WYDZIAŁ ELEKTRONIKI I INFORMATYKI. Marcin Szczygieł PRACA DYPLOMOWA INYNIERSKA. pt. Mikroprocesorowy dwukierunkowy regulator silnika elektrycznego

Transkrypt

1 POLITECHNIKA KOSZALISKA WYDZIAŁ ELEKTRONIKI I INFORMATYKI Marcin Szczygieł PRACA DYPLOMOWA INYNIERSKA pt. Mikroprocesorowy dwukierunkowy regulator silnika elektrycznego Kierunek: Elektronika i Telekomunikacja Rodzaj studiów: Wieczorowe inynierskie Specjalno: Telekomunikacja Cyfrowa Promotor: dr in. Andrzej Mazurek KOSZALIN 2005

2 Spis treci 1. PRZEDMOWA Cel projektu Załoenia projektowe sterownika Przewodnik po pracy ZASADA DZIAŁANIA APARATUR RC Podstawowe zagadnienia Transmisja radiowa Własnoci nadajników RC TYPOWE ROZWIZANIA REGULATORÓW Regulatory mechaniczne Regulatory elektroniczne Przykłady regulatorów OPIS ELEMENTÓW ZASTOSOWANYCH W PRACY Koder NE Mieszacz czstotliwoci UL Przerzutnik MC4013 i układ MC Mikrokontroler AT90S Stabilizator napicia L4940V Tranzystor MOSFET IRFZ BUDOWA I OPIS DZIAŁANIA CZCI ANALOGOWEJ BUDOWA I OPIS DZIAŁANIA MIKROPROCESOROWEGO DWUKIERUNKOWEGO REGULATORA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO Schematy płytek drukowanych Wykaz elementów Parametry techniczne OPIS OPROGRAMOWANIA MIKROKONTROLERA Opis bloków funkcjonalnych Opis zmiennych znajdujcych si w programie KONSTRUKCJA MECHANICZNA Instrukcja montau Obudowa sterownika Opis uruchamiania regulatora Opis programowania regulatora Charakterystyki pracy silnika Opis sygnalizacji (diody wiecce i pisk silnika) Zasilanie odbiornika i serwomechanizmów Zabezpieczenie regulatora

3 8.9 Połczenie regulatora z komputerem PC Wgrywanie programu do sterownika Zdjcia sterownika POMIARY I CHARAKTERYSTYKI REGULATORA Przyrzdy pomiarowe Pomiar napi zasilajcych Pomiar poboru mocy Charakterystyki przyspieszania PODSUMOWANIE WYKAZ RÓDEŁ

4 Spis ilustracji i tabel Rys. 1. Pojedynczy impuls sterujcy...9 Rys. 2. System z czterema kanałami sterujcymi...11 Rys. 3. Przykłady regulatorów mechanicznych...17 Rys. 4. Przykłady regulatorów elektronicznych...17 Rys. 5. Podłczenie regulatora mechanicznego w modelu...18 Rys. 6. Przedstawienie sterownia mechanicznego...18 Rys. 7. Schemat regulatora analogowego...20 Rys. 8. Regulator elektroniczny (generator sygnału PWM)...21 Rys. 9. Regulator elektroniczny (układ wykonawczy)...22 Rys.10. Regulator elektroniczny (układ zasilajcy - BEC)...22 Rys.11. Schemat prostego dwukierunkowego regulatora mikroprocesorowego...23 Tab. 1. Stany pracy w mostku typu H...24 Rys.12. Stan spoczynku (tranzystory nie przewodz)...25 Rys.13. Obroty w prawo przewodz tranzystory : QH2 i QL Rys.14. Obroty w lewo przewodz tranzystory : QH1 i QL Rys.15. Hamowanie silnika przewodz tranzystory: QL1 i QL Rys.16. Stan zabroniony - zwarcie w obwodzie zasilania. Przewodz QH1 i QL Tab. 2. Typowe sygnały sterujce mostkiem typu H...27 Rys. 17. Transmisja sygnału w dwukanałowej aparaturze nadawczej...28 Rys. 18. Rozkład wyprowadze układu NE Rys. 19. Prosta metoda kodowania sygnału...29 Rys. 20. Typowa konfiguracja układu NE Rys. 21. Układ wyprowadze układu UL Rys. 22. Rozmieszczenie elementów w układzie MC Rys. 23. Rozmieszczenie bramek w układzie MC Rys. 24. Rozmieszczenie wyprowadze mikrokontrolera AT90S Rys. 25. Wygld obudowy układu scalonego L4940V Rys. 26. Struktura wewntrzna układu L4940V Rys. 27. a) Charakterystyka wyjciowa tranzystora IRFZ44 I D = f(u DS ), b) Schemat wyprowadze tranzystora MOSFET (IRFZ44)...37 Rys. 28. Zdjcie aparatury nadawczej Ranger 2s firmy Hitec...39 Rys. 29. Schemat blokowy sterownika...41 Rys. 30. Schemat ideowy sterownika...42 Rys. 31. Rozmieszczenie elementów bloku wykonawczego (góra)

5 Rys. 32. Rozmieszczenie elementów bloku wykonawczego (dół)...49 Rys. 33. Rozmieszczenie elementów bloku mikroprocesora...49 Rys. 34. Widok cieek bloku wykonawczego (góra)...50 Rys. 35. Widok cieek bloku wykonawczego (dół)...50 Rys. 36. Widok cieek bloku mikroprocesora...50 Tab. 3. Spis elementów...52 Rys. 37. Algorytm główny programu...53 Rys. 38. Algorytm pomiaru długoci impulsu wejciowego...56 Rys. 39. Algorytm liczcy uredniony impuls...58 Rys. 40. Algorytm przeliczajcy impulsy PWM...59 Rys. 41. Algorytm sterujcy gałziami...60 Rys. 42. Algorytm wykrywajcy małe napicie zasilania...62 Rys. 43. Schemat montau sterownika w modelu...65 Tab. 4. Oznaczenia połcze w modelu...66 Tab. 5. Ilo ogniw...72 Rys. 44. Schemat programatora sterownika...74 Rys. 45. Zdjcia modelu z zamontowanym sterownikiem...75 Rys. 46. Widok finalny produktu z oznaczonymi kablami i złczami...76 Rys. 47. Widok sterownika zamontowanego w modelu...76 Rys. 48. Wykres napicia wyjciowego w funkcji napicia wejciowego U wy = f(u we )...78 Rys. 49. Charakterystyki przyspieszania

6 1. Przedmowa 1.1 Cel projektu Celem pracy dyplomowej jest zaprojektowanie i wykonanie mikroprocesorowego układu (na bazie mikrokontrolera AT90S2313), przeznaczonego do sterowania silnikami elektrycznymi w pojazdach modelarskich. W pracy przyjto, e sterowanie modelem bdzie realizowane drog radiow przy uyciu aparatury nadawczo-odbiorczej. Sformułowano równie cele szczegółowe, które s nastpujce: przedstawienie typowych rozwiza regulatorów oraz porównanie rónych aspektów tych konstrukcji omówienie praktycznych rozwiza układów zdalnego sterowania RC Zaprojektowane i wykonane urzdzenie ma by zastosowane do sterowania modelami amatorskimi. Dziki współpracy z komputerem PC istnieje moliwo szybkiej zmiany ustawie przez wgranie odpowiedniego oprogramowania. W celu zapewnienia optymalnego sterowania modelarskimi silnikami prdu stałego jako regulator zastosowano nowoczesne urzdzenie elektroniczne wykorzystujce elementy najnowszej generacji. 6

