senzori i aktuatori

UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA KATEDRA ZA MEHATRONIKU, ROBOTIKU I AUTOMATIZACIJU

Projekat iz predmeta Primena senzora i aktuatora - Upravljanje vozilom uz pomoć elektromotora -

Mentori:

Studenti:

Prof. Dr Laslo Nađ

Agostini Gordan H198

Prof. Dr Ljiljana Živanov

Buha Vladimir

ii

H199

Sadržaj 2. Analiza problema.........................................................................................................4

1.Uvod Klasično upravljanje u automobilima podrazumeva mehaničku vezu između volana i točkova. Ta veza ima zadatak da obrtno kretanje osovine volana preko zupčanika pretvori u translatorno kretanje potrebno za zakretanje točkova. Danas je većina automobila opremljena hidrauličkim servo sistemima, koji imaju zadatak da pomognu upravljanja. Glavni deo tog sistema je hidraulična pumpa, koja se pokreće uz pomoć motora automobila. Zbog toga što hidraulična pumpa u većini slučajeva radi neprestano, ona troši snagu glavnog motora. To dodatno opterećenje motora podiže potrošnju goriva. Zato je naša ideja da ponudimo model sistema električnog upravljanja. Ovaj sistem sasvim eliminiše mehaničku vezu između volana, servo pumpe i zupčanika, zamenjujući je električno kontrolisanim sistemom. Ovaj sistem ne koristi snagu motora pa samim tim smanjuje potrošnju goriva. Takođe smanjuje buku i vibracije jer nema mehaničkog zakretanja osovine volana. Ostaje pitanje napajanja. Tu moze poslužiti tehnologija koja se već koristi kod hibridnih i elektro automobila a zove se regenerativno kočenje. Kod automobila sa regenerativnim kočenjem, elektromotor je zadužen za usporavanje vozila. Tada se on ponaša kao generator koji na točkovima prikuplja rotacionu kinetičku energiju i skladišti je u baterije. Naš zadatak je bio da detaljno analiziramo moguća rešenja upravljanja vozilom koja ne uključuju mehaničku vezu između volana i točkova. Treba da uočimo prednosti i mane istih, i da damo predlog optimalnog rešenja. Time smo se bavili u glavi 2. Analiza problema. Takođe u okviru zadatka, a radi testiranja i demonstracije, treba napraviti funkcionalan model sistema. Zadatak modela je upravljanje motorom po poziciji na principu zatvorene povratne sprege. Softverski treba realizovati generisanje impulsno širinske modulacije kao i PI (Proportional Integral) regulatora. Opis komponenti korišćenih pri izradi modela kao i princip rada modela nalaze se u glavi . Opis realizovanog predmeta projekta. U glavi 4. Testiranje funkcionalnog modela, kako se iz naziva može zaključiti, smo opisali testiranje modela. Na kraju smo se osvrnuli na ono što je urađeno ali i dali ideje kojima se ovaj sistem može proširiti ali i poboljšati, glava 5. Zaključak

3

2. Analiza problema Analizirajući dosadašnja ostvarena rešenja, uočili smo da sistem mora da poseduje sledeće elemente: 1. Senzor zakrenutosti volana 2. Senzor zakrenutosti točkova 3. Aktuator za zakretanje točkova 4. Kontroler 5. Napajanje Zbog prirode problema kojim se bavimo, a čije je cilj eliminisanje mehaničke veze, bilo je potrebno nekako meriti zakrenutost volana. U tradicionalnoj izvedbi upravljanja tu fukciju je obavljalo vratilo koje je povezivalo volan i zupčastu letvu, a kasnije volan i hidrauličnu pumpu. Ideja je da se na vratilo volana montira senzor koji bi merio zakrenutost volana. Kao moguđa rešenja nameću se enkoderi i potenciometri. Prednosti potenciometra su njegove dimenzije i najvažnije to što pamti poziciju. To se odnosi na činjenicu da vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena nako restartovanja sistema. Mane se ogledaju u nepreciznom radu, uzrokovanom pojavom šuma, kratkom veku trajanja, čiji uzrok možemo pronaći u načinu rada samog potenciometra, osetljivoj konstrukciji i nemogućnosti kupovine adekvatnog potenciometra u slobodnoj prodaji. Postoje dve vrste enkodera: inkrementalni enkoder i apsolutni enkoder. Detekcija zakrenutosti kod obe vrste ostvaruje se optičkim parom predajnika i prijemnika, i zbog toga ne dolazi do mehaničkog kontakta između vratila senzora i kućišta senzora. To utiče na produženje veka trajanja, očuvanje preciznost bez obzira na dužinu upotrebe. Takođe izlazni signali enkodera prilagođeni su ulazima digitalnih logičkih kola, što olakšava njihovu implementaciju. Način na koji mere zakrenutost se razlikuje u zavisnosti od tipa enkodera. Inkrementalni enkoder poseduje dva optička para predajnik-prijemnik, između kojih se nalazi kodni disk. Prvi par je zadužen za brojanje inremenata, dok je položaj drugog para u odnosu na prvi takav da on daje podatak o smeru obrtanja vratila, slika (1).

