Poročilo opisuje celotni proces, izkušnje in rezultate pri obnovi in nadgradnji klasičnega instrumenta. Po zaključitvi študija sem hotel za zaključno delo izbrati projekt precej praktičnega namena, ki bi obsegal več različnih področji mehatronike, kako bi pridobil izkušnje pri realizaciji enega celotnega projekta od načrtovanja do izdelave funkcionalne naprave. Temo sem izbral, ker mi se zdela precej zahtevna, kar bi me spodbujalo na lastni napredek, in metodični pristop nastalim izzivam. Cilj teme je bil bolj edukativen, kot tudi praktičen. Laboratorij katedre za mehatroniko (LRTME) je imel stare analogne ampermetre, ki naj bi se upokojili zaradi ne uporabljanja, ampak so bila ohranjena njihova ohišja v namen nadgradnje in daljne uporabe. Projekt naj bi ustvaril funkcionalno podlago za daljne posodobitve in morebitne raziskave v edukacijskem smislu, kot tudi imel praktični namen kot funkcionalna naprava za meritve velikih napetosti in toka, kot tudi velike moči.
Naloga je bila izdelati digitalni vatmeter in ga umestiti v dano ohišje. Glavne zahteve so bile merjenje izmenične in enosmerne napetosti in toka, ter računanje moči, prenosljivost, oziroma baterijsko napajanje naprave in uporaba določenih predefiniranih delov. Obseg merjenja napetosti je bil zahtevan na 1000V, toka pa 50A. Naprava naj bi se polnila iz USB povezave s 5V in 500mA, kot je to definirano za prenos moči z USB 2.0 standardom. Za začetek je bilo podano leseno ohišje, zaslon na dotik Nextion NX4827T043, kot tudi mikrokrmilnik TMS320F28379D od Texas instruments-a, zaradi prejšnjih izkušenj in dobrega poznavanja omenjenih delov. Izdelano elektronsko vezje, kot baterijsko napajanje in ekran so morali bit ustavljeni v omenjeno ohišje, brez opazne spremembe zgleda istega.
Nalogi sem pristopil tako da sem prvo izločil najpomembnejše zahteve in gledal njihov medsebojni vpliv in potencialne probleme, ki bi lahko izhajali iz njih v prihodnosti. Za začetek je celotno vezje razdeljeno v pet modulov, in to: meritev napetosti, meritev toka, vezje za prižig in meritev napetosti baterije, mikrokrmilnik in displej s komunikacijo. Zavedajoč se, da imam opravka z velikim napetostim in tokom, ki lahko naredijo veliko škodo tako nizkonapetostni elektroniki, kot uporabniku, je na varnosti delovanja bil glavni povdarek pri načrtovanju tega instrumenta. Če bi se napetost in tok merili direktno, recimo kot napetost na upornem delilniku (za napetost) in padec napetosti na shuntu (za tok), bi njuna medsebojna galvanska povezanost negativno vplivala eno na drugo. Dodatna predefinirana komponenta, za meritev toka, je bila tokovna sonda LEM LA55-P, ki je zaradi načina delovanja ustvarjala galvansko ločitev merjenega toka in preostalega vezja.
Dodatni problem je predstavljala USB povezava za polnjenje baterije. Pri povezavi naprave s virom napajanja (PC, USB polnilec...), prek USB kabla, bi se lahko ustvarila tokovna povezava med merjenim vezjem in USB virom napajanja. V primeru da sta recimo računalnik (kot vir napajanja za polnjenje) in električni motor (kot merjeno vezje) priključena na isti potencial zemlje, bi lahko visoka napetost na strani merjenega vezja ustvarila tok skozi samo vezje naprave, in potencialno uničila elektronske komponente namenjene za nizko napetost. Zaradi tega je bilo pomembno galvansko ločiti tudi merjeno vezje od USB napajalnega vezja, in to na eden od dveh načinov. Lahko bi se galvansko ločila sama meritev napetosti, ali pa galvansko ločila USB povezava. Bolj smiselno je bilo ločiti meritev napetosti, saj bi drugače bilo potrebno uporabiti izolirani DC/DC pretvornik za prenos moči pri polnenju, pri čemer bi se izgubljalo okoli 20% same moči (približna efikasnost pretvornika je okoli 80%).
Napajanje same naprave je bilo ustvarjeno s pomočjo USB baterijskega paketa. Razlog izbire že narejenega baterijskega paketa, namesto načrtovanja celotnega od začetka, je bil predvsem enostavnost, saj ta baterijski paket jasno definira napetost za napajanje. Kljub temu da baterijski paket reši zahtevo napajanja naprave, je bilo treba dodati še napajalno vezje, ki poskrbi za prižig naprave s pomočjo tipke na ohišju, kot tudi da je poraba nič ko je naprava ugasnjena. Dodatno, ko je naprava prižgana, se spremlja stanje napetosti na litij-ionskih celicah baterijskega paketa, za bazično povratno informacijo uporabniku o temu kdaj je treba dati polniti napravo.
