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

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, 1.2]. Rezultati istraživanja sprovedenih na

teritoriji SAD i Velike Britanije pokazuju da 90% svih motora proizvedenih u

poslednjoj deceniji 20. veka čine motori snage do 750W.

2

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 2005“ [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

1.2 Literatura

[1.1] V.R. Stefanović, “Present Trends in Variable Speed AC Drives”, in Conf. Rec. of IPEC 1983, pp. 438-449

[1.2] B.K. Bose, (Editor) “Adjustable Speed Drives”, IEEE Press 1981. [1.3] IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - www.ieee.org [1.4] Future Energy Challenge 2005 - www.energychallenge.org/Default_2005

4

2. Specifikacija pogona

Dimenzije 220 x 120 x 250

Težina 10kg

Napajanje Monofazno 230VAC +10/-15%; 50/60Hz

Brzina 150-5000 ob/min

Rezolucija komande brzine 5 ob/min

Tolerancija regulacije brzine

1) Za brzine do 1000 ob/min tolerancija ±50 ob/min 2) Za brzine preko 1000 ob/min tolerancija ±5% reference

Tip upravljanja brzinom Bezsenzorski algoritam zasnovan na merenju struje jednosmernog međukola

Smer obrtanja Suprotno od smera kazaljke na satu, kada se gleda sa strane gde je osovina pogona

Nominalna snaga 500W

Nominalna brzina 1500 ob/min

Nominalni momenat 3.18Nm

Displej 1) Četiri sedmosegmentna LED displeja sa decimalnom tačkom 2) miniDrive Windows aplikacija za PocketPC

Domet IR komunikacije 1.5m

Radni opseg temperature Od -20° do +40°C

Maksimalna nadmorska visina 1000m

Standardi IEC 60335-1

5

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.

Trofazni asinhroni

motor

Kontrola i napajanje

motora(Invertor)

Digitalno i analognozadavanje brzine

Monofazno napajanje230V 50Hz

ref

PHASE_A

PHASE_B

PHASE_C

Informacija o brzini obrtanja vratila motora (LED, PDA)

KontrolaZaštite

DrajveriPomoćnonapajaje

Ispravlja ko kolo(DC LINK)

č

Slika 3.1 Blok šema elektromotornog pogona miniDrive

6

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

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 60335-1: „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

IEC320 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.

6.1.1 Opis hardvera pogona

Na slici 6.1.1 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

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 6.1.1.

Emi filtarPrekidno kolo

Osigurač

Led displej IrDA

SCL

SDA

RX

TX

CTS

DSR

0

VCC1_10V

PHASE

MOTOR

GLAVNA

PLO

AČ

NEUTRAL

EARTH

IEC320

F 4A

SW 1

PHASE_A

PHASE_B

PHASE_C

Kućište za štampane ploče

BNC EARTHTest_ulaz

220V 50H

z

EARTH

Slika 6.1.1: Blok šema kompletnog hardvera pogona miniDrive

Signali Naponski nivo Strujni

kapacitet Tip

signala Opis

PHASE 230VAC +10/-15%; 50-60Hz (u odnosu na NEUTRAL)

analogni Faza, napajanje pogona

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)(2)

digitalni Clock I2C magistrale. Izlaz sa otvorenim kolektorom.

SDA 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0)

10mA(max)(1) 0.75mA (min)(2)

digitalni Data I2C magistrale Izlaz sa otvorenim kolektorom.

Rx 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Receive signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-USART)

9

Signali Naponski nivo Strujni

kapacitet Tip

signala Opis

Tx 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Transmit signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-USART)

CTS 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Clear To Send (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju)

DSR 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Data Set Ready (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju)

PHASE_A 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

PHASE_B 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

PHASE_C 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

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)

0.25mA 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 (2)- Minimalna vrednost da bi se postigao odgovarajući VIL 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 230V/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

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 I2C. 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 I2C 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 IEC320 priključak na koji se

vezuje odgovarajući napojni kabl.

11

6.2 Glavna ploča

Kao što je ranije pomenuto, elektronika pogona je podeljena na dve ploče. Na

slici 6.2.1. 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 J2).

Kon

troln

o i z

aštit

no k

olo

Pom

oćno

na

paja

nje

(Fly

back

)

Kol

o za

po

prav

ku

fakt

ora

snag

e (P

FC)

Kol

o za

an

alog

ni

ulaz

Inve

rtors

ko k

olo

(IRA

MS)

DC

_LIN

K

+15V

+5V

(gal

v)

0

EART

H

DC_LINK0

SHUNT

AN4

+5V+3V

00

+15V

PHASE_A_HIPHASE_B_HIPHASE_C_HIPHASE_A_LOPHASE_B_LOPHASE_C_LO

ITRIPK

onek

tor J

2K

onek

tor J

3

Kon

ekto

r BN

C J

1K

onek

tori

J10

J1

1

J12

SDASCL

TxCTSDSR

Rx

0VCC1_10V

PHASE_APHASE_BPHASE_C

Test_ulaz

EARTH

EART

H

1

11

23

23

45

67

8

2

EARTH

PHASE

NEUTRAL

Slika 6.2.1: Blok šema glavne ploče

12

U daljem tekstu biće dat kratak opis svakog bloka sa šeme sa slike 6.2.1. 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 10.2 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 6.2.1 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 [6.2]. 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 6.1.1 (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

+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 150-5000 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 6.2 su prikazani naponski nivoi, strujni kapaciteti, kao i kratki opisi

svih signala sa blok šeme sa slike 6.2.

Signali Naponski nivo Strujni

kapacitet Tip signala

Opis

PHASE 230VAC +10/-15%; 50-60Hz

analogni Faza, napajanje pogona

NEUTRAL analogni Nula, napajanje pogona EARTH analogni Masa motora, kutije i

signala za analogno zadavanje brzine

DC_LINK 380V DC 2.12A (nom) analogni Ispravljeni napon posle PFC-a

SHUNT 0 / -1.365V 0 / 6.205A 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)(2)

digitalni Prenosi informaciju o zadatoj brzini do glavnog mikrokontrolera

SCL 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0)

10mA(max)(1) 0.75mA (min)(2)

digitalni Clock I2C magistrale. Izlaz sa otvorenim kolektorom.

SDA 0-5V TTL (oc) (u odnosu na 0)

10mA(max)(1) 0.75mA (min)(2)

digitalni Data I2C magistrale Izlaz sa otvorenim kolektorom.

Rx 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Receive signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-USART)

Tx 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Transmit signal (Serijska komunikacija sa IrDA modulom na maloj pločici-USART)

CTS 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Clear To Send (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju)

14

Signali Naponski nivo Strujni

kapacitet Tip signala

Opis

DSR 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Data Set Ready (Pomoćni kontrolni signal za serijsku komunikaciju)

PHASE_A_HI 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

PHASE_B_HI 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

PHASE_C_HI 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

PHASE_A_LO 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

PHASE_B_LO 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

PHASE_C_LO 0-5V TTL (u odnosu na 0)

25mA (max)(1)

digitalni Kontrola stanja tranzistora u invertorskom mostu - IRAMS

ITRIP 0 - 1.023V / 5V(visk nivo)

25mA (max)(1)

analogni / digitalni

Merenje temperature IRAMS modula / Temperaturna zaštita IRAMS modula

PHASE_A 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

PHASE_B 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

PHASE_C 0-230V; 0-170Hz (u odnosu na 0)

1.5A (nom) analogni Napajanje motora

+15V 15VDC 100mA analogni Napajanje IRAMS modula i PFC-a

+5V 5VDC 200mA 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 (2) - Minimalna vrednost da bi se postigao odgovarajući VIL naponski nivo. Napomena (3) - Za maksimalnu varijaciju napona od 10%

Tabela 6.2.1: Opis signala sa blok šeme sa slike 6.2

15

6.2.2 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 220VAC (oko 320V),

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

20V .

