaznih dioda Ako se opredelimo za iste diode na svim izlazima možemo izabrati Shottky diodu 3A, 100V MBRS3100T3, mada bi bolje bilo uzeti neke sa većim inverznim naponima pošto su Shottky diode osetljive na prenapone. Na našem uređaju već koristimo brze MUR160 diode pa se mogu one iskoristiti ili neke sa inverznim naponom većim od 100V ( pogodne su MUR10 i MUR130). Mi smo zbog pogodnog SMD pakovanja izabrali STTA106 brze diode 1A, 600V, (D7, D8 i D9 na slici 6...4) ali su u prototip pak ugrađene diode MUR160. Magnetizaciona induktivnost transformatora L M Maksimalni duty ratio d za NCP1053 je 74%. [6.19] ali se prporučuje da konvertor radi u DCM (Discontinuous Conduction Mode) i da d bude ispod 48% [6.0] zbog pojave subharmonijskih oscilacija.. Maksimalna struja drejna I P za NCP1053 je od 37mA do 48mA. Na ovoj vrednosti struje drejna se obavezno gasi MOSFET. Ako se opredelimo za varijantu kola na f sw = 100kHz prekidački period iznosi T sw =10uS. Vreme uključenog prekidača T ON i isključenog prekidača T OFF u najgorem slučaju se mogu dobiti iz relacija: I P T ON = LM (6...16) VDC min T OFF I P = LM (6...17) n V + V ) ( OUT f 7

28 Vf je napon na direktno polarisanoj izlaznoj diodi i on za STTA106 maksimalno iznosi 1,5V. Da bi kolo radilo u DCM mora biti ispunjen uslov: T ON + T T (6...18) OFF SW Odnosno: L M I P 1 ( V DC min + 1 T n( V + V ) ) OUT f SW (6...19) Sada prema potrebnoj izlaznoj snazi računamo I P mosfeta a onda L Mcrit tako da konvertor ostane u DCM-u, a da kroz transformator prenosimo maksimum energije. Nama je potrebno 6W. Ako pretpostavimo da je koeficijent korisnog dejstva konvertora η=0.70 dobija se: P OUT P OUT = 1 LM I P f SW I P = (6...0) ηlm f SW Kombinacijom jednačina i dobija se da za kritičnu vrednost magnetizacione induktivnosti L Mcrit važi: T SW = L M crit ηf P SW OUT L M crit V 1 + n( V DC min OUT 1 + V f (6...1) ) Odavde se može naći kritična vrednost magnetizacione induktivnosti. Za vrednosti magnetizacione induktivnosti iznad kritične kolo počinje da radi u CCM (Continuous Conduction Mode). L = f SW P OUT ( V Mcrit = 4. 3 V DC min R ( V + V V + V ) R R ) η DC min DC min mh VR je reflektovani napon sa sekundara transfrmatora i on iznosi: (6...1) V = n V + V ) (6...1) R ( OUT f Postoji još jedno ograničenje za magnetizacionu induktivnost transformatora. Ovo ograničenje je uslovljeno činjenicom da ne želimo da d (duty ratio) bude veći od 48%. L Mmax je vrednost magnetizacione induktivnosti iznad koje konvertor radi sa d>48% i može se dobiti iz relacije: L d V = max DC min M max I P max f (6...1) SW Za NCP1053 I Pmax se kreće od 37mA do 48mA, ako uzmemo da je maksimalna vrednost struje drejna I Pmax = 48mA, dobija se L Mmax =,4mH. Na osnovu prethodnog proračuna može se zaključiti da maksimalna dozvoljena vrednost za 8

29 magnetizacionu induktivnost iznosi,4mh. Ako se opredelimo za magnetizacionu induktivnost čija je vrednost mh na izlaz, sa kolom NCP1053 na 100kHz, možemo preneti maksimalnu snagu od oko: P 1 OUT = 7 max = η LM I P f SW 9. W (6...) max Ovo je više nego dovoljno. Za ovu vrednost L M, kada je potrošnja najveća predviđena P OUT = 6W, u kontinualnom radu dobijaju se sledeće karakteristične vrednosti: POUT I P = = 9mA (6...3) η L f d d I I M L SW P P SW max = = VDC min I L P P SW min = = VDC max f f d max ms = I P 91mA 3 Pr = Za kontinualan rad se sada može naći ukupna disipacija kontrolnog kola: P rms PD = I RDSON + PSW + PSUP = 83mW + 36mW + 190mW = 309mW Na osnovu dobijenuh vrednosti za kontinualan rad možemo izračunati maksimalnu radnu temperaturu okoline kola a da se kolo pri tom ne pregreje, za izlaznu snagu od 6W, pod pretpostavkom da je na 5mm bakra za hlađenje. Ο Tamb max = T j max PMOS Rθ ja = = 101 (6...4) Karakteristike potrebnog transformatora su date u tabeli Opis Oznaka Vrednost Broj namotaja 4 (primar +3 sekundara) Radna učestanost f 100kHz Magnetizaciona induktivnost primara L M mh Porenosni odnos transformatora 14::1:1 Maksimalni napon na primaru V DC 700V Maksimalna srednja struja primara I Prms 100mA Mksimalna srednja struja 1.,. i 3. sekundara I S 1, I S, I S 3 100mA, 350mA, 50mA Mksimalna izlazna snaga Pout Oko 6W Tabela Karakteristike potrebnog transformatora. 9

30 Clamp kolo Clamp kolo štiti prekidački MOSFET od proboja usled prenapona. Prenapon se kod kola ovog tipa javlja usled rasipne induktivnosti transformatora i naglog prekidanja struje primara. Clamp kolo na slici pretstavljaju elementi R7, C4 i D4. Pretpostavimo da rasipna induktivnost transformatora iznosi 3% magnetizacione induktivnosti L M [6.]: Lγ = 0.03LM = 60uH (6...5) Reflektovani napon sa sekundara je VR = n( VOUT + V f ) = 151V (6...6) Uzimamo da će Clamp kolo da proradi na V clamp =0V i da će ograničiti napon na drejnu na: V D = 450V + 0V 670V (6...7) max = U našem slučaju opredelili smo se za RCD clamp kolo. Treba dimenzionisati otpornik i kondenzator tako da u kontinulalnom radu dioda provede kada napon na drejnu skoči na oko 670V. Vrednosti kondenzatora i otpornika se mogu proceniti iz sledećih jednačina: R C V clamp ( V = Lγ I V clamp R clamp = P max f SW ) k, recimo k 3W (6...8) Vclamp = = 4. nf (6...9) V f R clamp 7 ripple SW clamp Jednačine su dobijene na osnovu pretpostavke da se sva energija rasipne inuktivnosti disipira na otporniku. Ta energija je jednaka energiji koja se troši na otporniku kada se on veže za kondenzator koji je stalno napunjen na napon V clamp. Kondenzator se procenjuje na osnovu željene talasnosti napona na otporniku. Mnogo sigurnije vrednosti se mogu dobiti simulacijom. Za ovo pomoćno napajanje simulacijom je utvrđeno da se dobri trezultati dobijaju za vrednosti: R clamp = kω, 5W C clamp = 10nF, 500V Maksimalni napon na diodi iznosi probližno 670V, kao i V Dmax. Na osnovu ovog podatka treba izabrati odgovarajuću diodu. Potrebna je brza dioda koja izdržava napone preko 700V. Može se iskoristiti bilo koja brza dioda a mi smo se zbog lake nabavke opredelili za BYM6E (V R = 1000V; I F = 1A t RR = 75ns). 30