7 1.2 Załoenia projektowe sterownika Projektujc układ przyjto i powinien posiada parametry i cechy nowoczesnych regulatorów silników elektrycznych, dlatego sterownik powinien charakteryzowa si nastpujcymi cechami: łatwoci obsługi oraz powinien mie przejrzyst, zrozumiał i dobrze opisan instrukcj programowania, opisane wszystkie złcza, znaczenie elementów, sygnałów, moliwie małymi wymiarami, mał wag (sterownik musi zmieci si do kadego modelu, ma by uniwersalny), moliwoci sterowania rónych silników (o rónej iloci zwojów, indukcyjnoci, mocy, napiciu zasilania od 7,2V do 12V), moliwo współpracy z dowolnym odbiornikiem (AM/FM w dostpnych pasmach), umoliwia indywidualne programowanie w zalenoci od potrzeb uytkownika, powinien umoliwia regulacj kierunku jazdy pojazdu, bez porednictwa regulatora (sygnał z odbiornika 2-u kanałowego steruje bezporednio serwomechanizmem), umoliwia programowanie sterownika przez złcze RS232, z typowymi lub własnymi ustawieniami (wymagany jest programator lub specjalny interfejs podłczany do sterownika), zapewnia niezawodno w działaniu oraz maksymalne wykorzystanie ródła energii (układ pobiera moe w impulsie nawet do 100A, a w sposób cigły do ok. 20A), wykazywanie odpornoci na przegrzanie tranzystorów mocy, odpowiedni czujnik kontroluje temperatur i przekazuje sygnał do procesora, który stosownie ogranicza wysterowanie silnika, przetwarza sygnały pochodzce z czujników (np. temperatury), zabezpiecza akumulator zasilajcy przed głbokim rozładowaniem, umoliwia przywrócenie nastaw domylnych (sygnalizowane diod LED, tak aby uytkownik miał pewno, e sterownik przyjł ustawienia pocztkowe), powinien by odporny na zakłócenia, wstrzsy, warunki atmosferyczne. 7

8 1.3 Przewodnik po pracy Materiał zawarty w pracy mona podzieli na sze zasadniczych czci. W pierwszej zawierajcej jeden rozdział : Przedmow, przedstawiono cel pracy, oraz przyjte załoenia konstrukcyjne (wraz z parametrami). Druga cz zawiera rozdziały 2, 3 i 4 i jest powicona czci teoretycznej budowanego urzdzenia. W rozdziale 2 przedstawiono zasad działania urzdze Radio Control (RC) oraz podstawowe zagadnienia z tej dziedziny. Wyjaniono przeznaczenie poszczególnych elementów i zasad przesyłania sygnałów z nadajnika do odbiornika. W rozdziale trzecim opisano typowe rozwizania konstrukcyjne sterowników oraz dokonano porównania ich według rónych kryteriów. Trzeci cz stanowi rozdział 4. Scharakteryzowano w nim najwaniejsze elementy projektowanego urzdzenia oraz inne układy wykorzystane przy budowie sterownika. Cz czwarta obejmuje rozdziały 5, 6, 7, 8 i 9. W rozdziale 5 opisano budow i zasad działania czci analogowej układu. W rozdziale 6 opisano budow i zasad działania mikroprocesorowego dwukanałowego regulatora silnika elektrycznego. W rozdziale 7 opisano struktur oprogramowania. W rozdziale 8 zawarto instrukcje obsługi sterownika oraz jego programowania.. W czci pitej obejmujcej rozdział 9 zamieszczono wyniki pomiarów parametrów urzdzenia. Cz szóst stanowi rozdziały 10 i 11, w których zawarto podsumowanie (rozdział 10) oraz wykaz literatury (rozdział 11). Integraln czci pracy jest płyta CD, na której znajduj si specyfikacje producentów uytych elementów elektronicznych, kod oprogramowania, programy narzdziowe w wersji freeware, schematy płytek drukowanych, tabele z wynikami pomiarów, oraz schemat ideowy sterownika. 8

9 2. Zasada działania aparatur RC W rozdziale omówiono podstawowe zagadnienia dotyczce budowy i działania urzdze do zdalnego sterowania (aparatur RC). 2.1 Podstawowe zagadnienia Zadaniem modułu w.cz. nadajnika RC jest wytwarzanie odpowiedniego sygnału, który jest odbierany i przekształcany w odbiorniku. Tam nastpuje jego wzmocnienie i dalsze przekształcanie Najczciej nadajnik wysyła sygnały w pamie 27MHz. Wykorzystuje si równie inne pasma np. 35MHz, 40MHz, 459MHz. Pojedynczy kanał w sterowaniu modelem moe zosta uyty, do sterowania jednego urzdzenia wykonawczego np. silnika elektrycznego. System z dwoma kanałami, moe by np. sterem i regulowa szybko obrotow silnika. Kady kanał wymaga oddzielnego sygnału i jest to typowo krótki impuls, którego szeroko zmienia si wraz z ruchem drka nadajnika. Istnieje standard szerokoci impulsu, który zapewnia wymienno produktów rónych producentów. Kształt typowego sygnału przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Pojedynczy impuls sterujcy Pełn regulacj impulsu w zakresie ± 0.5ms przedstawiono na rys.1, jednak wikszo sterowników nie wykorzystuje pełnego przedziału. Z analizy rys.1 wynika, e czstotliwo cyklu impulsu (albo szybko klatek o szerokoci 20ms) wynosi 50Hz (kady kanał jest uaktualniony 50 razy na sekund). Serwomechanizm, kiedy jest sterowany przez ten sygnał zdekoduje go i zaadoptuje odpowiednie połoenie. 9

10 Na przykład impuls o szerokoci 1ms reprezentuje ruch przeciwny do wskazówek zegara, a impuls 2ms zgodny. W pracy przyjto, e ustawiajc drek sterowania w nadajniku w pozycje minimaln (czyli maksymalnie w dół) impuls zmniejszy si do szerokoci 1ms. Oznacza to zmian kierunku jazdy i pojazd bdzie poruszał si z maksymaln prdkoci w tył. Wychylajc drek maksymalnie do przodu szeroko impulsu ustawiona zostanie na 2ms i wysteruje silnik w przeciwnym kierunku, pojazd bdzie poruszał si z maksymaln prdkoci do przodu. W projektowanym sterowniku przyjto, i bdzie on dwukierunkowy, czyli bdzie poruszał si do przodu i do tyłu, a impuls o szerokoci 1,5ms bdzie oznacza, e silnik ma pozosta w stanie spoczynku (samochód bdzie stał w miejscu, jest to pozycja neutrum, czyli neutralna). Typowa zmiana kierunku obrotów silnika elektrycznego na prd stały jest realizowana poprzez zmian biegunowoci napicia zasilajcego. Nie jest to zadanie łatwe do wykonania, szczególnie w przypadkach urzdze duej mocy, gdy moe si to wiza z wystpowaniem duych strat.. Do budowy sterownika wykorzystano mikrokontroler z timerem, który pracuje jako generator przebiegu prostoktnego o zmiennym współczynniku wypełnienia (jako modulator PWM) Podsumowujc, kierunek ruchu pojazdu mona odwróci tylko przez zmian długoci impulsu. Impuls ten musi by cały czas powtarzany, poniewa przy jego braku sterownik nie otrzymuje informacji o danym kierunku i prdkoci jazdy. Polaryzacja impulsu w tym przypadku jest dodatnia, chocia w niektórych urzdzeniach stosuje si polaryzacje ujemn. Do sterowania modelu wykorzystuje si najczciej kilka kanałów. Jeden słuy do sterowania silnikiem elektrycznym do jazdy w przód i w tył, natomiast drugi wykorzystywany jest do sterowania serwomechanizmem. Profesjonalne aparatury sterujce mog posiada cztery i wicej kanałów, które wykorzystuje si do sterowania modeli latajcych oraz pływajcych. Połoenie impulsów w systemie czterokanałowym przedstawiono na rys.2. 10