Slika 1. Dvokanalni optički inkrementalni enkoder [1]

4

Mana inkrementalnog enkodera je u tome što ne pamti poziciju, što bi dalje zakomplikovalo njegovu implementaciju. Primenom apsolutnog enkodera bi problem pamćenja pozicije bio rešen, jer apsolutni enkoder radi na drugačijem principu. Način rada apsolutnog enkodera se zasniva na upotrebi većeg broja optoparova i drugačijem rasporedu otvora na kodnom disku. Broj parova direktno određuje rezoluciju enkodera. Jedinu manu apsolutnog enkodera predstavlja njegova donekle velika cena. Analizom problema merenja zakrenutosti točka došli smo do zaključka da je jednostavnije meriti promenu položaja zupčaste letve ili zakrenutost vratila motora zaduženog za pomeranje zupčaste letve. Ovo je moguće iz razloga što su motor, zupčasta letva i točkovi deo istog mehaničkog lanca. Za merenje promene položaja zupčaste letve može poslužiti linijski inkrementalni enkoder, čija je glavna mana to što ne pamti poziciju. On radi na istom principu kao i obrtni inkrementalni enkoder samo što umesto diska ima letvu, slika (2).

Slika2. Linijski inkrementalni enkoder [1] Za merenje zakrenutosti motora mogu poslužiti oba tipa enkodera. Mislimo da bi najbolji izbor i pored veće cene bio apsolutni enkoder jer je u stanju da pamti poziciju, što nam je od velike vaznosti. Kod izbora aktuatora u startu smo odbacili pneumatske i hidrauličke motore zbog nepostojanja sistema za proizvodnju i distribuciju fluida pod pritiskom, i dodatnog opterećivanja motora automobila. Ograničili smo se na jednosmerne elektro motore jer u kolima već postoji izvor napajanja prilagođen njima. Kriterijum za odabir motora je nominalna snaga motora, koja mora biti veća od maksimalne snage potrebne za zakretanje točkova vozila u stanju mirovanja. Upravo tada je otpor zakretanju najveći. Mi nismo bili u stanju da izmerimo silu potrebnu za zakretanje točkova ali mislimo da servo motor ne zadovoljava ovaj kriterijum. Motori koji dolaze u obzir su DC i koračni motori. Pošto se danas teži smanjenju mase i potrošnje vozila, dimenzije motora se moraju uzeti u obzir. Naš izbor je DC motor zbog jednostavnosi upravljanja, niže cene i manjih dimenzija. DC motor spada u rotacione električne mašine kod kojih se vrši pretvaranje električne u mehaničku energiju rotacionog kretanja. Pripada dvopobudnom sistemu, jer ima dva namotaja, statorski i rotorski, slika (3). Napaja se jednosmernim naponom. Prednosti ove vrste motora su relativno niska cena, visoka pouzdanost i jednostavna kontrola brzine obrtanja. Mane su mu kratak vek trajanja pri konstantnom radu, i potreba za odrzavanjem, što uključuje čišćenje ili zamenu komutatora i zamenu četkica i opruga. 5