31 Napajanje kontrolnog kola NCP1053 ima integrisano samonapajanje DSS (Dynamic Self Supply), pa je za ispravno startovanje i rad kola potreban samo jedan kondenzator od pina broj 1 do mase. Kolo za napajanje se ponaša kao strujni izvor i konstantnom strujom puni kondenzator do 8.5V zatim se kondenzator prazni do 7.5V pa opet puni. Na ovaj način se obezbeđuje napon potreban za rad kontrolne logike. Period punjenja i pražnjenja je određen veličinom kondenzatora. Ukoliko se u toku prvog perioda ne uspostavi povratna sprega kolo će ući u zaštitni mod. Ovo štiti kolo od eventualnog kratkog spoja ili kvara na optokapleru. Za više informacija pogledati datasheet za NCP1053 [6.19]. Kondenzator od 10uF (C30 na slici 6...4) daje dovoljno vremena da se napune izlazni kondenzatori od po približno 100uF na tri izlaza, kao u našem slučaju. Moguće je dovesti i spoljašnje napajanje ali to isključuje pomenute zaštite i frekvencijsko šetanje koje je kontrolisano oscilovanjem napona napajanja od V. Spoljašnje napajanje se može izvesti vezivanjem izlaznog napona na pin 1 kola preko otpornika koji će dozvoliti napon od oko 8.5V pri radnoj struji kola oko 0.5mA [6.19]. Za izlazni napon od 10V dovoljan je otpornik čija otpornost može biti od 1kΩ do.6 kω. Na šemi je ostavljena mogućnost korišćenja spoljašnjeg napajanja, otpornik R31 na slici 6...4, ali u realizovanom pogonu ona nije korišćena ni testirana. Povratna sprega i stabilizatori Povratna sprega je ostvarena preko optokaplera (U7 na slici 6...4). Referenca je obična zener dioda na 10V (D6 na slici 6...4). Struja kroz diodu i optokapler je ograničena otpornikom od 1kΩ (R3 na slici 6...4). Izlazni filtri su kondenzatzori od 100uF i 100nF (C3, C35, C38, C33, C36, C39 na slici 6...4). Na izlaze su stavljeni standardni stabilizatori, 7805 za dobijanje napona od 5V i 7815 za dobijanje napona od 15V sa potrebnim kondenzatorima (C34, C37, C40 na slici 6...4). Napon od 3V se dobija preko razdelnika napona i može služiti samo kao naponska refernca. 31

32 Transformator Prilikom projektovanja transformatora za prekidačko napajanje ovog tipa neophodno je obratiti pažnju na: 1. Izbor jezgra.. Način na koji se izvode namotaji. Jezgro mora biti dovoljno veliko da obezbedi prenos potrebne snage na izlaz i mora biti izrađeno od feritnog materijala koji neće imati previše velike gubitke na učestanosti na kojoj radi konvertor. Sa druge strane treba izabrati najmanje moguće jezgro zbog prostora na štampanoj ploči. Naponi na izvodima transformatora idu do nekoliko stotina volti pa se trafo mora namotavati u slojevima koji su međusobno izolovani. Način na koji se raspoređuju slojevi namotaja utiče na vrednosti rasipne induktivnosti koja doprinosi povećanju gubitaka konvertora, najbolje je namotavati naizmenično primarni i sekundarne namotaje, takozvano motanje u sendvič. Opredelili smo se za jezgra E tipa zbog njihove niske cene i širokog izbora veličina i širina zazora. Dimezije jezgra i zazor se mogu odrediti pomoću A L parametra (faktor induktivnosti) [6.5] koji je dat u katalogu za svako jezgro i odgovarajući zazor. Odlučili smo se za jezgra koja proizvodi kompanija EPCOS ( pa su imena materijala i oznake iz njihovih dokumenata. Sva dokumentacija i softver za pomoć pri projektovanju jezgara se može naći na njihovom sajtu ( a biće data i na pratećem CD-u. Jezgro transformatora za pomoćno napajanje minidrive prototipa je izabrano iterativnim postupkom, tako što je za više kandidata obavljen proračun opisan u sledećem tekstu a onda odabrano ono koje najbolje odgovara našim pootrebama. Potrebna nam je primarna induktivnost od mh a maksimalna struja kroz namotaj je 48mA iz čega se može naći maksimalni fluks kroz konturu: ψ = = LM I P max 856μTm (6...30) U katalogu se za svako jezgro i odgovarajući zazor može naći parametar A L faktor induktivnosti. Za ovu veličinu važi: L M L p = A N (6...31) 3

33 Iz prethodne jednačine se za svako jezgro koje posmatramo može naći potreban broj navojaka za postizanje tražene induktivnosti: L M N p = (6...3) AL Takođe mora biti ispunjen uslov da indukcija kroz jezgro mora uvek biti manja od maksimalno dozvoljene za dato jezgro i materijal B S, što se može naći u katalogu materijala od kojih se proizvode jezgra [6.4]. Za svako jezgro iz kataloga se može naći minimalni poprečni presek A min. Kako jezgro ne bi ušlo u zasićenje mora biti ispunjena relacija: B Ψ = BS N A < max (6...3) p min Ako je ispunjen prethodni uslov iz jednačina i se može odrediti broj navojaka za svaki namotaj. n = = (6...3) P : ns1 : ns : ns 3 14 : :1:1 N P : N S1 : N S : N S 3 Ako znamo površinu poprečnog preseka mesta za namotaj, koji se može naći u datasheet-u jezgra, možemo odrediti dozvoljenu debljinu žice za svaki od namotaja. Da bi olakšali račun pretpostavićemo da su svi provodnici istog prečnika. N = N + N + N + N (6...33) ukupno K A p S1 S S 3 u N A W = (6...34) Nukupno A W je površina odvojena za jedan provodnik a K u koeficijent popunjenosti namotaja i obično ima vrednost od Sada orjentaciono možemo naći prečnik žice iz sledeće relacije: d W = 4A π W = 4K u π N A N ukupno (6...35) Pretpostavljeno je da svi namotaji imaju provodnike istog prečnika, pa je dobijena vrednost orjientaciona. Prečnik provodnika za svaki od namotaja za finalni prototip je određivan tako da svaki namotaj ima pribižno istu gustinu srednje vrednosti struje. Kada se odredi debljina provodnika moguće je odrediti približnu otpornost za svaki od namotaja: 4N N LN R n = ρ 0 (6...36) Cu na100 d π W 33

34 Gde je L N srednja dužina navojka a ρ o = Ωm [6.6] specifična otpornost bakra na 100 O C, dok je u jednačini zanemarena debljina izolacionog laka na bakarnom provodniku. Gubici u namotajima se dobijaju iz jednačine: N n nrms P = R I (6...37) Efektivna vrednost struje primara je izračunata u jednačinama a za sekundare se može iskoristiti struja koja je data u tabeli Za materijal N7 gubici u jezgru na 100kHz su P V = 900uW/mm 3 [6.4] a efektivna zapremina jezgra je V e = 756mm 3 [6.3] pa su gubici u jezgru: μw 3 PFe = PV Ve = mm = 695mW (6...38) 3 mm Prethodnih nekoliko koraka se može ponoviti dok se ne nadje jezgro koje je odgovarajuće. Da bi se olakšao račun može se napisati program u Matlabu ili nekom drugom programskom jeziku. U tabeli date su izračunate veličine za jezgro E0/10/6 - N7 sa zazorom od 0.5mm koje je iskorišćeno za pomoćno napajanje minidrive pogona. Cuna 8 Opis Oznaka Vrednost Mterijal N7 Tip jezgra E0/10/6 Zazor g 0.5mm Faktor induktivnosti jezgra A L 171nH Magnetizacija zasićenja B S 410mT Potrebna magnetizaciona induktivnost L M mh Maksimalna indukcija u jezgru trafoa Bmax 35mT Broj navojaka primara N P 108 Broj navojaka 1. sekundara N S1 15 Broj navojaka. sekundara N S 8 Broj navojaka 3. sekundara N S3 8 Ukupan broj navojaka N ukupno 139 Površina mesta sa namotaje A N.3mm Faktor popunjenosti K u 0.5 Površina poprečnog preseka provodnika A W 0.08mm Orjentacioni prečnik žice d W 0.3mm Broj i prečnik žica primara D WP 3 x 0.1mm 34

35 Opis Oznaka Vrednost Broj i prečnik žica 1. sekundara D WS1 3 x 0.1mm Broj i prečnik žica. sekundara D WS 4 x 0.1mm Broj i prečnik žica 3. sekundara D WS3 3 x 0.1mm Približna dužina provodnika primara L P 3.7m Približna dužina provodnika 1. sekundara L S1 0.51m Približna dužina provodnika. sekundara L S 0.3m Približna dužina provodnika 3. sekundara L S3 0.3m Približna otpornost primara R p 1.17 Ω Približna otpornost 1. sekundara R S Ω Približna otpornost. sekundara R S 0.05 Ω Približna otpornost 3. sekundara R S Ω Procenjeni gubici u bakru primara P P 106mW Procenjeni gubici ubakru sekundara P S 38mW Procenjeni gubici u jezgru P Fe 695mW Procenjeni ukupni gubici P TOT 839mW Tabela 6...5: Karakteristike namotanog transformatora Faktor popunjenosti zavisi od materijala kojim se obezbeđuje izolacija između slojeva namotaja. Mi smo koristili papirni izolator iz visokonaponskog kondenzatora. Korišćenjem tanjeg izolatora mogu se postići bolji faktori popunjenosti pa se može koristiti deblja žica za namotaje, može se dodati još jedna licna od 0.1mm na primar i na drugi sekundar jer se tu očekuju najveći gubici. Preporučuje se korišćenje licnastog provodnika odnosno provodnika od više izolovanih žica zbog visoke radne učestanosti konvertora a time i izraženog skin efekta. Ovaj efekat umanjuje efektivnu provodnost provodnika i povećava gubitke u bakru transformatora. Na slici dat je raspored slojeva i način na koji su namotaji vezani za pristupe transformatora. Preporučuje se da se transformatori kod konvertora Flyback tipa motaju u sendvič kao na slici a. Jezgro E0/10/6 je malih dimenzija pa je teško, ručno, na ovaj način, namotati transformator a da se obezbedi pravilna izolacija. U prototip minidrive pogona je ugrađen transformator namotan kao na slici b. Transformator koji je namotan na ovaj način ima veću rasipnu induktivnost što povećava gubitke na clamp kolu i smanjuje efikasnost konvertora. 35