11 Rys. 2. System z czterema kanałami sterujcymi Wielokanałowa aparatura sterujca przesyła dane do odbiornika przesyła jednym kanałem radiowym. Sterownie wicej ni z jednym mechanizmem modelu uzyskuje si przez wysyłanie impulsów jeden za drugim w postaci paczki (ramki). Na rysunku 2 pokazano diagram dla 4 kanałów. Informacja dla kadego kanału powtarza si w tym samym miejscu kadej ramki. 2.2 Transmisja radiowa W rozdziale zostan omówione podstawowe zagadnienia z dotyczce transmisji radiowej stosowanej w aparaturach RC Modulacja W module w.cz (nadajniku) drgania elektryczne fali nonej zostaj zmodulowane (odpowiednio przekształcone) w takt sygnału z kodera nadajnika. W torach RC stosuje si modulacj AM i FM. Obecnie modulacja AM jest coraz rzadziej stosowana z uwagi na wiksz podatno odbiornika na zakłócenia. Modulacja FM polega na zmianie czstotliwoci fali nonej w takt sygnału modulujcego. Sygnał zmodulowany czstotliwociowo charakteryzuje si duo wiksz odpornoci na wpływ zakłóce. Zmiany amplitudy fali odbieranej w odbiorniku s traktowane jako zjawisko niepodane i kompensowane przez tor radiowy odbiornika Kodowanie i dekodowanie Koder to blok elektroniczny, który zamienia sygnały elektryczne odpowiadajce połoeniom manipulatorów i przełczników w standardowy sygnał. Do niedawna 11

12 wszystkie aparatury miały kodery z wyjciem analogowym, dajc na wyjciu sygnał PPM Obecnie bardziej zaawansowane nadajniki umoliwiaj kodowanie PCM, jednak nie wypracowano dotd ogólnie przyjtego standardu. Midzy PPM i PCM jest taka rónica, jak midzy telefonami bezprzewodowymi analogowym i cyfrowym. W telefonie analogowym rozmówc słyszy si dobrze, słabo (zakłócenia) lub prawie wcale. Natomiast w telefonie cyfrowym słyszy si albo bardzo dobrze albo wcale. W przypadku toru radiowego RC skutki całkowitego zaniku sterowania w systemie PCM mog by znacznie bardziej niebezpieczne ni chwilowe zakłócenia w systemie PPM. Poniej podano krótk charakterystyk obu sposobów kodowania sygnału: PPM - Prosty i skuteczny system kodowania, który polega na kodowaniu informacji proporcjonalnej w postaci impulsów o zmiennej szerokoci przedzielonych przerwami o stałym czasie trwania. Czas trwania impulsu i przerwy wynosi łcznie standardowo od 1ms do 2ms, przy czym na odstp przypada ok. 0,5ms. Jest to wic cig zwykle 7 lub 9-ciu impulsów o zmiennej długoci i stałych odstpach. Poniewa czas trwania kadego z impulsów moe si zmienia (2-krotnie), czas trwania całej "paczki" informacyjnej jest równie zmienny. Paczki s wysyłane z czstotliwoci 20-50Hz. Nie wszystkie odbiorniki mog odbiera taki sygnał ( 9-kanałowy PPM), co naley uwzgldni przy programowaniu aparatury. PCM - Modulacja impulsowo-kodowa, a wic cyfrowa. Sygnał kadego kanału zamieniany jest w słowo cyfrowe i w tej postaci wysyłany do odbiornika. Współpracujcy odbiornik musi "rozumie" kod uywany przez nadajnik. Dlatego naley stosowa dedykowane odbiorniki producenta nadajnika. W modulacji PCM mona łatwo przenie dodatkowe informacje, jak np. bity parzystoci i słowa kontrolne umoliwiajce odrzucenie przez odbiornik zakłóconej informacji. Mona te wysyła do odbiornika rozkazy sterujce specjalne, słuce do programowania funkcji specjalnych, np. zachowania odbiornika w obecnoci zakłóce uniemoliwiajcych poprawny odbiór Kanały radiowe Pracujce obok siebie nadajniki nie zakłócaj si wzajemnie dziki temu, e pracuj na rónych czstotliwociach i dziki temu mog by selektywnie odbierane przez właciwe odbiorniki modeli. 12

13 Pasmo czstotliwoci radiowych od najkrótszych do najdłuszych jest podzielone na zakresy, kanały itp. W Polsce nadajniki amatorskie małej mocy mog nadawa bez zezwolenia na czstotliwociach około 27MHZ, 35MHz i 433MHz. W zakresie tych czstotliwoci ustawodawca wytyczył tzw. kanały radiowe czyli odcinki na skali czstotliwoci przeznaczone do wykorzystania przez pojedynczy system nadawczoodbiorczy. Np. w pamie 35MHz kanały maj szeroko 10kHz i jest to tzw. szeroko kanału informacyjnego, czyli miejsce na informacje, które nios fale. Zadaniem toru radiowego odbiornika jest filtrowanie fal radiowych, aby do dalszych jego stopni przedostawały si wyłcznie fale pochodzce z wybranego jednego kanału Zakłócenia radiowe Otacza nas morze fal elektromagnetycznych. Cz z nich wytwarza cywilizacja. W tej grupie s fale radiowe emitowane celowo oraz zakłócenia pochodzce od urzdze elektrycznych i elektronicznych. Wytwarzanie i charakter fal radiowych Przedział fal elektromagnetycznych o długoci od 10 km do 1 mm nosi nazw fal radiowych. Fale radiowe, a właciwie fale elektromagnetyczne, s wspólnym rozchodzeniem si od ródła oscylujcych pól elektrycznego i magnetycznego. Oscylacje obu pól s ze sob cile zwizane tzn. maksimum pola elektrycznego odpowiada minimum pola magnetycznego i na odwrót. Te fale elektromagnetyczne s nonikiem energii elektrycznej. Najczciej ródłami fal radiowych s prdy wielkiej czstotliwoci, płynce w antenach urzdze nadawczych i radioródła, czyli obiekty wysyłajce promieniowanie radiowe Zakłócenia radiowe Przy odbiorze radiowym w antenie indukuje si SEM (siła elektromotoryczna) nie tylko od fal elektromagnetycznych radiostacji, ale i SEM od innych ródeł, które mog wywoływa w czasie odbioru trzaski, szumy, przerwy w transmisji informacji itp. Ta dodatkowa SEM nazywana jest zakłóceniami radiowymi. Zakłócenia radiowe mona podzieli na cztery podstawowe rodzaje: atmosferyczne, przemysłowe, zakłócenia powstałe w aparaturze odbiorczej i zakłócenia sztuczne. Podstawowymi ródłami zakłóce atmosferycznych s wyładowania burzowe. Wyładowania burzowe s silnym ródłem pól 13

14 elektromagnetycznych, rozchodzcych si na odległoci tysicy kilometrów. Poziom zakłóce atmosferycznych zaley od pory dnia, pory roku. Walka z zakłóceniami atmosferycznymi sprowadza si do zwikszenia selektywnoci obwodów odbiorczych (selektywnoci czstotliwoci) do zmniejszenia szumu układów odbiorczych i do zastosowania odbiorczych anten kierunkowych. ródłem zakłóce przemysłowych s układy, w których zachodz silne zmiany prdu lub napicia lub ma miejsce iskrzenie w czasie pracy tramwajów, trolejbusów, elektrowozów, układów zapłonowych samochodów, elektronarzdzi, promienników rtciowych itd. Odbicia Fale radiowe mog rozchodzi si w przestrzeni w sposób swobodny lub by prowadzone w falowodach. Rozchodzc si ulegaj odbiciu, załamaniu, ugiciu, rozproszeniu i pochłanianiu w atmosferze lub innych orodkach.. Na propagacj (rozchodzenie si) fal radiowych w warunkach ziemskich maj wpływ powierzchnia ziemi, troposfera i jonosfera. Zakres fal ultrakrótkich wykorzystywany jest w modelarstwie, głównie dziki temu e zakłócenia s tu o wiele mniejsze ni na innych zakresach 2.3 Własnoci nadajników RC Nadajnikiem radiowym okrela si urzdzenie elektroniczne słuce do wytwarzania energii elektromagnetycznej wielkiej czstotliwoci, przystosowanej do celów łcznoci za porednictwem fal radiowych. Nadajnik składa si z generatora drga elektrycznych wielkiej czstotliwoci, wzmacniaczy wielkiej czstotliwoci, wzmacniaczy małej czstotliwoci, modulatora (modulacja) oraz urzdze pomocniczych (np. zasilacza, urzdze rozrzdczych). W tym rozdziale omówione zostan podstawowe właciwoci nadajników modelarskich Kanały proporcjonalne Obecnie zdecydowana wikszo modelarskich nadajników to aparatury tzw. proporcjonalne. W ogólnym przypadku oznacza to, e sygnały wysyłane w eter nios informacj o ktach wychyle manipulatorów. O ile wic w aparaturze nieproporcjonalnej 14

