Motoare Electrice

Cuprins:

1.Introducere

2.1. Notiuni teoretice:- in partea mea de hardware am avut nevoie de cunostinte din partea de electronica aplicata ce consta in comportarea electronica a componentelor

-motoare bldc

-invertoare

-layout

– medii de dezvoltare (Proteus si Eagle)

-senzorii cu ultrasunete

-detectie de metale

-filtre

-corelatie intre partea de hardware si software pentru comanda

3.Partea practica contine:

-invertoarele trifazate adaptate cu integratele BTM

-detectorul de metale

-senzorii cu ultrasunete

-mecanica pentru imbinarea tuturor intr-o unitate

-nivelul bateriei

2.Studiul actual –fundametare teoretica

2.1. Motoare electrice

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. După tipul curentului electric ce le parcurge motoarele electrice pot fi clasificate:

motoare de curent continuu și

motoare de curent alternativ

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

motor cu excitație independentă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

motor cu excitație paralelă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie

motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Motoarele electrice sunt construite într-o gama extinsă de puteri fiind astfel folosite la foarte multe aplicații de la motoare pentru componente electronice pană la acționări electrice de puteri mari. Răspândirea acestora se datorează și datorită prețului redus și modului de comandă relativ simplu.

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două parți component: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului în general exterioară, iar rotorul este partea mobilă a motorului , plasată deobicei în interior. Între cele două există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului fată de stator. Grosimea întrefierului ne indică performanțele motorului.

Pentru orice aplicație sau proiect pe care îl punem în aplicare există o mare varietate de tipuri de motoare, iar alegerea depinde de o varietate de factori. Unele dintre problemele care trebuie luate în considerare pentru un motor sunt cele de cost, cantitate de energie și de cât timp ai nevoie de ea să dureze. Dacă e un proiect sau aplicație în care e nevoie de un motor pentru utilizare pe termen scurt, s-ar putea prefera unul mai ieftin care se poate uza mai repede. În cazul în care locul de muncă necesită un motor care va dura atâta timp cât posibil, se va dori să se ia în considerare un motor BLDC.

Motorul de curent continuu fără perii (BLDC)

Motorul este alegerea ideală pentru aplicații care necesită fiabilitate ridicată, de înaltă eficiență, și raportul de mare putere-volum. În general, un motor BLDC este considerat a fi un motor de înaltă performanță, care este capabil de a furniza cantități mari de cuplu pe o plajă largă de viteză.

Motoarele BLDC sunt un derivat al motorelor DC cele mai frecvent utilizate, motor de curent continuu cu perii, împărtășind aceeași cuplu și caracteristici ale curbei de performanță de viteză. Diferența majoră dintre cele două este utilizarea de perii. Motoarele BLDC nu au perii (de unde și numele de "curent continuu fara perii") și trebuie să fie comutat electronic.

BLDC au fost proiectate pentru a înlocui subsistemul de comutație electro-mecanic din motoarele DC cu perii convenționale (BDC). Într-un motor de curent continuu cu perii colectoare , ansamblul motor conține un comutator fizic care se deplasează prin intermediul periei reale, în scopul de a muta rotorului. Cu un motor BLDC, puterea curentului electric este dat de un magnet permanent care determină motorul să se miște, astfel încât nu este necesar un comutator fizic.

Avantajele utilizării BLDC față de BDC sunt înfășurări cu mai mare siguranță, mentenanță, zgomot și emisii electromagnetice mai reduse și o mai mare putere pe unitate de volum cauzată de o eficiență termică mai mare a celor silențioase.

Voi prezenta în tabelul următor o scurta comparație între motoarele DC cu perii și BLDC-uri.

Tabelul 1- Comparație motoare DC cu perii și motoare DC fără perii- BLDC

În dezvolatarea acestui proiect am folosit două motoare BLDC, Inrunner, atât pentru direcție cât și pentru tracțiune . În comparație cu motoarele Outrunner slow-revving, high-torque, motoarele brushless Inrunner sunt ideale pentru orice model care are nevoie de motor cu turatie ridicată. Dacă sunt dotate cu un reductor corespunzator, atunci ele acoperă toată gama de cerințe.

Reductoarele folosite au un raport de transmisie de 120:1.

Specificatii ale motorului ales:

Tensiune: 10 – 24 V

Nr. celule Litiu pentru alimentare: 3 – 5

Curent în sarcina: 31 A

Curent maxim în sarcina: 34 A

Turatie în gol: 2600 rpm/ V

Tractiune: aprox. 2450 g

Dimensiuni: 28 x 45 mm

Diametru ax: 4 mm

Aplicatiile tipice ale motoarelor brushless Inrunner : modele cu turbina (impeller), aeromodele de acrobatie, navomodele, automodele.

Reductoarele pe care le-am folosit au un raport de transmisie de 120:1.

!!Controlul unui motorului

Viteza de rotație a motorului de curent continuu este direct proporțională cu tensiune de alimentare. Motorul de curent continuu este foarte ușor de utilizat în aplicații în care avem nevoie de viteză variabilă acest lucru datorându-se caracteristicilor constructive. Variația tensiunii de alimentare se poate face ușor folosind tehnica PWM (Pulse Width Modulation)

Tehnica PWM folosită pentru controlul motorului de curent continuu poate fi generată cu ajutorul unor circuite dedicate sau cu ajutorul unui microcontroller dar în orice caz avem nevoie și de un circuit de putere care sa amplifice PWM-ul furnizat de un microcontroler sau un circuit dedicat de generare.

Pentru controlul unui motor urmărim posibilitățile de funcționare .

a) Controlul motorului într-o singură direcție – folosit în aplicații în care siguranța este foarte importantă

Dacă dispunem de un circuit de comandă, de obicei realizat cu un microcontroler, alături de care este prezent și circuitul de amplificare cu un tranzistor, putem să comandăm motorul doar într-un singur sens astfel :

Figura 3 – Control motor într-un singur sens

b) Control în ambele sensuri: o schemă simplă și eficientă pentru comanda de acest fel este reprezentată de “puntea H” (în engleză H-bridge).