36 izolator 18 navojaka primara izolator 8 navojaka 3. sekundara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka 1. sekundara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 8 navojaka. sekundara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara a 3. Sekundar 8 navojaka Nepovezan pin. Sekundar 8 navojaka izolator 8 navojaka 3. sekundara izolator 15 navojaka 1. sekundara izolator 8 navojaka. sekundara izolator 18 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara izolator 15 navojaka primara b Primar 108 navojaka Nepovezan pin 1. Sekundar 15 navojaka c Slika 6...4: Preporučeni način motanja (a). Način na koji je namotan transformator na minidrive prototipu (b). Raspored pristupa i tačke transformatora gledano odozgo (c) Napomena: U tabeli dat je spisak komponenta koje je potrebno nabaviti u slučaju da se transformator ručno mota. Komponenta Oznaka Količina E 0/10/6 jezgro bez zazora B66311-G-X17 * 1 E 0/10/6 jezgro sa zazorom g = 0.5mm B66311-G50-X17 * 1 Kalem za jezgro E0/10/6 B6606-J1110-T1 * 1 Opruga za montažu jezgra B6606-A010 * Lak žica 0.1mm AWG39(AWG38, WG40) 15m Izolator (papir za HV kondenzatore, antivoltant traka ) * - EPCOS-ova kataloška oznaka Tabela 6...6: BOM za transformator 0.5x0.0m 36

37 DC_LINK R7 K 3W D4 BYM6E D5 C9 4.7n 1kV TX Transf ormator D7 STTA106 D8 STTA106 C3 100uF 40V C35 100uF 5V VCC1_0V C33 0.1u VCC_10V (galv ) C36 0.1u Cf 1 1uF 40V Cf 1uF 5V 1 U4 MC7815 VI 1 GND 0 U5 MC78L05 VI GND VO VO V +5V(galv ) C34 1u C37 1u Cf4 0.1u Cf5 0.1u +15V +5V(galv ) BYM6E VCC1_10V VCC1_10V VCC1_10V +5V NCP1053C U3 NCP1053C 0 R31.K VCC1_10V R3 1K D9 STTA106 C38 100uF C39 0.1u Cf3 1uF 1 U6 MC78M05 VI GND VO 3 C40 1u Cf 6 0.1u R33 10K R34 15K +3V C41 100n +5V +3V 4 1 U7 SFH615A 0 C30 10u C31 1n 16V 3 D6 0.5W 10V 0 Slika 6...4: Šema pomoćnog napajanja. Napomena: R31 se ne montira. 37

38 6..3 Kontrolno i zaštitno kolo Prema zahtevima konkursa (pogledati poglavlje 10.1) ovaj pogon je razvijan sa ciljem da zameni jednosmerne mašine do 500W, između ostalog, i za primenu u kućnim aparatima. Ovakvi uređaji se zbog toga moraju projektovati uz pretpostavku da će njima rukovati i lica koja nemaju nikakvo tehničko obrazovanje, pa se na sigurnost i jednostavnost rukovanja mora obratiti posebna pažnja. Iz tog razloga potrebno je obezbediti zaštitno kolo koje će adekvatno odreagovati na neregularne situacije i odgovarajuće kontrolno kolo. U ovom poglavlju zajedno su obrađeni kontrolno i zaštitno kolo jer su neke od zaštitnih funkcija realizovane softverski u okviru kontrolnog kola, a neke zaštite su realizovane posebnim hardverom pa se ova podsistema ne mogu jasno odvojiti Kontrolno kolo Kontrolno kolo se sastoji od mikrokontrolera i komponenata potrebnih za njegov rad. Mikrokontroler je mozak celog sisitema i ima više funkcija. Osnovna funkcija ovog kola je da obezbedi hardversku platformu za izvršavanje softverske implementacije SVPWM algoritma (Space Vector Pulse Width Modulation). Više na ovu temu se može naći u diplomskom radu Aleksandra Živkovića. Druga funkcija je da komunicira sa komponentama na sporednoj ploči odnosno da ispisuje brzinu obrtanja vratila motora na LED displeju i da komunicira sa IRDA modulom. Treća funkcija ovog dela pogona je da obezbedi ispravan rad zaštitnog kola koje je opisano u narednom poglavlju. Pravilno izvršavanje softverske implementacije SVPWM algoritma zahteva hardversku platformu određenih karakteristika. Za izvršavanje samo gore pomenute osnovne funcije, pored dosta velike brzine procesora, neohodno je da hardverska platforma sadrži hardverski množač, hardversku podršku za generisanje PWM signala, određen broj AD konvertora, digitalnih ulaza i izlaza i dovoljnu količinu programske i radne memorije. Ovakve karakteristike imaju neki od jačih mikrokontrolera ili neki DSP(Digital Signal Processor). Odlučeno je da se iskoristi 8- bitni Atmelov mikrokontroler ATmega168 [6.] i to verzija u 8-pinskom PDIP pakovanju. 38

39 Neke od osnovnih karakteristika ovog mikrokontrolera su da mu je maskimalna radna frekvencija 0Mhz i da pri tom taktu obavlja 0MIPS-a, ima 1K radne memorije i 16K programske memorije. Od periferija mikrokontroler ima 8-bitni hardverski množač, šest PWM kanala, šestokanalni desetobitni AD konvertor, i tri ulazno/izlazna porta. Pored ovoga ATmega168 ima i standardni USART ( Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter ) modul i TWI (Two Wire serial Interface) modul što omogućuje jednostavniju implementaciju komunikacije sa kontrolom LED displeja i IRDA modulom. ATmega168 ima dovoljno hardverskih resursa za izvršavanje svih softverskih zadataka koji su neophodni za pravilan rad minidrive pogona. Za više informacija o ovom mikrokontroleru pogledati njegov datasheet [6.]. Mikrokontroleri ovog tipa pa i ATmega168 imaju veliki broj integrisanih periferija i kontrolnih kola pa zahtevaju vrlo malo eksternih komponenti za ispravan rad. Na slici je prikazana šema kontrolnog i zaštitnog kola. Na šemi se može primetiti kvarcni kristal na 0MHz koim se obezbeđuje radni takt mikrokontrolera. Za ispravan rad kristalnog oscilatora potrebna dva keramička kondezatora od pf, C3 i C4, ostale neophodne komponente su integrisane u pakovanju mikrokontrolera. Pored oscilatora, na šemi je i kolo za reset. Kolo se sastoji iz RC kola, R5 i C5, koje treba da obezbedi potrebnu dužinu impulsa za reset i tastera za reset. Ovo kolo ima i ulogu produžetka POR (Power-On Reset) signala reseta, koji će mikrokontroler držati u stanju reseta sve dok se ne postigne dovoljno stabilno napajanje odnosno dok prođu prelazni procesi kola za pomoćno napajanje. ATmega168 ima integrisano kolo za POR čije se kašnjnje može odrediti softverski. Pored kola za POR ovaj mikrokontroler ima integrisana Brown-Out Detection i Watchdog Timer kola koja resetuju mikrokontroler u slučaju propada u naponu napajanja odnosno u slučaju neregularnog rada programa. Nakon reseta uz pomoć odgovarajućih statusnih bita moguće je odrediti poreklo reseta i na odgovarajući način nastaviti izvršavanje programa. Na šemi kontrolnog kola nalaze se i razdelnici napona za prilagođenje merenih veličina od interesa kao što su struja DC linka, napon DC linka i Temperatura IRAMS-a u naponske nivoe koji odgovaraju AD konvertoru mikrokontrolera. Struja DC linka se meri uz pomoć šant otpornika kako je već pomenuto a odgovarajući naponski nivio se dobijaju preko razdelnika napona koji čine R, R 3, 39