15 mona np. tylko włczy lub wyłczy silnik, o tyle w tych układach mona równie wymusi jego prdko obrotow o dowolnej wartoci z przedziału pomidzy zatrzymaniem i prdkoci maksymaln. Mona te ustawi ster samolotu pod dowolnym ktem, a nie tylko w jednym z 2 połoe. Korzyci z tego płynce s bardzo due. Ilo kanałów jest róna dla rónych nadajników. Najprostsze aparatury maj zaledwie dwa kanały, najbardziej zaawansowane nawet kilkanacie. Im wicej kanałów, tym wicej mona obsłuy niezalenych elementów wykonawczych. Dwa kanały proporcjonalne wystarczajce s dla łodzi, samochodu i prostego szybowca. Bardziej skomplikowane modele wymagaj uycia bardziej zaawansowanych systemów sterowania Drki i trymery Sygnał w kanale proporcjonalnym jest zaleny od wychylenia przypisanego mu manipulatora. Nadajniki posiadaj do 2 manipulatorów sterowanych zwykle w osiach X i Y kady (2 kanały na drek) oraz do kilku suwaków obsługujcych po jednym kanale. Drki X -Y słu do poruszania sterami i s przewanie wyposaone w trymery (korektory punktu centralnego) do kadej współrzdnej. Połoenie trymera przenosi si równie na warto sygnału w kanale, którego dotyczy. Pozwala to np. korygowa w locie neutralne ustawienie sterów modelu. W aparaturach sterowanych mikrokomputerem trymery mog działa (i zwykle działaj) inaczej ni w klasycznych, analogowych, zalenie od koncepcji przyjtej przez producenta. Zdarza si, e mog by nawet uywane jako niezalene suwaki Przełczniki Najczciej nadajnik zawiera kilka, a nawet kilkanacie rónych przełczników. Poza włcznikiem zasilania, który wystpuje zawsze, s przełczniki funkcji dodatkowych oraz włczniki sterujce kanałami proporcjonalnymi. Nie wszystkie kanały s potrzebne w formie proporcjonalnej. Jeli np. model ma zdalnie włczane wiatła, wystarczy do tego sygnał dwustanowy (włcz-wyłcz) Wskaniki i wywietlacze Kada profesjonalna aparatura zawiera wskanik stanu baterii zasilajcej. W prostych aparaturach producenci stosuj tanie wiecce wskaniki diodowe, które niestety, nie daj pełnego obrazu stanu naładowania baterii, poniewa składaj si zwykle 15

16 z zaledwie 2-3 diod. Bardziej zaawansowane nadajniki posiadaj wywietlacz ciekłokrystaliczny, na którym s wywietlane właciwe informacje i który jest pomocny w programowaniu radia Bateria zasilajca Nadajnik wyposaony jest w bateri ogniw zasilajcych. Z uwagi na znaczny pobór prdu praktycznie jako zasilanie stosuje si wyłcznie ogniwa ładowalne czyli akumulatory. Typowy nadajnik RC wymaga od 6 do 12 akumulatorków. Do zasilania odbiornika, serwomechanizmów oraz regulatora stosuje si tzw. pakiety. Pakietem nazywa si zespół szeregowo połczonych ze sob pojedynczych testowanych akumulatorków NiCd o napiciu 1,2V. Najczciej spotyka si pakiety o nominalnych napiciach od 4,8V do 11V. Najpopularniejsze pakiety stosowane w technice RC s na napicie 7,2V i pojemnoci od 1200mAh do 3300mAh. Typowe wymiary baterii zasilajcej model to: 134x45x24 oraz waga 320g. Dziki swojej konstrukcji i paramentom zastosowanie pakietów jest uniwersalne do wszystkich modeli latajcych, pływajcych i jedcych Moduł w.cz. W bardziej złoonych nadajnikach jest to wymienny moduł zawierajcy właciwy nadajnik fal radiowych. W starszych i uproszczonych konstrukcjach cz nadawcza zwykle jest zbudowana na jednej płytce drukowanej wraz z reszt układu. W obudowie modułu znajduje si zwykle otwór na wymienny rezonator kwarcowy, zestrojony na konkretny kanał radiowy. W bardzo zaawansowanych nadajnikach nie stosuje si kwarcu wymiennego, a ewentualn zmian kanału realizuje blok syntezy czstotliwoci. Takie rozwizanie układowe jest tanie i szeroko stosowane w elektronice powszechnego uytku. Zestrojenie modułu Moduł w.cz. nie powinien ju by regulowany bez uycia specjalistycznych narzdzi pomiarowych. Mona go wtedy rozregulowa, co zaowocuje zakłóceniami ssiednich kanałów i grozi utrat zasigu nadajnika. Zdarza si, e uytkownicy próbuj samodzielnie stroi moduł stosujc kryterium maksymalnego sygnału wyjciowego. Jest to błd, poniewa waniejsz kwesti jest selektywno modułu radiowego co nie zawsze jest zgodne ze sprawnoci energetyczn. 16

17 Antena Kady nadajnik ma anten. Zwykle jest to rozsuwana antena typu teleskopowego. Jej całkowita długo zwizana jest z właciwociami modułu w.cz. i najlepsze efekty uzyskuje si przy antenie całkowicie rozłoonej. Uytkowanie nadajnika z anten innej długoci, np. nie całkowicie rozłoon powoduje zmniejszenie zasigu radiowego oraz moe by grone dla samego modułu w.cz. 3. Typowe rozwizania regulatorów Bardzo wan czci układu sterowania jest regulator prdkoci. Istniej dwa rodzaje regulatorów: mechaniczne (MSC - mechanical speed control) Rys. 3. Przykłady regulatorów mechanicznych elektroniczne (ESC - electronic speed control) Rys. 4. Przykłady regulatorów elektronicznych 17

18 3.1 Regulatory mechaniczne Regulator mechaniczny jest prostej budowy regulatorem obrotów silnika elektrycznego. Typowe podłczenie regulatora do modelu przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Podłczenie regulatora mechanicznego w modelu Na rysunku 6 przedstawiono moliwe ustawienia dwigni regulatora. a) stop b) 1/3 mocy c) 2/3 mocy d) pełna moc Rys. 6. Przedstawienie sterownia mechanicznego Analizujc sterowanie mechaniczne mona wyróni 4 stany pracy. Pierwszy to stan gdzie mechanizm jest w połoeniu neutralnym, w którym prd do silnika nie dociera. Drugi, kiedy prd płynie przez cały rezystor, do silnika dociera 1/3 prdu. Trzeci stan regulatora, wystpuje gdy przez rezystor płynie 2/3 wartoci prdu, silnik ma wiksze obroty i samochód jedzie szybciej. Pełn moc uzyskuje si w ostatnim stanie kiedy prd płynie bezporednio z akumulatora do silnika. Pracuje on wtedy z maksymaln moc. 18