Figura 4 .1 – Control motor în ambele sensuri

Figura 4.2 – Puntea H

Puntea este construită din patru întrerupătoare, acționate pe diagonală. Când întrerupătorul S1 si S4 sunt închise (si întrerupătoarele S2 si S3 sunt deschise), o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S3 si S4 si închiderea lui S2 si S3, această tensiune este inversată, făcând posibilă rotirea motorului în sensul opus.

Aranjarea de tip punte H este în general folosită pentru a inversa polaritatea motorului, însă poate fi folosită și pentru frânarea motorului (motorul se opreste brusc datorită scurtcircuitării terminalelor sale) sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber până la oprire.

Un tabel pentru comanda celor patru comutatoare.

Tabel 2- Comanda comutatoare

2.2. Invertoare

Invertoarele sunt circuite electronice specifice electronicii de putere care realizează conversia energiei de curent continuu în energie de curent alternativ. Aceastea vor fi caracterizate printr-o tensiune de ieșire de o anumită formă, frecvență și valoare efectivă.

Invertoarele se utilizează în principal în două situații și anume:

a. este necesară alimentarea în curent alternativ a unor consumatori, în locuri unde se dispune doar de surse de curent continuu

b. este necesară alimentarea continuă (fără întreruperi) a unor consumatori în condițiile căderilor de rețea.

În acest ultim caz se încadrează echipamentele de telecomunicații, calculatoarele, etc.

Tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire, frecvența, precum și manipularea totală de energie depinde de design-ul dispozitivului sau a circuitele specifice. Puterea este furnizată de sursa de curent continuu deci invertorul nu produce nici o putere.

Printre aplicațiile tipice pentru invertoare sunt: dispozitivele portabile de consum precum și sisteme de producere a energiei, cum ar fi sistemele de generatoare solară pentru a converti curentul continuu în curent alternativ.

Tensiune de intrare 12 VDC, pentru invertoare mici de consum și comerciale, 24 și 48 VDC, care sunt standarde comune pentru sisteme de energie de acasă, 200-400 VDC, atunci când puterea este de la panouri solare fotovoltaice, 300-450 VDC, atunci când puterea este de la acumulatoare electrice de vehicul.

Tensiune de ieșire. Tipuri de semnale de iesire:

Semnal dreptunghiular Pur sinus Sinus modificat

Figura 5-semnale de ieșire invertor

Invertoare pur sinusoidale sunt cele mai scumpe si din punct de vedere constructiv sunt mai greu de realizat. Orice dispozitiv va rula pe o undă sinusoidală pură, dar unele echipamente sensibile, cum ar fi anumite echipamente medicale cu viteză variabilă sau instrumente reîncărcabile, necesită acest tip de invertor pentru a funcționa corect.

Voi reaminti cateva tipuri de invertoare:

Invertoare monofazate

Invertoare trifazate

Pentru comanda motoarelor BLDC am construit două invertoare trifazate cu integratele Infineon BTN8962TA Half-Bridge .

Invertoare trifazate pentru comanda motoarelor BLDC.

Ele pot fi inrruner si outrruner cu rotor si la cum sunt conectat fazele in triunghi si stea

Pentru controlul motoarelor BLDC este necesară cunoașterea cu precizie în orice moment a poziției rotorului. Informația necesară determinării poziției rotorului față de stator este dată de senzorii de poziție (senzori Hall). Pe baza acestei informații vom ști cum să comandăm tranzistoarele invertorului care alimentează fazele motorului.

Pentru a fi comandat și controlat eficient, motorul BLDC trifazic necesită un invertor trifazic (în semipunte) care generează un semnal sinusoidal (comandă în 6 pași).

Invertorul poate genera o comanda sinusoidala sau in pasi. Totodată necesită ca la comutația electronică a fazelor motorului să respecte și să păstreze sincronismul dintre fluxul statoric și fluxul rotoric ( flux magnetic).

Fiecare fază (înfășurare) este alimentată pe durata celor 120° cât tensiunea indusă este constantă. Apare acum necesitatea unei comutații la fiecare 60°. Prin furnizarea succesiunii fazelor intr-un timp bine stabilit, reglăm turația motorului

Figura x – motor BLDC

Nu am folosit o comanda continu a motorului ci am folosit o comanda asemătoare cu cea de motor pas cu pas .

În mod general circuitul de comandă a acestor motoare se pot folosi unul sau mai mulți senzori de poziție care dau informația necesară determinării poziției rotorului și astfel se păstrează în sincronism cele două fluxuri. Acest tip de control implică costuri ridicate datorită implementarii senzorilor în construcția motorului și totodată acesta are restricții de funcționare în anumite condiții de mediu (căldură și umiditate mărită). În practică motorul a fost comandat fară sincronizare.

În aceste condiții din motive financiare și tehnice, controlul fără senzori (sensorless) este o capacitate esențială a unui controler pentru motoarele BLDC.

Motoarele BLDC sunt deja utilizate în construcția hard-disk-urilor și multe alte aplicații industriale și automatizări. Motoarele BLDC sunt regasite pe piața aplicațiilor electrocasnice și în industria auto,ate datorită implementarii senzorilor în construcția motorului și totodată acesta are restricții de funcționare în anumite condiții de mediu (căldură și umiditate mărită). În practică motorul a fost comandat fară sincronizare.

În aceste condiții din motive financiare și tehnice, controlul fără senzori (sensorless) este o capacitate esențială a unui controler pentru motoarele BLDC.

Motoarele BLDC sunt deja utilizate în construcția hard-disk-urilor și multe alte aplicații industriale și automatizări. Motoarele BLDC sunt regasite pe piața aplicațiilor electrocasnice și în industria auto, datorită eficienței mărite, a funcționării silențioase și a construcției compacte, a fiabilității mărite și a mentenanței scăzute.

