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

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

Mentori: Prof. Dr Laslo Na

Studenti: Agostini Gordan H198

Prof. Dr Ljiljana ivanov

Buha Vladimir

H199

ii

Sadraj2. Analiza problema.........................................................................................................4

1.UvodKlasino upravljanje u automobilima podrazumeva mehaniku vezu izmeu volana i tokova. Ta veza ima zadatak da obrtno kretanje osovine volana preko zupanika pretvori u translatorno kretanje potrebno za zakretanje tokova. Danas je veina automobila opremljena hidraulikim servo sistemima, koji imaju zadatak da pomognu upravljanja. Glavni deo tog sistema je hidraulina pumpa, koja se pokree uz pomo motora automobila. Zbog toga to hidraulina pumpa u veini sluajeva radi neprestano, ona troi snagu glavnog motora. To dodatno optereenje motora podie potronju goriva. Zato je naa ideja da ponudimo model sistema elektrinog upravljanja. Ovaj sistem sasvim eliminie mehaniku vezu izmeu volana, servo pumpe i zupanika, zamenjujui je elektrino kontrolisanim sistemom. Ovaj sistem ne koristi snagu motora pa samim tim smanjuje potronju goriva. Takoe smanjuje buku i vibracije jer nema mehanikog zakretanja osovine volana. Ostaje pitanje napajanja. Tu moze posluiti tehnologija koja se ve koristi kod hibridnih i elektro automobila a zove se regenerativno koenje. Kod automobila sa regenerativnim koenjem, elektromotor je zaduen za usporavanje vozila. Tada se on ponaa kao generator koji na tokovima prikuplja rotacionu kinetiku energiju i skladiti je u baterije. Na zadatak je bio da detaljno analiziramo mogua reenja upravljanja vozilom koja ne ukljuuju mehaniku vezu izmeu volana i tokova. Treba da uoimo prednosti i mane istih, i da damo predlog optimalnog reenja. Time smo se bavili u glavi 2. Analiza problema. Takoe u okviru zadatka, a radi testiranja i demonstracije, treba napraviti funkcionalan model sistema. Zadatak modela je upravljanje motorom po poziciji na principu zatvorene povratne sprege. Softverski treba realizovati generisanje impulsno irinske modulacije kao i PI (Proportional Integral) regulatora. Opis komponenti korienih pri izradi modela kao i princip rada modela nalaze se u glavi . Opis realizovanog predmeta projekta. U glavi 4. Testiranje funkcionalnog modela, kako se iz naziva moe zakljuiti, smo opisali testiranje modela. Na kraju smo se osvrnuli na ono to je uraeno ali i dali ideje kojima se ovaj sistem moe proiriti ali i poboljati, glava 5. Zakljuak

3

2. Analiza problemaAnalizirajui dosadanja ostvarena reenja, uoili smo da sistem mora da poseduje sledee elemente: 1. Senzor zakrenutosti volana 2. Senzor zakrenutosti tokova 3. Aktuator za zakretanje tokova 4. Kontroler 5. Napajanje Zbog prirode problema kojim se bavimo, a ije je cilj eliminisanje mehanike veze, bilo je potrebno nekako meriti zakrenutost volana. U tradicionalnoj izvedbi upravljanja tu fukciju je obavljalo vratilo koje je povezivalo volan i zupastu letvu, a kasnije volan i hidraulinu pumpu. Ideja je da se na vratilo volana montira senzor koji bi merio zakrenutost volana. Kao mogua reenja nameu se enkoderi i potenciometri. Prednosti potenciometra su njegove dimenzije i najvanije to to pamti poziciju. To se odnosi na injenicu da vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena nako restartovanja sistema. Mane se ogledaju u nepreciznom radu, uzrokovanom pojavom uma, kratkom veku trajanja, iji uzrok moemo pronai u nainu rada samog potenciometra, osetljivoj konstrukciji i nemogunosti kupovine adekvatnog potenciometra u slobodnoj prodaji. Postoje dve vrste enkodera: inkrementalni enkoder i apsolutni enkoder. Detekcija zakrenutosti kod obe vrste ostvaruje se optikim parom predajnika i prijemnika, i zbog toga ne dolazi do mehanikog kontakta izmeu vratila senzora i kuita senzora. To utie na produenje veka trajanja, ouvanje preciznost bez obzira na duinu upotrebe. Takoe izlazni signali enkodera prilagoeni su ulazima digitalnih logikih kola, to olakava njihovu implementaciju. Nain na koji mere zakrenutost se razlikuje u zavisnosti od tipa enkodera. Inkrementalni enkoder poseduje dva optika para predajnik-prijemnik, izmeu kojih se nalazi kodni disk. Prvi par je zaduen za brojanje inremenata, dok je poloaj drugog para u odnosu na prvi takav da on daje podatak o smeru obrtanja vratila, slika (1).

