Τεχνολογίες ελέγχου DC κινητήρων με DSPs και MCUs : Ανάπτηξη πειραματικής διάταξης μετατροπής απλού κινητήρα DC χαμηλού κόστους σε σερβοκινητήρα με την χρήση MCU χαμηλού κόστους

Abstract

Οι ηλεκτρικές μηχανές σήμερα αποτελούν τον κινητήριο μοχλό της βιομηχανικήςπαραγωγής αλλά και της καθημερινότητάς μας, καθώς οι εφαρμογές τους είναι αναρίθμητες, από την μετακίνηση μας, την παραγωγή ενέργειας, τους 3D printers, τον σκληρό δίσκο του υπολογιστή μας και τους ανεμιστήρες για την ψύξη τους, έως και την παραγωγή ενέργειας από τις ηλεκτρογεννήτριες. Υπολογίζεται περίπου ότι το 45% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυτή τη στιγμή το καταναλώνουν οι ηλεκτρικοί κινητήρες και ο μέσος όρος απόδοσής τους δεν ξεπερνά το 50%. Η παρούσα διπλωματική εργασία ξεκινά με την μελέτη των αρχών λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων, τον τρόπο οδήγησης τους και προχωρά στις εφαρμογές τους. Θα αναφερθούν αρκετοί διαφορετικοί τύποι κινητήρων και θα καλυφθεί ένα ικανοποιητικό εύρος τεχνολογιών οδήγησης και κατασκευής τους. Επίσης δίνονται στοιχεία από συγκρίσεις μεταξύ τους, όσον αφορά τα χαρακτηριστικά τους. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στον ηλεκτρικό κινητήρα και τις βασικές λειτουργίες του. Στην συνέχεια γίνεται μια ιστορική αναδρομή και τέλος αναφέρονται μερικές βασικές έννοιες και φυσικά μεγέθη των κινητήρων ώστε να γίνει πιο κατανοητή η διπλωματική. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος (DCmotors). Παρουσιάζεται η εσωτερική δομή και κατασκευή τους και περιγράφονται οι κύριες εφαρμογές όπου βρίσκουν χρήση. Τέλος γίνεται μέτρηση βασικών χαρακτηριστικών μεγεθών όπως ρεύματος, ροπής και ταχύτητας. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση και ανάλυση των βηματικών κινητήρων (stepper motors), παρουσιάζεται η εσωτερική δομή τους αλλά και μέθοδοι για τον ψηφιακό έλεγχό τους. Ειδικότερα παρουσιάζονται τρεις βασικές κατηγορίες βηματικών κινητήρων και αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σερβοκινητήτρες (servomotors). Αρχικά γίνεται μια πρώτη γνωριμία με τους σερβοκινητήρες και τα πεδία όπου βρίσκουν εφαρμογές. Έπειτα γίνεται σύγκριση με τους βηματικούς κινητήρες και εντοπίζονται οι ομοιότητές τους, κυρίως ως προς την ακρίβεια της κίνησης. Τέλος γίνεται ψηφιακή και αναλογική οδήγηση σερβοκινητήρα με το ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) 555. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες (brushless motors). Γίνεται ανάλυση της δομής τους και περιγραφή του τρόπου οδήγησής τους. Τέλος γίνεται και αναφορά στη σύνδεση αυτών των κινητήρων και στο ρόλο τους στην ραγδαία ανάπτυξη των Drones. Στο έκτο και τελευταίο κεφαλαίο χρησιμοποιείται το περιβάλλον Simulink της Matlab® για την παραγωγή κώδικα που ελέγχει και οδηγεί ένα DC κινητήρα. Πρόκειται για την προσέγγιση Model Based Design, με συγκεκριμένα τεχνικά πλεονεκτήματα. Αν και πολύ πρόσφατη εξέλιξη, σε ελάχιστο χρόνο κυριάρχησε ως μέθοδος στην ανάπτυξη εφαρμογών με μικροελεγκτές. Ουσιαστικά αντικαθίσταται η συγγραφή κώδικα από προγραμματιστή από την αυτοματοποιημένη παραγωγή κώδικα για μικροελεγκτή μέσω του μοντέλου του πραγματικού συστήματος που σχεδιάζεται και υλοποιείται στο περιβάλλον Simulink. O κώδικας στη συνέχεια μπορεί να εκτελεστεί στον ίδιο ή σε άλλο μικροελεγκτή. Η προσέγγιση αυτή δίνει επαυξημένες δυνατότητες προσομοίωσης του αναπτυσσόμενου συστήματος του τύπου Hardware In the Loop (HIL). Στην παρούσα διπλωματική η υλοποίηση στο Simulink αφορά έναν απλό P-controller που ελέγχει ένα DC κινητήρα. Το μοντέλο οικοδομείται στο Simulink το οποίο στη συνέχεια παράγει τον κώδικα που ελέγχει τον κινητήρα παίρνοντας ανατροφοδότηση από αισθητήρα. Το σύστημα ελέγχθηκε σε σειρά από απλές δοκιμές με θετικά αποτελέσματα. Το κυριότερο πλεονέκτημά του είναι ότι αποτελεί μία low-cost λύση, γεγονός όμως που δεν έχει επίπτωση στην ποιότητα του αποτελέσματος.