ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2007
Ján Habovštiak
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Priezvisko a meno: Habovštiak Ján
Rok: 2007
Názov diplomovej práce: Pohon ventilátora pre reguláciu teploty napájacieho zdroja
Fakulta: elektrotechnická
Katedra: výkonových elektrotechnických systémov
Počet strán: 50
Počet obrázkov: 25
Počet tabuliek: 0
Počet grafov: 5
Počet príloh: 5
Počet použitých literatúr: 9
Anotácia v slovenskom jazyku:
Práca sa zaoberá prehľadom chladiacich konštrukcií, druhov a spôsobov chladenia.
Taktiež sú v nej spomenuté základné typy elektrických strojov, ich matematické
modely, vlastnosti a aplikačné oblasti. Podstatou práce je konštrukcia aktívneho
chladiaceho zariadenia, ktoré mení chladiaci výkon vzhľadom na teplotu chladeného
systému, reaguje na poruchy a prekročenie maximálnych a minimálnych medzných
stavov.
Anotácia v anglickom jazyku:
This work is focusing on summary of cooling constructions and techniques of the
cooling. Furthermore, basic types of electric machines, their mathematical models,
characteristics and application fields are described and summarized. The outcome of the
work is active cooling system, able to regulate performance of cooling based on
temperature of cooled system. The cooling system is designed to be sensitive to
distortions and overrun of maximal and minimal threshold values.
Kľúčové slová:
Chladenie výkonových štruktúr, napájací zdroj, ventilátor, fan controller, PWM,
MC9S08QG8, brushless motor, regulácia elektrických strojov, ASM, DC motor.
Vedúci diplomovej práce: Ing. Pavol Makyš, PhD.
Recenzent diplomovej práce:
Konzultant diplomovej práce: Ing. Vladimír Vavrúš
Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. 05. 2007
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Diplomová práca
TEXTOVÁ ČASŤ
2007
Ján Habovštiak
Obsah
1
Úvod .........................................................................................................................8
2
Konštrukčný prehľad ventilátorov .......................................................................9
3
Teplo a chladenie...................................................................................................11
3.1
3.1.1
4
Pasívne chladiče .....................................................................................11
Výroba chladiča ......................................................................................12
3.2
Aktívne chladiče - ventilátory ................................................................13
3.3
Výber chladiaceho zariadenia ................................................................13
Určenie vhodného pohonu ventilátora ................................................................15
4.1
Striedavý elektrický pohon.....................................................................15
4.1.1
Asynchrónny motor ................................................................................15
4.1.2
Synchrónny motor...................................................................................19
4.2
Jednosmerný elektrický pohon...............................................................21
4.2.1
Bezkefový motor.....................................................................................22
4.2.2
Určovanie polohy fototranzistormi .........................................................23
4.2.3
Snímanie polohy Hallovou sondou .........................................................23
4.2.4
Charakteristiky jednosmerného bezkefového motora s obdĺžnikovým
tvarom magnetického poľa.....................................................................25
4.2.5
Jednosmerný bezkefový motor so sínusovým tvarom magnetického poľa
................................................................................................................27
4.2.6
Konštrukčné usporiadanie jednosmerného bezkefového motora ...........29
4.2.7
Riadenie bezkefového motora.................................................................30
4.2.8
Pozícia rotora ..........................................................................................31
4.2.9
Regulácia otáčok .....................................................................................31
4.2.10
Rozbeh bezkefového motora...................................................................33
4.2.11
Bloková schéma ......................................................................................34
4.2.12
Regulačný obvod ....................................................................................34
4.2.13
Snímanie teploty .....................................................................................36
4.2.14
Architektúra použitého mikropočítača....................................................37
5
Vývojové programové prostredie CodeWarrior................................................40
6
Elektronická časť pohonu ventilátora ................................................................41
6.1
Násilné zastavenie ventilátora ................................................................42
6.2
Prekročenie maximálnej pracovnej teploty ............................................43
7
Technický návrh ventilátora ................................................................................44
8
Experimentálne overenie pohonu ventilátora ....................................................45
9
Záver ......................................................................................................................47
10
Použitá literatúra ..................................................................................................48
Zoznam použitých symbolov a skratiek
Symboly
C, kd, kq konštanty
f
frekvencia
I
fázor prúdu
I
efektívna hodnota prúdu
i
okamžitá hodnota prúdu
J
moment zotrvačnosti
kv
činiteľ vinutia statora
L
indukčnosť
me
moment elektrický
mzt
okamžitý moment záťaže
N
počet závitov
n1
otáčky statorového poľa
n2
otáčky rotora
p
počet pólových dvojíc
R
odpor vinutia
s
sklz
U
fázor napätia
U
efektívna hodnota fázového napätia
u
okamžitá hodnota napätia
Ui
indukované napätie
X
reaktancia
υr
poloha rotora
Φ
okamžitá hodnota magnetického toku
Ψ
okamžitá hodnota spriahnutého magnetického toku
ω, ωr
elektrická uhlová rýchlosť rotora
Indexy
0
týkajúci sa stavu naprázdno
d
týkajúci sa osi d, pozdĺžny smer
f
týkajúci sa budiaceho vinutia
i
indukovaný
k
týkajúci sa stavu nakrátko
q
týkajúci sa osi q, priečny smer
r
týkajúci sa rotora
2, R
týkajúci sa rotora po prepočítaní na stator
s
týkajúci sa statora
1, S
týkajúci sa statora
α
týkajúci sa osi α
β
týkajúci sa osi β
k
týkajúci sa k-tej sústavy
µ
magnetizačný
σ
rozptylový
’
týkajúci sa prepočtu rotorovej hodnoty na stator
Skratky
PWM
šírkovo impulzná modulácia (pulse width modulation)
MCU
mikropočítač (multipoint control unit)
PM
permanentný magnet
DIPLOMOVÁ PRÁCA
1 Úvod
Súčasná doba sa vyznačuje kladením vysokých nárokov na výkon a hlavne jeho
riadenie v čo najmenších rozmeroch. Napájacie
zdroje sú jedny z veľkého okruhu
zariadení, kde tieto požiadavky striktne platia.
Aby sa čo najviac využili vlastnosti ich polovodičových častí, sú značnou mierou
namáhané. Počas činnosti sa ohrejú a vniká teplo, ktoré môže časom spôsobiť zníženie
výkonu štruktúry resp. celého zariadenia a v konečnom dôsledku zapríčiniť poruchový
stav.
Jednou a z globálneho hľadiska najefektívnejšou možnosťou ako docieliť chladenie
výkonovo najviac zaťažených častí je použitie ventilátorov, či už priamo kontaktom
s polovodičovou štruktúrou prostredníctvom chladiča alebo odvodom tepla z celého
napájacieho zdroja vytvorením cesty s prúdiacim vzduchom.
Keď je vyriešená otázka chladenia daného zariadenia, prichádzajú na rad ďalšie
otázky, ako sú rozmery, hlučnosť, či spotreba energie, ktoré možno nie sú hneď
podstatné, ale neskôr sa môžu stať práve jedným z tých dôvodov, prečo si zvoliť práve
tento konkrétny typ ventilátora.
Obsahom tejto práce je stručný prehľad ventilátorov používaných najčastejšie na
chladenie napájacích zdrojov, alebo ich výkonových prvkov. Ďalšou veľmi podstatnou
časťou je výber vhodného pohonu pre chod ventilátora, keďže medzi hlavné požiadavky
kladené na motor, ktorý bude zdrojom chladiaceho výkonu je rýchla odozva otáčok na
zmenu teploty chladeného systému. S týmito požadovanými vlastnosťami je teda úzko
späté aj vytvorenie riadiaceho softwaru pre výkonovú časť chladiaceho systému, ktorý
zabezpečí v prvom rade spoľahlivý chod zariadenia, schopnosť reagovať na zmenu
žiadaného ventilačného výkonu a taktiež možnosť detekcie, hlásenia a odstránenia
poruchy.
Finálne zariadenie bude mať teda na rozdiel od bežných ventilátorov viac funkcií,
ktoré prispejú k pohodlnejšiemu a spoľahlivejšiemu využívaniu v tomto prípade daného
napájacieho zdroja.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
8
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2 Konštrukčný prehľad ventilátorov
Podľa požiadavky na chladenie je v súčasnosti vytvorených množstvo typov
chladiacich konštrukcií. Tieto sa od seba líšia prevedením, výkonom, druhom aplikácie
a v neposlednom rade aj dizajnom. Pre udržiavanie pracovnej teploty výkonových
polovodičových štruktúr elektronických systémov, sa využíva prevedenie ventilátora
s chladičom, ktoré zabezpečuje rýchly odvod tepla z chladeného materiálu. Na obr. 2.1
sú dva spôsoby chladiacich systémov určených predovšetkým na chladenie procesorov.
Rebrá chladiča sú z AlCu, a pohon ventilátora je dvojfázový bezkefový motor.
Obr. 2.1 Chladiče výkonových polovodičových štruktúr [2]
Tam kde je potrebné chladenie celej časti zariadenia a nie jeho konkrétnej časti, je
na trhu mnoho konštrukčných riešení ventilátorov. Najčastejšie sa od seba líšia tvarom
lopatiek, počtom otáčok za minútu a rozmermi. Na obr. 2.2 sú taktiež znázornené dva
typy ventilátorov určených predovšetkým na chladenie impulzných zdrojov. U obr.2.2a)
výrobca udáva vynikajúci pomer výkon/hluk a prietok vzduchu. Menší motor, väčšia
plocha a tvar špeciálne navrhnutých lopatiek ventilátorov umožňuje zlepšiť prietok a
zároveň znížiť hodnotu hluku.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
9
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Obr. 2.2b) predstavuje jeden z bežných ventilátorov nachádzajúcich sa v PC . Má
priemer 80mm, výšku 25mm a jeho hlavnou výhodou je možnosť regulácie od 1000 –
2000 ot/min., čím výrazne ovplyvňuje jeho hlučnosť a potrebný chladiaci výkon.
a)
b)
Obr. 2.2 Chladiče napájacích zdrojov [2]
Na obr. 2.3a) je špeciálny typ ventilátora konkrétne určený na odsávanie ohriateho
vzduchu zo skriniek rôznych elektronických zariadení, pričom špeciálne navrhnutý tvar
ventilátora umožňuje 5x lepšie odsávanie vzduchu ako pri klasických tvaroch
ventilátora[2]. U ventilátora znázorneného na obr. 2.3b) výrobca pridal funkciu
tepelného snímača na zmenu otáčok, taktiež po konštrukčnej stránke už obsahuje
keramické ložiská, ako jedno z najlepších riešení problému opotrebovania používaných
klzných ložísk. Nevýhodou sú jeho väčšie rozmery a vyššia cena.
a)
b)
Obr. 2.3 Špeciálne typy ventilátorov [2]
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
10
DIPLOMOVÁ PRÁCA
3 Teplo a chladenie
Chladenie
a odvod
tepla
je
veľmi
dôležitou
a neoddeliteľnou
súčasťou
elektronických zariadení pre zachovanie čo najväčšej výkonovej využiteľnosti
a spoľahlivosti ich polovodičových častí. Odvod tepla sa dá realizovať viacerými
spôsobmi, podľa potrebného chladiaceho výkonu sa môže zvoliť buď aktívne alebo
pasívne chladenie.