Aplicațiile casnice sunt de așteptat a fi una din piețele de desfacere cu o dezvoltare rapidă pentru circuitele de comandă a motoarelor electrice în următorii 5 ani. Principalele aplicații în acest domeniu includ mașinile de spălat automate, instalațiile de aer automat, congelatoare, aspiratoare, frigidere etc.

Pentru a reduce costul și complexitatea sistemului de control este de preferat după cum am mai precizat utilzarea unei comanzi fără senzori (sensorless).

În practica am folosit o punte invertoare trifazată prezentată în următoarea figura :

Figura x –Punte trifazată

Puntea este alcătuită din 6 comutatoare electronice. În general se folosesc tranzistoare MOSFET sau tranzistoare bipolare cu baza izolată (IGBT) pentru curenți sau tensiuni mari.

Cum am precizat , pentru dezvoltarea acestui proiect am construit pentru motoare invertoare trifazate cu integratele Infineon BTN8962TA Half-Bridge

Figura 6.1 – integrat BTN8962TA

Avantajele folosirii BTN8962TA Half-Bridge:

integrează în aceeași capsulă tranzistori MOSFET-p , MOSFET-n și driver

permite funcționarea la frecvențe mari ale semnalului PWM

permite monitorizarea valorii curentului absorbit

protecție la supraîncălzire, subalimentare, supracurent și scurtcircuit

Figura 6.2 – Diagrama bloc BTN8962TA

În tabelul următor sunt descriși pini, direcția pe care aceștia o am (pin de intrare sau ieșire ) și funcția :

Tabel x- Descriere pini

După cum am precizat și în avantajele folosirii acestui integrat, el oferă o gama bogată de protecții și funcții care ușurează folosirea dispozitivului într-o gamă cât mai largă de aplicații, dintre care:

Protecție la supratensiune

Protecție la supracurent

Blocare la subtensiune

Protecție la temperatura

Protecție la scurtcircuit

Ajustarea slew-rate-ului

Informații cu privire la curentul consumat de sarcină

Design compact

O descriere a funcțiilor de protecție:

Protecție la supratensiune – în caz de supratensiune (tensiunea de alimetare trece pe V0v(off)), circuitul integrat oprește MOSFET-ul de pe low side și îl porneste de cel de pe high side până când tensiune de alimetare scade sub V0v(on).

Dacă dispozitivul este în configurație de hbridge (puntea H), acest comportament duce la apariția fenomenului de mers în gol pe partea high side.

Protecție la subtensiune – în cazul in care tensiunea de alimentare scade sub tensiunea minim recomandată Vuv(off) ieșirea dispozitivului trece într-o stare de înaltă impedantă, dispozitivul revine la starea initială odată ce tensiunea de alimentare trece de Vuv(on).

Protecție la temperatură– datorită senzorului de temperatură integrat odată ce temperatura depășește valoarea maximă impusă dispozitivul detectează ieșirea și rămâne în starea aceasta până când un semnal extern aplicat pe pinul INH de o durată nu mai mica de tRESET îl resetează.

Folosirea repetată a acestei protecții duce la scurtarea vieții dispozitivului.

Protecție la supracurent – în timpul funcționării curentul consumat de sarcină este monitorizat de logica de control a dispozitivului dacă pe una dintre ramuri de High sau Low side, curentul consumat depășeste curentul limită ICLx, ramura respectiva este blocată iar cealaltă ramura este activă pe o perioadă de timp tCLS. Pe tot parcursul acestui timp, orice schimbare făcută pinului IN nu va fi luată în considerare .

După ce tCLS s-a scurs dispozitivul revine la setările initiale. Semnalul de diagnoza prezent pe pinul IS este activ timp de 2* ICLx . Pentru ca avem valori de prag și întârzieri de propagare, valoarea curentului limită ICLx variază in funcție de variația curentulu în timp.

Se poate observa acest lucru în figura următoare:

Figura 7 –Variația ICLx în funcție de timp

Protecție la scurtcircuit – protecția la scurtcircuit apare în cazuri precum : ieșirea este scurtcircuitată cu masa (GND) , ieșirea este scurcircuitată cu tensiunea de alimentare Vs sau cu sarcina.

Pentru această protecție este folosită protecția la supracurent și la supratemperatură.

În tabelul următor sunt prezentate valori pentru tensiunea, curentul sau temperatura care corespund fiecărui tip de protecție:

Tabel x –Valori tipice de declanșare a protecțiilor

Alte specificații pentru circuitul BTN7960 sunt cele electrice, acestea fiind prezentate în următorul tabel:

Tabel x Specificații electrice pentru BTN7960

Partea de putere a circuitului BTN7960

După cum am precizat acest circuit integrat este construit din două tranzistoare de tip MOSFET unul cu canal P și unul cu canal N construiți în tehnologia DMOS vertical.

În figura urmatoare este ilustrată aceasta tehnologie DMOS vertical:

Figura x- Structura DMOS vertical

MOSFET-ul DMOS (Double- Diffused MOS ) este orientat spre aplicații de putere în care se lucreaza cu tensiuni înalte și frecvențe înalte .

Pentru că tranzistorul lucrează la tensiuni înalte și la frecvențe înalte caracteristica acestua este similară cu cea a unui tranzistor TBJ.

Datorită folosirii acestui tip de tranzistor pentru partea de putere dispozitivul este capabil să lucreze la frecvențe de până la 25kHz.

Rezistența RON variază în funcție de temperatură dar și de tensinea de alimentare, graficele corespunzătoare celor două parți High si Low sunt prezentate mai jos:

Figura x Variația RON (HS) în funcșie de temperatura joncțiunii și a tensiunii de alimentare pentru High Side

Putem observa că odată cu creșterea tensiunii de alimentare după o anumită valoare RON rămâne constant și nu mai variază cu temperatura. Probleme de variație cu temperatura se întâlnesc când tensiunea de alimentare este sub 12V.