Slika 1. Dvokanalni optiki inkrementalni enkoder [1]

4

Mana inkrementalnog enkodera je u tome to ne pamti poziciju, to bi dalje zakomplikovalo njegovu implementaciju. Primenom apsolutnog enkodera bi problem pamenja pozicije bio reen, jer apsolutni enkoder radi na drugaijem principu. Nain rada apsolutnog enkodera se zasniva na upotrebi veeg broja optoparova i drugaijem rasporedu otvora na kodnom disku. Broj parova direktno odreuje rezoluciju enkodera. Jedinu manu apsolutnog enkodera predstavlja njegova donekle velika cena. Analizom problema merenja zakrenutosti toka doli smo do zakljuka da je jednostavnije meriti promenu poloaja zupaste letve ili zakrenutost vratila motora zaduenog za pomeranje zupaste letve. Ovo je mogue iz razloga to su motor, zupasta letva i tokovi deo istog mehanikog lanca. Za merenje promene poloaja zupaste letve moe posluiti linijski inkrementalni enkoder, ija je glavna mana to to ne pamti poziciju. On radi na istom principu kao i obrtni inkrementalni enkoder samo to umesto diska ima letvu, slika (2).

Slika2. Linijski inkrementalni enkoder [1] Za merenje zakrenutosti motora mogu posluiti oba tipa enkodera. Mislimo da bi najbolji izbor i pored vee cene bio apsolutni enkoder jer je u stanju da pamti poziciju, to nam je od velike vaznosti. Kod izbora aktuatora u startu smo odbacili pneumatske i hidraulike motore zbog nepostojanja sistema za proizvodnju i distribuciju fluida pod pritiskom, i dodatnog optereivanja motora automobila. Ograniili smo se na jednosmerne elektro motore jer u kolima ve postoji izvor napajanja prilagoen njima. Kriterijum za odabir motora je nominalna snaga motora, koja mora biti vea od maksimalne snage potrebne za zakretanje tokova vozila u stanju mirovanja. Upravo tada je otpor zakretanju najvei. Mi nismo bili u stanju da izmerimo silu potrebnu za zakretanje tokova ali mislimo da servo motor ne zadovoljava ovaj kriterijum. Motori koji dolaze u obzir su DC i korani motori. Poto se danas tei smanjenju mase i potronje vozila, dimenzije motora se moraju uzeti u obzir. Na izbor je DC motor zbog jednostavnosi upravljanja, nie cene i manjih dimenzija. DC motor spada u rotacione elektrine maine kod kojih se vri pretvaranje elektrine u mehaniku energiju rotacionog kretanja. Pripada dvopobudnom sistemu, jer ima dva namotaja, statorski i rotorski, slika (3). Napaja se jednosmernim naponom. Prednosti ove vrste motora su relativno niska cena, visoka pouzdanost i jednostavna kontrola brzine obrtanja. Mane su mu kratak vek trajanja pri konstantnom radu, i potreba za odrzavanjem, to ukljuuje ienje ili zamenu komutatora i zamenu etkica i opruga. 5

Slika 3. DC motor firme Maxon [2] Izbor kontrolera smo suzili na digitalne kontrolere, tanije na mikrokontrolere i PLK (Programabilni Logiki Kontroler) iz razloga to nam je rad sa digitalnim kontrolerima blii i laki. A poto se danas u auto industiji uglavnom koriste digitalni kontroleri i regulatori i mi smo se opredelili za takvo reenje. Prednosti PLK su jednostavno programiranje iz razloga to postoje integrisane funkcije za upravljanje motorom i komunikaciju sa senzorima, podrani multitasking i sigurni su u radu. Meutim njihova velika cena i praksa proizvoaa automobila da za sisteme sline ovima (ABS, ESP, servo) razvijaju hardver, iskljuuje PLK kao povoljan izbor. Mala cena, dostupnost kao i nae poznavanje rada sa njima su glavne prednosti mikrokontrolera. Njihova mana bi bila nepouzdanost pri radu na ovako odgovornom zadatku. Napajanje u kolima ne predstavlja problem zbog postojanja instalacije od 12V jednosmerne struje. Ukoliko bi naem sistemu bilo potrebno vie struje nego to standardni generator u automobilu moe da proizvede, mogla bi da se koristi gore navedena tehnologija regenerativnog koenja.