3.1 Pasívne chladiče
Pasívne chladiče sú veľmi dôležitou súčasťou chladiaceho reťazca. Tu záleží hlavne
na použitom materiály, tvare, aktívnej ploche, vyriešení aerodynamiky, kvalite
spracovania a spôsobu uchytenia.
Ako materiál sa používajú dva prvky, a to meď a hliník. Tvar chladiča by mal byť
taký, aby na svoju hmotnosť mal čo najväčšiu aktívnu plochu vystavenú chladiacemu
vzduchu. Dosť podstatný je samotný spôsob spracovania materiálu do požadovaného
tvaru, taktiež opracovanie styčných plôch s chladeným prvkom.
Navrhnúť tvar chladiča tak, aby efektívne pracoval s prúdom vzduchu, je do značnej
miery zložitá úloha. Dodržanie čo najväčších styčných plôch, ktoré vedú k umiestneniu
rebier chladiča bližšie k sebe nie je v tomto prípade výhoda. Pretože to zvyšuje
aerodynamický odpor, ktorý musí byť prekonaný silou ventilátora. V neposlednej rade
návrh ventilátora priamo ovplyvňuje aj mieru hluku vytváranú prúdiacim vzduchom.
Uvoľňovanie tepelnej energie cez chladiace zariadenie sa dá rozdeliť na tri
základné pojmy:
•
vedenie
•
vyžarovanie
•
prúdenie tepla
Vedenie
Za vedenie tepla sú zodpovedné kmitajúce častice narážajúce na seba, ktoré si
odovzdávajú kinetickú energiu, čím sa teplo prenáša dovnútra materiálu. Tu je potrebný
priami fyzický kontakt medzi dvoma materiálmi, takže vedenie sa uplatňuje hlavne pri
presune tepla z komponentov na chladič.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
11
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Vyžarovanie
Ide vlastne o elektromagnetické vyžarovanie. Tepelná energia je vyžarovaná
z ohriateho chladiča do okolia, jej množstvo záleží na materiály a farbe chladiča.
Prúdenie tepla
V tomto prípade sa teplo prenáša pohybom chladiaceho média (najčastejšie ide
o vzduch ) buď priamo cez vstavaný chladič, alebo cez ventilačný priestor, v ktorom sú
umiestnené chladené prvky. Čím väčšie je prúdenie a objem chladiaceho média, tým je
chladenie efektívnejšie.
3.1.1
Výroba chladiča
Extrúzia – veľmi používaný spôsob výroby chladičov. Ide o proces pretláčania
zahriateho materiálu cez formu. Najprv sa kovový polotovar nahreje na 430 - 500°C,
potom sa pomocou tlaku, ktorý vyvíja piest zdeformuje a úplne vyplní priestor formy,
ako je to znázornené na obr. 3.1. Časť materiálu je cez formu pretlačená a vytvára rebrá
chladiča, ktorý sa potom ochladí tekutým dusíkom.
Obr. 3.1 Spôsob výroby chladiča
Výroba chladiča za studena
U tohto typu výroby sa nepracuje s teplotami, ale s veľmi vysokým tlakom, takže
časti chladiča sú do seba vtláčané. Táto výroba je vhodná pre medené materiály. Taktiež
je jedným zo spôsobov aj výroba spojením plátkov. Výhoda je v menšej hmotnosti
a nenáročnosti výroby.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
12
DIPLOMOVÁ PRÁCA
3.2 Aktívne chladiče - ventilátory
Aktívne chladiče odvádzajú prebytočné teplo či už priamo z chladeného materiálu
alebo prostredia, v ktorom sa elektronický systém nachádza prostredníctvom
chladiaceho média, prevažne vzduchu. Ventilátory, čo sa týka chladiaceho výkonu
a konštrukcie, sa od seba líšia v troch základných vlastnostiach, a to vo veľkosti,
rýchlosti otáčania a typu ložísk.
Veľkosť ventilátorov, ktoré chladia štandardné typy jednosmerných napájacích
zdrojov, sa pohybuje od 5 do 12cm.
U týchto zariadení je snaha dostať rýchlosť otáčania na čo najmenšiu hodnotu
a zvyšovať prietok vzduchu iným spôsobom napríklad tvarom lopatiek, čím by sa
docielilo zníženie hlučnosti a vibrácii.
Ako ložiská v ktorých je umiestnený rotor sú najčastejšie použité klzné. Oproti
guličkovým majú menšiu cenu a tiež aj hluk, ale sa rýchlejšie opotrebúvajú. Medzi nové
typy patria keramické ložiská, ktoré majú do značnej mieri odstránené predchádzajúce
nedostatky.
Dôležitá vlastnosť ventilátora, ktorá dosť podstatne ovplyvňuje konečné vibrácie,
hluk a tiež aj jeho životnosť, je kvalita vyváženia rotora. Pri jeho výrobe vznikajú
nepresnosti, ktoré prispievajú k nelineárnym charakteristikám jeho rotácie. Toto sa
odstraňuje pridávaním vyvažovacích
teliesok alebo odstraňovaním vrstvičiek na
konkrétnych miestach po obvode rotora.
3.3 Výber chladiaceho zariadenia
Pri výbere chladiaceho zariadenia s požadovaným výkonom je jedným z dôležitých
problémov aj otázka hlučnosti aktívnej časti chladenia. Je potrebné sa zamyslieť, ktoré
časti resp. ich činnosti spôsobujú nežiaduci zvuk. Aspekty spôsobujúce nadmernú
hlučnosť môžeme preto rozdeliť do dvoch základných skupín:
-
konštrukcia (veľkosť zariadenia, kvalita ložiskových spojov...)
-
rýchlosť otáčania
Prvú skupinu je možné ovplyvňovať výberom konštrukčne kvalitného typu
ventilátora zo širokej ponuky výrobcov.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
13
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Druhá skupina je podmienená rýchlosťou otáčania, do ktorej spadá nielen
eliminovanie hlučnosti chladiaceho systému, ale aj spotreba energie na jej prevádzku.
Z tohto hľadiska je výhodné zaviesť do systému také chladiace zariadenie, ktoré dokáže
vzhľadom na potreby chladiaceho výkonu meniť otáčky a tým aj hlučnosť a spotrebu
energie.
Od takto realizovaného chladiaceho systému sa očakáva, že bude i naďalej lacný,
rozmerovo prijateľný a nenáročný hlavne čo sa týka topológie jeho elektronickej časti
a druhu riadenia.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
14
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4 Určenie vhodného pohonu ventilátora
Výber vhodného pohonu pre náš typ aplikácie, ktorým je chladenie napájacieho zdroja,
je možné rozdeliť do viacerých skupín.
Podľa druhu napájacieho napätia existujú:
•
striedavé elektrické stroje
•
jednosmerné elektrické stroje
4.1 Striedavý elektrický pohon
Podľa konštrukcie a spôsobu správania sa rotora v točivom magnetickom poli
poznáme asynchrónny alebo synchrónny elektrický motor.
4.1.1
Asynchrónny motor
Stator je tvorený trojfázovým vinutím, posunutým mechanicky o 120°. Rotor je
obvykle tvorený klietkou nakrátko. Ide o sadu vodivých tyčí usporiadaných do tvaru
valcovej klietky a to buď jednoduchej, čo je tiež znázornené na obr. 4.1, alebo dvojitej.
Obr. 4.1 Rotor asynchrónneho motora tvorený klietkou nakrátko [4]
Rotorové vinutia strojov nižších výkonov sú zväčša jednovrstvové, uložené do
lichobežníkových alebo oválnych drážok.
Ďalšou možnosťou je rotorové vinutie vyviezť na zberacie krúžky. Vtedy vznikne
motor s vinutou kotvou, na ktorý sa môžu pripojiť činné odpory, ktoré slúžia na rozbeh,
ale taktiež reguláciu motora.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
15
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Magnetický obvod asynchrónneho stroja obvykle nemá vyjadrené póly, teda
vzduchová medzera je rovnomerná.
Základom činnosti asynchrónneho motora je vytvorenie točivého magnetického
poľa, ktoré vznikne prechodom striedavého trojfázového prúdu vinutím statora. Toto
magnetické pole indukuje v rotore napätie a vzniknutý prúd vyvolá moment, ktorý otáča
rotorom.[4]
Matematický model asynchrónneho motora v sústave α, β
Tieto rovnice vyjadrujú časovú zmenu prúdov a uhlovej rýchlosti pri konštantnom
napätí a konštantných parametroch stroja.
Sústava statorových a rotorových napäťových diferenciálnych rovníc pri použití
konštánt k d = k q =
uαs = Rs iαs +
uβs = Rsiβs +
2
:
3
dψ αs
,
dt
dψ β s
,
dt
dψ α r
uαr = RRiαr +
+ ωψ βr ,
dt
dψ β r
uβr = RRiβr +
− ωψ αr .
dt
Elektromechanická rovnica
dω p 3
= ( p (i βsψ αs − iαsψ βs ) − m zt ) ,
dt
J
2
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
Kde ω je elektrická uhlová rýchlosť
ψ αs = LS iαs + Lµ iαr ,
ψ βs = LS iβs + Lµ iβr ,
ψ αr = LR iαr + Lµ iαs ,
(4.8)
ψ βr = LR iβr + Lµ iβs .