Figura x Variația RON (LS) în funcșie de temperatura joncțiunii și a tensiunii de alimentare pentru Low Side

Un tabel cu valorile numerice ale RON este prezentat mai jos:

Tabel x -Variația rezisteței RON cu temperatura

Timpii de comutație pentru BTN7960

Avem timpi de răspuns la conectarea sarcinii la masă (GND) și timpi de răspuns la conectarea la tensiunea de alimentare (Vs), timpi reprezentați în figurile de mai jos :

Figura x.1 Timpul de comutație pentru High Side – sarcină legată la GND

Figura x.1 Timpul de comutație pentru Low – sarcină legată la Vs

Pentru exemplificare a fost folosit un rezistor pentru setarea slewrate-ului (variatia maxima a tensiunii in unitatea pe timp) de 5.1 kΩ. Se pot obține timpi mai mici de tranziție dar asta aduce riscul ca atunci când dispozitivul comută sarcina între Vs și GND tranzistoarele să nu se închidă suficient de repede și pentru o perioadă de timp ambele tranzistiare să fie în conducție astfel distrugându-se unul sau chiar ambele tranzistoare.

Pentru această situație sunt prezentate valori ai timpilor de comutație, exprimate în unitatea de timp, în tabelul de mai jos:

Tabel x – Timpi de comutație

Control și diagnoză pentru BTN7960

Controlul dispozitivului BTN7960 se realizează prin cei doi pini IN și INH a căror funcționalizate a fost descrisă anterior. Acești pini sunt de tip intrări cu trigger Schmitt compatbil TTL/CMOS ceea ce facilitează folosirea unui microcontroller pentru comanda acestuia.

Genereatorul de dead time (timp mort)- asigură ca la nici un moment de timp cele două elemente active nu sunt deschise simultan ducând la scurtcircuitarea sursei de alimetare cu masa (GND) prevenind astfel distrugerea circuitului.

Ajustarea slewrate-ului – pentru a optimiza efectele EMI viteza de comutație a tranzistoarelor MOSFET poate fi ajustată cu un rezistor între pinul SR și GND.

Starea circuitului si informația de curent sunt implementate cu două surse de curent. În modul în care funcționarea este normală ieșirea Is este conectată la o sursă de curent care este proporțională cu un curent consumat de sarcină:

kISL= IIL /IIS unde : kISL- constantă de proporționalitate

IIL – curentul consumat de sarcină

IIS -curentul prezentat la ieșirea IS

În cazul în care una dintre condițiile de protecție este depășită ieșirea IS este conectată la o sursă de curent IIS(lim)

Operațiunea normală :

Informații despre curent

Figura x -Schemă bloc pentru diagnoză, current sensing

Operațiunea de diagnoză :

Figura x -Schemă bloc pentru diagnoză, current sensing

Variația factorului kISL este în funcție de curentul absorbit de sarcină .

Pentru exemplificare este prezentat tabelul de mai jos:

Un exemplu de configurație h-bridge pentru BTN7960

High Current H-Bridge

Figura x -Exemplu de configurație h-bridge pentru BTN7960

Informațiilor prezentate în acest subcapitol îmi justifică alegerea acestui circuit integrat acesta simplificând partea de implementare hardware și software.

Schema completă a invertorului cu aceste integrate este prezentată în capitolul de proiectare a circuitelor și cablajelor.

În cele ce urmează se poate observa formele de undă de la osciloscop la comanda de înainte, înapoi, dreapta și nitro (funcție de accelerare) a mașinuței:

Inainte

Înapoi

Dreapta

Nitro

Se observă modificarea duty cicle-ului în functie de comanda acestora. De exemplu când se dorește virarea spre dreapta roata de pe partea dreaptă a șasiului va trebui să se învârtă mai încet, ceea ce înseamna o frecvență mai mica a semnalului PWM pentru invertorul de pe motorul de la roata din dreapta.

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Detectiție de metale

Acest proiect urmăreste deasemenea dezvoltarea unui detector de metale. Dacă pe traseul făcut în regimul autonom a acesteia va detecta un metal motoarele se vor opri prin trimiterea unui semnal (impuls ) către microcontroller (PIC18F5431) generând o intrerupere tratată mai departe corespunzător in partea de soft

Detectoarele de metale sunt dispozitive electronice ce au rolul de a detecta și semnaliza obiectele metalice.

Detectoarele de metale se folosesc în diverse domenii precum:

Cel militar – pentru descoperirea minelor și proiectilelor neexplodate

Securitate – control personal în scopul de a detecta diverse arme sau obiecte metalice ascunse (în aeroporturi, instituții etc)

Industrie – detectarea obiectelor metalice în diverse locații: în construcții și la exploatările petroliere offshore pentru detectarea eventualelor conducte îngropate.

Se pot folosi de asemenea pentru a detecta prezența accidentală a obiectelor metalice pe o bandă transportoare.

Arheologie – descoperirea obiectelor metalice în diverse situri arheologice.

Hobby – este utilizat de către scafandri pentru căutarea de tezaure subacvatice sau în arheologia subacvatică.

Pentru a evidenția modul de funcționare a detectorului de metale realizat, voi vorbi despre un sensor inductiv cu un miez mobil din cadrul traductoarelor inductive.

Senzorul este format dintr-o bobină cu miez feromagnetic a carui comportament magnetic este afectat de orice metalele aflat în apropierea sa. Apropierea/departarea metalului fată de miez (bobină) provoacă o variație neliniară a inductanței proprii a bobinei, datorită campului magnetic neomogen creat în aceasta. În plus apar forte de atracție care influențează deplasarea miezului, forte care pot fi eliminate în varianta diferențială. ???////////////////În acest caz, se utilizează două bobine în interiorul cărora se deplasează miezul mobil, în poziția 0, de referință, miezul este introdus în mod egal în cele două bobine. Varianta diferențială crește sensibilitatea, iar caracteristica static este mult mai liniară.

