Inkrementálny snímač
Zo stránky SensorWiki
| Autori: | Igor Jakubička, Rastislav Vyletel | |
| Študijný odbor: | Aplikovaná mechatronika | 2. Ing. (2014) |
Zadanie
- Naprogramujte PS regulátor otáčok DC motora riadeného PWM signálom, ktorý má v spätnej väzbe zapojený inkrementálny enkóder(IRC).
Analýza
V tejto časti popíšete ako idete daný problém riešiť. Uvediete sem aj všetky potrebné technické údaje, ktoré sú potrebné na úspešné vyriešenie projektu. Napríklad:
- popis komunikačnej zbernice (i2c, 1-wire, RS-232 a pod.)
- obrázok zapojenia vývodov použitej súčiastky
- odkaz na katalógový list
- priebehy dôležitých signálov
Inkrementálny snímač
Pod optoelektronickým snímaním budeme rozumieť spôsob snímania lineárnej alebo rotačnej dráhy/odchýlky, kedy sa fyzikálna hodnota zmeny polohy (lineárnej alebo rotačnej) premieňa na výstupný prírastkový alebo absolútny elektrický signál sinusového alebo TTL/HTL priebehu formou prerušovania svetelného lúča presne formátovaným rastrom (mriežkou, delením) vytvoreným na nosiči (väčšinou sklenenom, ale aj kovovom) gravírovaním, leptaním alebo nanášaním (väčšinou kovového povlaku). Prírastkovým (inkrementálnym) snímaním budeme rozumieť spôsob snímania meranej veličiny, kedy meraná hodnota sa sníma formou inkrementálneho (prírastkového) napočítavania jednotkového signálu zo snímača (prerušenie svetelného toku = inkrement, prírastok), pričom počiatok načítavania môže byť zadefinovaný v ľubovoľnom bode pracovného rozsahu snímača, napr. prerušením napájania, značkou alebo inak. U inkrementálnych snímačov uhlového natočenia a rotačných snímačov sa sníma aktuálna poloha – vychádzajúca z jedného vzťažného bodu – načítaním meracích krokov, resp. načítaním periód signálu.
Princíp merania optoelektronického snímača
Inkrementálny rotačný snímač prevádza rotačný pohyb na elektrické signály. Prevod mechanického pohybu na elektrické signály sa zabezpečuje fotoelektrickým bezkontaktným spôsobom. Snímač má potom takú rozlišovaciu schopnosť a takú presnosť, s akou presnosťou je vyrobený raster na kotúčoch snímača, ako jeho jadra. Z časového sledu elektrických signálov je možné zistiť uhol pootočenia, smer pootočenia, smer otáčania, rýchlosť otáčania sa jedného mechanického celku voči druhému. Vysoká rozlišovacia schopnosť, fotoelektrické bezkontaktné snímanie pohybu a mechanická odolnosť konštrukcie zabezpečuje vysokú presnosť a spoľahlivosť inkrementálneho rotačného snímača. Principiálne to funguje nasledovne : svetelný signál zo zdroja (LED) je usmernený optickou sústavou (šošovka) do dostatočne lineárneho svetelného prúdu, ten sa prechodom cez optickú mriežku rozkladá na úzke vzorky, ktoré dopadajú na kalibrovaný merací etalón s presným rastrom. Cez mriežku etalónu prenikajú na svetlocitlivý fotosnímač(fotobunka, fotónka), ktorých je spravidla viac s fázovým posunutím. V prípade rotačného snímača obmedzenie v otáčkach nemusí striktne existovať(n x 360°).