(4.9)
(4.6)
(4.7)
Kde ψ sú spriahnuté magnetické toky,
RS - predstavuje odpor jednej fázy statora pri prevádzkovej teplote motora,
LS = Lµ + Lσs - celková indukčnosť statora,
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
16
DIPLOMOVÁ PRÁCA
LR = Lµ + L'σr - celková indukčnosť rotora prepočítaná na stator,
RR - odpor rotorového vinutia prepočítaný na stator,
J
- moment zotrvačnosti [kgm2],
a mzt je okamžitý moment záťaže, ktorý je rovný v stave naprázdno momentu strát.
Hodnoty napájacích napätí uαs a uβs sú získané aplikáciou Parkovej transformácie na
trojfázové napájacie napätia ua, ub, uc
u a = U m sin ω s t ,
(4.10)
2π
),
3
2π
uc = U m sin(ω s t +
),
3
ub = U m sin(ωs t −
(4.11)
(4.12)
potom
uαs = U m sin ω s t ,
(4.13)
u βs = −U m cos ω s t ,
(4.14)
u αr = u β r = 0
pre stroj s klietkou nakrátko.
Regulácia otáčok
Pre otáčky asynchrónneho motora platí:
n 2 = n1 (1 − s ) =
60 f1
(1 − s ) ,
p
(4.15)
kde
n2
- otáčky rotora,
n1
- otáčky statorového poľa,
f1
- frekvencia napájacieho napätia,
p
- počet pólových dvojíc,
s
- sklz.
Z toho vyplýva, že u asynchrónneho motora z kotvou nakrátko je možné regulovať
otáčky:
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
17
DIPLOMOVÁ PRÁCA
• Zmenou frekvencie - napríklad skalárnym, či vektorovým riadením. A to je
možné len pri napájaní zo špeciálneho meniča frekvencie. Pri riadení je
nutné zabezpečiť, aby sa zmenou frekvencie nezhoršovali pracovné
charakteristiky motora. Toto je možné docieliť súčasným riadením
napájacieho napätia tak, aby sa sýtenie magnetického obvodu takmer
nemenilo.[8]
U1
≈ φ =konštanta - platí pre skalárne riadenie,
f1
•
(4.16)
zmenou počtu pólov - tu sa zmena rýchlosti dá realizovať len po stupňoch.
Prepnutím statorového vinutia je možné uskutočniť prechod z jedných
synchrónnych otáčok na iné. Obvykle sa asynchrónne motory s prepínaním
pólov realizujú s dvoma, troma alebo štyrmi stupňami synchrónnych otáčok.
Väčší počet stupňov vedie k podstatne zložitejším vinutiam a tiež
prepínačom. Taktiež je možné na stator umiestniť dve nezávislé vinutia,
z nich každé umožňuje prepnúť na rôzny počet pólov. Toto dovoľuje zväčšiť
rozsah a počet stupňov riadenia, ale taktiež znižuje využitie stroja, pretože na
každom stupni je k sieti pripojené len jedno z dvoch vinutí umiestnených
v statorových drážkach.[8]
Asynchrónny motor s krúžkovou kotvou je možné okrem už spomenutých typov
riadenia ovládať aj zmenou sklzu, a to buď pomocou regulačných odporov, alebo
podsynchrónnou kaskádou (časť sklzového výkonu sa vracia späť do siete). Ale keďže
frekvencia rotorových prúdov je odlišná od frekvencie siete, je nutné použiť frekvenčný
menič.
Výhodou asynchrónneho motora je vysoká spoľahlivosť, jednoduchá konštrukcia a
napájanie z bežnej striedavej buď jednofázovej, ale častejšie trojfázovej siete.
Keďže asynchrónny motor sa používa hlavne v pohonoch, v ktorých je potrebný
vyšší výkon, taktiež pre zložitosť regulácie otáčok a druhu napájania, nie je vhodný pre
náš typ aplikácie.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
18
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.1.2
Synchrónny motor
Stator je tvorený trojfázovým vinutím posunutým mechanicky o 120° presne tak isto
ako u asynchrónneho motora.
Točivé pole statora neindukuje vo vinutí rotora indukované napätie. Rotorovým
vinutím preteká jednosmerný prúd dodaný zdrojom elektrickej energie, ako je
znázornené na obr. 4.2.
Stator
krúžky
Rotor
+
-
Obr. 4.2 Elektromagnetická schéma trojfázového synchrónneho stroja [9]
Matematický model synchrónneho motora
Prúdy a napätia statora sa v tomto prípade transformujú do sústavy d, q, 0 podľa
vzťahov Parkovej transformácie. Ide o sústavu stotožnenú s rotorom, takže rotorové
veličiny už transformovať netreba.
Pre napätia platí:
ud =
3
U max cos(ω s t − ϑr ) ,
2
(4.17)
uq =
3
U max sin(ω s t − ϑr ) ,
2
(4.18)
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
19
DIPLOMOVÁ PRÁCA
u d = RS i d +
dψ d
−ψ qω ,
dt
ψ d = ( Lσs + Lµd )id + Lµd (i 'f + i D' ) = Ld id + Lµd (i 'f + i D' ) ,
dψ q
(4.19)
(4.20)
−ψ d ω ,
(4.21)
ψ q = ( Lσs + Lµd )iq + Lµq iQ' = Lq iq + Lµq iQ' ,
(4.22)
u q = RS iq +
i 'f =
dt
2
i f - prepočet prúdu v budiacom vinutí na statorovú stranu,
3g
dω p
= (me − m zt ) ,
dt
J
me =
3
p(ψ d i q − ψ q id ) ,
2
ϑr = ∫ ωdt ,
(4.23)
(4.24)
(4.25)
(4.26)
kde
J
- moment zotrvačnosti,
ϑr
- poloha rotora.
Skutočné statorové prúdy sa potom získajú spätnou transformáciou
is =
2
2
i d cos(ϑ r ) −
i q sin(ϑ r ) .
3
3
(4.27)
Po pripojení statora synchrónneho stroja k zdroji striedavého prúdu, kde rotor je
napájaný jednosmerným prúdom, sa roztočí na otáčky n = 60f/p a vznikne točivý
moment. Tento moment sa vytvára vzájomným pôsobením magnetického poľa rotora
otáčajúceho sa rovnakým smerom a rýchlosťou ako pole statora.
Rotor je veľmi často tvorený permanentným magnetom, ktorý sa snaží udržať
súhlasnú polohu s rotujúcim magnetickým poľom statora.
Jeho využite je hlavne v oblasti kde je potreba udržať konštantné otáčky v určitých
medziach záťažného momentu. Preto je pre náš typ aplikácie nevhodný. Nedostatkom
tohto typu motora je nutnosť priviesť pri spúšťaní rotor na synchrónne otáčky.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
20
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.2 Jednosmerný elektrický pohon
Jednosmerné motory majú vysoké zastúpenie v pohonoch pracujúcich s nižšími
výkonmi a hlavne tam, kde je potreba rýchlej regulácie otáčok v širokom rozsahu.
Podľa spôsobu spojenia obvodov kotvy a budenia delíme jednosmerné motory na:
•
sériové
•
derivačné
•
cudzobudené
•
kompaudné
V magnetickom poli statora sa nachádza slučka, ktorou preteká prúd. Ten indukuje
magnetické pole, ktoré je vždy orientované rovnako ako magnetické pole statora. Tento
stav je dosiahnutý vďaka komutátoru, ktorý zmení smer toku prúdu slučkou vždy, keď
dôjde k pootočeniu rotora do oblasti s opačným pólom magnetického poľa statora. Na
obr. 4.3 sú šípkami znázornené odpudivé magnetické sily medzi vonkajším, teda
statorovým poľom a poľom rotora.
Obr. 4.3 Jedmosmerný cudzobudený motor [4]
Nevýhoda jednosmerných motorov je hlavne v ich komutátore a kefách, ktoré sa
opotrebúvajú a potrebujú častú údržbu. Tieto nedostatky sú ale odstránené u
jednosmerného bezkefového motora, ktorý má mechanický komutátor nahradený
elektronickým.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
21
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.2.1
Bezkefový motor
Tento druh pohonu spĺňa v dostatočnej miere požiadavky kladené pri tejto aplikácii,
tzn. je jednoduchý, konštrukčne nenáročný, je malých rozmerov a vzhľadom na
požadovaný výkon je riaditeľný v širokom rozsahu a v konečnom dôsledku je aj lacný.
Bezkefové motory majú permanentný magnet na rotore a fázové vinutia na statore
napájané z polovodičového meniča, ktorý pomocou snímača dodáva signály na spínanie
prúdu, aby sa nahradila funkcia mechanického komutátora.
Základné rozdelenie:
•
bezkefový jednosmerný motor
s obdĺžnikovým tvarom magnetického poľa
•
o
zapojený do hviezdy
o
zapojený do trojuholníka
so sínusovým tvarom magnetického poľa
bezkefový synchrónny motor
Princíp činnosti jednosmerného bezkefového motora
U týchto typov motorov je funkcia mechanického komutátora a kief nahradená
elektromagnetickým spínacím obvodom.
S1
S2
S3
Obr. 4.4 Principiálna schéma budenia statorového vinutia bezkefového motora [6]
Na obr. 4.4 sú tri spínače, ktoré v určitom poradí a smere pripájajú jednosmerný
zdroj na vinutie fáz, takže sa v stroji vytvorí točivé magnetické pole. Rotor je tvorený
permanentným magnetom, ktorý bude sledovať točivé magnetické pole.[6]
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
22
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Dôležité je zabezpečiť, aby zopnutie resp. rozopnutie nastalo pri správnej polohe
vodiča kotvy vzhľadom na budiace magnetické pole, vytvorené permanentným
magnetom.
Na snímanie polohy rotora a generovanie spínacieho signálu sa používajú rôzne
elektronické systémy.