- 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.

6.2.2.1 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

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 2). 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.

6.2.2.2 Flyback konvertor

Konvertori Flyback tipa su veoma jednostavne topologije, uprošćena šema

jednog Flyback konvertora sa više izlaza data je na slici 6.2.2.1. 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

Kontrola

++

+

VDC

V

V

OUT1

OUTn

-

-

IP

L M

nS1D

S

G

nSn

nP

Slika 6.2.2.1: 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.

6.2.2.3 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

napon direktno sa ispravljenog mrežnog napona. Da bi knvertor radio sa ispravljenog

mrežnog napona integrisani tranzistori moraju biti predviđeni za dosta visoke napone,

obično 600-700V. Proizvođač integrisanih kola ON-Semicondiuctor

(www.onsemi.com) 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

6.2.2.2 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 6.2.2.2-(a) za NCP1013 se mogu videti

19

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].

Time

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0msI(LP)

-400mA

0A

400mAV(DRAIN)

-1.0KV

0V

1.0KVV(OUT)

0V

20V

40V

SEL>>

(a)

T i m e

0 s 1 m s 2 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 sV ( O U T )

0 V

1 0 V

2 0 V

3 0 VI ( L P 1 )

- 5 0 0 m A

0 A

5 0 0 m A

S E L > >

(b)

Slika 6.2.2.2: (a)Rezultati simulacije za konvertor sa NCP1013 kolom- 1. grafik:

napon na izlazu, 2. grafik: napon na drejnu i 3. grafik: struja drejna.

(b) Rezultati simulacije za konvertor sa NCP1053 kolom- 1. grafik: struja drejna

i 2. grafik: napona na izlazu.

20

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.

6.2.2.3 Specifikacije U slučaju miniDrive elektromotornog pogona naponski nivoi vezani za

pomoćno napajanje su nabrojani u tabeli 6.2.2.1. Naponski nivo Strujni

kapacitet Oznaka signala na šemi

Opis

Ulazni 200-450V* - 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 100mA za IRDA modul o 50mA za mikrokontroler i okruženje o 200mA 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 6.2.2.1: Naponski nivoi na ulazu i izlazima pomoćnog napajanja

21

Izlazni naponski nivoi iz tabele 6.2.2.1 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 6.2.2.2 dati su potrebni naponski nivoi na

izlazima konvertora i maksimalne snage za svaki od izlaza.

Naponski nivo

Oznaka signala na šemi

Strujni kapacitet

Maksimalna Snaga

Napomena

20V VCC1_20V 100mA 2W 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 VCC2_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 6.2.2.2: Naponski nivoi i potrošnja na izlazima konvertora

Iz tabele 6.2.2.2 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].

6.2.2.4 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

22

izazov pogotovo ako je radni temperaturni opseg uređaja širok kao u našem slučaju

(pogledati poglavlje: 2. 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 SOT223 pakovanju [6.19], za

ovaj projekat opredelili smo se za DIP8 varijantu iako SOT223 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 TAMBmax, koja iznosi 85oC [1.4], i

maksimalne temperature kola TJmax iz sledeće relaije:

mWR

TTP

JA

AMBJD 519

7785125maxmax

max =−

=−

=ΟΟ

θ

(6.2.2.1)

RθJA je termička otpornost od kola (silicijumske pločice) do okoline pod

pretpostavkom da je kolo na 225 mm2 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 IP = 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 fSW, napona na visokonaponskom ulazu kola

VDC i pomenute parazitne kapacitivnosti CPAR na osnovu relacije:

2

21

DCPARSWSW VCfP = (6.2.2.2)

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 6.2.2.3: Prekidački gubici

23

2. 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 VDC u konvertor i tipične struje kola za

samonapajanje ICC1 [6.19] na osnovu relacije:

1CCDCSUP IVP = (6.2.2.3)

U najgorem slučaju ovi gubici iznose oko 190mW.

3. Ostalo možemo iskoristiti za kondukcione gubitke mosfeta. Ako izaberemo

varijantu na 100KHz ovi gubici iznose:

293mW 190mW-36mW -519mWPDMOS == (6.2.2.4)

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

RDSON≈10Ω [6.19]. Na osnovu ove vrednosti može se naći maksimalna struja drejna

za gore pomenute uslove hladjenja:

DSON

DMOSPRMSDSONPRMSDMOS R

PIRIP =⇒⋅= 2 (6.2.2.5)

dIIdII PRMSPMAXPMAXPRMS

33

=⇒= (6.2.2.6)

Ako se usvoji da je d (duty ratio) oko 40%, za maksimalnu struju drejna IPMAX 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 supstrat-

drejn, da bi ovo bilo ispunjeno postoje ograničenje za prenosni odnos transformatora.

Prilikom prekidanja javljaju se prigušene osilacije usled parazitnih induktivnosti i

24

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 VDC (pogledati sliku 6.2.2.3). 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 VDcmin = 200V i

maksimalni napon na direkno polarisanoj izlaznoj diodi Vf, prenosni odnos

transformatora n je ograničen sa:

S

P

nnn = (6.2.2.7)

min)( DCfOUT VVVn <+ (6.2.2.8)

39.175.110

200min =+

=+

≤VV

VVV

Vn

fOUT

DC (6.2.2.9)

Slika 6.2.2.3 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 VDSmax =

700V. Ako se pretpostavi da je maksimalna amplituda oscilacija koje nastaju prilikom

osključivanja mosfeta VRAS = 80V dobija se:

maxmax)( DSRASDCfOUT VVVVVn <+++ (6.2.2.10)

78.14maxmax =+−−

≤fOUT

DCRASDS

VVVVV

n (6.2.2.11)

25

Vrednost za amplitudu oscilacija prilikom isključenja MOSFET-a VRAS=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:

1:1:2:: 321 =SSS nnn

1:1:2:14::: 321 =SSSP nnnn (6.2.2.12)

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 6.2.2.4. Ova dioda mora biti brza i dimenzionisana za visoke napone,

preko 700V. U našem slučaju iskorišćena je dioda BYM26E (VR = 1000V; IF = 1A

tRR = 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 VINVmax :

OUTMIN

DCNVI V

nV

V += maxmax (6.2.2.13)

U najgorem slučaju ovaj napon iznosi 85V i to za najveći izlazni napon. Bitno je još

odrediti i maksimalnu iPEAK i maksimalnu srednju struju diode Imax. Srednja struja se

može dobiti iz maksimalne izlazne snage za pojedine izlaze a maksimalna iz

26

prenosnog odnosa transformatora i maksimalne struje magnetizacione induktivnosti

LM:

OUT

OUT

VP

I =max (6.2.2.14)

nIi PPEAK ⋅= max (6.2.2.15)

Izlazi [V] VINVmax [V] Imax [A] iPEAK [A]

20 85 0.1 2.8

10 75 0.35 5.6

10 75 0.05 5.6

Tabela 6.2.2.4: 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 MUR120 i MUR130). Mi smo zbog pogodnog SMD pakovanja

izabrali STTA106 brze diode 1A, 600V, (D7, D8 i D9 na slici 6.2.2.4) ali su u

prototip pak ugrađene diode MUR160.