Merací krok závisí od jemnosti mriežky základného a etalónového kotúča. Napr. ak vzdialenosť rysiek na mriežke lineárneho snímača predstavuje 0,001mm a vyhodnocovacia jednotka príjme 5000 prechodov 1/0, znamená to, že sme namerali absolútnu hodnotu 5 mm. V prípade rotačného snímača je postup podobný. Odčítavanie uhlového natočenia v rámci jednej otáčky je úplne zhodné so spôsobom snímania prechodov
Optoelektronické inkrementálne snímanie
Napr. ak delenie kotúča je 3600 na 1 otáčku, nameraný počet inkrementov je 360000, absolútna hodnota otáčok je 100. Hrozí tu však riziko „pretečenia“ hodnoty, t. j. počet prechodov po predelení počtom delnia kotúčov bude tak vysoký, že jednoducho ho vyhodnocovacia elektronika nebude vedieťzobraziť IRC z pravidla obsahuje 2 hlavné vyhodnocovacie signály A a B, ktoré sú posunuté o 90° pomocou signálov A a B vieme určiť smer otáčania, rýchlosť a uhlové natočenie. Z IRC signály A a B dostaneme aj v negovanej forme pre potlačenie rušenia (diferenciálny výstup).
Popis ovládania DC motora
Otáčky DC motora sú závislé na výške napájacieho napätia. V našom prípade to je úroveň napájania 0-5V, ktorou regulujeme otáčky, samozrejme zaťažiteľnosť pinov MCU nie je postačujúca pre rozbeh motora preto pomocou MCU ovládame výkonový člen, tranzistor spínaný PWM moduláciou. Impulzová šírková modulácia alebo pulzno- šírková modulácia skr. PWM (z angl. Pulse width modulation) je modulácia periodického signálu zmenou striedy v závislosti od nejakej vstupnej veličiny za účelom prenosu informácie, alebo vysoko efektívnej regulácie elektrického výkonu, dodávaného do záťaže. Vysoká účinnosť pri regulácii výkonu je daná tým, že regulátor je (v ideálnom prípade) vždy buď úplne uzavretý, alebo úplne otvorený. Nevznikajú v ňom preto tepelné straty v dôsledku úbytku napätia na regulačnom prvku s odporovým charakterom (rezistor, polovodičový priechod), ako je tomu pri spojitých regulátoroch. Je to však vykúpené zložitejším zapojením nespojitých regulátorov, vysokými nárokmi na použité spínacie súčiastky a vysokofrekvenčným rušením, vznikajúcim rýchlym prerušovaním výkonového obvodu, ktoré je potrebné odstraňovať filtrami a elektromagnetickým tienením nespojitého regulátora.
Použitie PWM vo výkonovej elektronike
Tranzistor má nízke straty v dvoch prevádzkových stavoch. Keď je plne vypnutý, alebo keď je plne zopnutý. Keď je plne vypnutý, je na ňom napätie, ale netečie cez neho prúd, takže sú v tomto stave jeho straty nulové. Keď je plne zopnutý, môže cez neho tiecť prúd, ale je na ňom len saturačné napätie, ktoré je pomerne nízke, takže jeho stratový výkon je v tomto stave aj nízky. Pretože pri každom zapnutí alebo vypnutí prechádza tranzistor cez oblasť vysokých strát, s frekvenciou spínania straty rastú. Vďaka možnosti preniesť Dvojhodnotové modulovaný signál pri danej spínacej frekvencii dnes patrí pulzne šírková modulácia k základným technikám, na ktorých stojí súčasná výkonová elektronika.
Takmer všetky súčasné DC / DC meniče, meniče frekvencie alebo striedače využívajú nejakú formu pulzne šírkovej modulácie. Napríklad striedač môže pripájať na jednosmerný elektromotor pulzne-šírkovo modulované napätie. Rozptylová indukčnosť motora sa potom chová ako dolnofrekvenční priepusť, takže prúd a teda aj moment motora je spojitý.
Podobne sa PWM používa u meničov frekvencie s trojfázovými elektromotormi. Indukčnosť motora tu tiež pôsobí ako dolnofrekvenční priepusť, tri fázy motora sú pripojené na tri pulzne-šírkovo modulovaná napätia. Motor sa pri dostatočne veľkej nosnej frekvencii modulácie chová podobne, ako by na neho priložená napätie nebola modulovaná. Vzhľadom k tomu, že nulový vodič motora sa nezapája, rozhodujúce sú len rozdiely napätia (tj. Okamžitá združená napätie) vstupujúci do modulátorov.