4.2.2
Určovanie polohy fototranzistormi
Sústava niekoľkých fototranzistorov umiestnených rovnomerne po obvode
kotúčovej dosky je postupne osvetľovaná svetelným zdrojom. Postupnosť osvetľovania
fototranzistorov zabezpečuje asymetrická záklopka, pevne spojená s rotorom. Vzťah
medzi osvetlením príslušného fototranzistora a zopnutím odpovedajúceho tranzistora je
taký, že každému fototranzistoru odpovedá jeden spínací tranzistor meniča podľa toho,
na ktorý fototranzistor dopadá svetlo. Logika určí zopnutie tranzistora a tým aj budenie
danej fázy. [6]
4.2.3
Snímanie polohy Hallovou sondou
Hallova sonda môže priamo snímať magnetické pole rotora a generovať spínacie
signály. Táto sonda pozostáva z malej vrstvičky polovodičového materiálu, v ktorom sú
nosičmi náboja elektróny. Hallovou sondou, ktorá sníma magnetický tok musí vždy
tiecť prúd. Magnetický tok môže pochádzať od vlastného permanentného magnetu
rotora alebo od iného pomocného permanentného magnetu, pevne spojeného
s hriadeľom motora. Ak je vrstva polovodiča tejto sondy vystavená magnetickému
poľu, (podľa Flemingovho pravidla ľavej ruky – ak siločiary smerujú do dlane tak prsty
ukazujú smer prúdu a palec smer pohybu) je možné určiť kladnú či zápornú polarizáciu
na oboch stranách sondy. Preto zistením polarity výstupného indukovaného napätia na
svorkách sondy sa určuje severný alebo južný pól magnetického poľa. Ak sa
magnetické pole mení a strieda svoju polaritu vplyvom otáčania rotora, strieda sa aj
polarita výstupného napätia sondy. [6]
Výstupný signál z Hallovej sondy sa môže priamo podieľať na budení cievok
statorového vinutia cez riadiace tranzistory, ale tiež slúžiť len ako informácia o polohe
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
23
DIPLOMOVÁ PRÁCA
pre riadiacu logiku (mikropočítač), ktorá okrem zabezpečenia spoľahlivého chodu
pridáva motoru ďalšie funkcie, ktoré ho predurčujú na využívanie v širších aplikačných
oblastiach.
Na obr. 4.5 je znázornený dvojfázový bezkefový motor s Hallovou sondou. Na
obidvoch póloch sú vinutia L1, L2 a rotor je tvorený permanentným magnetom
v blízkosti ktorého je Hallova sonda.
I
Hallova
sonda
Voľné elektróny
-
I
+
B
UH
-
+
Obr. 4.5 Snímanie otáčok Hallovou sondou [6]
Podľa toho, ktorý z dvoch pólov sníma Hallova sonda, sú budené cievky statora,
viď. obr. 4.6. Ak Hallova sonda sníma severný pól rotora, tak je potrebné zopnúť prúd
v takej cievke statora, aby sa vytvoril južný pól a došlo k pootočeniu rotora.
Hallova
sonda
Hallova
sonda
Obr. 4.6 Budenie statorového vinutia vzhľadom na signál z Hallovej sondy [6]
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
24
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Bezkefový motor má tie isté vlastnosti ako klasický jednosmerný motor. Rozdiel je
v tom, že komutácia u bezkefových motorov znamená následné spínanie jednotlivých
fáz. Tieto motory majú pri rovnakých geometrických rozmeroch väčší výkon a pracujú
s väčšou účinnosťou ako klasické jednosmerné motory. Tým že nemajú kefy, sú
spoľahlivejšie a potrebujú menšiu údržbu. Navyše u nich nemôže dôjsť k iskreniu,
a preto sa môžu použiť aj v nebezpečných prostrediach.[6]
4.2.4
Charakteristiky jednosmerného bezkefového motora s obdĺžnikovým
tvarom magnetického poľa
Charakteristiku M = f (ω ) ideálneho bezkefového motora je možné odvodiť zo
základných rovníc pre indukované napätie.
U i = Cφ M ω
(4.28)
a elektromagnetický moment:
M e = Cφ M I .
(4.29)
Pre stav na prázdno platí:
ω0 =
U
.
Cφ M
(4.30)
Pre stav nakrátko, teda pri nulovej rýchlosti platí:
Ik =
U
,
R
M k = Cφ M I k
(4.31)
a svorkové statorové napätie má tvar:
U = U i + RI .
(4.32)
Uhlovú rýchlosť stroja vypočítame podľa:
ω=
Ui
U − RI
U
RM
M
M
M
=
=
−
= ω0 − ω0
= ω0 − ω0
= ω 0 (1 −
)
2
Cφ M
Cφ M
Cφ M (Cφ M )
Cφ M I k
Mk
Mk
.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
25
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Ak je odpor fázy bezkefového motora malý, potom charakteristiky sú podobné ako
pre cudzobudený alebo derivačný jednosmerný motor. Rýchlosť sa reguluje svorkovým
napätím U a motor odoberá taký prúd, aby vytvoril moment pri danej záťaži.
Napätie sa tu reguluje najčastejšie pomocou PWM, čo vytvára sadu charakteristík,
ako je znázornené na obr. 4.7. Obmedzenie pre trvalé zaťaženie je dané odvodom tepla
a dovoleným oteplením jednotlivých častí motora. Krátkodobé zaťaženie býva
obmedzené dovoleným oteplením a menovitými hodnotami polovodičových prvkov
v regulátore napätia.[6]
Mk
M
ω
krátkodobé
zaťaženie
MN
ω0
trvalé
zaťaženie
ω0
0
trvalé
zaťaženie
ω
0
krátkodobé
zaťaženie
MN
M
Mk
Obr. 4.7 Charakteristika M = f (ω ) , ω = f (M ) [6]
Nevýhody bezkefových motorov
•
Permanentné magnety nemožno vypnúť, takže motor bude generovať
napätie vždy, keď sa bude otáčať. Takže ak by motor bol ďalej poháňaný
mechanickým systémom pri skrate vinutia alebo riadeného meniča, môžu sa
vytvoriť veľké prúdy.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
26
DIPLOMOVÁ PRÁCA
•
Vzhľadom na povahu polovodičových prvkov, ktorými prúd môže pretekať
len jedným smerom, je zložitejšia reverzácia momentu a smeru rotácie ako
u klasických jednosmerných motorov.[6]
4.2.5
Jednosmerný bezkefový motor so sínusovým tvarom magnetického poľa
Vlastnosti týchto motorov sú zhodné so synchrónnymi motormi.
Pri konštrukcii tohto motora treba dodržať:
•
Sínusové alebo kvázi sínusové rozloženie magnetického toku vo vzduchovej
medzere, ktoré je možné docieliť buď zužovaním hrúbky permanentných
magnetov smerom k okrajom pólu, alebo zužovaním šírky pólu.
•
Sínusový, alebo kvázi sínusový tvar prúdu kotvy, ktorý sa docieli pri
konštantnom napájacom napätí pomocou PWM meniča podľa okamžitej
polohy rotora, tak aby pracoval len s priečnym poľom kotvy. Ide vlastne
o vektorovo riadený synchrónny motor s uzavretou riadiacou slučkou od
snímača polohy.
•
Kvázi sínusové rozloženie statorových vodičov po obvode kotvy.[6]
Fázorový diagram
U bezkefových motorov so sínusovým tvarom magnetického poľa je možné robiť
analýzu jeho vlastností rovnakým spôsobom ako pri klasických striedavých strojoch.
Indukované napätie pre sínusový priebeh má tvar:
U i = 2πfφ M Nk v
(4.33)
Ak sú magnety uložené na povrchu rotora a hriadeľ má kruhový prierez, takýto
motor ma nevyjadrené póly a synchrónne reaktancie v osi d a q sú rovnaké. Prevádzku
takéhoto motora v ustálenom stave so súmernými sínusovými fázovými prúdmi je
možné popísať fázorovým diagramom, ako je znázornené na obr. 4.8 [6]
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
27
DIPLOMOVÁ PRÁCA
jXsI q
U
RI
U
ϕ iq=jUiq
υ γ
I
β
0
d
Obr. 4.8. Fázorový diagram bezkefového motora s PM na povrchu rotora [6]
Na obr. 4.8 fázor RI predstavuje úbytok napätia na odpore jednej fázy vinutia a je
rovnobežný s prúdom I. Úbytok napätia na synchrónnej reaktancii XS je daný jXSI
a predbieha fázor prúdu
o 90°. Súčet indukovaného napätia Uiq a fázorov
predstavujúcich úbytky napätia je rovný svorkovému napätiu[6]
U = U iq + RI + jX S I,
(4.34)
I = I d + I q = I d + jI q ,
(4.35)
U iq = jU iq .
(4.36)
Napäťové rovnice motora v osi d a q:
U d = U d = jX S I q = jX S jI q = − X S I q ,
(4.37)
U q = jU q = U iq + jX S I d = jU q + jX S jI d = j (U iq + X S I d ).
(4.38)
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
28
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.2.6
Konštrukčné usporiadanie jednosmerného bezkefového motora
Motor navrhnutý pre typ aplikácie akou je ventilácia, bude mať rotorovú časť
tvorenú permanentným magnetom umiestneným po jeho obvode. Stredovou osou rotora
je vedený hriadeľ, ktorý bude uložený v klzných ložiskách statorovej kostry, súčasťou
ktorej je magnetický obvod a fázové cievky, ako je to znázornené na obr. 4.9.
Obr. 4.9 Konštrukčné riešenie bezkefového motora [1]
Bezkefový motor nemá kefy ani mechanický komutátor na rotore. Komutácia je
realizovaná elektronicky podľa pozície rotora.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
29
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.2.7
Riadenie bezkefového motora
Dvojfázový bezkefový motor použitý v tejto aplikácii bude mať stator navinutý
bifilárnym vinutím. Ide o dvojvláknové vinutie, ktoré prechádza všetkými štyrmi pólmi
statora. Základom k rotácii rotora je zmena statorových pólov, čo je zabezpečené
striedaním budenia fáz L1, L2. Prúd, ktorý vinutiami preteká, je nesúhlasný, ako je to
znázornené na obr. 4.10. Na obidve fázy budú pripadať dve pólové dvojice. Každá
komutácia pootočí rotor o 90°. Po tomto pootočení a preklopení signálu z Hallovej
sondy je budené druhé vinutie takým spôsobom, aby magnetické póly na koncoch
statorových cievok boli opačné ako v predchádzajúcom prípade. Štyri komutačné kroky
vytvoria jednu mechanickú otáčku.