Magnetizaciona induktivnost transformatora LM

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%

[6.20] zbog pojave subharmonijskih oscilacija.. Maksimalna struja drejna IP za

NCP1053 je od 372mA do 428mA. Na ovoj vrednosti struje drejna se obavezno gasi

MOSFET. Ako se opredelimo za varijantu kola na fsw = 100kHz prekidački period

iznosi Tsw=10uS. Vreme uključenog prekidača TON i isključenog prekidača TOFF u

najgorem slučaju se mogu dobiti iz relacija:

minDC

PMON V

ILT = (6.2.2.16)

)( fOUT

PMOFF VVn

ILT+

= (6.2.2.17)

27

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:

SWOFFON TTT ≤+ (6.2.2.18)

Odnosno:

SWfOUTDC

PM TVVnV

IL ≤+

+ ))(

11(min

(6.2.2.19)

Sada prema potrebnoj izlaznoj snazi računamo IP mosfeta a onda LMcrit 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:

SWM

OUTPSWPMOUT fL

PIfILP

η2

21 2 =⇒= (6.2.2.20)

Kombinacijom jednačina 6.2.2.20 i 6.2.2.19 dobija se da za kritičnu vrednost

magnetizacione induktivnosti LMcrit važi:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++=

)(112

min fOUTDCcritMSW

OUTcritMSW VVnVLf

PLT

η (6.2.2.21)

Odavde se može naći kritična vrednost magnetizacione induktivnosti. Za vrednosti

magnetizacione induktivnosti iznad kritične kolo počinje da radi u CCM (Continuous

Conduction Mode).

( ) mHVVVVPf

VVL

DCDCRROUTSW

RDCMcrit 3.4

22)(

2minmin

2

2min =

++=

η (6.2.2.21)

VR je reflektovani napon sa sekundara transfrmatora i on iznosi:

)( fOUTR VVnV += (6.2.2.21)

Postoji još jedno ograničenje za magnetizacionu induktivnost transformatora.

Ovo ograničenje je uslovljeno činjenicom da ne želimo da d (duty ratio) bude veći od

48%. LMmax je vrednost magnetizacione induktivnosti iznad koje konvertor radi sa

d>48% i može se dobiti iz relacije:

SWP

DCM fI

VdL

max

minmaxmax = (6.2.2.21)

Za NCP1053 IPmax se kreće od 372mA do 428mA, ako uzmemo da je maksimalna

vrednost struje drejna IPmax = 428mA, dobija se LMmax = 2,24mH. Na osnovu

prethodnog proračuna može se zaključiti da maksimalna dozvoljena vrednost za

28

magnetizacionu induktivnost iznosi 2,24mH. Ako se opredelimo za magnetizacionu

induktivnost čija je vrednost 2mH na izlaz, sa kolom NCP1053 na 100kHz, možemo

preneti maksimalnu snagu od oko:

WfILP SWPMOUT 7.921 2

maxmax ==η (6.2.2.22)

Ovo je više nego dovoljno. Za ovu vrednost LM, kada je potrošnja najveća predviđena

POUT = 6W, u kontinualnom radu dobijaju se sledeće karakteristične vrednosti:

mAfL

PI

SWM

OUTP 292

2==

η (6.2.2.23)

29.0min

max ==DC

SWPP

VfLI

d

13.0max

min ==DC

SWPP

VfLI

d

mAd

II Pms 913max

Pr ==

Za kontinualan rad se sada može naći ukupna disipacija kontrolnog kola:

mWmWmWmWPPRIP SUPSWDSONrmsPD 30919036832 =++=++=

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 225mm2 bakra za hlađenje. Ο=⋅−=−= 10177309.0125maxmax jaMOSjamb RPTT θ (6.2.2.24)

Karakteristike potrebnog transformatora su date u tabeli 6.2.2.5

Opis Oznaka Vrednost

Broj namotaja 4 (primar +3 sekundara)

Radna učestanost f 100kHz

Magnetizaciona induktivnost primara LM 2mH

Porenosni odnos transformatora 14:2:1:1

Maksimalni napon na primaru VDC 700V

Maksimalna srednja struja primara IPrms 100mA

Mksimalna srednja struja 1., 2. i 3. sekundara IS1, IS2, IS3 100mA, 350mA, 50mA

Mksimalna izlazna snaga Pout Oko 6W

Tabela 6.2.2.5 Karakteristike potrebnog transformatora.

29

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 6.2.2.4 pretstavljaju elementi R27, C24 i D4.

Pretpostavimo da rasipna induktivnost transformatora iznosi 3%

magnetizacione induktivnosti LM [6.22]:

uHLL M 6003.0 ==γ (6.2.2.25)

Reflektovani napon sa sekundara je

VVVnV fOUTR 151)( =+= (6.2.2.26)

Uzimamo da će Clamp kolo da proradi na Vclamp=220V i da će ograničiti napon na

drejnu na:

VVD 670220V450Vmax =+= (6.2.2.27)

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:

kfIL

VVVR

SWP

Rclampclampclamp 22

)(22

max

=−

=γ

, recimo 22k 3W (6.2.2.28)

nFRfV

VC

clampSWripple

clampclamp 7.4== (6.2.2.29)

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 Vclamp. 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:

Ω= kRclamp 22 , 5W

nFCclamp 10= , 500V

Maksimalni napon na diodi iznosi probližno 670V, kao i VDmax. 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 BYM26E (VR = 1000V; IF = 1A tRR = 75ns).

30

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 6.2.2.4) 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 7.5-

8.5V. 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 2.6 kΩ. Na šemi je ostavljena mogućnost korišćenja spoljašnjeg napajanja,

otpornik R31 na slici 6.2.2.4, ali u realizovanom pogonu ona nije korišćena ni

testirana.

Povratna sprega i stabilizatori

Povratna sprega je ostvarena preko optokaplera (U7 na slici 6.2.2.4).

Referenca je obična zener dioda na 10V (D6 na slici 6.2.2.4). Struja kroz diodu i

optokapler je ograničena otpornikom od 1kΩ (R32 na slici 6.2.2.4). Izlazni filtri su

kondenzatzori od 100uF i 100nF (C32, C35, C38, C33, C36, C39 na slici 6.2.2.4). 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

6.2.2.4). Napon od 3V se dobija preko razdelnika napona i može služiti samo kao

naponska refernca.

31

Transformator

Prilikom projektovanja transformatora za prekidačko napajanje ovog tipa

neophodno je obratiti pažnju na:

1. Izbor jezgra.

2. 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 AL

parametra (faktor induktivnosti) [6.25] koji je dat u katalogu za svako jezgro i

odgovarajući zazor. Odlučili smo se za jezgra koja proizvodi kompanija EPCOS

(www.epcos.com) pa su imena materijala i oznake iz njihovih dokumenata. Sva

dokumentacija i softver za pomoć pri projektovanju jezgara se može naći na njihovom

sajtu (www.epcos.com) 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 2mH a maksimalna struja kroz

namotaj je 428mA iz čega se može naći maksimalni fluks kroz konturu: 2

max 856 TmIL PM μψ == (6.2.2.30)

U katalogu se za svako jezgro i odgovarajući zazor može naći parametar AL – faktor

induktivnosti. Za ovu veličinu važi: 2

pLM NAL ⋅= (6.2.2.31)

32

Iz prethodne jednačine se za svako jezgro koje posmatramo može naći potreban broj

navojaka za postizanje tražene induktivnosti:

L

Mp A

LN = (6.2.2.32)

Takođe mora biti ispunjen uslov da indukcija kroz jezgro mora uvek biti manja od

maksimalno dozvoljene za dato jezgro i materijal BS, što se može naći u katalogu

materijala od kojih se proizvode jezgra [6.24]. Za svako jezgro iz kataloga se može

naći minimalni poprečni presek Amin. Kako jezgro ne bi ušlo u zasićenje mora biti

ispunjena relacija:

Sp

BAN

B <Ψ

=min

max (6.2.2.32)

Ako je ispunjen prethodni uslov iz jednačina 6.2.2.32 i 6.2.2.12 se može odrediti broj

navojaka za svaki namotaj.