Slika 3. DC motor firme „Maxon“ [2] Izbor kontrolera smo suzili na digitalne kontrolere, tačnije na mikrokontrolere i PLK (Programabilni Logički Kontroler) iz razloga što nam je rad sa digitalnim kontrolerima bliži i lakši. A pošto se danas u auto industiji uglavnom koriste digitalni kontroleri i regulatori i mi smo se opredelili za takvo rešenje. Prednosti PLK su jednostavno programiranje iz razloga što postoje integrisane funkcije za upravljanje motorom i komunikaciju sa senzorima, podržani multitasking i sigurni su u radu. Međutim njihova velika cena i praksa proizvođača automobila da za sisteme slične ovima (ABS, ESP, servo) razvijaju hardver, isključuje PLK kao povoljan izbor. Mala cena, dostupnost kao i naše poznavanje rada sa njima su glavne prednosti mikrokontrolera. Njihova mana bi bila nepouzdanost pri radu na ovako odgovornom zadatku. Napajanje u kolima ne predstavlja problem zbog postojanja instalacije od 12V jednosmerne struje. Ukoliko bi našem sistemu bilo potrebno više struje nego što standardni generator u automobilu može da proizvede, mogla bi da se koristi gore navedena tehnologija regenerativnog kočenja.

3. Opis realizovanog predmeta projekta 3.1.

Detaljan opis svih elemenata sistema

Ovde ćemo se pozabaviti detaljnim opisom komponenti za koje smo se odlučili pri izradi fukcionalnog modela odnosno makete sistema. Sistem se sastoji od upravljačkog i izvršnog dela. Upravljački deo čini mikrokontroler, koji ima funkciju upravljanja motorom u zavisnosti od referentne i ostvarene vrednosti zakrenutosti motora preko izvršnog dela u zatvorenoj povratnoj sprezi. Referentnu i ostvarenu vrednost zakrenutosti motora merimo odgovarajućim senzorima. Izvršni deo predstavlja drajver za pobudu motora. Pobuda je PWM (Pulse Width Modulation) tipa. Drajver je u konfiguraciji H 6

mosta, koji obezbeđuje obrtanje vratila motora u oba smera. Pored ovoga izvršni deo obezbeđuje limit struje motora.

Slika 4. Blok šema makete 3.1.1.

Senzori Za senzor koji meri zakrenutost volana odnosno daje referentnu vrednost, odlučili smo se za potenciometar. Razlog za to je što su dostupni i pamte poziciju (pri isključenju i ponovnom uključenju uređaja vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena). Takođe implementacija potenciometra i rad sa njima su krajnje jednostavni. U obzir smo uzeli i inkrementalni ili apsolutni enkoder koji bi se takođe mogli upotrebi kao senzor zakrenutosti, ali nam oni nisu bili dostupni. Moramo naglasiti da je velika mana potenciometra, bar modela koji smo mi koristili, krha konstrukcija. Lako moze da dođe do loma, što nije slučaj sa enkoderima te bi oni bili bolji izbir u realnoj izvedbi elekto volana. Naš izbor senzora kojim očitavamo osvarenu vrednost je takođe potenciometar. U obzir smo uzeli i inkrementalni enkoder jer se nalazi u sklopu motora ali smo od njega odustali jer inkrementalni enkoder ne pamti poziciju. Apsolutni enkoder bi takođe mogao da se upotrebi kao senzor zakrenutosti ali kao što smo ranije naglasili nije nam bio dostupan. Pošto je u oba slučaja naš izbor potenciometar a radi lakše obrade dobijenih podataka, odlučili smo se za potenciometre istih karakteristika. Radi se o potecimetru sa sledećim karakteristikama: •

Linearni

•

Nazivna otpornost 10K

•

Opseg zakretanja 150 stepeni

7

Povezali smo ih tako što smo srednji izlaz doveli na analogno digitalni ulaz mikrokontrolera , a preostala dva izlaza spojili na masu, odnosno napon napajanja. Time smo dobili naponski razdelnik koji na srednjem izlazu daje vrednost napona od nule do

napona napajanja. Zbog linearnosti promene otpornosti, ugao zakretanja i vrednost napona na izlazu potenciometra su srazmerni. Slika (5) Slika 5. Slika potenciometra [3]