S
S J
L2
L1
J
S
J
J
S J
J S
S
Obr. 4.10 Umiestnenie statorových fáz
Pri budení stanovených cievok sa vytvoria indukované magnetické polia, ktoré
odtláčajú časť rotora s rovnakou polaritou od takto budených cievok a v rovnakom čase
je priťahovaná k cievkam časť rotora s opačnou polaritou. Keď magnetické pole rotora
je v rovine s nabudenou cievkou, táto sa hneď odbudí a druhé vinutie, ktoré nebolo
v tom čase zmagnetizované, sa nabudí. Ako sa magnetické pole statora prepína a vďaka
zotrvačnosti motora sa dá pohon do pohybu, tak za dva komutačné kroky sa rotor
pootočí o 180°.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
30
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.2.8
Pozícia rotora
U týchto typov motorov je veľmi dôležité poznať polohu rotora ako pri rozbehu
pohonu tak aj pri jeho chode, aby nedošlo k zablokovaniu rotora. Pozícia rotora je
v tomto type motora riešená pomocou Hallovej sondy, ktorá reaguje na zmenu
magnetického poľa rotora. Keď dôjde k zmene polarity magnetického poľa, tak na
výstupe Hallovej sondy dôjde k preklopeniu napätia. Umiestnenie Hallovej sondy je 45°
medzi dvoma susednými cievkami.
Obr. 4.11 bližšie vysvetľuje komutáciu výstupného signálu zo sondy. Tá nastáva
v okamihu, keď sú magnety rotora v jednej osi s cievkami statora. Komutácia by mala
v tom čase zmeniť budenie z jedného páru cievok na druhý.
Spínanie jednotlivých fáz spolu so signálom z Hallovej sondy je na obr. 4.11.
L1
t
mŕtva zóna
L2
t
Hall
t
Obr. 4.11 Budenie jednotlivých fáz podľa signálu snímaného z Hallovej sondy
4.2.9
Regulácia otáčok
Rýchlosť motora je obvykle definovaná ako počet mechanických otáčok za jednotku
času. Otáčky bezkefového motora je možné riadiť viacerými spôsobmi.
Keďže budenie statorového vinutia je realizované cez dva spínacie tranzistory, ktoré
si otvorené stavy navzájom vymieňajú, zmena rýchlosti môže byť úmerná zmene
napájacieho napätia. Toto riadenie otáčok je do značnej miery neefektívne hlavne pre
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
31
DIPLOMOVÁ PRÁCA
nízky otáčkový a momentový rozsah. Ďalší typ riadenia je meniť dobu budenia fáz
pomocou PWM (pulse width modulation – šírkovo impulzná modulácia). Dĺžka
budenia statorových cievok bude úmerná šírke impulzu privedeného na riadiacu
elektródu tranzistora, ako je znázornené na obr. 4.12.
mŕtva zóna
TPW
efektívna hodnota
budenia
L1
t
L2
t
Hall
t
Obr. 4.12 Budenie statorových fáz pomocou PWM
Keďže ide iba o jeden impulz na jednu otáčku, využíva sa tu zotrvačnosť motora.
Nevýhodou však je, že pri nízkych rýchlostiach a teda pri malom elektrickom momente,
môže dôjsť k zastaveniu motora. Perióda od PWM je pre danú fázu aktuálna len
v momente jej budenia. Pre periódu a taktiež aj jej šírku impulzu už musí byť
v elektronickom obvode pre chod a riadenia motora zaradený mikropočítač.
Nevýhody riadenia opísaného vyššie, sú odstránené pozmeneným spôsobom
budenia. Taktiež sa využíva PWM, ale na zmagnetizovanie statorových cievok
a vytvorenie krútiaceho momentu je použitý sled impulzov počas celého času
potrebného na budenie, ktoré menia svoju šírku podľa žiadaných otáčok motora. Takto
je odstránená možnosť vzniku poruchového stavu pri nízkych otáčkach.
Na obr. 4.13 je znázornené, ako presne prebieha budenie cievok jednotlivých fáz pri
preklápaní signálu z Hallovej sondy. Mikropočítač sníma signál z Hallovej sondy
a zisťuje pod akým pólom sa práve nachádza. Podľa toho zvolí, ktorá fáza sa má
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
32
DIPLOMOVÁ PRÁCA
zmagnetizovať. Aby sa dali meniť otáčky, mikropočítač generuje PWM signál a podľa
jeho šírky impulzu sa mení efektívna hodnota napájacieho napätia cievky. Impulzy sú
generované počas celej doby medzi dvoma komutáciami, takže zotrvačnosť motora už
nie je tak podstatná ako v predchádzajúcom prípade.
TPWM
L1
t
mŕtva zóna
L2
t
Hall
t
Obr. 4.13 Budenie fáz bezkefového motora PWM signálom
Rýchlosť motora je takto možné meniť v širokom rozsahu a to od maximálnej
možnej, ktorú môže motor dosiahnuť pre jeho konštrukčné riešenie, až po jeho úplné
zastavenie, kedy sú obidve fázy odbudené. Rýchlosť motora v závislosti do teploty je
možné určiť prostredníctvom informácii snímaných z tepelného senzora.
4.2.10 Rozbeh bezkefového motora
U motora použitého v tejto aplikácii bude postačujúce, a v konečnom dôsledku aj
žiadané, aby sa točil len jedným smerom a to tak, aby prúd vzduchu v chladenej sústave
prúdil vždy len jedným smerom. U dvojfázového motora býva obtiažne zaručiť
potrebný smer otáčania. Zmena komutácie alebo postupnosť budenia cievok je rovnaká
pre oba smery otáčania. Pozícia rotora alebo jeho osi musí byť vopred známa z dôvodu
zaručenia smeru otáčania. Smer otáčania je schopná detekovať Hallová sonda. Ak je
známa počiatočná poloha, jej nábežná resp. dobežná hrana určí smer otáčania.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
33
DIPLOMOVÁ PRÁCA
U niektorých motorov tohto typu je smer otáčania viac menej daný ich konštrukciou
ovplyvnenou nesymetriou statora. Ale bez patričného snímacieho zariadenia smer
otáčania nie je zaručený.
4.2.11 Bloková schéma
Bloková schéma jednosmerného ventilátora je znázornená na obr. 4.14. Pozostáva
z napäťového regulátora úlohou, ktorého je zabezpečiť potrebnú hodnotu napájania pre
riadiaci mikropočítač. Základom je mikropočítač, ktorý mení riadiaci signál privádzaný
na NPN tranzistory a tak ovplyvňuje budenie jednotlivých cievok statorového vinutia.
Halový senzor musí byť vo vzduchovej medzere medzi rotorom a statorom. Hallova
sonda reaguje na zmeny magnetického poľa počas behu motora. Teplota okolia je
snímaná pomocou vonkajšieho tepelného senzora. Pri poruchovom stave motora, ako je
napríklad zablokovanie rotora, zaznie zvukový hlásič.
Obr. 5.7
Obr. 4.14 Bloková schéma realizácie ventilátora [1]
4.2.12 Regulačný obvod
Spúšťacie impulzy daného tvaru sú neustále snímané z Hallovej sondy. Keď
spúšťacie impulzy chýbajú, znamená to poruchový stav a software vstupuje do slučky,
v ktorej dôjde k odbudeniu obidvoch párov cievok, aby nedošlo k preťaženiu a následne
k zničeniu motora. Komutácia je zastavená a zvukové signalizačné zariadenie hlási
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
34
DIPLOMOVÁ PRÁCA
poruchu. Po určitom čase sa ventilátor snaží znova rozbehnúť. Cieľová hodnota PWM
periódy založená na čítaní z tepelného senzora je aktualizovaná každých 45µs. Po
zosnímaní teploty z tepelného senzora A/D prevodníkom dôjde okamžite k nastaveniu
novej šírky impulzu PWM periódy a tým aj k upraveniu otáčok ventilátora. Pri
pracovnej teplote chladeného zariadenia, ktorá nevyžaduje ventiláciu, sa zariadenie
úplne zastaví a tým sa šetrí energia a znižuje hlučnosť celého systému.
Štart
Inicializácia
Snímanie Hallovu sondou
Južný pól
Budenie L1
nie
Max. doba
budenia
áno
Budenie L2
áno
Porucha
áno
Max. doba
budenia
nie
nie
Obr. 4.15 Hlavná slučka programu pre chod a riadenie motora
Odbudenie L1, L2
Zapnutie zvukového hlásiča poruchy
Čakaj 3s
Vypnutie zvukového hlásiča poruchy
Návrat do hlavného programu
Obr. 4.16 Podprogram pre poruchový stav
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
35
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Štart
Snímanie teploty AD prevodníkom
T [°C]
>
Tmax [°C]
áno
Max šírka impulzu periódy PWM
Zapnutie zvukového hlásiča poruchy
T [°C]
<
Tmin [°C]
áno
Odbudenie L1, L2
nie
Nastavenie šírky impulzu periódy PWM
Obr. 4.17 Program pre nastavenie šírky impulzu periódy PWM vzhľadom na snímanú
teplotu
4.2.13 Snímanie teploty
Vstup analógovo číslicového prevodníka tvorí odporový delič, ktorý je snímačom
teploty.
Obr. 4.18 Snímanie teploty cez A/D prevodník
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
36
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Ak je hodnota odporu tepelného senzora 10kΩ a rezistoru 7kΩ, tak sa rozsah A/D
prevodníka pohybuje od 0V do 3,3VDD. Odpor tepelného snímača reaguje na tepelné
zmeny, čo znamená, že tepelný rozsah sa bude pohybovať medzi 20°C až 50°C. Keď
bude teplota okolia 50°C a viac, bude sa motor točiť maximálnou rýchlosťou. Rýchlosť
motora pre rôzne rozsahy teplôt je znázornená graficky na obr. 4.19.
n [ot/min]
Závislosť otáčok od teploty
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
15
25
35
45
55
T [°C]
Obr. 4.19 Závislosť rýchlosti ventilátora od teploty
4.2.14 Architektúra použitého mikropočítača
V tejto aplikácii bude použitý mikropočítač MC9S08QG8, vyrábaný firmou Freescale.
Pre chod a riadenie ventilátora budú využívané piny portu A, a to PTA5 na snímanie
signálu z Hallovej sondy, PTA3 na budenie zvukového hlásiča a PTA1 na snímanie
teploty A/D prevodníkom, PTA0 a PTB5 budú plniť funkciu budičov tranzistorov,
pomocou ktorých bude realizovaná magnetizácia príslušných cievok statora.
MC9S08QG8 patrí do rodiny lacných vysokovýkonných 8bit mikropočítačov.