321321 :::1:1:2:14::: SSSPSSSP NNNNnnnn == (6.2.2.32)

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.

321 SSSpukupno NNNNN +++= (6.2.2.33)

ukupno

NuW N

AKA = (6.2.2.34)

AW je površina odvojena za jedan provodnik a Ku koeficijent popunjenosti namotaja i

obično ima vrednost od 0.3-0.5. Sada orjentaciono možemo naći prečnik žice iz

sledeće relacije:

ukupno

NuWW N

AKAd

⋅==

ππ44

(6.2.2.35)

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:

πρ 2100

40

W

NNnaCun d

LNR = (6.2.2.36)

33

Gde je LN srednja dužina navojka a [6.26] specifična

otpornost bakra na 100OC, dok je u jednačini zanemarena debljina izolacionog laka na

bakarnom provodniku. Gubici u namotajima se dobijaju iz jednačine:

moCuna Ω⋅= −8100 1026.2ρ

2nRMSnN IRP = (6.2.2.37)

Efektivna vrednost struje primara je izračunata u jednačinama 6.2.2.23 a za sekundare

se može iskoristiti struja koja je data u tabeli 6.2.2.1.

Za materijal N27 gubici u jezgru na 100kHz su PV = 900uW/mm3 [6.24] a

efektivna zapremina jezgra je Ve = 756mm3 [6.23] pa su gubici u jezgru:

mWmmmm

WVPP eVFe 695765920 33 ===

μ (6.2.2.38)

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 6.2.2.5 date su izračunate veličine za jezgro

E20/10/6 - N27 sa zazorom od 0.25mm koje je iskorišćeno za pomoćno napajanje

miniDrive pogona.

Opis Oznaka Vrednost

Mterijal N27

Tip jezgra E20/10/6

Zazor g 0.25mm

Faktor induktivnosti jezgra AL 171nH

Magnetizacija zasićenja BS 410mT

Potrebna magnetizaciona induktivnost LM 2mH

Maksimalna indukcija u jezgru trafoa Bmax 325mT

Broj navojaka primara NP 108

Broj navojaka 1. sekundara NS1 15

Broj navojaka 2. sekundara NS2 8

Broj navojaka 3. sekundara NS3 8

Ukupan broj navojaka Nukupno 139

Površina mesta sa namotaje AN 22.3mm2

Faktor popunjenosti Ku 0.5

Površina poprečnog preseka provodnika AW 0.08mm2

Orjentacioni prečnik žice dW 0.32mm

Broj i prečnik žica primara DWP 3 x 0.1mm

34

Opis Oznaka Vrednost

Broj i prečnik žica 1. sekundara DWS1 3 x 0.1mm

Broj i prečnik žica 2. sekundara DWS2 4 x 0.1mm

Broj i prečnik žica 3. sekundara DWS3 3 x 0.1mm

Približna dužina provodnika primara LP 3.7m

Približna dužina provodnika 1. sekundara LS1 0.51m

Približna dužina provodnika 2. sekundara LS2 0.3m

Približna dužina provodnika 3. sekundara LS3 0.3m

Približna otpornost primara Rp 1.17 Ω

Približna otpornost 1. sekundara RS1 0.16 Ω

Približna otpornost 2. sekundara RS2 0.05 Ω

Približna otpornost 3. sekundara RS3 0.09 Ω

Procenjeni gubici u bakru primara PP 106mW

Procenjeni gubici ubakru sekundara PS 38mW

Procenjeni gubici u jezgru PFe 695mW

Procenjeni ukupni gubici PTOT 839mW

Tabela 6.2.2.5: 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 6.2.2.4 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 6.2.2.4-a. Jezgro E20/10/6 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

6.2.2.4-b. Transformator koji je namotan na ovaj način ima veću rasipnu induktivnost

što povećava gubitke na clamp kolu i smanjuje efikasnost konvertora.

35

Komponenta Oznaka Količina

E 20/10/6 jezgro bez zazora B66311-G-X127 * 1

E 20/10/6 jezgro sa zazorom g = 0.25mm B66311-G250-X127 * 1

Kalem za jezgro E20/10/6 B66206-J1110-T1 * 1

Opruga za montažu jezgra B66206-A2010 * 2

Lak žica ∅ 0.1mm AWG39(AWG38, WG40) 15m

Izolator (papir za HV kondenzatore, antivoltant traka …) 0.5x0.02m

* - EPCOS-ova kataloška oznaka www.epcos .com.

36

Napomena: U tabeli 6.2.2.6 dat je spisak komponenta koje je potrebno

nabaviti u slučaju da se transformator ručno mota.

Slika 6.2.2.4: Preporučeni način motanja –(a). Način na koji je namotan

transformator na miniDrive prototipu – (b). Raspored pristupa i tačke

transformatora gledano odozgo– (c)

15 navojaka primara

18 navojaka primara

15 navojaka 1. sekundara

8 navojaka 2. sekundara

8 navojaka 3. sekundara

izolator

izolator

izolator

izolator

15 navojaka primara

15 navojaka primara

15 navojaka primara

15 navojaka primara

15 navojaka primara

izolator

izolator

izolator

izolator

izolator

izolator

15 navojaka primara

15 navojaka primara

15 navojaka primara

15 navojaka primara

18 navojaka primara

15 navojaka 1. sekundara

8 navojaka 2. sekundara

8 navojaka 3. sekundara

izolator

izolator

izolator

izolator

izolator

izolator

15 navojaka primara

izolator15 navojaka primara

izolator

izolator

izolator

a

Primar 108 navojaka3. Sekundar 8 navojaka

Nepovezan pin Nepovezan pin

b

1. Sekundar 15 navojaka2. Sekundar 8 navojaka

c

Tabela 6.2.2.6: BOM za transformator

VCC2_10V (galv )

D6

0.5W10V

VCC1_10V

Cf 1

1uF40V

C360.1u

D9

STTA106

Cf 40.1u

+15V

+3V

VCC1_10V

VCC1_10V

C341u

0

+5V

D7

STTA106

TX1

Transf ormator2

2

105

4

1 97

6

R3310K

+5V(galv )

R2722K3W

0

C31

1n16V

Cf 21uF25V

VCC1_20V

D5

BYM26E

12

D4

BYM26E

12

C41

100n

+5V(galv )

+5V

U5MC78L05

1

2

3VI

GN

D

VO

C401u

C32

100uF40V

Cf 50.1u

C29

4.7n1kV

R3415K

C35100uF25V

Cf 31uF

R31

2.2K

U4MC7815

1

2

3VI

GN

D

VO

DC_LINK

0

C371u

C38100uF

Cf 60.1u

0

U6MC78M05

1

2

3VI

GN

D

VO

U7SFH615A

1

2

3

4

+3V

+15V

D8

STTA106

VCC1_10V

NC

P10

53C U3

NCP1053C

1 2 3

58 7 6C33

0.1u

C30

10u

C390.1u

0

R321K

Slika 6.2.2.4: Šema pomoćnog napajanja. Napomena: R31 se ne montira.

37

6.2.3 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..

6.2.3.1 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 [6.2] i to verzija u 28-pinskom PDIP

pakovanju.

38

Neke od osnovnih karakteristika ovog mikrokontrolera su da mu je

maskimalna radna frekvencija 20Mhz i da pri tom taktu obavlja 20MIPS-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 [6.2] .