V spotrebnej elektronike môžu využívať PWM tzv. Zosilňovače triedy D, ktorých hlavnou výhodou sú nízke straty, čo vedie k úspore energie a na zníženie rozmerov zariadenia. To má význam najmä u prístrojov napájaných z batérie.
Nosná frekvencia modulácie býva väčšinou konštantný, ale nemusí to tak byť vždy. Napríklad niektoré striedače pre riadenie motora môžu zámerne každú periódu náhodne meniť frekvenciu nosného signálu, aby bolo redukované nepríjemné pískanie motora súvisiaci s nosnou frekvenciou modulácie.
Popis riešenia
Popis vývojového kitu
EVB 5.1 je založený na dvoch typov populárnych Atmel mikroprocesorov ATmega16 a ATMEGA32. Doska je vybavená radom obvodových prvkov, ktoré sú napojené na kolíkových lištách, ktoré umožňujú užívateľovi rýchlu realizáciu ktoréhokoľvek projektu, aby nebolo nutné objednať špecializovanú vývojovú dosku. Všetky lišty sú označené. Nachádzajú sa v blízkosti periférií s ktorými sú spojené. To umožňuje intuitívne prepojenie bez nutnosti čítať dokumentáciu. EVB 5.1 set bol navrhnutý ako pre menej skúsených užívateľov, ktorí prvé kroky vo svete mikroprocesorov začínajú, tak aj pre profesionálnych programátorov, ktorí hľadajú univerzálnu platformu pre svoje projekty. Staršie verzie EvB4.3 rady boli úspešne použité pre celý rad veľkých projektov na poľských vysokých školách a pri vedeckých výskumoch. V súčasnej dobe naše dosky sa používajú na univerzitách v Sliezsku.
EvB 5.1 v5 kit obsahuje:
- AVR ATMega32 alebo ATMega644p Processor s DIP40 púzdrom
- Real time clock PCF8563
- EEPROM AT24C02 memory
- TSOP4836 infra-red receiver
- Infra-red transmiter
- DS18B20 temperature detector
- RS485 converter
- micro SD card socket
- 8 push buttons
- 8 LEDs
- RGB led
- 8 transistor outputs of 500mA each
- 2 analogue potentiometers
- 4x7 segment display
- USB port
- ISP port
- 5 pins of voltage +5V
- 5 pins of voltage +3.3V
- 5 pins of mass
- LCD of 2x16 characters
Komunikácia
Komunikácia EVB 5.1 kitom s PC bola navrhnutá na použitie USB-UART FT232RL prevodníka (virtuálny COM port). Systém je FT232RL pripojený k TxD a RxD liniek procesora, ktorý nevyžaduje žiadnu potrebu pre jeho napájanie.
Display
Algoritmus a program
Uveďte stručný popis algoritmu, v akom jazyku a verzii vývojového prostredia ste ho vytvorili. Je vhodné nakresliť aspoň hrubú štruktúru programu napríklad vo forme vývojového diagramu. Rozsiahly program pre lepšiu prehľadnosť rozdeľte do viacerých súborov.
Vyberte podstatné časti zdrojového kódu, použite na to prostredie source:
/* A nezabudnite zdroják hojne komentovať */
int main(void) {
printf("Hello, World!\n");
return(0);
}
Nezabudnite však nahrať aj kompletné zdrojové kódy vášho programu!
Zdrojový kód: serial.h a main.c
Overenie
Nezabudnite napísať čosi ako užívateľský návod. Z neho by malo byť jasné čo program robí, ako sa prejavuje a aké má užívateľské rozhranie (čo treba stlačiť, čo sa kde zobrazuje). Ak ste namerali nejaké signály, sem s nimi. Ak je výsledkom nejaký údaj na displeji, odfotografujte ho.
Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.