Pošto se radi o analognim signalima, potrebno je njihovo prevođenje u digitalni oblik. Analogno digitalna konverzija je generisanje digitalnog kodovanog broja koji odgovara analognom ulaznom signalu, slika (6). Prednost pretvaranja analognog signala u digitalni oblik je nepostojanje šuma koji se javlja u svakom sistemu a koji može da izazove gubitak i izobličenje signala. Mana je to što je rezolucija digitalnog signala ograničena što nije slučaj kada se radi o alanognom signalu. U našem projektu smo se odlučili za digitalni signal jer je smo regulaciju položaja vratila motora ostvarili softverski, pa nam je rad sa ovom vrstom signala bio lakši. Treba napomenuti da se pri konverziji signala mogu javiti greške. Neke od njih su greška ofseta, greška dinamičkog opsega i pojačanja kod A/D konvertora, greška kvantizacije.

Analogni signal

Diskretni samplovani signal

Slika 6. Analogno digitalna konverzija [4] 8

Digitalni signal

3.1.2.

Motor Jedini kriterijum pri izboru DC motora je bila njegova dostupnost. Odlučili smo se za motor firme „Maxon“ deklarisane snage 60W sa ugrađenim reduktorom 1:16, slika (6). Njegove osnovne karakteristike su: •

Struja ne opterećenog motora

300 mA

•

Struja startovanja

60.5 A

•

Maksimalna kontinualna struja

4A

•

Otpornost namotaja

0.198 Ω

•

Maksimalna brzina obrtanja

12000 min-1

•

Brzinska konstanta

685 min-1/V-1

•

Mehanička vremenska konstanta

3.42 ms

•

Momentna konstanta

13.9 mNmA

Motor je preko zupčastog kaiša i para remenica različitog prečnika, čime smo obezbedili dodatnu redukciju, povezan sa vratilom senzora zaduženog za merenje zakrenutosti motora. Pobuda motora je PWM tipa. PWM ili impulsno širinska modulacija je vrsta upravljanja koja predstavlja način da se od digitalnog signala napravi signal analogne vrednosti. Korišćenjem brojača sa visokom rezolucijom, odnos impuls/pauza se moduliše da odgovara specificiranom nivou analognog signala. Regulacija položaja vratila motora je proporcionalnog tipa. P regulacija je diskretna jer je ostvarena softverski koristeći mikrokontroler.

3.1.3.

Upravljački deo Upravljačka deo predstavlja mikrokontroler koji povezuje sve ulazno/izlazne uređaje (senzore, drajver, napajanje). Radi se o mikrokontroleru AVR ATmega 8, slika (7), koji ima sledeće karakteristike: • RISC arhitektura, visoke preformanse i mala potrošnja • 8KB programske fleš memorije • 512 B EEPROM memorije • Dva 8 – bitna tajmer/brojača • 16 – bitni tajmer/brojač • Tri PWM izlazna kanala • Osmokanalni ADC ulaz • Bitsko orijentisana dvosmerna serijska komunikacija (USART) • Interni RC oscilator • 23 ulazno/izlaznih pinova • Napon napajanja od 4.5 do 5.5 V

9

Slika 7. AVR ATmega 8 [5]

Softverski smo realizovali takozvani idealni PI algoritam, slika (8). Prednosti idealnog u odnosu na realni regulator su kraće vreme računanja i jednostavnija prenosna funkcija. Slika 8. Šema PI regulatora Izlaz iz ovakvog regulatora dat je jednačinom U(t) = Kp*e(t)+Ki*∑e(t), gde e predstavlja razliku između referentne i ostvarene vrednosti odnosno grešku, a Kp i Ki koeficijente proporcionalnog odnosno integralnog dejstva. Proporcionalno dejstvo daje izlaz koji je proporcionalan grešci. Mana korišćenja samo P dejsva je pojava greške u ustaljenom stanju. To znači da sistem nikada neće dostici referentnu vrednost. Takođe preveliko P dejsvo može dovesti do nestabilnosti sistema, oscilovanja ostvarene oko referentne vrednosti. Da bi rešili pojavu greške u ustaljenom stanju uvodimo integralno dejsvo. Ono se sastoji od sumiranja prethodnih grešaka, koje traje sve dok se ne dostigne zadata vrednost.