Vsa obdelava informacij in kontrola vezja je bila realizirana s programom, ki se izvajal na TMS320F28379D mikrokrmilniku.
Merjenje napetosti je bilo realizirano kot merjenje napetosti na uporovnem delilniku, zaradi redukcije visoke merjene napetosti. S pomočjo napetostnega releja se del uporovnega delilnika kratkostiči in na ta način sta bili ustvarjeni dve območji merjenja napetosti: 0 do 100V absolutne vrednosti napetosti in 100 do 1000V absolutne vrednosti napetosti. S pomočjo AMC1303 je galvanski ločen uporovni delilnik od ostalega vezja. Nadalje se informacija o merjeni napetosti, na izhodu iz AMC-ja, filtrirala v SDFM modulu mikrokrmilnika, obdelala in pošiljala na zaslon.
Meritev toka je bila realizirana kot meritev padca napetosti na definiranem uporu, povzročenega izhodnim tokom iz tokovne sonde. Padec napetosti na uporu je bil prilagojen s uporabo diferencialnega ojačevalnika, vzorčen v ADC modulu mikrokrmilnika, preračunan v merjeni tok, in poslan na zaslon. Primarni (merjeni) tok skozi tokovno sondo ustvari izhodni tok, proporcionalno manjši za faktor odnosa ovojev na primarju in sekundarju (število ovojev sekundarja je definirano kot 1000). Spreminjanjem ovojev na primarju, s pomočjo tokovnih relejev, ustvarjeni sta bili dve merilni območji, in to: od 0 do 10A (absolutne vrednosti) in od 10 do 50A (absolutne vrednosti).
Komunikacija mikrokrmilnika z zaslonom je potekala preko UART protokola, s pomočjo SCI modula mikrokrmilnika. Vse informacije so bile zapakirane na način določen s strani proizvajaleca Nextion zaslona, v ASCII formatu.
Glavni problem pri načrtovanju celotnega vezja je bila izbira uporabe baterijskega paketa kot vira napajanja. Zaradi ne poznavanja internega delovanja baterijskega paketa smo prišli do določenih težav pri daljnjem načrtovanju, kar je zahtevalo določene kompleksne prilagoditve. Zaradi same notranje zgradbe in delovanja powerbanka je bilo nemogoče imeti hkratno povezavo vira napajanja iz baterijskega paketa, in povezave za polnjenje baterijskega paketa. Rešitev je bila vmesno vezje med delom baterijskega paketa za polnjenje in glavnega vezja naprave.
Drugi veliki problem, oziroma pomanjkljivost vezana na baterijski paket, je bila USB povezava, ki naj bi se uporabljala tudi za programiranje mikrokrmilnika skozi USB povezavo na ohišju (uporabljena za polnjenje baterije). Pri priklopitvi polnjenja bi vezje baterijskega paketa izklopilo lastno napajanje vezja, oziroma ni bilo mogoče istočasno polnjenje in uporabljanje powerbanka. Zaradi porabe samega vezja (okoli 800mA) in omejitve prenosa toka pri USB 2.0 standardu od 500mA, ni bilo mogoče napajati vezje in istočasno polnjenje baterijskega paketa.
Na koncu je bilo vidno da je argument bolj enostavnega načrtovanja naprave s uporabo baterijskega paketa samo delno veljaven, zaradi potrebe po dodatnim prilagodilnim vezjem.
Glavna izboljšava za naslednjo verzijo bi bila izdelava lastnega baterijskega napajanja, namesto uporabe baterijskega paketa. Na ta način bi se ustvarila točna optimizacija napajanja in pretoka moči za potrebe vezja, tako kot istočasno polnjenje in uporabljanje naprave. Nadalje možno bi bilo ustvariti prikaz dodatnih informacij vezanih za meritev, kot recimo cos(φ), delovna in reaktivna moč, THD… Lahko bi se realiziral merilnik porabe energije z meritvijo moči in predefiniranega časa, kot tudi enostavni osciloskop. Poraba same naprave bi lahko bila zmanjšana s uporabo bistabilnih relejev, mikrokrmilnika manjše porabe in meritvijo toka s pomočjo shunta in AMC1303.
Finalno je projekt uspešno pripeljan do konca in vse glavne zahteve izpoljnjene. Ustvarjena je dobra podlaga za naslednje nadgradnje, tako kot razložitev glavnih problemov, njihovih korekcij, kot tudi možni načini za daljno izboljšavo naprave v prihodnosti.
|