3. Opis realizovanog predmeta projekta3.1. Detaljan opis svih elemenata sistemaOvde emo se pozabaviti detaljnim opisom komponenti za koje smo se odluili pri izradi fukcionalnog modela odnosno makete sistema. Sistem se sastoji od upravljakog i izvrnog dela. Upravljaki deo ini mikrokontroler, koji ima funkciju upravljanja motorom u zavisnosti od referentne i ostvarene vrednosti zakrenutosti motora preko izvrnog dela u zatvorenoj povratnoj sprezi. Referentnu i ostvarenu vrednost zakrenutosti motora merimo odgovarajuim senzorima. Izvrni deo predstavlja drajver za pobudu motora. Pobuda je PWM (Pulse Width Modulation) tipa. Drajver je u konfiguraciji H 6

mosta, koji obezbeuje obrtanje vratila motora u oba smera. Pored ovoga izvrni deo obezbeuje limit struje motora.

Slika 4. Blok ema makete 3.1.1.

SenzoriZa senzor koji meri zakrenutost volana odnosno daje referentnu vrednost, odluili smo se za potenciometar. Razlog za to je to su dostupni i pamte poziciju (pri iskljuenju i ponovnom ukljuenju ureaja vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena). Takoe implementacija potenciometra i rad sa njima su krajnje jednostavni. U obzir smo uzeli i inkrementalni ili apsolutni enkoder koji bi se takoe mogli upotrebi kao senzor zakrenutosti, ali nam oni nisu bili dostupni. Moramo naglasiti da je velika mana potenciometra, bar modela koji smo mi koristili, krha konstrukcija. Lako moze da doe do loma, to nije sluaj sa enkoderima te bi oni bili bolji izbir u realnoj izvedbi elekto volana. Na izbor senzora kojim oitavamo osvarenu vrednost je takoe potenciometar. U obzir smo uzeli i inkrementalni enkoder jer se nalazi u sklopu motora ali smo od njega odustali jer inkrementalni enkoder ne pamti poziciju. Apsolutni enkoder bi takoe mogao da se upotrebi kao senzor zakrenutosti ali kao to smo ranije naglasili nije nam bio dostupan. Poto je u oba sluaja na izbor potenciometar a radi lake obrade dobijenih podataka, odluili smo se za potenciometre istih karakteristika. Radi se o potecimetru sa sledeim karakteristikama: Linearni Nazivna otpornost 10K Opseg zakretanja 150 stepeni

7

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

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

Poto se radi o analognim signalima, potrebno je njihovo prevoenje u digitalni oblik. Analogno digitalna konverzija je generisanje digitalnog kodovanog broja koji odgovara analognom ulaznom signalu, slika (6). Prednost pretvaranja analognog signala u digitalni oblik je nepostojanje uma koji se javlja u svakom sistemu a koji moe da izazove gubitak i izoblienje signala. Mana je to to je rezolucija digitalnog signala ograniena to nije sluaj kada se radi o alanognom signalu. U naem projektu smo se odluili za digitalni signal jer je smo regulaciju poloaja vratila motora ostvarili softverski, pa nam je rad sa ovom vrstom signala bio laki. Treba napomenuti da se pri konverziji signala mogu javiti greke. Neke od njih su greka ofseta, greka dinamikog opsega i pojaanja kod A/D konvertora, greka kvantizacije.

Analogni signal

Diskretni samplovani signal

Digitalni signal

Slika 6. Analogno digitalna konverzija [4] 8

3.1.2.

MotorJedini kriterijum pri izboru DC motora je bila njegova dostupnost. Odluili smo se za motor firme Maxon deklarisane snage 60W sa ugraenim reduktorom 1:16, slika (6). Njegove osnovne karakteristike su: Struja ne optereenog motora Struja startovanja Maksimalna kontinualna struja Otpornost namotaja Maksimalna brzina obrtanja Brzinska konstanta Mehanika vremenska konstanta Momentna konstanta 300 mA 60.5 A 4A 0.198 12000 min-1 685 min-1/V-1 3.42 ms 13.9 mNmA

Motor je preko zupastog kaia i para remenica razliitog prenika, ime smo obezbedili dodatnu redukciju, povezan sa vratilom senzora zaduenog za merenje zakrenutosti motora. Pobuda motora je PWM tipa. PWM ili impulsno irinska modulacija je vrsta upravljanja koja predstavlja nain da se od digitalnog signala napravi signal analogne vrednosti. Korienjem brojaa sa visokom rezolucijom, odnos impuls/pauza se modulie da odgovara specificiranom nivou analognog signala. Regulacija poloaja vratila motora je proporcionalnog tipa. P regulacija je diskretna jer je ostvarena softverski koristei mikrokontroler.