10

Slika 9. Odziv P,I i PI tegulatora na step pobudu sa proizvoljnim koeficijentima [6]

11

Da bi se sprečilo upravljanje pri malim vrednostima greške, koje se mogu javiti zbog nepreciznosti senzora ili greške analogno-digitalne konverzije, greška mora biti veća od neke unapred određene vrednosti. Ta vrednost u obrnutoj proporciji određuje preciznost uređaja. Time svesno pravimo grešku u ustaljenom stanju. Vrednosti proporcionalnog i integralnog dejstva, radi mogućnosti njegovog podešavanja u toku rada sistema, se zadaju potenciometrom. Na osnovu greške i vrednosti koeficijenta dobijamo izlaz iz regulatora, koji direktno određuje faktor ispune PWM signala, slika (10).

Slika 10. PWM signali sa različitim faktorima ispune [7] a) Factor ispune 10 b) Faktor ispune 50 c) Faktor ispune 90 Za generisanje PWM signala smo iskoristili jedan od modova rada tajmera mikrokontrolera, fast PWM mode, koji obezbeđuje opciju generisanja PWM signala visoke frekfencije. Frekvencija izlaznog signala, u bitovima, se računa po sledećoj formuli:

gde TOP predstavlja vrednost do koje želimo da tajmer broji. Jasno je da se odabirom vrednosti TOP određuje željena frekvencija PWM signala, slika (11). Vrednosti TOP promeljive se dodeljuje njenim upisom u registar ICR1. S obzirom da je za motor za koji smo se odlučili preporučena radna frekvencija od 20Khz do 30KHz, TOP smo postavili na 500, čime smo dobili frekvenciju od 33KHz.

12

Slika 11. Generisanje PWM signala [8] 3.1.4. Drajver

elektro motora

Nakon izbora motora preostalo je je još da se odlučimo za način upravljanja motorom. Kod izbora drajvera moramo obratiti pažnju na snagu koju taj drajver treba da obezbedi. A pošto smo već zaključili da nam nije potrebna značajna snaga na motoru, u razmatranje izbora drajvera uzimamo integrisana kola sa H-mostom. Pošto je na našem tržištu najzastupljenije i najlakse je doći do njega, izabrali smo L298. L298 je integrisano kolo sa 2 H-mosta sa maksimalnom strujom na izlazu od 2A po mostu. Ova snaga na izlazu u potpunosti zadovoljava naše potrebe. Jednostavnost inplementacije ove komponente je još jedna od njenih prednosti, slika (12).

Slika 12. L298 Multiwatt 15 kućište [9]

13

S obzirom da ova komponenta sadrži dva H-mosta realizovana bipolarnim tranzistorima, zbog efekta „krađe struje“ odustajemo od paralelnog vezivanja mostova, iako to proizvožač ostavlja kao opciju. Koristićemo preporučenu šemu za upravljanje motorom u oba smera, slika (13).

Slika 13. DC motor kontroler u oba smera [9] Napravili smo samo malu izmenu: Ven signal koji služi za isključivanje motora po potrebi, vezali smo izlaz naponskog komparatora. Na ulaze ovog komparatora dovodimo napon sa senzorskih otpornika Rs i konstantan napon unapred podešen. Ovim smo dobili zaštitu od prevelike struje kroz motor. Iako maksimalna dozvoljena struja motora nije ni približno velika kao maksimalna struja na izlazu drajverskog kola, mogućnost upravljanja istom može biti od koristi u narednim primenama ovog uređaja. Upravljanje motorom uz pomoć ovog kola vrši se izborom faktora ispune PWM signala i dovođenjem ovog signala do upravljačkih ulaza kola. Koristi se bipolarni PWM signal čije su osobine da pri 0% ispune imamo maksimalno obrtanje motora u jednu stranu, a pri 100% ispune moksimalno obrtanje u drugu stranu. Pri ispuni od 50% motor je otkačen. Postoji opcija kočenja motora koja se izvodi dovodjenjem logičke „1“ na oba ulaza. Zbog prirode našeg problema nama ova opcija neće trebati i mi je nećemo koristit.