Principiul de funcționare se bazează pe modificarea reluctanțelor circuitelor de închidere a fluxurilor, deci și modificarea inductanțelor. Punerea în evidență a variației de impendanță se face prin conectarea bobinelor în brațe adiacente ale unei punți de impendanțe, alimentată cu tensiune alternativă cu frecvența de sute de Hz (Herți) până la 5 KHz.

Am plecat de la urmatoare schemă pentru detecție:

Acest tip de detector de metale foloseste două înfășurări de conductor de cupru, una mai mare care este considerată bobină detector și una mai mică considerată bobină de referintă. Cele două sunt conectate cu câte un condensator astfel formându-se două circuite oscilante.

Detectorul lucrează pe baza modificării frecvenței de rezonantă care apare când există un metal destul de aproape de bobina . Distanța la care detectează depinde de numărul de înfășurări și de tensiunea de alimentare directă a oscilatorului (în acest caz dată de dioada Zener)

Cele două înfăsurări terminalele acestora se pot observa în figura (A,B,C,D). Când mă apropii cu un metal de bobină practic se modifică cuplajul magnetic între cele două înfășurări, astfel modificându-se și amplitudinea din a doua înfăsurare.

Condensatorul C2 are și rolul de a nu permite să se facă salt foarte brusc de tensiune.

Condensatorul C1 din schemă se comportă ca un filtru, prin modificarea timpului de integrare frecventa crește respectiv scade.

In momentul initial cand se conectează la sursă inainte ca tranzistorul Q1 să conducă tensiunea uab este 0.

Cand Q1 începe sa conducă apare un curent în bobină rezultând o crestere a tensiunii pe aceasta care este intârziată de prezenta condesatorului C2. Pe perioada tranzitorie de la începutul conducerii tranzistorului si pana in momentul stabilizarii curentului variatia curentului prin bobina L1 va induce o tensiune elecromotoare în bobina L2 cu plusul în C și minusul în D. Aceasta tensiune indusa va polariza direct tranzistorul Q2 deschizandu-l. Tensiunea din baza celor două tranzistoare va fi egala cu tensiunea bază emitor a tranzistorului Q2 plus tensiunea de pe dioda d1 (VbeQ12+ vd1) care este mai mica decât curentul care trece prin bobina L1 înmulțit cu suma rezistentelor din emitorul tranzistorului Q . Rezulta astfel tensiunea baza emitor a tranzistorului Q1 va începe să scadă care va genera o scădere a curentului prin L1 , rezultând atfel că tensiunea indusa în bobina L2 își va schimba semnul polarizând si blocând tranzistorul Q2. În continuare va intra în conducție iar tranzistorul Q1, ciclu începând să se repete.

Rezistența împreuna cu potențiometrele aflate în emitorul lui Q1, variază practic curentul indus în bobina L1 care permite controlarea curenților în cealaltă bobină astfel prin acestea se poate varia puterea de detecție a unui metal.
Cand este detectat metal tensiunea din emitorul lui Q3 este de 3,8V iar ledul 2 se aprinde.

Ultimul etaj este folosit pentru a amplifica tensiunea din emitorul Q3, astfel ca atunci când este detectat metal se va genera o tensiune de 5V care va da un impuls de comandă la microcontroler.

Primul led stă prins atât timp cat detectorul este în stare de functionalitate, iar cel de-al doilea este activat când se va detecta metal pe traseul parcurs de mașină.

///////////////////////////////////////////////////////////////////

Senzorii cu ultrasunete

Orientarea, urmărirea unui traseului și detecția de obstacole sunt realizate cu ajutorul senzorilor cu ultrasunte.

1. Caracteristici generale

Senzorii sunt dispozitive care pot măsura diferite proprietăți ale mediului din jurul acestora, cum ar fi: temperatura, distanța, rezistența fizică, greutatea, mărimea.

O clasificare a acestora îi grupează în două categorii:

Senzori de stare externă- senzori care oferă informații despre mediul ambient.

Aceștia la rândul lor pot fi împărțiți în două categorii: senzori cu contact ( senzori care culeg informația din mediu prin atingere de exemplu: senzor "bumper"), respectiv senzori fără contact , care preiau informația din mediu de la distanță (exemplu: cameră video, senzor ultrasonic)

Senzori de stare internă – senzori care oferă informații despre starea internă de exemplu nivelul bateriei, poziția roților sau altor componente, etc.;

Senzorii pot fi activi sau pasivi. Senzorii activi sunt acei senzori care emit energie în mediu pentru a putea observa anumite caracteristici ale acestuia, spre deosebire de senzorii pasivi care primesc energie din mediu pentru a putea prelua informația.

Senzori sunt caracterizați printr-o serie de proprietăți, cele mai importante fiind:

Sensibilitatea: raportul dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare;

Liniaritatea: exprimă dacă raportul dintre intrare și ieșire este constant;

Intervalul de măsurare: diferența între distanța minimă și maximă măsurabilă;

Timpul de răspuns: timpul necesar pentru ca informația de la intrare să fie observabilă la ieșire;

Acuratețea: diferența între semnalul măsurat și semnalul real;

Repetabilitatea: diferențele între măsurători succesive ale aceleiași entități;

Rezoluția: exprimă cea mai mică unitate de incrementare a semnalului măsurat;

Prețul senzorului;

Puterea de calcul necesară pentru a interpreta rezultatele;

Senzorii cu ultrasunete sunt întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de sonar- senzorii ultrasonici folosesc semnale acustice (sunete). Ei permit măsurarea suficient de precisă, fără contact, a distanțelor față de alte obiecte din mediu și asigură astfel premizele pentru unele dintre cele mai importante activități:

Măsurarea distanței față de unele repere, fixe sau mobile din mediu, pentru ancorarea propriei poziții în spațiul de lucru;

Identificarea obstacolelor din mediu înconjurator, cu poziția și configurația lor, în vederea stabilirii unei strategii optime pentru ocolirea lor, dar și pentru o eventuală reconfigurare, în vederea abordării lor directe;

Identificarea poziției și orientării unor module, în vederea unei eventuale atașări și cuplări;

Un emițător transmite un semnal acustic în mediu urmând apoi ca reflecția acestuia să fie recepționată de componenta detector a senzorului. Timpul în care semnalul este receptat înapoi de senzor precum și atenuarea semnalului reprezintă aspecte exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar.