Medzi hlavné prednosti tohto mikropočítača patrí integrácia troch 16-bitových PWM
kanálov, vstupového 10-bitového analógovo - číslicového prevodníka. Tieto periférie
spolu so 16MHz procesorovým jadrom umožňujú riadiť celé rady štandardných
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
37
DIPLOMOVÁ PRÁCA
aplikácii a sústav pracujúcich v reálnom čase. Táto rada je určená predovšetkým pre
aplikácie riadenia malých prístrojov, ventilátorov, ručného náradia, inteligentných relé
a jednoduchých priemyselných pohonov.
Vlastnosti
Okrem hlavných predností tohto mikropočítača, programovateľných PWM kanálov
a analógovo-číslicových
prevodníkov,
má
taktiež
integrovanú
Flash
pamäť,
programovateľnú priamo v aplikácii a vnútorný modul zdroja hodín, poskytujúci
rozlíšenie 0,2% s odchýlkou len 2% v rámci celého rozsahu pracovných teplôt a napätí.
Integrovaná Flash pamäť a vnútorný modul zdroja hodín redukujú počet externých
súčiastok ako sú kryštály, rezonátory, či sériové pamäti EEPROM na plošnom spoji.
Parametre
Centrálna procesorová jednotka ( CPU – Central Processor Unit ) obsahuje:
•
16MHz procesorové jadro,
•
HC08 inštrukčnú sadu s podporou BGND inštrucie,
•
integrované ladiace rozhranie.
Typy pamätí na čipe (Flash, RAM):
•
8kB pamäti Flash s ochranou proti prepísaniu a mazaniu, so zaistením obsahu
pamäti proti skopírovaniu,
•
512B pamäti RAM.
Vnútorný zdroj hodín (ICS – Clock Source ):
•
integrovaný generátor hodín s frekvenciou 31.25 kHz,
•
plne programovateľný generátor hodín s 0.2% rozlíšením poskytujúcim 2%
odchýlku taktovania mikropočítača v celom rozsahu garantovaných teplôt
a prevádzkových napätí,
•
obvod Frequency Locked Loop (FLL) násobiaca referenčná frekvencia
generátora hodín konštantou 512,
•
delička hodín pre procesorové jadro,
•
samostatný zdroj pre prerušenia v reálnom čase (RTI).
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
38
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Analógovo/digitálny prevodník (ADC – Analog/Digital Converter ):
•
8kanálový, 10bitový ADC prevodník s minimálnou dobou prevodu 3.5µs,
s možnosťou merania teploty kremíka a s vlastnými komparačnými registrami.
Timer/PWM Module (TPM):
•
dvojkanálový
a jednokanálový
16bitový
čítač/pulzne-šírkový
modulátor
podporujúci módy činnosti: “input capture, output compare, zarovnanie z ľava
PWM a zarovananie na stred PWM“.
Vstupy / Výstupy ( I/O – Input/Output ):
• 12 I/O pinov s možnosťou aktivácie integrovaných „pull-up“ rezistorov, voľby
prúdovej zaťažiteľnosti a obmedzenia rýchlosti zmien nábežných a dobežných
hrán generovaných výstupných signálov ,
• vývojové nástroje ( Development Tools (BDC)).
Modul kontroly ladenia programu na pozadí ( BDC – Background Debug Controller ) je
integrovaný na čipe. Tento ladiaci modul má výkonné krokovacie jednotky, ktoré
umožnia pohodlné ladenie a monitorovanie chodu programu. [1]
BKGD/MS
BDC
CPU
Riadiaci systém HCS08
Módy Resetu a
prerušenia
RTI
COP
IRQ
LVD
Užívateľská FLASH
8192B
IRQ
Ladiaci modul
PTA5 – Hallova sonda
8b časovač
PORT A
Jadro HCS08
IIC MODULE
PTA3 - Zvukový signál
8b modul prerušenia z
klávesnice
Analog. Comparator
(ACMP)
Užívateľská RAM
512B
4
PTA1 – Tepelný senzor
4
PTA0 – L1
4
10b A/D prevodník
4
Oscilátor
31,25kHz-30,4kHz
1MHz-16MHz
VSS
VDD
Napäťový regulátor
VDDA
VSSA
VREFH
VREFL
16b Timer/PWM
MODULE (TPM)
PTB5 – L2
PORT B
16MHz vnútorný zdroj
hodinových impulzov
ICS
Modul sériového
periférneho rozhrania
Modul sériového
komunik. rozhrania
RxD
TxD
EXTAL
XTAL
Obr. 4.20 Architektúra 8bit. Mikropočítača MC9S08QG8 [1]
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
39
DIPLOMOVÁ PRÁCA
5 Vývojové programové prostredie CodeWarrior
Program pre 8bit mikropočítač bol vytváraný v prostredí CodeWarrior. Obsahuje
účinnú sadu nástrojov pre zvýšenie produktivity vývoja softwaru. Integrované vývojové
prostredie (IDE – Integrated Development Environment) poskytuje intuitívne grafické
užívateľské rozhranie. Ide o software vyvinutý pre mikropočítače firmy freescale.
Umožňuje písať program v jazykoch asembler, C a C++. Poskytuje úplnú simuláciu
čipu vrátane periférii, vďaka ktorým je možné vytvárať software bez cieľového
hardwaru. Ďalej umožňuje
programovanie Flash pamätí, automatickú inicializáciu
a generovanie kódu ovládačov. Pri jeho spustení je na výber z mikropočítačov rodiny
HC08 a HCS08. Komunikácia priamo s mikropočítačom je realizovaná cez USB
rozhranie a programovací kit.
Program je možné písať v dvoch aplikačných návrhových prostrediach:
•
Processor Expert
•
Device Initialization
Procesor Expert
Ide o prostredie s rýchlymi návrhovými nástrojmi. Zabezpečuje optimalizáciu
a automatické testy tvorby C kódu pre periférie HCS08. V Zložke „Embedded Beans „
sú obsiahnuté nastavenia a voľby pre procesor mikropočítača, vonkajšie zariadenia
a vnútorné periférie. Taktiež obsahuje databázu s modelmi jednotlivých procesorov
a údajmi o nich. Pre každú zvolenú perifériu je možné jednoduchým odklikaním
nastaviť jej vlastnosti a vybrať udalosti, ktoré má vykonať.
Obr. 5.1 Programové prostredie Procesor Expert
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
40
DIPLOMOVÁ PRÁCA
6 Elektronická časť pohonu ventilátora
Keďže zvolený pohon pre ventilátor je jednosmerný bezkefový motor, je potrebný
elektronický obvod, ktorý bude nahrádzať mechanický komutátor,
používaný
u klasických jednosmerných motorov. Na obr. 6.1 je znázornená celá elektronická časť
pre zvolený pohon ventilátora. Keďže napájanie statorových cievok bude 12V, bolo
potrebné zapojenie pre zníženie napätia na 3,3V, čo predstavuje správnu pracovnú
hodnotu napájania pre 8bit mikropočítač. Tento zdroj pozostáva z rezistora R1,
zenerovej diódy D1 a filtračného kondenzátora C1. Slučka pre obvod s 12V napätím
vedie cez diódu D2 na zvukový hlásič poruchy a tiež na spoločný uzol dvoch fáz vinutí
statora. Každá fáza statorového vinutia je potom vedená na kolektorový pin riadeného
tranzistora a cez emitor zvedená na zem.
Mikropočítač je mozog celého systému. Jeho prvoradá úloha je zabezpečovať chod
ventilátora. Hallova sonda predstavuje pre zvolený vstup mikropočítača logické úrovne
1 a 0 a detekciou týchto stavov vie presne určiť, pod akým pólom sa Hallova sonda
práve nachádza a teda, ktorú fázu je potrebné nabudiť privedením signálu na jeden
z dvoch riadených tranzistorov. Ten sa otvorí a cez kolektor a emitor sa uzavrie budiaci
statorový obvod. Cievky sú navinuté tak aby sa na ich koncoch vytvorili správne
polarity magnetického poľa a rotor sa pootočí o 90°. Úroveň signálu z Hallovej sondy
sa preklopí čo opäť detekuje mikropočítač a zabezpečí výmenu budenia tranzistorov
a cyklus sa zopakuje. Toto je štandardný spôsob zabezpečenia chodu u klasických
ventilátorov, ktorých pohon je bezkefový motor. Ide hlavne o chladiace zariadenia
impulzných zdrojov, meničov, či procesorov. Pre túto funkciu nie je vôbec potrebné
použitie mikropočítača, pretože budenie tranzistorov je schopná zabezpečovať aj
Hallova sonda.
Tento typ ventilátora však bude schopný nielen neustáleho chodu pri plnom výkone,
ale dokáže meniť chladiaci výkon zmenou otáčok podľa zmeny teploty chladeného
systému. Toto v sebe zahŕňa výhodu, hlavne čo sa týka hlučnosti a neposlednom rade
aj spotreby energie daným chladiacim zariadením.
Snímanie teploty chladeného systému je realizované cez odporový delič, ktorého
súčasťou je termistor. Zmenu úbytku napätia na tomto tepelnom senzore zosníma
mikropočítač cez A/D prevodník a potom ďalej spracováva. Budenie tranzistorov pre
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
41
DIPLOMOVÁ PRÁCA
jednotlivé fázy je zabezpečené PWM signálom. Jeho šírka impulzu sa mení podľa
hodnoty získanej A/D prevodníkom. Vzhľadom na dĺžku trvania otvoreného stavu
tranzistora je budená aj daná fáza statorového vinutia a tiež je daný elektrický moment,
čo sa odzrkadľuje na zmene otáčok motora. Rozsah otáčok je v tomto prípade veľmi
široký, od úplného zastavenia, až po jeho maximum, ktoré je ohraničené mechanickou
konštrukciou.
Ďalšou z vlastností tohto zariadenia je schopnosť reagovať na poruchy a prekročenie
medzných stavov. Ide hlavne o násilné mechanické zastavenie ventilátora, prekročenie
maximálnej dovolenej teploty chladeného systému, či detekcia teploty, ktorá si
nevyžaduje aktívne chladenie.