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 6.2.3.1 je prikazana šema kontrolnog i zaštitnog kola.

Na šemi se može primetiti kvarcni kristal na 20MHz koim se obezbeđuje radni

takt mikrokontrolera. Za ispravan rad kristalnog oscilatora potrebna dva keramička

kondezatora od 22pF, 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 R22, R23,

39

R24 i R25, C18 i C19 su za filtriranje smetnji. Napon AN0 zavisi od struje DC linka IDC i

dobija se iz relacije:

DCDC IVRRR

RIRVVAN ⋅+=++

+−≈ 206.093.0)15(150242322

2225 (6.2.3.1)

Napon DC linka se meri preko razdelnika napona R17, R18, R19, R20. Napon

AN1 zavisi od napona DC linka VDC, i u ustaljenom stanju se dobija iz relacije:

DCVRRRR

RAN ⋅=

+++= 00222.01

20191817

20 (6.2.3.2)

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:

TeKR

RVAN 4250170

14

14

100151

−⋅Ω+

⋅= (6.2.3.3)

Za detaljnija objašnjenja pogledati datasheet za IRAMS06UP60A [6.12] i AN-1044

[6.17].

U tabeli 6.2.3.1 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. 2 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 PD2 Digitalni ulaz. Pomoćni digitalni ulaz za kontrolu IC

komunikacije. CTS (Clear To Send ) signal. 5 PWM_A_LO Izlaz OC2B Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu B

Timer/Counter2 modula. Služi za kontrolu donjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_A. (Pogledati glavu 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

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. 8 0 - GND Masa mikrokontrolera. 9 - - XTAL1 Pin za vezivanje kvarc kristala za generisanje radnog takta

mikrokontrolera.

40

Br. Naziv

signala na šemi

Smer Naziv pina

Funkcija

10 - - XTAL2 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 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

PWM_C_LO IGBT C LO (1) 0 ON 1 OFF

12 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 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

PWM_C_HI IGBT C HI (1) 0 ON 1 OFF

13 RESETSC Izlaz PD7 Digitalni izlaz. Služi za resetovanje zaštitnog kola (pogledati glavu 6.2.3.2).

RESETSC ZAŠTITA 0 REGULARAN RAD 1 POKUŠAJ RESETA (2)

14 SHORT_CIRCUIT

Ulaz PB0 Digitalni ulaz. Visok nivo ovog signala znači da je aktivirana zaštita od kratkog spoja.

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 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

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 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

PWM_B_LO IGBT B LO (1) 0 ON 1 OFF

17 PWM_A_HI Izlaz OC2A Digitalni izlaz. Dodeljen Output compare modulu A Timer/Counter2 modula. Služi za kontrolu gornjeg IGBT tranzistora za PWM signal PHASE_A. (Pogledati glavu 6.2.4 i datasheet za IRAMS06UP60A [6.12])

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 6.2.3.2), 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

20 +5V - AVCC Napajanje integrsanog AD konvertora. 21 - AREF Referentni napon za AD konvertor. Koristi se interna

referenca od 1.1V. Pogledati datasheet za ATmega168 [6.2] i diplomski rad Aleksandra Živkovića.

22 0 - GND Masa mikrokontrolera. 23 AN0 Ulaz ADC0 Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu 0 AD konvertora. Ovo

je signal sa šanta za merenje struje DC linka. 24 AN1 Ulaz ADC1 Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu 1 AD konvertora.

Signal služi za merenje napona DC linka 25 AN2 Ulaz ADC2 Analogni ulaz. Pin je dodeljen kanalu 2 AD konvertora. Ovo

je signal sa ITRIP pina IRAMS modula i služi za merenje temperature IRAMS-a

26 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

27 SDA U/I SDA Digitalni ulaz/izlaz. Koristi se kao signal podataka za serijsku I2C magistralu. Koristi se za komunikaciju sa kontrolerom LED displeja.

28 SCL Izlaz SCL Digitalni izlaz. Signal takta za serijsku I2C 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 [6.12]) (2) – 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 6.2.3.2).

Tabela 6.2.3.1: 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 200mA 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 oC do +125oC.

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 [6.2].

0

R124K7

RESETSC

C1122p

0

U1

ATmega168

123456789

1011121314

2827262524232221201918171615

CTS

SCL

C6100p

R11

3K3

R21

4k7

+5V

0

R18

180k RESET*

+15V

R10

2K20

DC_LINK

R24

3k3

U01

RESET TASTER

R1

1k5

0

C868p

R141k5

PWM_A_HI

+3V

R2

3k3

SDA

0

C322p

SHORT_CIRCUT

C1100n

+5V+15V

C968p

R25

0.22

R04K7

+5V

ENABLE

C0470n

R64K7

SDA

0

0

AN2

AN4

+15V

Y120 MHz

CTS

AN1

Rx

R22100k

+15V

R20

1k2

-

+ U2B

LM339

5

42

312

PWM_B_LO

R19

180k

SHUNT 0

Rkor1

2K2

Tx

RESETSC

AN1

PWM_C_LO

+5V

AN0

R8

2K2

PWM_B_HI

0

C1410n

0

Rkor2

10k

PWM_C_HI

-

+

U2A

LM3397

61

312

C1833n

DSR

+5V

R32k2

R23

3k3

J3

8 HEADER

12345678

0

0

+5V

C21u

SHORT_CIRCUT

0

C1747n

-

+

U2C

LM3399

814

312

PWM_A_LO

C10

100n+3V

ENABLE

0

C422p

R93K3

0

ITRIP

0

C1933n

SHUNT

RESET*Rx

SCL

0

C12100n

-

+

U2D

LM339

11

1013

312

AN0

0

AN2

+15V

C7100p

DSR

R4

4K7

+15V

D1

LL4148

+3V

R17

180k

R1310K

VCC1_10V

0

Tx

0

D1

LL4148

C52.2u

0

R52K

Slika 6.2.3.1: Šema kontrolnog i zaštitnog kola

43

6.2.5 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 (2V/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 [6.27]. 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

6.2.5.1. Merenje analognog signala za zadavanje brzine obavlja Attiny15.

mikrokontroler kompanije Atmel [6.28]. 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 www.atmel.com, 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 Ca2 na slici 6.2.5.1)

2. Kolo za prilagođenje naponskog nivoa ulaznog napona, filtriranje smetnji i

zaštitu ulaza od prenapona, kratkog spoja i inverzije polariteta (Ca3, Ca4, Ra2,

Ra3, Ra6, Da3 i Da4 na slici 6.2.5.1). Napon na ulazu u A/D konvertor zavisi

od test ulaza prema relaciji 6.2.5.1:

44

45

4__3

632

3 ulazTestRRR

RulazTestADC

aaa

a =++

= (6.2.5.1)

3. Kolo za galvansko razdvajanje (Ua6, Ra4 i Ra5 na slici 6.2.5.1).

U tabeli 6.2.5.1 dat je opis svakog od signala sa šeme na slici 6.2.5.1, a u tabeli 6.2.5.1

opis i izabrana funkcija svakog od portova mikrokontrolera.

Br. Naziv

signala na šemi

Smer Funkcija

1 Test_ulaz Ulazni Naponski signal za analogno zadavanje brzine 0-10VDC. Masa signala je kućište motora koje je uzemljeno.