40 R 4 i R 5, C 18 i C 19 su za filtriranje smetnji. Napon AN0 zavisi od struje DC linka I DC i dobija se iz relacije: R AN0 15V (15V + R5 I ) = 0.93V (6..3.1) DC I DC R + R3 + R4 Napon DC linka se meri preko razdelnika napona R 17, R 18, R 19, R 0. Napon AN1 zavisi od napona DC linka V DC, i u ustaljenom stanju se dobija iz relacije: R AN = 0 1 = 0. R + R + R + R V DC (6..3.) Temperatura IRAMS modula se meri uz pomoć nelinearnog NTC otpornika integrisanog u IRAMS. NTC otpornik sa otpornikom R14 formira razdelnik napona. Napon AN1 zavisi od temperature IRAMS-a T prema relaciji: R14 1 = 15V (6..3.3) AN T R KΩ e Za detaljnija objašnjenja pogledati datasheet za IRAMS06UP60A [6.1] i AN-1044 [6.17]. U tabeli dat je opis signala kontrolnog kola kao i pozicija na mikrokontroleru na koju je svaki od signala vezan. Pin Br. Naziv signala na šemi Smer Naziv pina Funkcija 1 RESET* Ulaz RESET Digitallni ulaz. Reset ulaz mikrokontrolera. Rx Ulaz RXD Digitalni ulaz. Dodeljen USART-u mikrokontrolera. Receive port. Koristi se za komunikaciju sa IRDA kontrolerom. 3 Tx Izlaz TXD Digirtalni izlaz. Dodeljen USART-u mikrokontrolera. Tansmit port. Koristi se za komunikaciju sa IRDA kontrolerom. 4 CTS Ulaz PD Digitalni ulaz. Pomoćni digitalni ulaz za kontrolu IC komunikacije. CTS (Clear To Send ) signal. 5 PWM_A_LO Izlaz OCB Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu B Timer/Counter modula. Služi za kontrolu donjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_A. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_A_LO IGBT A LO (1) 0 ON 1 OFF 6 DSR Ulaz PD4 Digitalni ulaz. Pomoćni digitalni ulaz za kontrolu IC komunikacije. DSR (Data Set Ready) signal. 7 +5V - VCC Napajanje mikrokontrolera GND Masa mikrokontrolera XTAL1 Pin za vezivanje kvarc kristala za generisanje radnog takta mikrokontrolera. 40

41 Br. Naziv signala na šemi Smer Naziv pina Funkcija XTAL Pin za vezivanje kvarc kristala za generisanje radnog takta mikrokontrolera. 11 PWM_C_LO Izlaz OC0B Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu B Timer/Counter0 modula. Služi za kontrolu donjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_C. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_C_LO IGBT C LO (1) 0 ON 1 OFF 1 PWM_C_HI Izlaz OC0A Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu A Timer/Counter0 modula. Služi za kontrolu gornjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_C. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_C_HI IGBT C HI (1) 0 ON 1 OFF 13 RESETSC Izlaz PD7 Digitalni izlaz. Služi za resetovanje zaštitnog kola (pogledati glavu 6..3.). RESETSC ZAŠTITA 0 REGULARAN RAD 1 POKUŠAJ RESETA () Ulaz PB0 Digitalni ulaz. Visok nivo ovog signala znači da je aktivirana zaštita od kratkog spoja. 14 SHORT_CIR CUIT 15 PWM_B_HI Izlaz OC1A Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu A Timer/Counter1 modula. Služi za kontrolu gornjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_B. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_B_HI IGBT B HI (1) 0 ON 1 OFF 16 PWM_B_LO Izlaz OC1B Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu B Timer/Counter1 modula. Služi za uključenje donjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_B. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_B_LO IGBT B LO (1) 0 ON 1 OFF 17 PWM_A_HI Izlaz OCA Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu A Timer/Counter modula. Služi za kontrolu gornjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_A. (Pogledati glavu 6..4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.1]) PWM_A_HI IGBT A HI (1) 0 ON 1 OFF 18 Nije povezan Ulaz PB4 Nema funkciju 19 ENABLE Izlz PB5 Digitalni izlaz. Kontroliše sve IGBT tranzistore IRAMS modula preko ITRIP signala (pogledati glavu 6..3.), samim tim i izlazne PWM signale PHASE_A, PHASE_B i PHASE_C. Služi za nomentalno blokiranje PWM signala. ENABLE PWM 0 OFF 1 ON 41

42 Br. Naziv signala na šemi Smer Naziv pina Funkcija 0 +5V - AVCC Napajanje integrsanog AD konvertora. 1 - AREF Referentni napon za AD konvertor. Koristi se interna referenca od 1.1V. Pogledati datasheet za ATmega168 [6.] i diplomski rad Aleksandra Živkovića. 0 - GND Masa mikrokontrolera. 3 AN0 Ulaz ADC0 Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu 0 AD konvertora. Ovo je signal sa šanta za merenje struje DC linka. 4 AN1 Ulaz ADC1 Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu 1 AD konvertora. Signal služi za merenje napona DC linka 5 AN Ulaz ADC Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu AD konvertora. Ovo je signal sa ITRIP pina IRAMS modula i služi za merenje temperature IRAMS-a 6 AN4 Ulaz PC3 Digitalni ulaz. Signal sa ATtiny mikrokontrolera koji sadrži informaciju o zadatoj referentnoj brzini. Dužina impulsa je srazmerna zadatoj brzini. Za više informacija pogledati diplomski rad Aleksandra Živkovića 7 SDA U/I SDA Digitalni ulaz/izlaz. Koristi se kao signal podataka za serijsku I C magistralu. Koristi se za komunikaciju sa kontrolerom LED displeja. 8 SCL Izlaz SCL Digitalni izlaz. Signal takta za serijsku I C magistralu. Koristi se za komunikaciju sa kontrolerom LED displeja. (1) - IGBT će biti uključeni samo ako su i ostali kontrolni signali odgovarajućih nivoa. (Pogldeati datasheet za IRAMS06UP60A Figure1. Input/Output Timing Diagram [6.1]) () Zaštita će biti resetovana samo ako je na ulazu, u trenutku aktiviranja RESET signala, regularno stanje, tj. struja šanta je manja od struje kratkog spoja (Pogledati glavu 6..3.). Tabela : Signali kontrolnog kola Mikrokontroler se napaja naponom od +5V, maksimalni napon napajanja je 6V. Svaki pin mikrokontrolera može imati struju do 40mA ali ukupna struja svih pinova ne sme biti veća od 00mA kolika je maksimalna struja pinova za napajanje. Maksimalni odnosno minimalni naponi koji se smeju dovesti na bilo koji pin su 5.5V odnosno -0.5V. Struja potrošnje samog mikrokontrolera je oko 5.5mA, ako pinovi nisu opterećeni. Radni temperaturni opseg Atmega168 je od -55 o C do +15 o C. Za više informacija o naponskim nivoima za pojedine izlaze kao i o vremenskim karakteristikama pojedinih signala i o trajanju AD konverzije pogledati datasheet za mikrokontroler ATmega168 [6.]. 4

43 0 R1 4K7 RESETSC C11 p 0 U1 ATmega CTS SCL C6 100p R11 3K3 R1 4k7 +5V 0 R18 180k RESET* +15V R10 K 0 DC_LINK R4 3k3 U01 RESET TASTER R1 1k5 0 C8 68p R14 1k5 PWM_A_HI +3V R 3k3 SDA 0 C3 p SHORT_CIRCUT C1 100n +5V +15V C9 68p R5 0. R0 4K7 +5V ENABLE C0 470n R6 4K7 SDA 0 0 AN AN4 +15V Y1 0 MHz CTS AN1 Rx R 100k +15V R0 1k - + UB LM PWM_B_LO R19 180k SHUNT 0 Rkor1 K Tx RESETSC AN1 PWM_C_LO +5V AN0 R8 K PWM_B_HI 0 C14 10n 0 Rkor 10k PWM_C_HI - + UA LM C18 33n DSR +5V R3 k R3 3k3 J3 8 HEADER V C 1u SHORT_CIRCUT 0 C17 47n - + UC LM PWM_A_LO C10 100n +3V ENABLE 0 C4 p R9 3K3 0 ITRIP 0 C19 33n SHUNT RESET* Rx SCL 0 C1 100n - + UD LM AN0 0 AN +15V C7 100p DSR R4 4K7 +15V D1 LL V R17 180k R13 10K VCC1_10V 0 Tx 0 D1 LL4148 C5.u 0 R5 K Slika : Šema kontrolnog i zaštitnog kola 43