19 W budowie regulatora mechanicznego wystpuj: opornik, dwigienka, oraz styki - dotykane przez dwigienk reguluj moc silnika. W przypadku regulatorów mechanicznych zalet praktycznie nie ma. Jako jedyn mona zaliczy bardzo nisk cen. Wad natomiast jest bardzo duo, lecz najpowaniejszymi s: trudnoci w utrzymaniu czystoci styków, konieczno zastosowania dodatkowego serwa, 3 fazowa prdko, zastosowanie rezystora, który w postaci ciepła traci duo energii elektrycznej. 3.2 Regulatory elektroniczne Regulatory elektroniczne mona podzieli na analogowe oraz cyfrowe. Te pierwsze wykorzystuj system sterowania proporcjonalnego, w którym wychylenie steru jest okrelane przez czstotliwo sygnału modulowanego, amplitud impulsu itp. Urzdzenia analogowe pracuj z wieloma czstotliwociami, z których kada jest zmienna (płynnie przestrajana). Kadej zmianie tej czstotliwoci odpowiada okrelone wychylenie steru. Aby sterowa ruchem serwomechanizmu analogowego, trzeba wpierw przekształci w dekoderze odbiornika zmienn czstotliwo sygnału w proporcjonalne do niej napicie stałe. Napicie to zmienia si liniowo od wartoci minimalnej do wartoci maksymalnej. Natomiast w systemach cyfrowych informacja o sterowaniu jest najczciej tworzona w układzie modulacji szerokoci impulsu (układy cyfrowe np. NE5044). Tak otrzymany sygnał jest przekształcany (np. w wyniku modulacji AM) i przekazywany drog radiow do dekodera odbiornika, zbudowanego najczciej z przerzutników i kilku elementów funkcji logicznych. Deszyfrator (dekoder), który wydziela odpowiedni impuls, przekazuje go do odpowiedniego serwomechanizmu lub układu wykonawczego. W systemie cyfrowym sygnał modulujcy m.cz. zmienia czas trwania impulsów, ale ich amplituda i czstotliwo (okres) powtarzania s stałe. Amplituda impulsów przy tej metodzie nie ma wikszego znaczenia. Wystarczy, e jej warto zapewnia niezawodn prac deszyfratora w odbiorniku. W sytuacji gdy amplituda sygnału osignie poziom poniej krytycznego, odbiornik nie otrzyma wprawdzie adnej informacji. W takim rozwizaniu informacj uyteczn stanowi tylko szeroko impulsu prostoktnego lub jego czasowy odstp od impulsów poprzedzajcych, jakiekolwiek ograniczenie amplitudy impulsów na 19

20 drodze od kodera w nadajniku do dekodera w odbiorniku nie zmienia wartoci tej informacji. 3.3 Przykłady regulatorów W tym rozdziale zostan omówione typowe rozwizania regulatorów oraz bd przedstawione ich wady oraz zalety. Jako pierwszy przedstawiono analogowy regulator elektroniczny. Bardziej rozbudowanym konstrukcyjnie układem jest regulator elektroniczny cyfrowy, którego omówiono w drugim podrozdziale. Jako ostatni opisano regulator mikroprocesorowy. Celem niniejszego rozdziału jest przedstawienie najpopularniejszych rozwiza układowych regulatorów, ich funkcji, zalet i wad jak równie wybranie sporód nich regulatora, który bdzie spełniał załoenia i cele stawiane regulatorowi Regulator elektroniczny analogowy Na rys.7 przedstawiono schemat przykładowego regulatora analogowego. Rys. 7. Schemat regulatora analogowego Przedstawiony układ jest jednokierunkowym regulatorem obrotów silnika elektrycznego, który posiada nastpujce funkcje: - power-on reset, - mikki start, 20

21 - ustawiany stop oraz hamulec, - zabezpieczenie temperaturowe, - czujnik spadku napicia zasilania. oraz parametry: - BEC (stabilizator napicia), - zasilany z ogniw od 6V do 12V, - czstotliwo PWM-a 2.5 khz. Przedstawione rozwizanie jest przestarzałe i ma wiele wad. Jedyn zalet moe by niska cena elementów oraz prostota konstrukcji. Brak stabilizacji czstotliwoci generowanego sygnału moe powodowa przesunicia punktu neutrum pod wpływem zmian temperatury otoczenia. Brak moliwoci ustalania charakterystyk sterowania silnikiem, dua zawodno działania oraz mała dokładno sterowania powoduje i w chwili obecnej regulatory analogowe nie s stosowane do profesjonalnych jak równie amatorskich zastosowa Regulator elektroniczny cyfrowy Na rys.8 przedstawiono schemat przykładowego regulatora cyfrowego. Rys. 8. Regulator elektroniczny (generator sygnału PWM) 21

22 Jest to w pełni cyfrowy układ, który dokonuje modulacji PWM na sygnale z odbiornika (czstotliwo 1KHz i wypełnienie od 0 do 100%). Sterownik zbudowany jest z szeciu układów CMOS (74HC590, HCFC103 oraz 4040,4069,4013,4011,) i rezonatora kwarcowego o czstotliwoci 4MHz. Rys. 9. Regulator elektroniczny (układ wykonawczy) Układ wykonawczy (rys.9) zbudowany jest drivera oraz czterech tranzystorów MOSFET połczonych równolegle, w celu zwikszenia wydajnoci prdowej. W takim rozwizaniu sterowanie obrotami silnika moliwe jest jedynie w jednym kierunku. Rys.10. Regulator elektroniczny (układ zasilajcy - BEC) Układ BEC (rys.10) stabilizuje napicie zasilajce cz cyfrow, serwomechanizm oraz odbiornik. Układ LM2576 zapewnia stabilizacj napicia do wartoci 5V i wydajno prdow do 3A. Przedstawione rozwizanie wymaga zastosowania danej liczby elementów elektronicznych. Sterownik w stanie spoczynku pobiera znaczny prd (około 100mA). Wykonany jest na trzech płytkach drukowanych i zajmuje stosunkowo duo miejsca w modelu. Tego typu rozwiza regulatorów w chwili obecnej jest bardzo mało 22

23 i praktycznie ju si nie stosuje, ze wzgldu na dostpno i nisk cen mikroprocesorów jednoukładowych Regulator mikroprocesorowy Przykładem regulatora mikroprocesorowego jest układ przedstawiony na rysunku 11. W proponowanej konstrukcji został wykorzystany mikrokontroler firmy ATMEL AT89C2051. Rys.11. Schemat prostego dwukierunkowego regulatora mikroprocesorowego Przedstawiony na rys.11 układ regulatora składa si z nastpujcych bloków: bloku wejciowego który odbiera i przetwarza sygnał z aparatury bloku wykonawczego który steruje silnikiem elektrycznym Mikroprocesor w takim rozwizaniu interpretuje sygnały wejciowe, przetwarza je i wysyła do układu wykonawczego impulsy sterujce. Na portach P1.0 i P1.1 generowane 23

24 s dwa prostoktne sygnały wyjciowe o czstotliwoci około 13,3MHz i współczynniku wypełnienia od 0% do 100%. Nie wystpuj one jednak nigdy równoczenie na obu wyjciach mikrokontrolera, poniewa jeden jest uywany do sterowania silnikiem do przodu, a drugi do tyłu. Takie rozwizanie jest stosowane powszechnie w prawie kadym regulatorze mikroprocesorowym. W układzie wykonawczym wykorzystano osiem tranzystorów typu MOSFET, które pracuj w układzie typu H po 4 na kady kierunek. Układ ten stosowany jest w urzdzeniach, w których przy pojedynczym napiciu zasilania istnieje potrzeba dwukierunkowego sterowania silnika. Poniej zestawiono typowe konfiguracje pracy układu mostkowego typu H (H Bridge): Stan OUT1 OUT2 Spoczynku 0 0 Jazda do przodu 0 1 Jazda do tył 1 0 Zabroniony 1 1 Tab. 1. Stany pracy w mostku typu H Jest to rozwizanie bardzo proste, które czasami si stosuje w taniej klasy układach regulatorów. W przypadku wystpienia dwóch 1 na wyjciach mikrokontrolera zazwyczaj uszkodzeniu ulegaj tranzystory MOSFET. W przedstawionym układzie brakuje zabezpieczenia tranzystorów. W wyszych klasach regulatorów problem ten jest ju rozwizany Układy mostkowe typu H Układ wykonawczy sterujcy silnikiem jest wanym blokiem w kadym regulatorze. Wybranie rozwizania, które zapewni maksymaln wydajno, moc oraz bezpieczestwo, wymaga dobrania odpowiednich elementów i układów ich pracy. 24