2 +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 6.2.5.1: Opis signala sa šeme kola za analogni ulaz sa slike 6.2.4.1

Br. Naziv

signala na šemi

Smer Naziv pina

Funkcija

1 - Ulaz RESET Reset signal za ATtiny mikrokontroler 2 - 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 5 - - 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 PB2 Signal za prenos informacije o naponskom nivou za analogno

zadavanje brzine. 8 +5V(galv) - VCC Napajanje mikrokontrolera

Tabela 6.2.5.2: Opis pinova ATtiny mikrokontrolera

Ra5390

Test ulaz

5VDa3

Ra1

10k

+5V

Ua6PS25011

2

3

4

AN4

Ra6

15k

+5V

+5V

Ca3

100n

VCC = 3V => R4 = 200ohm

+5V(galv )

0

Ca2

100nRa4

200

VCC = 2.7V - 5.5V stabilisano

Ra3

10k

Ca1

100n

Da4RB521

J1BNC

1

2

Ca4

1u

Ra2

15k IC1

ATTINY15

1234

8765

PB5/ADC4/RESETPB4/ADC3PB3/ADC2GND

VCCPB2/ADC1/SCK/TOPB1/AIN1/MISO/O

PBO/AINO/AREF/M

VCC = 5V => R4 = 390ohm

Slika 6.2.5.1: Šema kola za analogni ulaz

46

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 6.3.1 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

6.2 u poglavlju 6.2 Glavna ploča.

IrDA

+5V

Kon

ekto

r J3

SDASCL

TxCTSDSR

Rx

0VCC1_10V

12

34

56

78

LED displej

Stabilizator napona(7805)

0

Slika 6.3.1: Blok šema pomoćne ploče

47

6.3.2 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 32 LCD segmenta odnosno 4 cifre i

četiri tačke [6.28]. 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 I2C magistrale i može da drajvuje 4 LED cifre

uz četiri decimalne tačke [6.29].

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 6.3.2.1 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 Dd2. 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 Qd2 na slici 6.3.2.1. 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 I2C 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 [6.29].

48

49

Na slici 6.3.2.1 data je šema kola LCD displeja. U tabeli 6.3.2.1 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 6.1.1 a na slici 6.2.1

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.

2 - - Cext Ulaz na koji se vezuje kondenzator koji kontroliše učestanost kojom se vrši multipleksiranje.

3-10 - Izlaz P1-P8 Katode odgovarajućih segmenata 1 i 2 LED cifre. 11 - Izlaz MX1 Signal koji kontroliše tranzistor za zajedničku anodu 1 i 3

displeja. 12 GND - VEE Masa kola 13 +5V* - VCC Napajanje kola 14 - Izlaz MX2 Signal koji kontroliše tranzistor za zajedničku anodu 2 i 4

displeja. 15-22 - Izlaz P9-P16 Katode odgovarajućih segmenata 3 i 4 LED cifre. 23 SDA U/I SDA Data signal I2C magistrale 24 SCL Ulaz SCL Clock signal I2C 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 6.3.2.1: Signali na SAA1064

Qd1

FMMT491/SOT

J1

CONN PLUG 8

12345678

Rd1

4.7K

Rd2

4.7K

SCL

Tx

Ud1

SAA1064

1

2345678910

11

12

1314

1516171819202122

23

24

ADR

CextP8P7P6P5P4P3P2P1

MX1

VEE

VCCMX2

P9P10P11P12P13P14P15P16

SDA

SCL

+ Cd6100uF

+5V

Cd4

1u

Dd1

LED55B/TO

Ud3

LED_CIFRA

10 9 8 5 4 2 3 7 6

A B C D E F G DP

CA

Cd2100n

Dd2

LED55B/TO

Cd1

2.7n

Qd2

FMMT491/SOT

Ud4

LED_CIFRA

10 9 8 5 4 2 3 7 6

A B C D E F G DP

CA

Ud5

LED_CIFRA

10 9 8 5 4 2 3 7 6

A B C D E F G DP

CA

Rx

SDA

+5VUd6MC78L05

1

2

3VI

GN

D

VO

VCC_10V

GND

SDA

DSR

Ud2

LED_CIFRA

10 9 8 5 4 2 3 7 6

A B C D E F G DP

CA

+5V

Cd3

0.1u

SCL

CTS

Cd5

0.1u

Slika 6.3.2.1: Šema kola LED displeja

50

6.4 Štampa

Štampane ploče kao šeme su rađene u programu za dizajn štampanih kola

OrCAD, verzija 9.2. Više informacija o ovom programu može se naći na Internetu na

adresi www.cadence.com.

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 6.4.2.

i 6.4.3.

6.4.1 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.

6.4.1.1 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 6.2.1.

Raspored blokova na štampi glavne ploče je dat na slici 6.4.1.1.

51

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 2mm (minimum za CE

sertifikovane ploče, za napone koji se javljaju na našoj ploči je 1,2mm). 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 0.25mm (10mils-a-a). Najmanje

izolaciono rastojanje je 0.3mm (12mils-a).

1

23

4

5

68

7

9

1- Kolo a popravku faktora snage2- Invertor - IRAMS3- Kontrolno i kolo4- Pomo

z

zaštitnoćno napajanje

5- Kolo za analogni ulaz6- Konektor za motor (J2)7- Konektor za pomoćnu ploču (J3)8- Konektori za napajanje 220VAC (J10, J11)9- Konektor za analgni ulaz BNC (J1)

Slika 6.4.1.1: 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].

52

6.4.1.2 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 6.3.1 a raspored blokova na

štampanoj ploči se može naći na slici 6.4.1.2.

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 (12mils-a)

1 - LED displej2 - IrDA 3 - Stabilizator napona ( )4 - Konektor J3

7805

Slika 6.4.1.2: 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]

6.4.2 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

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.

6.4.2.1 Top layer glavne ploče Na slici 6.4.2.1 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 6.4.2.1. a

objašnjenja korekcija biće nabrojana u sledećem tekstu:

54

1

2

8

567 4

3

za hladjenje NCP1053

Slika 6.4.2.1: Gornji sloj štampe

Obavezne ispravke:

1 – Ispravka: Liniju +15V, kojom se napaja kolo MC33260, treba prekinuti na

mestu označenom brojem 1 i umetnuti Stabilizator 78L12 kako je prilkazano na slici

6.4.2.2-a. Pločicu treba probušiti i kroz rupu provući ground pin kola, a zatim ga sa

donje strane treba vezati za masu kola MC33260 (popuna mase), kao na slici

6.4.2.2-b.

1 2 1 - input2 - ground3 - output

78L12

1

Slika 6.4.2.2-a: Montaža stabilizatora 78L12 sa gornje strane ploče

55

Slika 6.4.2.2-b: Vezivanje ground signala 78L12 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:

2 – 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

D21 i D22 (slika 6.4.2.4). Ovo je učinjeno zbog nedostatka prostora. Preporuka je da

se štampa prepravi tako da se ove komponente montiraju uspravno jedna pored druge.

.

Slika 6.4.2.3: Montaža D21, D22, R68 i R69

4 – Preporuka: Kondenzator C20 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

5 – Preporuka: Diodu D24 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 6.4.2.4.

9 – Preporuka: Pin broj 6 na NCP1053 kolu ne postoji tako da ova stopica

samo umanjuje izolaciono rastojanje i treba je izbrisati.

Slika 6.4.2.4: 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 6.4.2.5.-a.

To u našem slučaju nije rađeno zbog nedostatka vremena pa se mogu naći spojevi kao

na slikama 6.4.2.5-b, 6.4.2.5.-c i 6.4.2.5.-d koji se ne preporučuju. Ove spojeve bi

trebalo popraviti.

b c d Slika 6.4.2.5: a - Pravilan izgled T spoja; b,c,d… – Nepravilan izgled T

spoja na štampi.

57

6.4.2.2 Bottom layer glavne ploče Na slici 6.4.2.6. 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].

23 4

5

Slika 6.4.2.6: 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 6.4.2.6. a objašnjenja korekcija

biće nabrojana u sledećem tekstu:

58

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 6.4.2.7-a.