6.1 Násilné zastavenie ventilátora
Ak chceme, aby zariadenie fungovalo správne a spoľahlivo, je potrebné odstrániť
alebo aspoň vedieť reagovať na čo najviac situácií, ktoré môžu nastať. Ide hlavne o zlú
manipuláciu so zariadením, alebo náhodné prevádzkové stavy. V oboch prípadoch ide
o poruchu, na ktorú je nutné reagovať. Keďže ide o chladenie zariadenia, pre ktoré je
udržanie pracovnej teploty veľmi dôležité, musí byť odozva rýchla a účinná.
Zastavenie rotácie ventilátora mechanickou prekážkou je jedna z najčastejších
foriem závad, pri ktorej môže veľmi rýchlo dôjsť k poruche chladeného zariadenia ale
aj k zničeniu samotného ventilátora. Odstránenie tohto problému je tu riešené
sledovaním času, počas ktorého je Hallova sonda pod jedným pólom rotora. Ak sa tento
čas prekročí, znamená to, že motor stojí a niečo mu bráni v jeho chode. Mikropočítač
hneď
odbudí
statorové
cievky,
aby nedošlo
k ich
prehriatiu
a následnému
znehodnoteniu. Taktiež hneď zaznie zvukový hlásič, ktorý nás informuje o tom, že sa
vyskytla porucha. Asi po troch sekundách sa ventilátor zase snaží rozbehnúť, ak je
porucha odstránená, roztočí sa a všetko je zase v poriadku. Ale ak mu vtom prekážka
ešte stále bráni, zase prejde do poruchového stavu, odbudia sa statorové cievky a zaznie
zvukový hlásič. Takto sa to opakuje dovtedy, kým sa prekážka neodstráni. Najčastejšou
príčinou zastavenia býva vpadnutý kábel medzi lopatkami, alebo nahromadenie
prachových nečistôt medzi rotorom a mechanickou konštrukciou ventilátora.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
42
DIPLOMOVÁ PRÁCA
6.2 Prekročenie maximálnej pracovnej teploty
Ďalší stav, ktorý môže nastať, je prekročenie max. pracovnej teploty. Ide o situáciu,
kedy je pravdepodobne porucha v chladenom systéme. V tomto prípade sa ventilátor
točí maximálne možnými otáčkami, teda dodávaný chladiaci výkon je najvyšší a tiež je
aktívny zvukový hlásič signalizujúci poruchu.
Ak je teplota chladeného systému nižšia ako dolná medza jeho pracovnej teploty,
ventilátor sa odpojí a tak šetrí energiu a hlučnosť celého systému. Teplota je ale
neustále snímaná a pri jej zvýšení sa motor hneď rozbehne.
Pripojenie tepelného
senzora
Napájací zdroj 3,3V pre
8bit mikropočítač
8bit mikropočítač
MC9S08QG8
Pripojenie k statorovému
vinutiu a Hallovej sonde
Riadené tranzistory
pre budenie
statorových cievok
Obr. 6.1 Elektronická časť pohonu ventilátora
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
43
DIPLOMOVÁ PRÁCA
7 Technický návrh ventilátora
Pri technickom návrhu ventilátora sa vychádzalo z tvarov a riešení už existujúcich
typov, bežne dostupných na trhu. Podstatnou úlohou bolo skĺbiť mechanickú aj
elektrickú časť do jedného celku tak, aby bola zabezpečená bezproblémová funkčnosť a
tiež čo najmenší rozmer. Na obr. 7.1 je znázornený rez skonštruovaného prototypu
chladiaceho zariadenia. Celkový priemer je 75mm a lopatky ventilátora sú dlhé 21mm,
ktoré sú upevnené na rotore tvoreným permanentným magnetom a hriadeľom. Stator
pozostáva
z umelohmotnej
kostričky,
v ktorej
je
umiestnené
kovové
jadro
z nastavaných plechov, tvoriacich magnetický obvod. Stred statora tvorí dutý valec
s klznými ložiskami slúžiacimi k umiesteniu rotora.
Stator je pevne spojený s plošným spojom, tvoriacim elektronickú časť zariadenia,
má tvar kruhu o priemere 33mm. Je na ňom sústredená celá elektronika, potrebná
k zabezpečeniu chodu a riadeniu daného pohonu. Tento celok je upevnený na plastový
rám, ktorý dáva celému zariadeniu možnosť použiť ho v širokom rozsahu aplikačných
oblastí. A to buď priamym pripojením k chladenému systému pre vytvorenie
prúdiaceho vzduchového kanála, alebo v spojení s chladičom pre udržiavanie pracovnej
teploty konkrétnej časti zariadenia.
21
≈
≈
28
≈
≈
33
75
Obr. 7.1 Rez celkovej konštrukcie ventilátora
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
44
DIPLOMOVÁ PRÁCA
8 Experimentálne overenie pohonu ventilátora
Po skonštruovaní pohonu pre ventilátor sa previedli merania na digitálnom
osciloskope, ktoré overili správnosť elektronickej
a softwarovej časti. Obr. 8.1
znázorňuje priebehy signálov z mikropočítača, ktoré sú privedené na bázu tranzistorov
riadiacich napájacie napätie jednotlivých fáz. Riadiaci signál pre fázu L1 predstavuje
kanál CH1 (oranžová farba) a riadiaci signál pre fázu L2 prestavuje kanál CH3 (fialová
farba). Na tomto obrázku je možné presne vidieť ako dochádza k riadeniu napájania
statorových cievok. Šírkou impulzu sa mení efektívna hodnota napájacieho napätia
a tým aj okamžitý krútiaci moment.
Obr. 8.1 PWM signál pre riadiace tranzistory jednotlivých fáz
Na obr. 8.2 sú znázornené priebehy riadiaceho signálu, keď sa motor pohyboval
v oblasti nízkych otáčok. Tepelný senzor nasnímal teplotu 23°C, čomu odpovedala
rýchlosť motora 535 ot/min. Kanál CH4 predstavuje signál z Hallovej sondy. Pri každej
zmene polarity magnetického poľa sa úroveň signálu preklopí a mikropočítač vymení
napájanie fáz statora. Počas celej štvrť otáčky je neustále snímaná teplota a jej zmena sa
okamžite prejaví aj na zmene šírky impulzu PWM signálu.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
45
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Obr. 8.2 Priebehy budenia fáz statora a signálu z Hallovej sondy
Pre maximálnu rýchlosť otáčania je potrebné plné napájacie napätie na statorových
cievkach. Túto situáciu predstavujú namerané priebehy na obr. 8.3. Motor dosiahne
maximálne otáčky 1700 ot/min pri teplote 50°C.
Obr. 8.3 Riadiace signály pre maximálnu rýchlosť motora
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
46
DIPLOMOVÁ PRÁCA
9 Záver
Práca sa týkala vytvorenia pohonu ventilátora pre reguláciu teploty napájacieho
zdroja. Možno ju rozdeliť na tri tematické celky.
V prvej časti boli spomenuté typy chladiacich konštrukcií, pôsobiacich momentálne
na trhu, popis ich vlastností a oblastí ich využitia. Taktiež obsahovala druhy a spôsoby
chladenia, výrobu chladičov a odovzdávanie tepelnej energie medzi chladeným
a chladiacim členom.
Druhá časť tejto práce sa zaoberala výberom vhodného pohonu pre daný typ
aplikácie. Boli v nej uvedené základné druhy elektrických strojov, ich matematické
modely, spôsoby ich riadenia a využitia, výhody, nevýhody a vlastnosti, pre ktoré sa
hodia resp. nehodia ako pohon pre ventilátor.
Tretia časť opisuje bezkefový motor, ktorý sa ukázal ako najvhodnejšie riešenie,
vzhľadom na jeho napájanie, riadenie, rozmery, požadovaný chladiaci výkon a cenu.
V práci boli spomenuté rôzne druhy týchto motorov, ich princípy činnosti a spôsoby
snímania polohy.
Keďže pre pohon ventilátora bol zvolený bezkefový motor, ktorý potrebuje pre
svoju činnosť elektronický obvod, bolo potrebné vytvoriť nielen jeho hardwarovú, ale aj
softwarovú časť, čo tvorilo hlavnú oblasť tejto práce.
K zvýšeniu funkčných vlastností
chladiaceho zariadenia sa použil 8-bit
mikropočítač MC9S08QG8, ktorý okrem toho, že zabezpečoval elektronickú komutáciu
medzi dvoma fázami statora, taktiež získaval a spracovával informácie o teplote okolia
a prípadných poruchových stavoch, či už priamo ventilátora alebo daného chladeného
zariadenia.
Mojím prínosom v tejto práci bolo skonštruovanie aktívneho chladiaceho
zariadenia, ktoré sníma teplotu chladeného systému, dokáže meniť otáčky a tým aj
chladiaci výkon podľa zmeny teploty. Reaguje na poruchy a prekročenie maximálnej a
minimálnej medze pracovnej charakteristiky. Týmito schopnosťami vo veľkej miere
šetrí spotrebu energie, zvyšuje spoľahlivosť a znižuje hlučnosť celého systému. Taktiež
boli dodržané aj jeho rozmery, ktoré sú totožné s parametrami klasických ventilátorov,
používaných v jednosmerných napájacích zdrojoch.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
47
DIPLOMOVÁ PRÁCA
10 Použitá literatúra
[1]
www.freescale.com
[2]
www.pc.sk
[3]
www.belza.cz
[4]
http://encyclopedia.thefreedictionary.com/brushless+dc+motors
[5]
http://www.datasheetcatalog.com/
[6]
Hrabovcová, V.: Moderné elektrické stroje.: Žilinská univerzita
v Žiline/EDIS,2001
[7]
V. Hrabovcová, P. Rafajdus, M. Franko, P. Hudák: Meranie a modelovanie
elektrických strojov, Žilinská univerzita v Žiline/EDIS 2004
[8]
Petrov, G.N.: Elektrické stroje 2. - Praha : Academia, 1982. - 728 s.
Z rus.originálu. (AMG)
[9]
Petrov, G.N.: Elektrické stroje 1. - Praha : Academia, 1980. - 385 s.
Z rus. originálu.. (AMG)
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
48
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Poďakovanie
Chcel by som sa poďakovať vedúcemu diplomovej práce Ing. Pavlovi Makyšovi,
PhD., a Ing. Vladimírovi Vavrúšovi za ich vecné rady a pripomienky, ktoré mi pomohli
pri vypracovaní tejto diplomovej práce.