44 6..5 Analogni ulaz Prema zahtevima konkursa po kome je realizovan minidrive pogon (pogledati poglavlje 10.1) neophodno je obezbediti analogno zadavanje brzine u rasponu od 0 do 5000 obrta/min komandnim naponom od 0V do 10V čija je masa vezana za masu kućišta, odnosno na uzemljenje uređaja. Maksimalna greška u brzini obrtanja motora u odnosu na zadatu brzinu kontrolnim naponom (V/1000ob/min) ne sme preći 5%. Masa kontrolnog kola minidrive pogona je vezana za masu invertora odnosno za masu kola za popravku faktora snage. Ova masa je na živom naponu i ne sme se vezati za uzemljenje uređaja, pa se A/D ulazi kontrolnog kola ne mogu direktno iskoristiti za merenje napona za analogno zadavanje brzine. Neophodno je obezbediti galvansko razdvajanje između ulaza za analogno zadavanje brzine i kontrolnog kola. Postoje dva pristupa za rešavanje ovog problema. Jedan je da se analogni signal prenese na stranu kontrolnog kola gde bi se merio korišćenjem A/D konvertora glavnog mikrokontrolera. Rešenje ovog tipa koje smo razmatrali koristi linearni optokapler IL300 [6.7]. Drugi pristup je da se analogni signal izmeri korišćenjem još jednog mikrokontrolera čija bi masa bila na masi kućišta, a da se zatim informacija o nivou signala digitalno prenese preko komunikacione linije sa galvanskim razdvajanjem do kontrolnog kola. Za rešenje ovog tipa smo se opredelili prilikom realizacije minidrive pogona i u daljem tekstu će ono biti opisano. Kolo za analogni ulaz je veoma jednostavno. Šema kola je data na slici Merenje analognog signala za zadavanje brzine obavlja Attiny15. mikrokontroler kompanije Atmel [6.8]. Ovaj mikrokontroler ima 1KB programske memorije, 64 bajtova RAM-a, 10bitni ad konvertor, 6 programabilnih IO portova i integrisani oscilator za generisanje radnog takta pa je za našu aplikaciju potreban minimalan broj eksternih komponenti, za više informacija o samom mikrokontroleru pogledati datasheet [6.3] koji se može naći na Internetu na adresi a biće dat i na pratećem CD-u. Pored mikrokontrolera potrebno je obezbediti: 1. Stabilno napajanje i stabilan referentni napon za A/D konvertor (kondenzatori Ca1 i Ca na slici ). Kolo za prilagođenje naponskog nivoa ulaznog napona, filtriranje smetnji i zaštitu ulaza od prenapona, kratkog spoja i inverzije polariteta (Ca3, Ca4, Ra, Ra3, Ra6, Da3 i Da4 na slici ). Napon na ulazu u A/D konvertor zavisi od test ulaza prema relaciji : 44

45 R 3 Test _ ulaz ADC3 = a Test _ ulaz = R + R + R 4 (6..5.1) a a3 a6 3. Kolo za galvansko razdvajanje (Ua6, Ra4 i Ra5 na slici ). U tabeli dat je opis svakog od signala sa šeme na slici , a u tabeli opis i izabrana funkcija svakog od portova mikrokontrolera. Br. Naziv Smer Funkcija signala na šemi 1 Test_ulaz Ulazni Naponski signal za analogno zadavanje brzine 0-10VDC. Masa signala je kućište motora koje je uzemljeno. +5V(galv) Napajanje Napajanje kola za analogni ulaz 5V 50mA. Ovaj naponski nivo je galvanski odvojen od ostalih naponskih nivoa kola za napajanje. 3 +5V Napajanje Napajanje niskonaponeske elektronike +5V 350mA. 4 AN4 Izlazni Signal kojim se prenosi podatak o naponskom nivou za analogno zadavanje brzine. Signal ima diskretne vrednosti od 0V i 4.7V. Način prenošenja podatka zavisi od softverske implementacije. Za višeinformacija pogledati diplomski rad Aleksandra Živkovića. Tabela : Opis signala sa šeme kola za analogni ulaz sa slike Br. Naziv signala na šemi Smer Naziv pina Funkcija 1 - Ulaz RESET Reset signal za ATtiny mikrokontroler - Ulaz ADC3 Ulaz 3. kanala A/D konvertora ATtiny mikrokontrolera. A/D konvertor je desetobitni. 3 - Ulaz PB3 Nepovezan pin mikrokontrolera 4 Earth - GND Masa kola za analogni ulaz AREF Ulaz za referentni napon za A/D konvertor. Koristi se interna referenca pa je na ovaj pin vezan kondenzator za dodatnu stabuilizaciju referentnog napona. 6 - Ulaz PB1 Nepovezan pin mikrokontrolera 7 - Izlaz PB Signal za prenos informacije o naponskom nivou za analogno zadavanje brzine. 8 +5V(galv) - VCC Napajanje mikrokontrolera Tabela 6..5.: Opis pinova ATtiny mikrokontrolera 45

46 +5V +5V +5V(galv ) Ra6 Test ulaz BNC J1 1 Da3 5V Da4 RB51 15k Ca3 100n Ca4 1u Ra 15k Ra3 10k Ca1 100n Ra1 10k IC1 PB5/ADC4/RESET VCC PB4/ADC3 PB/ADC1/SCK/TO PB3/ADC PB1/AIN1/MISO/O GND PBO/AINO/AREF/M ATTINY Ca 100n 1 Ua6 PS501 Ra V Ra5 390 AN4 0 VCC =.7V - 5.5V stabilisano VCC = 5V => R4 = 390ohm VCC = 3V => R4 = 00ohm Slika : Šema kola za analogni ulaz 46

47 0 6.3 Pomoćna ploča Pomoćna ploča se sastoji iz dva segmenta. Jedan je kolo za infracrvenu komunikaciju (IrDA), a drugi je LED displej. Signal VCC1_10V (slika 6.9) je nestabilisani izvor od +10V sa pomoćnog napajanja, koji se stabiliše na +5V na samoj pomoćnoj ploči pomoću stabilizatora napona (7805 [6.14]). Što se tiče napajanja male ploče, izabrano je takvo rešenje zbog neravnomerne potrošnje emiterske diode u kolu za infracrvenu komunikaciju. Ovaj problem biće detaljnije opisan u poglavlju Infracrvena komunikacija (IrDA). U uvodu poglavlja 6. Hardver pogona je već naglašeno da je cela pomoćna pločica opciona, odnosno nije neophodna za ispravan rad pogona, kao i da se veoma lako može primeniti neki drugi vid komunikacije, ili drugačiji tip displeja. Blok šema pomoćne ploče je prikazana na slici 6.9, dok su odgovarajući signali opisani u tabeli 6. u poglavlju 6. Glavna ploča. Stabilizator napona (7805) Konektor J VCC1_10V 0 DSR CTS Tx Rx SDA SCL +5V IrDA LED displej Slika 6.3.1: Blok šema pomoćne ploče 47