25 Typowy układ mostkowy składa si z 4 tranzystorów (po dwa dla kadej gałzi). Dla zrozumienia zasady działania mostka przedstawiono jego typowe konfiguracje pracy. Rys.12. Stan spoczynku (tranzystory nie przewodz) Rys.13. Obroty w prawo przewodz tranzystory : QH2 i QL1 Rys.14. Obroty w lewo przewodz tranzystory : QH1 i QL2 25

26 Rys.15. Hamowanie silnika przewodz tranzystory: QL1 i QL2 Rys.16. Stan zabroniony - zwarcie w obwodzie zasilania. Przewodz QH1 i QL1 Aby zwikszy wydajno mostka stosuje si równoległe łczenie tranzystorów MOSFET. Najczciej stosuje si po 8 tranzystorów (cztery na kad gał) do jazdy w przód oraz 4 do jazdy w tył (po dwa na kad gał) 26

27 Sterowanie takim mostkiem moe odbywa si w zalenoci od złoonoci jego konstrukcji i moe mie dwa warianty, które przedstawiono w poniszej tabeli. Sterowanie Sygnały wejciowe Stany WE1/WE4 WE2/WE3 0 0 Spoczynek Proste 0 1 (pwm) Jazda do przodu 1 (pwm) 0 Jazda do tył 1 1 Stan zabroniony WE 1 WE 2 WE 3 WE Spoczynek (pwm) 0 Jazda do przodu Złoone (pwm) Jazda do tył (pwm) 1 (pwm) Hamowanie Stan zabroniony Stan zabroniony Tab. 2. Typowe sygnały sterujce mostkiem typu H Sterownie proste znajduje zastosowanie w tanich modelach, zabawkach, w których nie wymagany jest hamulec. W sterowaniu złoonym, które stosuje si najczciej moliwe jest uycie mostka do hamowania silnikiem, w celu wytracenia prdkoci oraz dla bezpieczestwa przekładni silnika. Nagła zmiana kierunku ruchu moe spowodowa zniszczenie elementów przekładni, które naraone s na znaczy stres. Hamulec ma temu zapobiec, zatrzyma silnik, a po okrelonym czasie (hamowania) zmieni kierunek na przeciwny. Istniej take inne konfiguracje sterowania, w zalenoci od złoonoci mostka i potrzeb konstruktora. Przedstawione w tab. 2 dwie metody s najbardziej popularne. 27

28 4. Opis elementów zastosowanych w pracy 1 Decydujcym czynnikiem przy wyborze elementów do konstruowania urzdzenia była ich cena oraz dostpno. Przedstawiajc opis wykorzystanych w projekcie układów przedstawiono ich podstawowe parametry oraz układy aplikacyjne. 4.1 Koder NE 5044 Układ NE5044 jest programowalnym 7-io kanałowym koderem. W nadajniku uywane s tylko dwa kanały do sterowania modelem. Do wej kodera podłczone s potencjometry, które ustalaj długo impulsu generowanego przez generator impulsów. Na rysunku 17 przedstawiono pogldowy schemat transmisji sygnału w aparaturze nadawczej. Rys. 17. Transmisja sygnału w dwukanałowej aparaturze nadawczej W aparaturze nadawczej firmy HITEC model Ranger2 wykorzystano układ scalony o oznaczeniu NE5044 firmy Philips, którego rozkład wyprowadze przedstawiono na rysunku 18. Rys. 18. Rozkład wyprowadze układu NE5044 Długo impulsu jest zmieniana od wartoci 1ms do 2ms ze rodkow wartoci równ 1.5ms, kiedy drek ustawiony jest w pozycji rodkowej. Wynika z tego, e jeli oba Specyfikacje producentów elementów i układów zastosowanych w pracy znajduj si w załcznikach. 28

29 drki s wyrodkowane, to generowane s dwa przebiegi o szerokoci impulsu 1.5ms. Oba impulsy nie mog by przesłane równoczenie, dlatego musz zosta zakodowane do formatu odpowiedniego dla transmisji i dekodowania. W tym celu impulsy s kodowane w cig impulsów. Stwarza to problem. Dla zapewnienia poprawnoci działania koder generuje cig markerów definiujcych pocztek i koniec kadego impulsu. Jeli oba drki zostan ustawione w pozycj neutrum (rodek), cig zostanie zaznaczony znacznikiem start impulsu 1, który zdefiniuje pocztek pierwszego kanału, a po czasie 1.5ms zaznaczy znacznikiem koniec impulsu 1, czyli koniec kanału 1. Pocztek 2 kanału analogicznie do 1 zaznaczy si znacznikami. Po ostatnim impulsie nastpuje kasowanie. Taka kolejno (od impulsu pocztkowego do koca okresu czasu kasowania) jest zwana ramk". Opisan metod kodowania ilustruje rys. 19.!"" #$%&%!"" #$%&% ' # ' # # Rys. 19. Prosta metoda kodowania sygnału Przykładowy schemat aplikacyjny układu NE5044 przedstawiono na rysunku 20. Rys. 20. Typowa konfiguracja układu NE

30 Sposób podłczenia kolejnych wyprowadze tego układu jest nastpujcy. Pin 16 jest podłczony do plusa zasilania, natomiast pin 8 do minusa (masa). Układ moe by zasilany napiciem od 4,5V do 12V. Do nóki 15 US dołczony jest wewntrzny regulator napicia, który dostarcza nominalne napicie 5V uywane we wszystkich obwodach czasowych. Piny od 1 do 7 s wejciami siedmiu kanałów kodera. Na schemacie pokazano sposób podłczenia do wejcia 1 dwóch potencjometrów. Jeden jest uyty do regulacji dokładnej (Trim), a drugi jest właciwym drkiem do sterowania (Stick). Drek do sterowania jest fabrycznie ustawiony w połoeniu rodkowym (neutrum). Potencjometr Trim umoliwia dokonanie kalibracji w taki sposób, aby ustawi dokładnie szeroko impulsu 1.5ms. Wyjcia potencjometrów podłczone s do V reg (regulowanego napicia 5V) i kondensatora eliminujcego wahania napicia zasilania V cc. Obwód podłczony do wejcia 10 US kontroluje szeroko impulsu wyjciowego (przewanie 300us), za obwód podłczony do wejcia 9 US kontroluje ramk (typowo 20ms). Wejcia US 12, 13 i 14 s uyte w celu dopasowania wejciowej zmiany napicia do szerokoci impulsu. Synchronizacja czasu sterowania drkiem jest oparta na dwukierunkowym stałym generatorze, w którym nastpuj koleje ładowania i rozładowania kondensatora podłczonego do Pinu 14 (C mux ). Czas ładowania jest zaleny od rezystora na wejciu 13 US. Napicie na wyjciu 12 okrela doln i górn granic, do której kondensator bdzie ładowany i rozładowywany. 4.2 Mieszacz czstotliwoci UL 1042 W odbiorniku sygnału nadawanego z aparatury nadawczej zastosowano popularny układ scalony pełnicy rol mieszacza czstotliwoci, który jest podstawowym elementem typowych odbiorników radiofonicznych. Dokładn specyfikacj tego układu zamieszczono w załcznikach. Układ UL 1042 jest mieszaczem zrównowaonym dla obu sygnałów wejciowych. Zawiera sze tranzystorów z układem polaryzacji. Ma nastpujce właciwoci: - maksymalna czstotliwo pracy do 200MHz - nie wymaga elementów indukcyjnych Układ przeznaczony jest do stosowania w odbiornikach radiofonicznych i radiokomunikacyjnych w stopniach przemiany do budowy zrównowaonych mieszaczy iloczynowych i generatorów heterodynowych zarówno FM jak i AM, w uniwersalnych układach mnocych. Układ wyprowadze układu UL 1042 przedstawiono na rys