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
49
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Čestné prehlásenie
Prehlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným dohľadom vedúceho diplomovej práce Ing. Pavla Makyša, PhD. a použil
som literatúru len v práci uvedenú.
V Žiline, dňa 18.05. 2007
.................................
podpis diplomanta
POHON VENTILÁTORA PRE REGULÁCIU TEPLOTY NAPÁJACIEHO ZDROJA
50
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Diplomová práca
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
2007
Ján Habovštiak
Zoznam príloh:
Príloha č.1: Zoznam súčiastok elektronickej časti pohonu ventilátora.
Príloha č.2: Návrh plošného spoja elektronickej časti pohonu ventilátora.
Príloha č.3: Ukážky skonštruovaného prototypu ventilátora.
Príloha č.4: Výpis programu pre chod a riadenie pohonu v jazyku C.
Príloha č.5: Dátové CD
Príloha č.1: Zoznam súčiastok elektronickej časti pohonu ventilátora.
part
C1
C2
C3
C4
C5
D2
D3
D4
D1
IC1
T1
T2
T3
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Value
1uF/10V
2.2uF/25V
2.2uF/25V
2.2uF/25V
0.1uF
LL4148
LL4148
LL4148
ZMM5226B
MC9S08QG8
220
1K5
1K5
1K5
10K
7K5
Device
Package
Library
C-USC1206
CPOL-EU153CLV-0405
CPOL-EU153CLV-0405
CPOL-EU153CLV-0405
C-EUC0805
PMLL4150
PMLL4150
PMLL4150
D-FILL-A2-C3
MAX4583EUE
NPN-TRANSISTOR
NPN-TRANSISTOR
NPN-TRANSISTOR
R-EU_M1206
R-EU_M1206
R-EU_M1206
R-EU_M1206
R-EU_M1206
R-EU_M1206
C1206
153CLV-0405
153CLV-0405
153CLV-0405
C0805
SOD80C
SOD80C
SOD80C
SOT23
TSSOP16
SOT23
SOT23
SOT23
M1206
M1206
M1206
M1206
M1206
M1206
rcl
rcl
rcl
rcl
rcl
diode
diode
diode
semicon-smd-ipc
maxim-auto
semicon-smd-ipc
semicon-smd-ipc
semicon-smd-ipc
rcl
rcl
rcl
rcl
rcl
rcl
Sheet
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Príloha č.2: Návrh plošného spoja elektronickej časti pohonu ventilátora
Pripojenie k
programátoru
Tepelný snímač
Fáza L1
Hallova sonda
Fáza L2
Zvukový signál
poruchy
+12V
Mierka 3:1
Plošný spoj v skutočnej veľkosti
Mierka 1:1
Príloha č.3: Ukážky skonštruovaného prototypu ventilátora
Príloha č.5: Výpis programu pre chod a riadenie pohonu v jazyku C
Hlavná časť programu
/*zmenaPWM */
/* Including used modules for compiling procedure */
#include "Cpu.h"
#include "Events.h"
#include "PWM1.h"
#include "AD1.h"
#include "PWM2.h"
#include "Bit1.h"
#include "EInt2.h"
#include "TI1.h"
/* Include shared modules, which are used for whole project */
#include "PE_Types.h"
#include "PE_Error.h"
#include "PE_Const.h"
#include "IO_Map.h"
byte err;
byte budenie=255;
byte vacuum=255;
bool poloha;
byte initialPWM1=0;
int error1=0;
int error2=0;
int stop=0;
int sstop=0;
int i=0;
int pulzy=0;
int cold1=0;
int cold2=0;
int rychlost=0;
int spead;
byte prerusenie;
byte budenie1=1;
byte fever;
void main(void)
{
/*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/
PE_low_level_init();
/*** End of Processor Expert internal initialization.
***/
/*** Processor Expert internal initialization*/
PE_low_level_init();
/*INICIALIZACIA*/
Bit1_ClrVal();
err=AD1_Start();
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
poloha=EInt2_GetVal();
if (poloha==0){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(initialPWM1);
}
else{
err=PWM1_SetRatio8(initialPWM1);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
}
for(stop=1;stop<=300;stop++){
}
stop=1;
/* END INICIALIZACIA*/
for(;;)
{
/*hlavny program*/
poloha=EInt2_GetVal();
err=AD1_Start();
/*faza L1 ****************** */
if (poloha==32){
if (error1<=250){
error2=0;
if (fever>=130){
cold1=cold1+1;
if ((fever>=130)&&(cold1>=2)){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
}
}
else{
if (cold1>=2){
err=PWM1_SetRatio8(initialPWM1);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
cold1=0;
stop=1;
}
else{
//cold1=0;
err=PWM1_SetRatio8(budenie);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
error1=error1+1;
Bit1_ClrVal();
}
}
}
else if ((error1>250)&&(fever<130)&&(cold1<2)){
error1=0;
//error2=0;
Bit1_SetVal();
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
for(sstop=1;sstop<=2;sstop++){
for(stop=1;stop<=10000;stop++){
}
}
stop=1;
if (poloha==0){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(initialPWM1);
}
else{
err=PWM1_SetRatio8(initialPWM1);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
}
for(stop=1;stop<=300;stop++){
}
stop=1;
}
}
/* END faza L1 ************** */
/* faza L2 ******************* */
if (poloha==0){
if (error2<=250){
error1=0;
if (fever>=130){
cold2=cold2+1;
if ((fever>=130)&&(cold2>=2)){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
}
}
else{
if (cold2>=2){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(initialPWM1);
cold2=0;
}
else{
//cold2=0;
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(budenie);
error2=error2+1;
Bit1_ClrVal();
}
}
}
else if ((error2>250)&&(fever<130)&&(cold1<2)){
error2=0;
//error1=0;
Bit1_SetVal();
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
for(sstop=1;sstop<=2;sstop++){
for(stop=1;stop<=10000;stop++){
}
}
stop=1;
if (poloha==0){
err=PWM1_SetRatio8(vacuum);
err=PWM2_SetRatio8(initialPWM1);
}
else{
err=PWM1_SetRatio8(initialPWM1);
err=PWM2_SetRatio8(vacuum);
}
for(stop=1;stop<=300;stop++){
}
stop=1;
}
}
/* end faza L2 ***************** */
err=AD1_Start();
}
/*** Processor Expert end of main routine. DON'T MODIFY THIS CODE!!! ***/
for(;;){}
/*** Processor Expert end of main routine. DON'T WRITE CODE BELOW!!! ***/
/*** End of main routine. DO NOT MODIFY THIS TEXT!!! ***/
}
Udalosti
#include "Cpu.h"
#include "Events.h"
extern byte err;
extern byte budenie;
extern byte vacuum;
extern byte check_interrupt;
extern bool powerhall;
extern bool poloha;
extern int rychlost;
extern byte prerusenie;
extern int pulzy;
extern int spead;
int konst1=2;
int konst2=0.0001;
int konst3=60;
byte sonda=0;
byte PWMsonda;
extern byte fever;
/* ADC */
void AD1_OnEnd(void)
{
err=AD1_GetValue8(&fever);
if (fever<70){
budenie=0;
Bit1_SetVal();
}
else if ((fever>70)&&(fever<80)){
budenie=0;
}
else if ((fever>=80)&&(fever<82)){
budenie=10;
}
else if ((fever>=82)&&(fever<84)){
budenie=20;
}
else if ((fever>=84)&&(fever<86)){
budenie=30;
}
else if ((fever>=86)&&(fever<88)){
budenie=40;
}
else if ((fever>=88)&&(fever<90)){
budenie=50;
}
else if ((fever>=90)&&(fever<92)){
budenie=60;
}
else if ((fever>=94)&&(fever<96)){
budenie=80;
}
else if ((fever>=96)&&(fever<98)){
budenie=90;
}
else if ((fever>=98)&&(fever<100)){
budenie=100;
}
else if ((fever>=100)&&(fever<102)){
budenie=110;
}
else if ((fever>=102)&&(fever<104)){
budenie=120;
}
else if ((fever>=104)&&(fever<106)){
budenie=130;
}
else if ((fever>=106)&&(fever<108)){
budenie=140;
}
else if ((fever>=108)&&(fever<110)){
budenie=150;
}
else if ((fever>=110)&&(fever<112)){
budenie=160;
}
else if ((fever>=114)&&(fever<116)){
budenie=170;
}
else if ((fever>=116)&&(fever<118)){
budenie=180;
}
else if ((fever>=118)&&(fever<120)){
budenie=190;
}
else if ((fever>=120)&&(fever<122)){
budenie=200;
}
else if ((fever>=122)&&(fever<124)){
budenie=210;
}
else if ((fever>=124)&&(fever<126)){
budenie=220;
}
else if ((fever>=126)&&(fever<128)){
budenie=230;
}
else if ((fever>=128)&&(fever<130)){
budenie=240;
}
else if (fever>=130){
budenie=255;
}
}
/*INTERRUPT*/
void EInt2_OnInterrupt(void) {
prerusenie=!prerusenie;
err=TI1_Enable();
rychlost=pulzy;
spead = (30000/rychlost);
spead=(spead*10);
pulzy=0;
}
**
** ===================================================================
** Event
: PWM2_OnEnd (module Events)
**
** From bean : PWM2 [PWM]
** Description :
**
This event is called when the specified number of cycles
**
has been generated. (Only when the bean is enabled **
Enable and the events are enabled - EnableEvent).
** Parameters : None
** Returns : Nothing
** ===================================================================
*/
/*
** ===================================================================
** Event
: PWM1_OnEnd (module Events)
**
** From bean : PWM1 [PWM]
** Description :
**
This event is called when the specified number of cycles
**
has been generated. (Only when the bean is enabled **
Enable and the events are enabled - EnableEvent).
** Parameters : None
** Returns : Nothing
** ===================================================================
*/
void PWM1_OnEnd(void)
{
}
/*
** ===================================================================
** Event
: TI1_OnInterrupt (module Events)
**
** From bean : TI1 [TimerInt]
** Description :
**
When a timer interrupt occurs this event is called (only
**
when the bean is enabled - "Enable" and the events are
**
enabled - "EnableEvent").
** Parameters : None
** Returns : Nothing
** ===================================================================
*/
void TI1_OnInterrupt(void)
{
pulzy=pulzy+1;
}
/* END Events */
Download

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE DIPLOMOVÁ PRÁCA 2007 Ján