48 6.3. LED displej Diplej je kao i IRDA modul smešten na pomoćnoj ploči. Postoji više razloga za ovakvu odluku. Prvi razlog je manjak prostora na glavnoj ploči i način na koji se ploča montira u kutiju. Nakon povezivanja svih potrebnih signala na glavnom mikrokontroleru su ostala samo tri slobodna pina pa je bilo neophodno naći kolo koje može da kontroliše neku vrstu displeja a da pri tom sa kontrolnim kolom komunicira preko neke dvožične ili trožične magistrale. Još jedan razlog za razdvajanje ploča je to što dodatne komponente povećavaju cenu pogona pa je bilo pogodno odvojiti delove koji nisu obavezni tako da budu opcioni, pa njihova cena ne mora ući u cenu pogona. Postojale su dve varijante za kontrolu displeja. Jedna je bila za LCD a druga za LED displej. Kontroler za LCD displej AY0438 koristi samo tri linije za vezu sa kontrolnim kolom i u stanju je da drajvuje do 3 LCD segmenta odnosno 4 cifre i četiri tačke [6.8]. Ova varijanta je povoljnija po pitanju potrošnje ali su LCD displeji oseljivi na povišenu temperaturu pa je za aplikacje kod kojih dolazi do grejanja ambijenta u kome se nalazi displej pogodnije koristiti LED. Kontroler za LED displej SAA1064 komunicira preko dvožične IC magistrale i može da drajvuje 4 LED cifre uz četiri decimalne tačke [6.9]. Iako LCD displej ima daleko veću potrošnju, zbog relativno visoke radne temperature unutar kutije, nešto niže cene LED displeja u odnosu na LCD i manjih dimenzija štampe (pri povezivanju LED displeja ima manje linija koje treba izrutirati a i kontroler za LED je manjih dimenzija) u finalni prototip je ugrađen LED displej. Na slici data je šema kola LED displeja. Sa šeme se može primetiti da su decimalne tačke povezane samo na srednje dve cifre, izlazi koji drajvuju druge dve tačke su iskorišćeni za kontrolu dve signalne diode Dd1 i Dd. SAA1064 kontroliše sedmosegmentne displeje, u dve grupe od po dva, i koristi se za kontrolisanje cifara ili displeja sa zajedničkom anodom kao što su na primer LED cifre HDSP7801 kompanije Agilent Technolohies. Struju za zajedničke anode obezbeđuju dodatni eksterni tranzistori Qd1 i Qd na slici Ovi tranzistori moraju obezbediti struje do 300mA pa su izabrani tranzistori FMMT491 čija je maksimalna struja kolektora do 1A. SAA1064 automatski kontroliše multipleksiranje displeja a preko IC magistrale se zadaje koji su segmenti uključeni. Programski se može zadavati i intenzitet kojim svetle diode. Za više informacija o radu kola, adresama internih registara i protokolu za komuniciranje pogledati datasheet kola [6.9]. 48

49 Na slici data je šema kola LCD displeja. U tabeli dat je kratak opis signala SAA1064 sa šeme. Na šemi je prikazan i dodatni stabilizator (Ud6) sa potrebnim kondenzatorima (Cd3, Cd4 i Cd5) i konektor (J1) kojim se pomoćna ploča vezuje za glavnu. Signali sa ovog konektora su opisani u tabeli a na slici 6..1 konektor je označen kao J3. IRDA modul i LED displej troše dosta struje, njihova struja potrošnje je impulsnog karaktera i u pojedinim trenucima može značajno prevazići srednju vrednost. Stabilizator je dodat da bi se displej i IRDA odvojili od stabilisanog napona kojim se napaja kontrolno kolo. Na ovaj način se cela opciona ploča napaja direktno sa konvertora naponom od 10V a napon se na samoj pomoćnoj ploči stabiliše na 5V potrebnih za rad kola i dioda. Br. Naziv signala na šemi Smer Naziv pina na SAA1064 Funkcija 1 +5V* Ulaz ADR Adresni ulaz. AY1064 može raditi u paru sa još jednim kolom. - - Cext Ulaz na koji se vezuje kondenzator koji kontroliše učestanost kojom se vrši multipleksiranje Izlaz P1-P8 Katode odgovarajućih segmenata 1 i LED cifre Izlaz MX1 Signal koji kontroliše tranzistor za zajedničku anodu 1 i 3 displeja. 1 GND - VEE Masa kola 13 +5V* - VCC Napajanje kola 14 - Izlaz MX Signal koji kontroliše tranzistor za zajedničku anodu i 4 displeja Izlaz P9-P16 Katode odgovarajućih segmenata 3 i 4 LED cifre. 3 SDA U/I SDA Data signal IC magistrale 4 SCL Ulaz SCL Clock signal IC magistrale * - Ovaj signal nije isti kao +5V signal sa glavne ploče. On ima istu masu istu vrednost ali se za njegovo dobijanje koristi drugi stabilizator. Tabela : Signali na SAA

50 Qd1 FMMT491/SOT J1 CONN PLUG Rd1 4.7K Rd 4.7K SCL Tx Ud1 SAA ADR Cext P8 P7 P6 P5 P4 P3 P P1 MX1 VEE VCC MX P9 P10 P11 P1 P13 P14 P15 P16 SDA SCL + Cd6 100uF +5V Cd4 1u Dd1 LED55B/TO Ud3 LED_CIFRA A B C D E F G DP CA Cd 100n Dd LED55B/TO Cd1.7n Qd FMMT491/SOT Ud4 LED_CIFRA A B C D E F G DP CA Ud5 LED_CIFRA A B C D E F G DP CA Rx SDA +5V Ud6 MC78L VI GND VO VCC_10V GND SDA DSR Ud LED_CIFRA A B C D E F G DP CA +5V Cd3 0.1u SCL CTS Cd5 0.1u Slika : Šema kola LED displeja 50

51 6.4 Štampa Štampane ploče kao šeme su rađene u programu za dizajn štampanih kola OrCAD, verzija 9.. Više informacija o ovom programu može se naći na Internetu na adresi Za prototip minidrive pogona realizovane su dve štampane ploče. Na Glavnoj ploči se nalaze kola neophodna za rad pogona, kao što su invertor, kontrolno kolo, kolo za analogno zadavanje brzine i kola za napajanje, a na pomoćnoj kola koja su opciona, bez kojih pogon može ispravno da radi a da pri tom zadovolji sve zahteve konkursa (pogledati poglavlje 10.1). U narednim poglavljima biće opisano kako je izvedena štampa za obe pločice, kako su raspoređene komponente i kako se montiraju. Pošto je pogon realizovan sa strogim rokovima nije bilo vremena da se naprave potpuno ispravne verzije štampanih ploča, zbog čega su na pločama prilikom montaže neophodne prepravke štampe. Naknadno je takođe primećeno da bi na nekim mestima štampa mogla da se poboljša. Mesta gde bi štampa trebala da se izmeni i ispravke biće opsiane u poglavljima i Organizacija štampanih ploča Prilikom projektovanja štampanih ploča, pogotovo glavne ploče na kojoj se mogu naći i linije sa veoma visokim naponskim nivoima vođeno je računa da se ispoštuje što više standarda i dobrih preporuka za pravljenje štampanih ploča. Na žalost postoji i dosta propusta koji nisu na vreme ispravljeni Glavna ploča Glavna ploča je podeljena u nekoliko blokova. Vođeno je računa da se blokovi što jasnije fizički odvoje i da se minimizira broj linija veza između blokova. Blokovi su organizovani prema funkcionalnim celinama. Blokovi po kojima je organizovana štampa glavne ploče se mogu videti na blok šemi glavne ploče na slici Raspored blokova na štampi glavne ploče je dat na slici

52 Prilikom raspoređivanja komponenta pored grupisanja po blokovima vođeno je računa da se komponente kojima je neophodno hlađenje rasporede po obodu pločice tako da se kutija u kojoj se montira štampa može iskoristiti za njihovo hladjenje. Prilikom rutiranja viskonaponskih linija vođeno je računa o izolacionom rastojanju između linija. Planirano je da se ploča radi sa CE sertifikatom pa je izolaciono rastojanje između viskonaponskih linija oko mm (minimum za CE sertifikovane ploče, za napone koji se javljaju na našoj ploči je 1,mm). Deo pločice koji je na potencijalu mase kućišta (na potencijalu uzemljenja) je posebno izdvojen od ostatka ploče. Popune mase su radjene gde god je moguće a komponente su raspoređene tako da linije veze budu što kraće. Odlučeno je da se štampa radi na standarnoj EUROBOARD ploči dimenzija 100 x 160mm. Finalni prototip je urađen na ploči stadardne debljine bakra od 35um, ploča je kalajisana. Najmanja debljina linije je 0.5mm (10mils-a-a). Najmanje izolaciono rastojanje je 0.3mm (1mils-a) Kolo za popravku faktora snage - Invertor - IRAMS 3- Kontrolno i zaštitno kolo 4- Pomoćno napajanje 5- Kolo za analogni ulaz 6- Konektor za motor (J) 7- Konektor za pomoćnu ploču (J3) 8- Konektori za napajanje 0VAC (J10, J11) 9- Konektor za analgni ulaz BNC (J1) Slika : Raspored blokova na glavnoj ploči Layout glavne ploče se može naći na pratećem CD-u na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\layout\mdtim.max]. Šeme po kojima je rađen layout glavne ploče mogu se naći u OrCAD projektu na pratećem CD-u na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\glavna ploca.opj]. 5