31 1- nie podłczone, 6- nie podłczone 11- wejcie 2 liniowe 2- wyjcie, 7- wejcie 1 nieliniowe 12- delinearyzacja wejcia 2, 3- wyjcie, 8- wejcie 1 liniowe 13- wejcie 2 liniowe 4- nie podłczone 9- nie podłczone 14- masa układu 5- polaryzacja 10- delinearyzacja wejcia 2 Rys. 21. Układ wyprowadze układu UL Przerzutnik MC4013 i układ MC4093 Układ MC4013 jest dwustanowym synchronicznym przerzutnikiem typu D. Wewntrz jego obudowy znajduj si dwa niezalene przerzutniki. Kady przerzutnik ma niezalene wyprowadzenia: data, set, reset i clock i wyjcia Q i nq. Schemat wewntrzny połcze pokazany jest na rysunku 22. Rys. 22. Rozmieszczenie elementów w układzie MC

32 Układ MC4093 posiada wewntrz swojej obudowy 4 dwuwejciowe bramki typu NAND z przerzutnikami Schmitta, schemat wewntrzny połcze pokazany jest na rysunku 23. Rys. 23. Rozmieszczenie bramek w układzie MC4093 Układ znajduje szerokie zastosowanie do budowy multiwibratorów monostabilnych, astabilnych, do kształtowania impulsów itp. Oba układy znalazły zastosowanie w odbiorniku modelarskim, do budowy dekodera. Układ jest prosty i sprawdzony. 4.4 Mikrokontroler AT90S2313 Najwaniejszym elementem w sterowniku jest mikrokontroler AT90S2313. Jego główne cechy to: 2KB wewntrznej pamici Flash 125B wewntrznej pamici EEPROM 128B wewntrznej pamici SRAM Maksymalna czstotliwo taktowania -10MHz Liczba wyprowadze we/wy 15 Liczba przerwa 10 Liczba przerwa zewntrznych 2 Timer 16-bitowy, ISP, 32

33 Watchdog, UART, kanał PWM, komparator analogowy Na rysunku 24 przedstawiono rozmieszczenie wyprowadze tego układu. Rys. 24. Rozmieszczenie wyprowadze mikrokontrolera AT90S2313 Funkcje wyprowadze s nastpujce: VCC - plus napicia zasilajcego. GND - masa zasilania. W projektowanym sterowniku uyto procesora który posiada 8-bitowy port we/wy PORTB i 7-bitowy PORTD. Kierunek kadego wyprowadzenia dowolnego portu moe by ustalany niezalenie od pozostałych i zmieniany w dowolnym momencie bez wpływu na pozostałe linie portów. Port B (PBO...PB7) - 8-bitowy, dwukierunkowy port wejcia/wyjcia ogólnego przeznaczenia. Wszystkie linie portu maj indywidualnie konfigurowane wewntrzne podciganie do plusa napicia zasilania (pull-up). Maksymalny prd wejciowy (w kierunku od plusa zasilania do masy) kadej linii wynosi 20 ma. Po zerowaniu 33

34 mikrokontrolera wyprowadzenia portu B ustawiaj si w stan wysokiej impedancji, take wtedy, gdy nie jest generowany sygnał zegarowy. Niektóre linie portu B mog pełni te dodatkowe funkcje: PBO (AINO) - wejcie nieodwracajce wewntrznego komparatora. PB1 (A1N1) - wejcie odwracajce wewntrznego komparatora, PB3 (OC1) - wyjcie wyniku porównania Timera/Licznika l. PB5 (MOSI) - szeregowe wejcie danych w trybie programowania i weryfikacji. PB6 (MISO) -szeregowe wyjcie danych w trybie programowania i weryfikacji. PB7 (SCK) - wejcie zegarowe dla trybu programowania i weryfikacji. Port D (PD6...PDO) - 7-bitowy, dwukierunkowy port wejcia/wyjcia ogólnego przeznaczenia. Wszystkie linie portu maj indywidualnie konfigurowane wewntrzne podciganie do plusa zasilania (pull-up). Maksymalny prd wejciowy kadej linii wynosi 20 ma. Po zerowaniu mikrokontrolera wyprowadzenia portu D ustawiaj si w stan wysokiej impedancji take wtedy, gdy nie jest generowany sygnał zegarowy. Linie portu D mog pełni te dodatkowe funkcje: PD0 (RXD) - wejcie szeregowe układu UART. PO1 (TXD) - wyjcie szeregowe układu UART. PD2 (INT0) - wejcie przerwania zewntrznego. PD3 (INT1) - wejcie przerwania zewntrznego. PD4 (T0) - wejcie zewntrznego przebiegu zegarowego licznika T0. PD5 (T1) - wejcie zewntrznego przebiegu zegarowego licznika T1. PD6 (ICP) - wejcie przechwytywania zegara. RESET - wejcie zerowania mikrokontrolera. Do wygenerowania prawidłowego sygnału zerujcego konieczne jest, aby stan niski na tym wyprowadzeniu trwał co najmniej 50ns. Sygnał zerowania wystpi nawet, gdy nie pracuje zegar. Impulsy krótsze ni 50ns nie gwarantuj wygenerowania prawidłowego sygnału zerujcego. XTAL1 - wejcie odwracajce wzmacniacza oscylatora mogce pełni funkcj wejcia zewntrznego przebiegu zegarowego. 34

35 XTAL2 - wyjcie wzmacniacza oscylatora (odwracajcego faz). Kryteria decydujce o wyborze konkretnego mikrokontrolera s nastpujce: wygoda przy programowaniu, niezbdna liczba portów we/wy, popularnym tani układ, zintegrowana pami Eeprom, programowanie poprzez szeregowy interface SPI, dostpne darmowe programy do programowania. 4.5 Stabilizator napicia L4940V5 Stabilizator napicia jest przyrzdem elektronicznym słucym do zasilania stałym napiciem układu elektronicznego lub innego obcienia, a take do redukcji ttnie napicia wyjciowego. Napicie wyjciowe stabilizatora jest regulowane przez obwody wewntrzne stabilizatora w taki sposób, aby było niezalene od prdu obcienia, napicia zasilajcego (wejciowego) i temperatury otoczenia. Stabilizator napicia moe by czci wikszego układu elektronicznego, ale czsto jest oddzielnym modułem, wykonanym zwykle jako układ scalony. W projekcie wykorzystany został scalony stabilizator napicia L4940V5, poniewa moe pracowa przy niskim napiciu wejciowym (jest to tzw. układ LowDrop). Układ stabilizuje napicie do poziomu 5V, nawet jeli na wejciu podane jest 7.2V i mniej i zasila cały sterownik oraz odbiornik. Na rysunku 25 przestawiono wygld obudowy stabilizatora. Rys. 25. Wygld obudowy układu scalonego L4940V5 Najwaniejszymi parametrami przedstawianego układu s: - wydajno prdowa do 1.5A, - niski spadek napicia (500mV przy 1.5A), 35

36 - zabezpieczenie cieplne, - ochrona przed zwarciem, - ochrona odwrotnej polaryzacji. Uproszczon struktur wewntrzn układu L4940V5 przedstawia rysunek 26. Rys. 26. Struktura wewntrzna układu L4940V5 4.6 Tranzystor MOSFET IRFZ44 W projektowanym sterowniku został wybrany popularny tranzystor typu IRFZ44, wykonany w technologii MOSFET z kanałem wzbogaconym typu n o nastpujcych parametrach: napicie zasilania V dss = 60V rezystancja dren-ródło R DS(on) = szybkie przełczanie (w porównaniu do bipolarnych) prd drenu I D = 50A Dua warto dopuszczalnego prdu drenu była podstawowym kryterium wyboru tego elementu jako układu wykonawczego w sterowaniu silnikiem elektrycznym. Łczc kilka takich tranzystorów w układ mostkowy uzyskuje si powikszenie zapasu mocy. Element ten charakteryzuje si dostpnoci i przestpn cen (co jest istotne uwzgldniajc, e do budowy układu potrzebnych jest 12 takich elementów). Najwaniejszymi zaletami tranzystorów MOSFET w porównaniu do tranzystorów bipolarnych s: dua rezystancja wejciowa, małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i rednich czstotliwoci), moliwo autokompensacji temperaturowej, 36