Sunetele transmise de senzorii sonar sunt de regulă în spectrul de sunete ultrasonice, au o frecvență foarte înaltă pentru a nu putea fi detectate de urechea umană. Atât liliecii cât și delfinii folosind aceleași tehnici pentru a localiza și identifica diferitele caracteristici ale unui anumit robot

Principiul de funcționare al senzorului cu ultrasunete

Figura x –principiul de functionare al senzorului cu ultrasunete

Măsurarea distanței constă în măsurarea timpului de propagare a undelor între reperele considerate. D= v t, unde : D- distanța , t – timpul măsurat, v – viteza de propagare a undei în mediul considerat.

În general depinde de indicele de refracție al mediului, care la rândul său depinde de mai mulți parametrii (temperatură, presiune, umiditatea aerului, lungimea de undă), iar cunoașterea exactă a acestui aspect poate îmbunătăți precizia măsuratorilor.

Senzorul trimite un semnal acustic format din 8 impulsuri pentru o scurtă perioadă de timp și apoi așteaptă ca sunetul să se reflecte de o suprafață și să se întoarcă la receptor. (figura x) În funcție de timpul măsurat de la terminarea trimiterii sunetelor și până la recepție, în urma unei transformări matematice, se determină distanța până la obstacol (viteza sunetului=340m/s rezultă 34cm/ms iar distanța = (v*t)/2 – este împarțit la doi deoarece este distanța dus-întors).

Figura x- Impulsuri senzori cu ultrasunete

Senzorii pe care i-am folosit pentru orientarea, urmărirea unui traseului și detecția de obstacole sunt senzorii cu utrasunete HC-SR04.

Valorile citite de la senzori sunt procesate și astfel dacă se detectează un obstacol de către unul din senzori, roata situată pe partea senzorului respectiv este accelerată, iar cealaltă decelerată pentru a putea schimba direcția de mers. Când senzorii nu detectează nimic, mașina merge înainte.

Specificații senzor utrasunete HC-SR04 :

– raza de acțiune 2cm – 500cm

– rezoluție 0.3cm

– unghi de acțiune optim <15°

– frecvența sunetelor generate 40kHz

Valoarea pe care o citește senzorul este trimisă la microcontroller unde sunt procesate, calculate și luate deciziile pentru orientarea masinuței în mod autonom.

În figurile ce urmează se pot observa formele de undă captate odată în cazul în care nu detectează nimic în raza de acțiune respectiv în cazul detecției unui obstacol:

Procesare de imagini

Cum am precizat anterior, mașina poate fi controlată manual,de la consolă, de utilizator,și în mod autonom aceasta orientându-se cu ajutorul senzorilor cu ultrasunete.

Un alt mod prin care mașinuța poate parcurge un traseu fară intervenția utilizatorului, este prin amplasarea unei camera video, aceasta urmărind sensul săgeților amplasate pe un traseu.

În zilele noastre ideea de autonome este din ce în ce mai promovată, roboți, vehicole care parcurg trasee singure ferindu-se de obstacole, luând decizii din ce în ce mai ample atât cu ajutorul senzorilor cât și cu ajutorul unor camere, informațiile fiind achizitionate si procesate în soft din ce in ce mai optimizate

Pentru această aplicație am folosit o cameră Web cu amplasată pe mașinuță. Am folosit mediul de dezvoltare MatlabR2007b pentu a achiziționa imaginile și pentru procesare.

Mediul de dezvoltare

MATLAB® (MATtrix LABoratory) este un pachet de programe de înaltă performanță, interactiv, destinat calculului matematic, științific și ingineresc. MATLAB integrează calcul, programare și vizualizare, într-un mediu de lucru prietenos, soluționarea problemelor presupunând folosirea notațiilor matematice clasice. Utilizarea programului MATLAB include:

• Matematică și calcul numeric

• Programare și dezvoltare de algoritmi

• Modelare și simulare

• Analiză de date, exploatarea rezultatelor și vizualizare

• Grafică științifică și inginerească

• Dezvoltare de aplicații software, incluzând construcție de interfețe grafice cu utilizatorul (GUI)

Versiunea completă a pachetului de programe MATLAB conține o întreagă familie de module specifice, denumite tool-box-uri, respectiv blockset-uri, care permit rezolvarea unor aplicații din diverse domenii. Module sunt colecții de funcții MATLAB (M-files), ușor de asimilat, care extind puterea de calcul a pachetului de programe MATLAB în vederea rezolvării unor clase particulare de probleme. Colecția de module MATLAB conține: Simulink, DSP, Control System, SimPowerSystems, SimMechanics, Data Acquisition, Fuzzy Logic, Image Processing, Partial Differential Equations, Neural Network.

Lansarea în execuție:

Lansarea ferestrei Editor/Debugger

MATLAB-ul ofera suport pentru camera web printr-un pachet de sprijin hardware disponibil prin intermediul pachetului de instalare. Image Processing Toolbox conține o serie largă de funcții utile procesării imaginilor sub Matlab, imaginile fiind stocate în tablouri de valori numerice de tip uint8, uint16 sau double.