53 Pomoćna ploča Za pomoćnu ploču primenjena su ista pravila i principi kao i za glavnu ploču. Na pomoćnoj ploči se mogu primetiti samo 4 bloka: blok LED displeja, blok IRDA komunikacije, blok sa linearnim stabilizatorom 7805, koji služi za na pajanje IRDA i LED kola, i konektor kojim se pomoćna ploča vezuje za glavnu. Blokovi po kojima je organizovana pomoćna ploča se mogu videti na slici a raspored blokova na štampanoj ploči se može naći na slici Dimenzije pomoćne ploče su 91 x 45mm. Finalni prototip je urađen na ploči stadardne debljine bakra od 35um. Najmanja debljina linije je 0.4mm (16mils-a). Najmanje izolaciono rastojanje je 0.3mm (1mils-a) 1 - LED displej - IrDA 3 - Stabilizator napona ( 7805) 4 - Konektor J3 Slika : Raspored blokova na pomoćnoj ploči Layout pomoćne ploče se može naći na pratećem CD-u na lokaciji: [seme i stampa\pomoćna ploca\layout\irda.max] Šeme po kojima je rađen layout pomoćne ploče mogu se naći u OrCAD projektu na pratećem CD-u na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\irda_led.opj] 6.4. Layer-i glavne štampane ploče U ovom poglavlju date su slike filmova korišćenih za izradu glavne ploče minidrive elektromotornog pogona. Glavna i pomoćna ploča rađene su u dva sloja, gornji i donji. Pored slojeva bakra dati su i filmovi za stop maske i sito štampu. 53

54 Prilikom projektovanja filmova korišćene su šeme koje se na nekoliko mesta razlikuju od šema koje su date na kraju svakog poglavlja u prethodnom tekstu i koje će biti date na pratećem CD-u u folderu [seme pogona minidrive]. Šeme prema kojima je rađena štampa imaju greške koje tokom izrade prototipa nismo stigli da ispravimo. Ove greške su ispravljane direktno na gotovoj štampi. Korekcije ovih grešaka će biti objašnjene u narednom tekstu a šeme po kojima je rađena štampa biće date na pratećem CD-u u folderu [seme i stampa]. Ispravke šema su rađene tako da su imena komponenata ostala nepromenjena. Napomena: Moguće je da se filmovi koji su dati u narednom tekstu u nekim detaljima razlikuju od onoga što se može videti na štampanoj ploči pogona. Ovi detalji mogu biti: debljina nekih linija, debljina linija sito štampe, veličina slova na sito štampi i prečnik nekih rupa. Razlike su nastale prilikom štampanja filmova u firmi gde su pravljene ploče a razlog za njihovo nastjanje su tehnološka ograničenja u postupku pravljenja ploča za prototip. Ove ispravke nisu principske, nisu naknadno dokumentovane i ne pominju se ovde Top layer glavne ploče Na slici je dat izgeld filma za gornji sloj glavne ploče. Ovaj film se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.top] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim top.ps]. Na top layer-u ima nekoliko mesta na kojima je potrebno ispraviti, kao i nekoliko mesta na kojima je moguće poboljšati štampu. Ovde su obuhvaćene i preporuke za drugačije razmeštanje komponenata iako one utiču na sve layer-e. Mesta na štampi gde treba izvršiti prepravke su brojevima označena na slici a objašnjenja korekcija biće nabrojana u sledećem tekstu: 54

55 za hladjenje NCP Slika : Gornji sloj štampe Obavezne ispravke: 1 Ispravka: Liniju +15V, kojom se napaja kolo MC3360, treba prekinuti na mestu označenom brojem 1 i umetnuti Stabilizator 78L1 kako je prilkazano na slici a. Pločicu treba probušiti i kroz rupu provući ground pin kola, a zatim ga sa donje strane treba vezati za masu kola MC3360 (popuna mase), kao na slici b. 1 78L input - ground 3 - output Slika a: Montaža stabilizatora 78L1 sa gornje strane ploče 55

56 Slika b: Vezivanje ground signala 78L1 sa donje strane ploče 6 Na lokaciji označenoj brojem 6 umesto otpornika R7 treba montirati diodu D1N4148, diodu treba montirati tako da katoda bude okrenuta nadesno, prema kolu LM339. Ako se pravi nova štampa treba zameniti footprint za otpornik odgovarajućim footprint-om za diodu. Preporuke za novu štampu: Preporuka: Pinovi 3 i 8 na kalemu transformatora nisu povezani tako da samo umanjuju izolaciona rastojanja. Ako je moguće ove pinove treba povaditi a stopice izbrisati. Ako nije napraviti što manje stopice tek da se izbuše rupe kroz koje mogu proći nepovezani pinovi. 3 Preporuka: Otpornici R68 i R69 su predviđeni za montažu preko dioda D1 i D (slika ). Ovo je učinjeno zbog nedostatka prostora. Preporuka je da se štampa prepravi tako da se ove komponente montiraju uspravno jedna pored druge.. Slika : Montaža D1, D, R68 i R69 4 Preporuka: Kondenzator C0 se ne može lepo montirati na ploču jer mu smeta IRAMS modul. Trebalo bi pomeriti kondenzator nekoliko milimetara udesno. Da bi ovo bilo moguće prvo treba pomeriti osigurač F1 nekoliko milimetara udesno. 56

57 5 Preporuka: Diodu D4 treba montirati uspravno, da bi bilo dovoljno mesta trebalo bi je pomeriti milimetar ili dva udesno. 7 Preporuka: Kristal kvarca streba pomeriti milimetar nadole da bi bilo mesta da se komotno montira. Trebalo bi obezbediti treću stopicu za koju bi se lemilo kućište kvarc kristala. 8 Preporuka: Predviđeno je da diode D7, D8 i D9 budu SMD tipa. Nismo bili u mogućnosti da ih na vreme nabavimo pa su na finalni prototip ugrađene zamene koje su PTH tipa. Montaža je obavljena tako što su pristupi dioda pogodno oblikovani a zatim zalemljeni na SMD stopice slika Preporuka: Pin broj 6 na NCP1053 kolu ne postoji tako da ova stopica samo umanjuje izolaciono rastojanje i treba je izbrisati. Slika : Montaža PTH dioda na SMD stopice Napomena: Na nekoliko mesta na štampi linije veze se spajaju u vidu slova T. Preporuka je da se u ovakvim slučajevima rade popune bakra kao na slici a. To u našem slučaju nije rađeno zbog nedostatka vremena pa se mogu naći spojevi kao na slikama b, c i d koji se ne preporučuju. Ove spojeve bi trebalo popraviti. b c d Slika : a - Pravilan izgled T spoja; b,c,d Nepravilan izgled T spoja na štampi. 57

58 6.4.. Bottom layer glavne ploče Na slici dat je bottom layer glavne ploče. Na slici je prikazan lik u ogledalu, odnosno donji sloj pločice kako se vidi kada se pločica gleda sa donje strane. Film za donji sloj štampe se može naći na pretećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.bot] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim bot.ps] Slika : Donji sloj štampe Na bottom layer-u takođe ima nekoliko mesta na kojima je potrebno ispraviti, kao i nekoliko mesta na kojima je moguće poboljšati štampu. Mesta na štampi gde treba izvršiti prepravke su brojevima označena na slici a objašnjenja korekcija biće nabrojana u sledećem tekstu: 58

59 Obavezne ispravke: 1 Potrebno je iseći signal 0 na mestu označenom brojem 1. Ovo se može izvesti na dva načina: Može se iseći linija kao na slici a. Može probušiti rupa u stopici obeleženoj na slici b, tako da se skine metalizacija rupe. U ovom slučaju kondenzator C74 je potrebno montirati tako da pristup kondenzatora ne prolazi kroz rupu već da se lemi na stopicu odozgo. Na ovaj način je ispravka izvedena na finalnom prototipu minidrive pogona. a b Slika : Ispravke na donjoj strani štampe Pošto se izvrši prekid signala 0 kako je opisano pod 1, potrebno je povezati masu kola MC33360 na signal SHUNT. Ovo se može obaviti na mestu označenom brojem na slici Veza je na slici prikazana crvenom, isprekidanom, linijom i može se realizovati parčetom deblje bakarne žice. k Slika : Ispravka za zaštitno kolo Slika : Realizacija ispravke 59