• Može probušiti rupa u stopici obeleženoj na slici 6.4.2.7-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 6.4.2.7: Ispravke na donjoj strani štampe

2 – Pošto se izvrši prekid signala 0 kako je opisano pod 1, potrebno je povezati

masu kola MC333260 na signal SHUNT. Ovo se može obaviti na mestu označenom

brojem 2 na slici 6.4.2.6. Veza je na slici prikazana crvenom, isprekidanom, linijom i

može se realizovati parčetom deblje bakarne žice.

2k2

Slika 6.4.2.8: Ispravka za zaštitno kolo Slika 6.4.2.9: Realizacija ispravke

59

3 – Na mestu označenom brojem 3 je potrebno obaviti spajanje ground signala

78L12 stabilizatora i mase kola MC33260. Postupak je opisan u prethodnom

poglavlju pod tačkom 1 i prikazan na slici 6.4.2.3.

4 – 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 2k2 kao što je prikazano na slici 6.4.2.8. Sa gornje strane

je neophodno zameniti otpornik R12, umesto 4k7 potrebno je postaviti 2k2. Na slici

6.4.2.9. prikazano je kako je ovo izvedeno na jednoj od ploča miniDrive prototipa.

Preporuke za novu štampu:

5 – Na slici 6.4.2.6, 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

6.4.2.5. 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.

6.4.2.3 Gornji i donji Silk Screen layer glavne ploče (sito štampa)

Na slikama 6.4.2.10 i 6.4.2.11 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

Slika 6.4.2.10: Izgled filma za gornji sloj sito štampe (Silk Screen Top)

Slika 6.4.2.11: Izgled filma za donji sloj sito štampe (Silk Screen Bottom)

61

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.

6.4.2.4 Gornji i donji Solder Mask layer glavne ploče (stop lak)

Na slikama 6.4.2.12 i 6.4.2.13 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)

62

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 6.4.2.12: Izgled filma za gornji sloj stop laka (Solder Mask Bottom)

Slika 6.4.2.13: Izgled filma za donji sloj stop laka (Solder Mask Bottom)

63

6.4.2.5 Drill layer glavne ploče (Raspored rupa i alati)

Na slici 6.4.2.14 dat je raspored rupa na glavnoj ploči a na slici 6.4.2.15

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 6.4.2.15 se vidi da je predviđeno 5 alata ali se ovaj broj lako može

svesti na 4 tako što se umesto alata 0.070 koristi 0.079. Predlog je da se za alat 0.034

koriste burgije od 0.8mm, za alat 0.040 burgije 1mm, za alat 0.050 burgije 1.5mm a

za alate 0.070 i 0.079 burgije od 2mm. Prilikom izrade ploče usmeno je sa tehničarem

dogovoreno koje će biti dimezije rupa.

Slika 6.4.2.14: Raspored rupa

64

Slika 6.4.2.15: Dimenzije alata

Preporuke za novu štampu:

1 – Brojem 1 na slici6.4.2.14 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 6.4.2.4.

2 – Za novu verziju štampe potrebno je korigovati simbole alata, tako da bude

samo jedan simbol za jednu dimenziju alata.

6.4.3 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].

6.4.3.1 Top layer pomoćne ploče Na slici je dat 6.4.3.1. 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

Slika 6.4.3.1: Izgled gornjeg sloja bakra

6.4.3.2 Bottom layer pomoćne ploče Na slici je dat 6.4.3.2. 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 6.4.3.2: Izgled donjeg sloja bakra

66

6.4.3.3 Gornji i donji Silk Screen layer pomoćne ploče (sito štampa) Na slikama 6.4.3.3 i 6.4.3.4 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 6.4.3.3 i 6.4.3.4 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 6.4.3.3: Izgled gornjeg sloja sito štampe

67

Slika 6.4.3.4: Izgled donjeg sloja sito štampe

6.4.3.4 Gornji i donji Solder Mask layer pomoćne ploče (stop lak) Na slikama 6.4.3.5 i 6.4.3.6 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

Slika 6.4.3.5: Izgled gornjeg sloja stop laka

Slika 6.4.3.6: Izgled donjeg sloja stop laka

6.4.3.5 Drill layer pomoćne ploče (Raspored rupa i alati)

Na slici 6.4.3.7 dat je raspored rupa na pomoćnoj ploči (Drill Layer) a

na slici 6.4.3.8 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

[seme i stampa\ pomocna ploca\post script\. IRDA drd.ps].

Sa slike 6.4.3.8 se vidi da je predviđeno 3 alata. Predlog je da se za alat 0.034

koriste burgije od 0.8mm, za alat 0.054 burgije 1mm ili 1.5mm. Rupe koje se buše

alatima 0.160 su za montažu ploče u kutiju i njihova dimenzija se može odrediti

naknadno. Predlog je da se koriste burgije od 3mm.

Slika 6.4.3.7: Raspored rupa

Slika 6.4.3.8: Dimenzije alata

70

6.6 Literatura

[6.1] IEC 60335-1 „Household and similar electrical appliances –Safety– Part 1:

General requirements” www.iecee.org

[6.2] Atmel, ATmega168 datasheet – www.atmel.com/literature

[6.3] Atmel, ATtiny15 datasheet – www.atmel.com/literature

[6.4] EN 61000-3-2 – www.laplaceinstruments.com/standards/6100032.htm

[6.5] Predrag Pejović, Energetska elektronika – skripta za predavanja,

Beograd 2003.

[6.6] ON Semiconductor, MC33260 datasheet – http://onsemi.com

[6.7] Fairchild Semiconductor, FQP13N50 datasheet – www.fairchildsemi.com

[6.8] Philips Components, ETD 49/N67 datasheet – www.phillipscomponents.net

[6.9] Fairchild Semiconductor, KA78L12 datasheet – www.fairchildsemi.com

[6.10] National Semiconductor, LM339 datasheet – www.national.com

[6.11] Dejan B. Živković, Miodrag V. Popović – „Impulsna i digitalna elektronika”,

Akademska misao, Beograd 2000.

[6.12] International Rectifier, IRAMS06UP60A datasheet – www.irf.com

[6.13] Slobodan N Vukosavić, Mikroprocesorsko Upravljanje Elektromotornim

Pogonima – skripta za predavanja, Beograd 2004.

[6.14] Fairchild Semiconductor, KA7805 datasheet – www.fairchildsemi.com

[6.15] Vishay Telefunken, TFDU4100 datasheet – www.vishay.de

[6.16] Microchip, MCP2140 datasheet – www.microchip.com

[6.17] International Rectifier (IRF), AN-1044 application note: Plug N DriveTM

Application Overview – www.irf.com

[6.18] ON Semiconductor, NCP1010 datasheet – http://onsemi.com

[6.19] ON Semiconductor, NCP1050 datasheet – http://onsemi.com

[6.20] ON Semiconductor, AND 8093 application note: 5V, 2A Flyback Converter –

http://onsemi.com

[6.21] ON Semiconductor, AND 8125-D application note: Evaluating the Power

Capability of NCP101X Members – http://onsemi.com

[6.22] ON Semiconductor, AND 8134-D application note: Designing Converters

with the NCP101X Family – http://onsemi.com

[6.23] Epcos, E 20/10/6 datasheet – www.epcos.com

71

[6.24] Epocs, SIFERRIT materials, General Technical Information - www.epcos.com

[6.25] Epcos, General definitions, General Technical Information - www.epcos.com

[6.26] Dr Branko Popović, Osnovi elektrotehnike, IP „NAUKA“ Beograd 1998.