Există mai multe tipuri de imagini suportate de catre mediul de lucru Matlab. Pentru o imagine de m * n pixeli, putem avea:

O imagine binară (binary image) – imagine ce conține doar pixeli albi sau negri, reprezentată sub forma unor tablouri de valori de 1(alb) și 0(negru) – informațiile vor fi stocate într-o matrice m*n de uint8 sau uint16;

imagine indexată (indexed image) – imagine (matrice m * n) a caror pixeli conține valoarea indicelui culorii dintr-o paletă de culori. Paleta de culori este un tablou p*3, cele trei coloane reprezentând valorile RGB, unde p reprezintă numărul de nuanțe din paletă;

imagine in nuante de gri (grayscale sau intensity image) – valorile tabloului imagine (matrice m * n) conține direct nuanta de gri, fără a fi nevoie de o paletă de culori;

imagine multiframe (multicadru) – tablou de imagini numite cadre, reprezentate ]n Matlab ca tablouri 4-dimensionale, a patra dimensiune fiind numarul cadrului (m * n * 3 * nr_cadre);

imagine RGB (Red-Green-Blue, imagine color) – fiecare pixel este reprezentat de trei valori, câte una pentru fiecare componentă: roșu, verde și respectiv albastru. (imaginea este stocată într-o matrice m * n * 3).

Fiecare punct din imagine (pixel) este un vector 3D în spațiul culorilor primare (R,G,B)

figura x – Spațiul culorilor

Funcția folosită pentru deschiderea fisierelor ce contin imagini este imread:

unde: -I este matricea ăîn care va fi stocată informația,

-FILENAME este numele fișierului imagine;

-FMT este formatul fisierului.

Vizualizarea imaginilor se poate face folosind funcția imshow:

imshow(I);

Funcția folosită pentru salvarea imaginilor într-un fisier pe discul dur, într-un format standard suportat de catre mediul Matlab este imwrite:

, unde: -A este matricea imagine,

-FILENAME este numele fisierului în care sa fie stocată imaginea

-FMT este formatul dorit al fisierului.

Funcția imfinfo este folosită pentru aflarea informațiilor despre un fisier imagine.

Exemple de funcții de conversie a imaginilor:

dither – creează o imagine binară dintr-o imagine grayscale și o imagine indexată dintr-o imagine RGB;

gray2ind – creează o imagine indexată dintr-o imagine grayscale;

im2bw – creează o imagine binară dintr-o imagine indexată sau dintr-o imagine RGB;

rgb2gray – creează o imagine grayscale dintr-o imagine RGB;

rgb2ind – creează o imagine indexată dintr-o imagine RGB.

Primul pas al acestei părti a fost achizitionarea de imagine de la camera.

vid = videoinput('winvideo', 1);

set(vid, 'ReturnedColorSpace', 'RGB');

img = getsnapshot(vid);

imwrite(uint8(img),'C:\proba.jpg');

[I,map]=imread('C:\proba.jpg');

figure(1); imshow(I);

La imaginile de pe camera sunt făcute capturi. Acestea sunt salvate pe calculator mereu sub același nume și citite ulterior pentru a fi afișate. Este salvată și afișată imaginea originală în prima figură.

Al doilea pas este cel de selecție a pixelilor de interes.

Mi-am propus ca mașina să fie ghidată după sensul săgetilor (înainte, înapoi, stânga, dreapta). Culoarea sageților este roșu deci pragul de roșu (R) va trebui sa fie aproape maxim (255) iar celelate praguri (G,B) cât mai mici, acest lucru fiind posibil în condiții ideale de luminozitate, umbre, intensitatea culorii sau alți factori externi.

Extragerea culorii roșu din cele trei componente primare și transformarea acesteia într-o imagine alb-negru (unde se va detecta culoarea roșie alb -255 în rest vom avea negru -0 )

In = (I(:,:,1)>200 & I(:,:,2)<20 & I(:,:,3)<20);

Codul culorilor este un vector cu trei valori [R G B], unde R, G, B au valori în intervalul [0; 1].

Al treilea pas este extragerea caracterului din imagine

Numărul de coloane și de linii va depinde de rezoluția camerei pe care o folosesc. Rezolutia unei imagini este distanta minima dincolo de care culoarea și stralucirea imaginii se schimbă. Definitia mai folosită este dată de numărul total de pixeli cuprinsi în imagine, pe cele două dimensiuni.

După cum am precizat parcurgerea imaginii se face ca o matrice de dimensiune [rezolutie vertical, rezolutie orizontala]. Imaginea din care este selectat simbolul este o matrice de pixeli de doar două valori (0 și pixeli diferiți de 0 (255)). În ciclul de baleieire a imaginii se va începe din coltul din stângă sus , se vor căuta limitele sus, jos, stânga, dreapta ale simbolului pe care vreau să îl extrag.

.

for i=1: lin

for j=1: col

if In(i,j)>0

if i<up, up=i; end

if i>down, down=i; end

if j<left, left=j; end

if j>right, right=j; end

end

end

end

Programul testează dacă s-a găsit simbol: dacă s-a gasit se va trece la pasul urmator, dacă nu se va afisa un mesaj corespunzător .

Redimensionarea

Am ales sa redimensionez imaginea cu simbolul extras la o dimensiune fixă de [20,20].

Creearea unei baze de date cu imagini de referintă

Redimensionarea imaginii se face pentru a se putea face o comparare cu imaginile de referintă din aceasta baze de date.

Transmiterea datelor spre mașinuță

Datele sunt transmise serial de la calculator spre bluetooth-ul mașinuței, date care sunt trimise apoi la microcontroler unde sunt prelucrate potrivit.

Pe scurt în rularea programului: se va căuta portul pe care este bluetooth-ul mașinuței, se va deschide, apoi se vor trimite informațiile pentru care microcontrolerul unde este dezvoltată partea de comanda a motoarelor pentru direcții.

Mașinuța intra în modul de funcționare autonom (deciziile vor fi luate după datele procesate și dezvoltate în soft). Se vor parcurge pașii pe care i-am descris anterior într-o buclă. După potrivirea imaginii capturate de camera web, se face transmiterea direcției potrivită sensului săgeții. Pentru fiecare direcție se testează câte patru compatibilități cu simbolurile din baza de date.

Deciziile sunt susținute de mesaje pentru a putea urmări corectitudinea informațiilor transmise.