60 3 Na mestu označenom brojem 3 je potrebno obaviti spajanje ground signala 78L1 stabilizatora i mase kola MC3360. Postupak je opisan u prethodnom poglavlju pod tačkom 1 i prikazan na slici Na mestu obeleženom brojem 4 treba obaviti prepravke da bi se omogućio pravilan rad zaštitnog kola. Potrebno je preseći liniju SHORT_CIRCUIT signala i postaviti otpornike od 10k i k kao što je prikazano na slici Sa gornje strane je neophodno zameniti otpornik R1, umesto 4k7 potrebno je postaviti k. Na slici prikazano je kako je ovo izvedeno na jednoj od ploča minidrive prototipa. Preporuke za novu štampu: 5 Na slici , brojem 5 su označena samo neka mesta gde bi štampa mogla da se poboljša. Najviše je grešaka kod spojeva u obliku slova T. Kao i za gornji sloj zbog nedostatka vremena nije bilo moguće da se na ovakve nedostatke obrati više pažnje, kao ni da se u nekoj narednoj verziji štampe oni isprave. Na slici dat je pravlini i neki od nepravilnih izgleda ovih spojeva. Pored ovakvih nedostataka, postoje oni nastali pravljenjem popuna mase i oni nastali nepravilnim napuštanjem četvrtastih stopica. Preporučuje se da se na ovo obrati pažnja prilikom eventualne izrade nove verzije štampane ploče Gornji i donji Silk Screen layer glavne ploče (sito štampa) Na slikama i dat je izgled gornjeg i donjeg filma za izradu sito štampe. Na ovim slikama se može videti i raspored komponenata na glavnoj ploči. Film za gornji sloj sito štampe se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.sst] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim sst.ps]. Film za donji sloj sito štampe se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.ssb] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim ssb.ps]. 60

61 Slika : Izgled filma za gornji sloj sito štampe (Silk Screen Top) Slika : Izgled filma za donji sloj sito štampe (Silk Screen Bottom) 61

62 Gornji i donji sloj sito štampe se automatski generišu. Nakon raspoređivanja komponenata potrebno je samo rasporediti oznake tako da se ne nalaze na stopicama i da ne budu, ako je moguće, skriveni ispod neke komponente. Preporuke za novu štampu: Neki nedostaci koji se javljaju na ova dva sloja, odnosno samo na gornjem, su nastali prilikom modifikacija veličina stopica za footprint-e nekih PTH (Pin Thru Hole) komponenata. Modifikacija stopica je rađena da bi se komponente lakše lemile jer je sve montirano ručno. Stopice su povećavane pošto je završeno rutiranje i nije obraćana pažnja na to da li će sito štampa, na nekim mestima, prelaziti preko stopica. Ovo ne pretstavlja veliki problem jer ne smeta prilikom montaže ali nije dobra praksa. Problem se može ispraviti smanjivanjem stopica ili modifikacijom kompletnog footprint-a za pojedine komponente Gornji i donji Solder Mask layer glavne ploče (stop lak) Na slikama i prikazan je izgled gornjeg i donjeg filma stop maske (Solder Mask). Film za gornji sloj stop laka se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.smt]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim smt.ps]. Film za donji sloj stop laka se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.smb] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim smb.ps]. Preporuke za novu štampu: Prilikom modifikacija veličina stopica, pomenutih u prethodnoj glavi, menjan je i izgled filmova za stop lak. Zbog nedostatka vremena menjane su dimenzije stopica u svim slojevima istovremeno, pa u slojevima za stop lak imaju iste dimenzije kao u sloju bakra. Prilikom nanošenja stop laka došlo je do razlivanja (razmazivanja) 6

63 laka preko pojedinih stopica. Ovo ne pravi veliki problem prilikom montaže ali bi bilo dobro povećati dimenzije stopica u sloju za stop lak, u odnosu na sloj sa bakrom, da bi se izbeglo razlivanje. Slika : Izgled filma za gornji sloj stop laka (Solder Mask Bottom) Slika : Izgled filma za donji sloj stop laka (Solder Mask Bottom) 63

64 Drill layer glavne ploče (Raspored rupa i alati) Na slici dat je raspored rupa na glavnoj ploči a na slici dimenzije alata (Drill Layer). Drill layer se može se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\gerb\ MdTIM.drd] ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\glavna ploca\post script\.mdtim drd.ps]. Sa slike se vidi da je predviđeno 5 alata ali se ovaj broj lako može svesti na 4 tako što se umesto alata koristi Predlog je da se za alat koriste burgije od 0.8mm, za alat burgije 1mm, za alat burgije 1.5mm a za alate i burgije od mm. Prilikom izrade ploče usmeno je sa tehničarem dogovoreno koje će biti dimezije rupa. Slika : Raspored rupa 64

65 Slika : Dimenzije alata Preporuke za novu štampu: 1 Brojem 1 na slici je označeno mesto gde se montiraju diode D4 i D5. Za ove diode su predviđene rupe nedovoljno velikog prečnika i one su na prototipu montirane odozgo na stopice kao SMD tako što su im pristupne žice adekvatno oblikovane slično kao na slici Za novu verziju štampe potrebno je korigovati simbole alata, tako da bude samo jedan simbol za jednu dimenziju alata Layer-i pomoćne štampane ploče Pomoćna štampana ploča je znatno jednostavnija i manja od glavne ploče i za njenu relizaciju je trebalo manje vremena, zbog čega na njoj nema grešaka ali se i na njoj mogu naći nedostaci koje bi trebalo korigovati. Šeme po kojima je rađena štampa pomoćne ploče se mogu naći na pratećem CD-u, u folderu [seme i stampa], ove seme su iste kao one u folderu [seme pogona minidrive] Top layer pomoćne ploče Na slici je dat dat je izgled filma za gornji sloj bakra pomoćne ploče. Film za gornji sloj bakra se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.top]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda top.ps]. 65

66 Slika : Izgled gornjeg sloja bakra Bottom layer pomoćne ploče Na slici je dat dat je izgled filma za donji sloj bakra pomoćne ploče. Sloj je prikazan onako kako se vidi kada se pločica okrene. Film za donji sloj bakra se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.bot]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda bot.ps]. Slika : Izgled donjeg sloja bakra 66

67 Gornji i donji Silk Screen layer pomoćne ploče (sito štampa) Na slikama i je dat je izgled filma za gornji i donji sloj sito štampe pomoćne ploče. Donji sloj je prikazan onako kako se vidi kada se pločica okrene. Film za gornji sloj sito štampe se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.sst]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda sst.ps]. Film za donji sloj sito štampe se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.ssb]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda ssb.ps]. Na slikama i se može videti kako se montiraju komponente na pomoćnu ploču. Kao što je već rečeno LED cifre, IrDA primopredajnik i LED diode se montiraju sa donje strane. Slika : Izgled gornjeg sloja sito štampe 67

68 Slika : Izgled donjeg sloja sito štampe Gornji i donji Solder Mask layer pomoćne ploče (stop lak) Na slikama i je dat je izgled filma za gornji i donji sloj stop laka pomoćne ploče. Donji sloj je prikazan onako kako se vidi kada se pločica okrene. Film za gornji sloj stop laka se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.smt]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda smt.ps]. Film za donji sloj stop laka se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.smb]. ili u post script formatu na lokaciji: [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\.irda smb.ps]. Kao i za glavnu ploču, radi lakše montaže, dimenzije stopica su povećane. Problem je što su dimenzije promenjene u svim slojevima na iste vrednosti, što je prilikom nanošenja stop laka dovelo do razlivanja (razmazivanja) laka preko pojedinih stopica. Ovo ne pravi veliki problem prilikom montaže ali bi bilo dobro povećati dimenzije stopica u sloju za stop lak, u odnosu na sloj sa bakrom, da bi se izbeglo razlivanje. 68

69 Slika : Izgled gornjeg sloja stop laka Slika : Izgled donjeg sloja stop laka Drill layer pomoćne ploče (Raspored rupa i alati) Na slici dat je raspored rupa na pomoćnoj ploči (Drill Layer) a na slici dimenzije alata. Drill layer se može naći na pratećem CD-u u gerb formatu koji se može otvoriti OrCAD-ovim gerb alatom na lokaciji: [seme i stampa\pomocna ploca\gerb\ IRDA.drd] ili u post script formatu na lokaciji: 69

70 [seme i stampa\ pomocna ploca\post script\. IRDA drd.ps]. Sa slike se vidi da je predviđeno 3 alata. Predlog je da se za alat koriste burgije od 0.8mm, za alat burgije 1mm ili 1.5mm. Rupe koje se buše alatima su za montažu ploče u kutiju i njihova dimenzija se može odrediti naknadno. Predlog je da se koriste burgije od 3mm. Slika : Raspored rupa Slika : Dimenzije alata 70