[6.27] Vishay, IL300 datasheet – www.vishay.com

[6.28] Microchip, AY0438 datasheet – www.microchip.com

[6.29] Philips (NXP Semiconductors), SAA1064 datasheet – www.nxp.com

72

10. Prilozi

10.1 Zahtevi konkursa

Design Concept/Function

Minimum Target Requirement

1. Manufacturing cost No more than US$40 when scaled to high-volume production (approximately 1 million units/year).

2. Complete package size

A convenient shape with volume less than 4 L. (Motor maximum dimensions are given below.)

3. Complete package weight

Mass less than 8 kg for the complete system.

4. Output power capability and speed range

500 W continuous shaft output power at a nominal speed of 1500 RPM, and also at higher speeds up to 5000 RPM. Continuous output torque of at least 3.18 N-m at speeds from 150 RPM to 1500 RPM.

5. Input source Single-phase source at 50 Hz or 60 Hz. Teams may select either to design for nominal 120 V at these frequencies or for nominal 240 V at these frequencies.

6. Overall energy efficiency

Higher than 70% for shaft loads ranging from 50 W to 500 W. Efficiency will be tested at a nominal speed of 1500 RPM and also for the entire speed range from 150 RPM to 5000 RPM.

7. Power factor Power factor measured at the electrical input should be at least 80% when tested under a 500 W shaft load at 1500 RPM. Current waveform should conform to requirements in IEC1000-3-2 standards.

8. Safety The system is intended for safe use in a home appliance or household HVAC system.

9. Speed control Speed is to be controlled from start to the full 5000 RPM with a linear 0-10 V analog signal, referenced to the unit case. Except for starting, no testing will be performed below 150 RPM.

9. Speed regulation and accuracy

The actual operating speed should remain within ±5% of the voltage command setting (2 V/1000 RPM) from no-load to full-load.

10. Acoustic noise Low noise. Less than 50 dBA sound level measured 0.5 m from the unit.

11. Electrical noise Able to meet FCC Class A—industrial requirements for conducted and radiated EMI.

12. Protection Self-protection against continuous stall conditions, over temperature, or loss of input source with no damage caused by any of these (up to the maximum storage temperature).

13. Environment Open drip proof motor construction is acceptable. Ambient temperature -20°C to +40°C. Suitable for indoor or outdoor domestic applications.

14. Lifetime The system should function for at least ten years with no maintenance needs when subjected to normal use in a 20°C to 30°C ambient environment.

15. Technical report Design, simulation, experiment results, lifetime analysis, and cost study.

73

Additional Hardware Specifications

1. Inrush and starting current

Operating current shall not exceed 150% of the nominal full-load current under any conditions, including power-on inrush and motor starts.

2. Phases and motor phasing

The input power source is single phase. There are no restrictions on the motor technology or motor phase count as long as the system operates from single-phase power.

3. Motor dimensions The motor itself must be no larger than NEMA Frame Size #48. Radius from shaft center to mounting points not to exceed three inches or 76.2 mm. Overall length (not including shaft extension) not to exceed 7.75 inches or 197 mm.

4. Coupling and mount

Motor is to be provided with a footed or cradle mount with base holes corresponding to NEMA Frame #48 (width spacing 108 mm or 4.25 in, length spacing 70 mm or 2.75 in), located 76.2 mm (3 in) below the shaft center. Motor shaft diameter is to be 0.50 in (12.7 mm), or the team can provide a suitable adapter to achieve this diameter. The shaft should extend at least 38 mm beyond the motor case.

5. Safety The final rules will contain detailed safety information. No live electrical elements are to be exposed when the system is fully configured.

6. Connection The complete unit is to be provided with an IEC 320 input connection, with a clear label stating the voltage requirement.

7. Storage temperature range

-20 to 60°C

8. Bearings Any choice of bearings is acceptable, provided no lubrication or maintenance will be needed during a ten-year normal duty operating life.

9. Handling The unit must be robust enough for normal handling by a technician with no special training.

10. Shipping environment

Can be shipped by conventional air freight or truck freight.

11. Displays and data No displays or data capability are required, although a digital display of running speed is encouraged. A control dial with markings is required, as stated above.

12. Command signal Access to the speed control voltage signal is to be provided either through a conventional BNC jack or a pair of screw terminals. The input should be protected against accidental polarity reversal. The speed must return to zero if no signal is connected.

13. Switch The unit must include an on/off switch. When the switch is off, the input power must not exceed 1 W.

74

Prototype Test Considerations

1. Inspections All prototypes of approved Finalist teams must pass safety inspection prior to operation. All prototypes must function correctly during a 15-minute initial operation check before proceeding.

2. Test energy source: voltage

Prototypes will be tested with available power consistent with the selected voltage rating. Either 50 Hz or 60 Hz may be used.

3. Test duration An automated load sequencing operation will be tested for up to 24 hr continuous.

4. Typical operation tests

Tests for steady-state performance, protection, robustness to stalls, acoustic noise, electromagnetic noise may be conducted.

5. Source interface tests

Tests for transient loads may be conducted, within the allowed torque, speed, and power range.

75

Sadržaj 1. Uvod...........................................................................................................................2

1.1 IEEE konkurs .......................................................................................................3 1.2 Literatura..............................................................................................................4

2. Specifikacija pogona..................................................................................................5 3. Struktura miniDrive-a ................................................................................................6 6. Hardver pogona..........................................................................................................7

6.1 Uvod.....................................................................................................................7 6.1.1 Opis hardvera pogona ...................................................................................8 6.2 Glavna ploča ..................................................................................................12 6.2.2 Pomoćno napajanje .....................................................................................16

6.2.2.1 Prekidački izvori za napajanje .............................................................16 6.2.2.2 Flyback konvertor ................................................................................17 6.2.2.3 Kontrolna kola ....................................................................................18 6.2.2.3 Specifikacije.........................................................................................21 6.2.2.4 Implementacija pomoćnog napajanja u pogon miniDrive ...................22

6.2.3 Kontrolno i zaštitno kolo ............................................................................38 6.2.3.1 Kontrolno kolo .....................................................................................38

6.2.5 Analogni ulaz ..............................................................................................44 6.3 Pomoćna ploča ...................................................................................................47

6.3.2 LED displej .................................................................................................48 6.4 Štampa................................................................................................................51

6.4.1 Organizacija štampanih ploča .....................................................................51 6.4.1.1 Glavna ploča ........................................................................................51 6.4.1.2 Pomoćna ploča ....................................................................................53

6.4.2 Layer-i glavne štampane ploče ...................................................................53 6.4.2.1 Top layer glavne ploče.........................................................................54 6.4.2.2 Bottom layer glavne ploče ...................................................................58 6.4.2.3 Gornji i donji Silk Screen layer glavne ploče (sito štampa) ................60 6.4.2.4 Gornji i donji Solder Mask layer glavne ploče (stop lak) ....................62 6.4.2.5 Drill layer glavne ploče (Raspored rupa i alati)...................................64

6.4.3 Layer-i pomoćne štampane ploče ...............................................................65 6.4.3.1 Top layer pomoćne ploče.....................................................................65 6.4.3.2 Bottom layer pomoćne ploče ...............................................................66 6.4.3.3 Gornji i donji Silk Screen layer pomoćne ploče (sito štampa) ............67 6.4.3.4 Gornji i donji Solder Mask layer pomoćne ploče (stop lak)................68 6.4.3.5 Drill layer pomoćne ploče (Raspored rupa i alati)...............................69

6.6 Literatura............................................................................................................71 10. Prilozi .....................................................................................................................73

10.1 Zahtevi konkursa..............................................................................................73 Sadržaj..........................................................................................................................76

76