3.1.3.

Upravljaki deoUpravljaka deo predstavlja mikrokontroler koji povezuje sve ulazno/izlazne ureaje (senzore, drajver, napajanje). Radi se o mikrokontroleru AVR ATmega 8, slika (7), koji ima sledee karakteristike: RISC arhitektura, visoke preformanse i mala potronja 8KB programske fle memorije 512 B EEPROM memorije Dva 8 bitna tajmer/brojaa 16 bitni tajmer/broja Tri PWM izlazna kanala Osmokanalni ADC ulaz Bitsko orijentisana dvosmerna serijska komunikacija (USART) Interni RC oscilator 23 ulazno/izlaznih pinova Napon napajanja od 4.5 do 5.5 V

9

Slika 7. AVR ATmega 8 [5]

Softverski smo realizovali takozvani idealni PI algoritam, slika (8). Prednosti idealnog u odnosu na realni regulator su krae vreme raunanja i jednostavnija prenosna funkcija. Slika 8. ema PI regulatora Izlaz iz ovakvog regulatora dat je jednainom U(t) = Kp*e(t)+Ki*e(t), gde e predstavlja razliku izmeu referentne i ostvarene vrednosti odnosno greku, a Kp i Ki koeficijente proporcionalnog odnosno integralnog dejstva. Proporcionalno dejstvo daje izlaz koji je proporcionalan greci. Mana korienja samo P dejsva je pojava greke u ustaljenom stanju. To znai da sistem nikada nee dostici referentnu vrednost. Takoe preveliko P dejsvo moe dovesti do nestabilnosti sistema, oscilovanja ostvarene oko referentne vrednosti. Da bi reili pojavu greke u ustaljenom stanju uvodimo integralno dejsvo. Ono se sastoji od sumiranja prethodnih greaka, koje traje sve dok se ne dostigne zadata vrednost.

10

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

11

Da bi se spreilo upravljanje pri malim vrednostima greke, koje se mogu javiti zbog nepreciznosti senzora ili greke analogno-digitalne konverzije, greka mora biti vea od neke unapred odreene vrednosti. Ta vrednost u obrnutoj proporciji odreuje preciznost ureaja. Time svesno pravimo greku u ustaljenom stanju. Vrednosti proporcionalnog i integralnog dejstva, radi mogunosti njegovog podeavanja u toku rada sistema, se zadaju potenciometrom. Na osnovu greke i vrednosti koeficijenta dobijamo izlaz iz regulatora, koji direktno odreuje faktor ispune PWM signala, slika (10).

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

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

12

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

elektro motora

Nakon izbora motora preostalo je je jo da se odluimo za nain upravljanja motorom. Kod izbora drajvera moramo obratiti panju na snagu koju taj drajver treba da obezbedi. A poto smo ve zakljuili da nam nije potrebna znaajna snaga na motoru, u razmatranje izbora drajvera uzimamo integrisana kola sa H-mostom. Poto je na naem tritu najzastupljenije i najlakse je doi do njega, izabrali smo L298. L298 je integrisano kolo sa 2 H-mosta sa maksimalnom strujom na izlazu od 2A po mostu. Ova snaga na izlazu u potpunosti zadovoljava nae potrebe. Jednostavnost inplementacije ove komponente je jo jedna od njenih prednosti, slika (12).

Slika 12. L298 Multiwatt 15 kuite [9]

13

S obzirom da ova komponenta sadri dva H-mosta realizovana bipolarnim tranzistorima, zbog efekta krae struje odustajemo od paralelnog vezivanja mostova, iako to proizvoa ostavlja kao opciju. Koristiemo preporuenu emu za upravljanje motorom u oba smera, slika (13).