37 małe wymiary powoduj, e s one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych, małe wydzielanie ciepła, dua szybko pracy, wiksza odporno na zmian temperatury. Na rysunku 27 przedstawiono schemat wyprowadze tranzystora IRFZ44, oraz charakterystyk wyjciow. a) b) Rys. 27. a) Charakterystyka wyjciowa tranzystora IRFZ44 I D = f(u DS ), b) Schemat wyprowadze tranzystora MOSFET (IRFZ44) 37

38 W rozdziale 6 opisana zostanie dokładnie zasada działania i wykorzystania tego elementu w bloku wykonawczym sterownika. 5. Budowa i opis działania czci analogowej W skład czci analogowej wchodzi nadajnik sygnałów proporcjonalnym, popularnie nazywanym aparatur nadawcz RC, oraz odbiornik Jako nadajnik wykorzystano aparatur nadawcz firmy Hitec model Ranger 2s AM. Urzdzenie jest przystosowane do współpracy z odbiornikiem AM na pasmo 27MHz. Nadajnik ten składa si z generatora drga elektrycznych wielkiej czstotliwoci, wzmacniacza wielkiej czstotliwoci, modulatora AM oraz układów pomocniczych (układu zasilania, kodera sygnałów proporcjonalnych, układu pomiaru napicia zasilania, układu ładowania, reverse). Zasilany jest z 8 baterii typ. AA, lecz lepsze jest uycie akumulatorków np. o pojemnoci 2000mAh, które mona ładowa przez wbudowane gniazdo jack (bez koniecznoci wyjmowania ich). Wskanik diodowy stanu baterii informuje uytkownika o wartoci napicia zasilajcego aparatur. W dolnej czci obudowy znajduj si przełczniki rewers (kanał 1) oraz switch (kanał 2), którymi dopasowuje si kierunek ruchu serwomechanizmu oraz silnika elektrycznego. Uycie aparatury RC zostało wybrane ze wzgldu na proste uzyskanie sygnału modulacji pozycji (PPM) (fabryczny nadajnik posiada wbudowany koder). Sygnał po odebraniu przez odbiornik RC jest dekodowany i dalej przekazywany do sterownika mikroprocesorowego, który go przetwarza i steruje silnikiem elektrycznym. Najwaniejszymi parametrami technicznymi aparatury nadawczej Ranger 2S s: czstotliwo pracy 27,115MHz, ilo kanałów 2 kanały proporcjonalne (1ms 2ms) modulacja AM, moc wyjciowa 1,5W, zasilanie 9,6-12V (np. 8 sztuk akumulatorków AA 1,2V), wejcie ładowarki typu jack, wskanik stanu naładowania akumulatorów (3 diody), wymienne rezonatory kwarcowe, reverse system na kady kanał, 38

39 zasig do 1km w powietrzu, 500m przy ziemi. Dodatkowymi cechami opisywanej aparatury s: wysuwana antena o długoci 90cm, uchwyt do noszenia, włcznik zasilania, 2 trymery, 2 drki sterujce. Aparatur nadawcz operuje uytkownik, który sterujc np. modelem samochodu musi zna jej obsług. Na rysunku 28 przedstawiono zdjcie aparatury wraz opisem podstawowych funkcji. Rys. 28. Zdjcie aparatury nadawczej Ranger 2s firmy Hitec 39

40 6. Budowa i opis działania mikroprocesorowego dwukierunkowego regulatora silnika elektrycznego Zalet wszystkich urzdze zbudowanych przy uyciu mikroprocesorów jednoukładowych jest prostota ich wykonania oraz bardzo mała liczba elementów dyskretnych potrzebnych w konstrukcji. Projektowany układ jest dwukierunkowym regulatorem prdkoci obrotowej silnika elektrycznego przeznaczonym do zastosowania w modelu sterowanym aparatur radiow. Okrelony wczeniej cel pracy wymaga dobrania konkretnego rozwizania, konkurencyjnego do produkowanych urzdze, taszego oraz bardziej wydajnego. Przedstawione w rozdziale 3 typowe urzdzenia nie maj moliwoci integracji z komputerem, ani zmiany oprogramowania sterownika. Takie rozwizania s jednak bardzo powszechne i nie daj moliwoci ustawiania przez uytkownika danych wielkoci. Wychodzc naprzeciw tym potrzebom zaawansowanych, jak równie pocztkujcych uytkowników, zaprojektowano i wykonano mikroprocesorowy dwukierunkowy regulator silnika elektrycznego. Z układu regulatora wyodrbniono bloki funkcjonalne, które zostan osobno opisane. Schemat blokowy regulatora przedstawiono na rysunku 29, a schemat ideowy zamieszczono jest na rysunku

41 Odbiornik radiowy Blok zabezpieczenia napiciowego Blok I/O P Blok zegarowy Clock AT90S2313 Blok sygnalizacji LED Blok programowania ISP Blok zasilania VCC Blok zasilania bramek MOSFET Wzmacniacze sterujce Układ wykonawczy Blok pomiaru napicia Akumulator Silnik Rys. 29. Schemat blokowy sterownika 41

42 Rys. 30. Schemat ideowy sterownika 42

43 Blok I/O Zdekodowany sygnał z odbiornika przez złcze J2 (po odfiltrowaniu ewentualnych sygnałów niepodanych np. w.cz.) w filtrze RC (R16, C6) jest podawany na wejcie PD2 mikroprocesora. S to impulsy o długoci trwania ok. 1ms do 2ms i okresie powtarzania 20ms. Stała czasowa filtru RC jest tak obliczona, e nie ingeruje we właciwe impulsy z odbiornika. Długo impulsu zalena jest od wychylenia drka. Opornik R35 wejciu mikroprocesora wymusza stan logiczny 0 przy braku podłczenia odbiornika zabezpieczajc przed przypadkowym włczaniem si silnika. Złcze J2 słuy take do zasilania odbiornika, a take serwomechanizmu ze stabilizatora 5V wbudowanego w regulator (tzw. BEC). Wbudowanie układu zasilania dla zewntrznych podzespołów do regulatora powoduje, e cały zestaw mona zasila z jednego ródła zasilania akumulatora NiCd 7.2V/1.2Ah. Przycisk monostabilny SW1 słuy do załadowania wartoci domylnych nastaw lub wejcia w tryb programowania. Podłczony jest bezporednio do nóki PD0 mikroprocesora, która w trakcie inicjalizacji procesora ustawiana jest w trybie PulUp, co powoduje załczenie w jego wntrzu rezystora od tej nóki do plusa zasilania VCC. Tak wic przy rozwartym przycisku SW1 na nóce mamy stan 1 wymuszony przez wewntrzny rezystor o wartoci ok. kilkudziesiciu k, a po jego naciniciu stan 0. Złcze ISP (In System Programming) przeznaczone jest do komunikacji regulatora z komputerem PC. Za pomoc tego złcza i kabla podłczanego do portu równoległego komputera, mona wgra now wersj oprogramowania. na Blok zasilania VCC Układ zasilania mikroprocesora i innych układów zewntrznych jest wykonany w układzie tzw. LowDrop czyli niskiego spadku napicia midzy wejciem i wyjciem wymaganego do poprawnej pracy układu stabilizatora. Układ taki potrzebny jest ze wzgldu na niskie napicie zasilania (7.2V), które spada do duo niszych przy wysterowaniu silnika (nawet poniej 5V) ze wzgldu na obecno rezystancji wewntrznej akumulatorów oraz wielkim prdom, które pobiera silnik (ok.20a przy pracy i nawet 100A przy starcie). Tradycyjny stabilizator wymagajcy do poprawnej pracy spadku napicia ok. 2V nie spełniłby swojej roli i ju po niewielkim rozładowaniu akumulatora nie zapewniłby poprawnego napicia zasilajcego. 43