14

Slika 14. Šema drajvera DC motora

15

3.2. Slika

uređaja u krajnjem stadijumu izrade

16

4. Testiranje funkcionalnog modela Radi lakšeg testiranja, podešavanja parametara PI regulatora kao i prezentovanja rada uređaja odlučili smo se da postavimo dve skale sa kazaljkama na kojima se može pratiti rad uređaja. Jedna kazaljka je pričvršćena na vratilo potenciometra kojim zadajemo referentnu vrednost a druga na vratilo koje je spojeno sa potenciometrom kojim očitavamo ostvarenu vrednost. Skale su postavljene jedna iza druge sa tim što je prva skala providna radi lakšeg poređenja skretanja kazaljki. Teoretski bi trebalo da druga kazaljka prati prvu, međutim postoji konstantna razlika iz razloga jer je opseg zakretanja drugog potenciometra veći od opsega zakretanja prvog potenciometra. Pri malim vrednostima potencionalnog dejstva javlja se velika greška u ustaljenom stanju, koja se smanjuje kako se P dejstvo povećava. Ako je potencijalno dejstvo veliko dolazi do nestabilnosti sistema i oscilovanja ostvarene oko zadate vrednosti. Međutim greška je uvek prisutna i zato se uključuje i integralno dejstvo koje tu grešku neutrališe. Takođe se pri velikim vrednostima I dejstva javlja nestabilnost sistema. To znači da je potrebno odrediti dovoljno velike vrednosti P i I dejstva da bi sistem reagovao dovoljno brzo ali u isto vreme paziti da se sistem ne izvede iz stabilnog stanja. Takođe treba obratiti pažnju na mehaničke delove sistema. To se odnosi na zategnutost kaiša kojim se obrtanje motora prenosi do vratila potenciometra kojim se očitava ostvarena vrednost. Ako kaiš nije dovoljno zategnut javlja se takozvana mrtva zona u upravljanju, motor kasni sa odzivom i ne reaguje na male promene zadate vrednosti. Treba obratiti pažnju da ne dođe do proklizavanja na mestu na kom su spojeni vratilo i potenciometar, jer tada može doći do nagomilavanja integralnog dejstva.

17

5. Zaključak U ovom projektu je urađeno sve što je bilo definisano projektnim zadatkom. Urađena je detaljna analiza problema i svih segmenata sistema. Takođe su data idejna i praktična rešenja za realizaciju zadatka. Radi testiranja i prezentacije napravnjena je funcionalna maketa, čiji je zadatak da pokaže na koji bi način trebao da funkcioniše sistem u realnoj izvedbi elektro volana. Tokom izrade smo naučili nešto novo iz oblasti elektronike, programiranja, mehanike kao i upravljanja sistemima. Takođe smo kroz praktičan rad utvrdili teoriska znanja iz pomenutih oblasti. Ideje za poboljšanje. Korišcenje potenciometra sa većim opsegom zakretanja. Upotreba jeftinijeg DC motora i provera da li je u stanju da odgovori zahtevima. Implementacija fabričkog PID regulatora ili softverska realizacija istog, uz mnogo ozbiljniji algoritam računanja koeficijenata regulacije u zavisnosti od na primer brzine kretanja. Naravno u realnoj izvedbi bi veliku pažnju trebalo posvetiti pitanju bezbednosti jer bi u slučaju iznenadnog kvara na bilo kojem delu sistema vozač ostao bez kontrole nad upravljanjem vozilom. Moguće rešenje je ugradnja pomoćnog, mnogo jednostavnijeg sistema, koji bi se u tom slučaju aktivirao i preuzeo kontrolu nad upravljanjem. Zanimljivo bi bilo omogućiti više modova upravljanja, gradska vožnja i sportska vožnja, gde se razlika ogleda u potrebnom zakretanju volana ne bi li točkovi ostvarili poziciju.

18

6. Literatura [1] Živanov IME, Materijal za pripremu ispita iz predmeta Digitalna upravljačka elektronika, FTN, Novi Sad, 2009. [2] Maxon motor katalog, http://www.maxonmotor.com/ [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer [4] http://en.wikipedia.ogr/wiki/Diskrete_signal [5] datasheet for Atmega8, Atmel, www.alldatasheet.com [6] AVR221 Discrete PID controller [7] http://www.otpornik.com [8] Generisanje PWM signala, http://mil.ufl.edu/~achamber/servoPWMfaq.html [9] datasheet for L298, www.alldatasheet.com

19