Slika 13. DC motor kontroler u oba smera [9] Napravili smo samo malu izmenu: Ven signal koji slui za iskljuivanje motora po potrebi, vezali smo izlaz naponskog komparatora. Na ulaze ovog komparatora dovodimo napon sa senzorskih otpornika Rs i konstantan napon unapred podeen. Ovim smo dobili zatitu od prevelike struje kroz motor. Iako maksimalna dozvoljena struja motora nije ni priblino velika kao maksimalna struja na izlazu drajverskog kola, mogunost upravljanja istom moe biti od koristi u narednim primenama ovog ureaja. Upravljanje motorom uz pomo ovog kola vri se izborom faktora ispune PWM signala i dovoenjem ovog signala do upravljakih ulaza kola. Koristi se bipolarni PWM signal ije su osobine da pri 0% ispune imamo maksimalno obrtanje motora u jednu stranu, a pri 100% ispune moksimalno obrtanje u drugu stranu. Pri ispuni od 50% motor je otkaen. Postoji opcija koenja motora koja se izvodi dovodjenjem logike 1 na oba ulaza. Zbog prirode naeg problema nama ova opcija nee trebati i mi je neemo koristit.

14

Slika 14. ema drajvera DC motora

15

3.2. Slika

ureaja u krajnjem stadijumu izrade

16

4. Testiranje funkcionalnog modelaRadi lakeg testiranja, podeavanja parametara PI regulatora kao i prezentovanja rada ureaja odluili smo se da postavimo dve skale sa kazaljkama na kojima se moe pratiti rad ureaja. Jedna kazaljka je privrena na vratilo potenciometra kojim zadajemo referentnu vrednost a druga na vratilo koje je spojeno sa potenciometrom kojim oitavamo ostvarenu vrednost. Skale su postavljene jedna iza druge sa tim to je prva skala providna radi lakeg poreenja skretanja kazaljki. Teoretski bi trebalo da druga kazaljka prati prvu, meutim postoji konstantna razlika iz razloga jer je opseg zakretanja drugog potenciometra vei od opsega zakretanja prvog potenciometra. Pri malim vrednostima potencionalnog dejstva javlja se velika greka u ustaljenom stanju, koja se smanjuje kako se P dejstvo poveava. Ako je potencijalno dejstvo veliko dolazi do nestabilnosti sistema i oscilovanja ostvarene oko zadate vrednosti. Meutim greka je uvek prisutna i zato se ukljuuje i integralno dejstvo koje tu greku neutralie. Takoe se pri velikim vrednostima I dejstva javlja nestabilnost sistema. To znai da je potrebno odrediti dovoljno velike vrednosti P i I dejstva da bi sistem reagovao dovoljno brzo ali u isto vreme paziti da se sistem ne izvede iz stabilnog stanja. Takoe treba obratiti panju na mehanike delove sistema. To se odnosi na zategnutost kaia kojim se obrtanje motora prenosi do vratila potenciometra kojim se oitava ostvarena vrednost. Ako kai nije dovoljno zategnut javlja se takozvana mrtva zona u upravljanju, motor kasni sa odzivom i ne reaguje na male promene zadate vrednosti. Treba obratiti panju da ne doe do proklizavanja na mestu na kom su spojeni vratilo i potenciometar, jer tada moe doi do nagomilavanja integralnog dejstva.

17

5. ZakljuakU ovom projektu je uraeno sve to je bilo definisano projektnim zadatkom. Uraena je detaljna analiza problema i svih segmenata sistema. Takoe su data idejna i praktina reenja za realizaciju zadatka. Radi testiranja i prezentacije napravnjena je funcionalna maketa, iji je zadatak da pokae na koji bi nain trebao da funkcionie sistem u realnoj izvedbi elektro volana. Tokom izrade smo nauili neto novo iz oblasti elektronike, programiranja, mehanike kao i upravljanja sistemima. Takoe smo kroz praktian rad utvrdili teoriska znanja iz pomenutih oblasti. Ideje za poboljanje. Koricenje potenciometra sa veim opsegom zakretanja. Upotreba jeftinijeg DC motora i provera da li je u stanju da odgovori zahtevima. Implementacija fabrikog PID regulatora ili softverska realizacija istog, uz mnogo ozbiljniji algoritam raunanja koeficijenata regulacije u zavisnosti od na primer brzine kretanja. Naravno u realnoj izvedbi bi veliku panju trebalo posvetiti pitanju bezbednosti jer bi u sluaju iznenadnog kvara na bilo kojem delu sistema voza ostao bez kontrole nad upravljanjem vozilom. Mogue reenje je ugradnja pomonog, mnogo jednostavnijeg sistema, koji bi se u tom sluaju aktivirao i preuzeo kontrolu nad upravljanjem. Zanimljivo bi bilo omoguiti vie modova upravljanja, gradska vonja i sportska vonja, gde se razlika ogleda u potrebnom zakretanju volana ne bi li tokovi ostvarili poziciju.

18

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

19