Funcțiile pe care le-am folosit pentru deschiderea portului dorit pentru transmiterea informațiilor, scrierea acestor precum și închiderea se fac cu următoarele funcții ale Matlab-ului:

[nume pentru port – bluetooth] = serial('COM3');- construiește un obiect de port serial, dacă portul nu va fi găsit, nu mă voi putea conecta pentru alte operații pe care le doresc să le fac pe portul respective (scris, citit, închis)

fopen(bluetooth)-pentru a comunica cu dispozitivul. Un singur port serial poate fi deschis la un moment dat.

fwrite(bluetooth,'z')- scriu pe port

fclose (bluetooth)- închid portul

Pentru transmitere serială Matlab-ul are și alte funcții cum ar fi cea de citire a datelor de la dispozitivul conectat la portul serial obiect fscanf(bluetooth), funcție de ștergere – delete(bluetooth), etc.

Tot în idee de interpretare a imaginilor de la camera web de pe mașinuța, în acest mediu de dezvoltare se poate face o transmitere în mod real a imaginii. Această metodă va fi atașată în anexa.

Bineînțeles aceasta aplicație poate fi dezvoltată pentru o plajă mai mare de simboluri pentru comanda mașinuței, cum ar fi comandă de STOP, comanda de INAINTE- DREAPTA, ÎNAPOI STÂNGA, etc. Deasemenea se poate face o selecție nu de săgeți ci de caractere, de exemplu pentru inainte să avem nevoie de o recunoastere de un caracter U, pentru înapoi –D și asa mai departe. Acest lucru poate fi preluat și în cazuri reale, de exemplu pentru detectarea unui semn de circulație, obstacol și așa mai departe. Se poate dezvolta dealtfel o interfață grafică care va putea face o urmărire a procesului mai bine structurată și o afișare mai elegantă.

Un alt mod prin se poate dezvolta această aplicație ar fi prin folosirea unei rețele neuronale.

Această aplicație, la fel cum este controlată mașinuța cu ajutorul senzorilor cu ultrasunete, a venit în ideea de a consolida ideea de control autonom.

Proiectarea circuitelor și a cablajelor

Pentru cablaj la toate placuțele electronice am folosit ca mediul de dezvoltare Eagle 6.4.0.

Acesta este un program de proiectare PCB de calitate și oferă un editor schematic, un editor de layout și module editor de bibliotecă cu interfețe identice.

Am realizat în acest program schema inevertorului trifazat dupa cum este ilustrat în figurile urmatoare:

Figura x –creare proiect

Mai jos este prezentat schematicul invertorului:

Pe intrarea INH ale BTN-ului sunt filtre RC, pe ieșiri sunt condensatoare pentru filtrare atât pentru înalta frecventă (am folosit condensatoare de 100nF) cât si pentru joasă frecventă (condensatoare de 470uF).

C de 220nf

Rezistențele de pe intrări sunt pentru protecție.

În figura următoare este layout-ul invertorului :

Figura x -Layout invertor

Figura x – Invertor trifazat spate

Figura x – Invertor trifazat față

Detector de metale

Schema electrică:

Layout-ul detectorului:

În continuare se prezintă schema electrică și layout-ului plăcii de bază a părții practice:

Montarea pieselor a fost realizată pe un PCB-(cablaj imprimat )-Printed Circuit Bord.

Un PCB nu este altceva decât un suport mecanic pentru componentele electronice dintr-un circuit. Componentele electronice sunt conectate între ele prin niște trasee de material conductor, care de cele mai multe ori este din cupru.

În funcție de metoda prin care sunt realizate aceste trasee avem PCB-uri obținute prin:

corodare

depunere

frezare mecanică.

Metoda corodării plăcii de cupru poate fi aplicată pentru a obține plăci imprimate cu cel mult două straturi de trasee. Cel mai la indemână este realizarea de cablaje imprimate prin metoda corodării. Acesta oferă rezultate foarte bune la un preț redus.

Prin cablaj înțelegem o placă stratificată care conține cel puțin un strat de material izolator și cel puțin un strat de material conductor, prin intermediul celui din urmă realizându-se traseele care conectează componentele electronice de pe placă.

Pentru realizarea cablajului am folosit: o placă PCB, fotorezist pozitiv, clorură ferică si soda caustic.

Etapa premergătoare imprimării traseelor pe placa de cablaj este cea de curățare a plăcii, apoi placa a fost acoperită cu o vopsea fotosensibilă pentru care se așteaptă 30-35 minute, pentru ca aceasta să se usuce.

Layout-ul a fost imprimat pe o folie pentru retroproiector (o folie transparentă), pe o scara 1:1 Este foarte important ca imaginea imprimată să fie în raport de unu la unu, adică dimensiunea reală a traseelor și footprinturilor componentelor. Folia transparentă cu imaginea imprimată trebuie așezată în așa fel încât traseele să nu fie oglindite

Bucata de cablaj cu folia fixată peste stratul de vopsea fotosensibilă este expusă la lumină cu radiații ultraviolet. Expunerea a fost facută pe decursul a opt minute, timpul de expunere contând foarte mult de sursa de lumină folosita si distanța fața de cablaj. Dacă este expus mai mult traseele se vor subția sau vor dispărea.

Folia reproproiectoare a fost fixată sa stea perfect întinsă pe cablaj

După expunere, cablajul a fost developat într-o soluție de sodă caustică. Developarea depinde de concentrația sodei și la sfârșitul acesteia rămâne desenul circuitelor. La contactul cu soluția de developare, substanța care a fost expusă la lumina ultravioletă se dizolvă și se îndepărtează. Placa expusă nu trebuie ținută foarte mult timp în soluția de developare, pentru că există riscul ca substanța de developare să acționeze și asupra porțiunii neexpuse la lumina ultravioletă.

După developare, se spală circuitul foarte bine și apoi se introduce în solutie de clorură ferică (corodare). Timpul de corodare este proporțional cu suprafața de cupru ce necesită a fi corodată.

După corodare circuitul este spalat și va servi drept support pentru componentele electronice de circuit din echema electrică.

În imaginile de mai jos se pot observa rezultatele acestui proces: