Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého Učení Technického v Brně. Semestrální práce

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého Učení Technického v Brně Semestrální práce Měřič saturace indukčností pro spínané zdroje Obor: BAMT Předmět: BROB Rok: 2014 Vedoucí: František Burian, (Tomáš Jílek) Studenti: Vilém Kárský (154763), Martin Kobath (158635)

2 Zadání semestrálního projektu Seznamte se s problematikou spínaných zdrojů. Seznamte se s mikrokontrolery rodiny STM32. Vytvořte firmware i software pro zařízení, které je schopno měřit saturační parametry indukčností. Zařízení by mělo být schopno zobrazit průběh indukčnosti cívky v závislosti na protékajícím proudu cívkou. Pro odesílání naměřených dat do počítače, sloužícího jako vizualizačního nástroje použijte rozhraní USB. Předpokládá se pokračování v OpenSource projektu založeném na adrese:

3 1. Obsah 1. Obsah Úvod Seznam použitých značek a symbolů Vlastní indukčnost Fyzikální popis Vliv permeability na indukčnost Princip měření Základní princip měření indukčnosti Schéma zapojení měření: Nastavení měření Příklad naměřené závislosti proudu na čase: Zpracování naměřených hodnot Ovládání aplikace InductorTest Způsob zpracování naměřených dat Závěr Seznam použité literatury... 16

4 2. Úvod Spínaný napájecí zdroj přeměňuje vstupní napětí na stejnosměrné, které je poté pomocí spínače přeměněno zpět na střídavé obdélníkového průběhu a přivedeno na transformátor. Transformátor přenáší elektrickou energii z jednoho obvodu do druhého pomocí vzájemné elektromagnetické indukce. Velikost magnetického indukčního toku je závislá na velikosti proudu a hodnotě vlastní indukčnosti. Vlastní indukčnost závisí na materiálových vlastnostech prostředí, proto se v případě magneticky nelineárního prostředí mění v závislosti na protékajícím proudu. Cílem tohoto projektu je vytvořit firmware a software pro měřící přípravek ovládaný mikrokontrolérem STM32F407. Celé zařízení bude schopno změřit a zobrazit závislost indukčnosti měřené cívky na protékajícím proudu.

5 3. Seznam použitých značek a symbolů L vlastní indukčnost [H] Φ magnetický tok [Wb] I proud [A] U i indukované napětí [V] L d dynamická indukčnost [H] µ permeabilita [H/m] B magnetická indukce [T] H intenzita magnetického pole [A/m] S plocha [m 2 ] t čas [s] ADC analogově digitální převodník α úhel stoupání [ ]

6 4. Vlastní indukčnost 4.1. Fyzikální popis Vlastní indukčnost je fyzikální veličina, vyjadřující schopnost elektricky vodivého tělesa protékaného elektrickým proudem vytvářet ve svém okolí magnetické pole. Je definována jako koeficient úměrnosti mezi magnetickým indukčním tokem vytvářeným v tenké uzavřené vodivé smyčce a velikostí stacionárního elektrického proudu, kterým je protékána. U nestacionárního pole vyjadřuje indukčnost míru schopnosti indukovat ve vodiči změnou magnetického toku elektrické napětí. Nemění-li se prostorové rozložení vodičů, závisí vlastní indukčnost pouze na materiálových vlastnostech prostředí, ve kterém se magnetické pole vytváří. Jedná-li se o prostředí magneticky lineární (tedy jeho permeabilita je vzhledem k velikosti pole konstantní), je vlastní indukčnost konstantní a lze ji definovat vztahem: resp. V nelineárním prostředí se však jedná o odlišnou veličinu zvanou dynamická (vlastní) indukčnost: V lineárním prostředí je dynamická vlastní indukčnost rovna staticky definované vlastní indukčnosti. U cívky s feromagnetickým jádrem dynamická indukčnost s proudem nejprve vzrůstá ke svému maximu a poté klesá až pod hodnoty staticky definované vlastní indukčnosti.

7 4.2. Vliv permeability na indukčnost Permeabilita je fyzikální veličina, která vyjadřuje vliv určitého materiálu nebo prostředí na výsledné účinky působícího magnetického pole. V látkovém prostředí její hodnota závisí na vlastnostech daného materiálu. V obecném případě její hodnota závisí také na dalších parametrech, např. na velikosti působícího magnetického pole. Typickým příkladem materiálů, které mají tuto obecnější závislost, jsou feromagnetické látky. Některé z nich navíc vykazují hysterezi a v případě, že je pole proměnlivé, může se objevit rovněž závislost na frekvenci. Permeabilitu lze určit ze vztahu: Feromagnetické materiály jsou složené z mikroskopických oblastí, zvaných magnetické domény, které se chovají jako malé permanentní magnety s měnitelnou orientací magnetizace. Pokud je materiál mimo magnetické pole, jsou tyto domény orientovány náhodně a vzájemně se vyrušují, proto nemá materiál žádné znatelné magnetické pole. Vložením materiálu do magnetického pole H se domény zorientují podle tohoto vnějšího magnetického pole a vytvoří tak v materiálu magnetické pole B. Jakmile jsou prakticky všechny domény zorientovány podle vnějšího pole, nastává saturace, kdy další zesílení pole H nezpůsobí zesílení pole B. Permeabilita tedy dosáhne maxima a poté klesá (viz obr. 1). Obr. 1 Pro magnetický tok platí vztah: Indukčnost L závisí na změně toku dφ a změně proudu di, magnetický tok závisí na magnetické indukci B, která se odvíjí od permeability. Proměnná permeabilita feromagnetického materiálu tedy způsobí změny vlastní indukčnosti cívky.

8 5. Princip měření 5.1. Základní princip měření indukčnosti Víme, že pro indukované napětí platí vztah: Odtud se dá vyjádřit vlastní indukčnost L jako: V případě známého napětí tak můžeme měřit průběh proudu v čase a z tohoto průběhu poté vypočítat indukčnost měřené cívky. Základní způsob, jak tuto závislost změřit, je provést jedno měření a vzorkovat celý průběh najednou (viz. Obr. 2). Jelikož tento způsob vyžaduje velmi rychlé vzorkování, aby se dosáhlo dobré přesnosti, měříme v našem přípravku tuto závislost alternativním způsobem. Obr. 2 Místo jednoho měření provádíme vícero opakovaných měření, ve kterých vždy vzorkujeme pouze část závislosti (viz. Obr. 3). Díky tomu tak přesnost nezávisí na rychlosti vzorkování, ale je vyžadována dobrá opakovatelnost měření. Měření probíhá následovně: Nejprve je nastaveno napětí na H-můstku a dojde k jeho sepnutí pomocí obdélníkového signálu. Měřená cívka je vždy sepnutá kratší dobu než po kterou je vypnutá, díky tomu máme jistotu, že se cívka vždy zcela vybije. Při každé náběžné hraně řídícího obdélníkového signálu je spuštěn časovač, kterému se s každým vzorkem prodlužuje nastavený čas. Časovač tedy v každém měření o trochu prodlužuje měření. Při sestupné hraně řídícího signálu je pak spuštěn A/D převodník, který odečte napětí odpovídající okamžité hodnotě proudu.

9 Obr. 3 Naměřená data jsou spolu s údaji o napětí následně odeslána po USB portu do počítačové aplikace ke zpracování. Pro vzorkování je použit 12-bit ADC převodník, který umožňuje měřit signály z více zdrojů, a výsledek převodu ukládá do 16-bit datového registru. Mimo jiné umožňuje i detekovat navýšení napětí nad stanovenou hranici.

10 5.1.1 Schéma zapojení měření: Obr. 4

11 5.2. Nastavení měření Za účelem správně naměřené charakteristiky je potřeba správně zvolit napájecí napětí a velikost kroku měření. Pokud výsledná charakteristika příliš rychle vzrůstá, může to znamenat, že zvolený krok měření je zbytečně velký a je vhodné ho zkrátit, čímž i vzroste přesnost měření. Pokud je krok již nejmenší možný, nezbývá než snížit hodnotu napěti podle potřeby. Opačný případ nastává, pokud změřený průběh neroste dostatečně rychle k tomu, aby byl dobře rozlišitelný. Zde může pomoci naopak zvýšit napájecí napětí. Je také možné, že charakteristika nebyla změřena úplně. V tomto případě je nutné prodloužit krok mezi jednotlivými vzorky měření Příklad naměřené závislosti proudu na čase: Obr. 5

12 6. Zpracování naměřených hodnot 6.1. Ovládání aplikace InductorTest InductorTest je aplikace vytvořená v jazyce C#, která obsluhuje zpracování naměřených dat a poskytuje základní ovládání a nastavení pro mikrokontrolér STM32F407, který obsluhuje měření. Uživatelské rozhraní aplikace (viz. Obr. 4): Obr. 6 Cursor Zobrazuje informace o čísle vzorku, na kterém je právě kurzor umístěn, a odpovídající hodnoty času, napětí, proudu a indukčnosti. Stav Sloupec zobrazující průběh měření a informace o stavu přípravku. Start Measure Spustí měření. Pokud je zaškrtnutá položka Send Settings, tak dojde napřed k poslání nového nastavení do mikrokontroléru a teprve potom ke spuštění měření. Send Settings Odešle do zařízení současné nastavení měření.

13 Power Supply Voltage Nastavení hodnoty napájecího napětí. Time Scale Nastavení součinitele kroku měření. Koleno L char Zobrazuje pozici kolena změřené charakteristiky indukčnosti. Select Port Umožňuje vybrat sériový port, přes který má probíhat komunikace se zařízením. Open Slouží k otevření nastaveného komunikačního portu. Také zobrazuje stav sériového portu. Draw Current Vykreslí závislost naměřeného proudu na čase. Draw Inductance Vykreslí závislost vypočtené indukčnosti na naměřeném proudu.

14 6.2. Způsob zpracování naměřených dat Přijmutí dat Po každém měření jsou do aplikace odeslány naměřené hodnoty ve formátu celých čísel. Posílá se číslo vzorku, okamžitá hodnota napájecího napětí a hodnota proudu. Tyto hodnoty jsou sníženy o offset a následně upraveny, aby odpovídaly skutečným hodnotám v jednotkách SI. Čas, odpovídající vzorku, je zjištěn vynásobením čísla vzorku konstantní délkou kroku mezi jednotlivými vzorky. Jelikož je proud měřen ve formě napětí, je potřeba odpovídající hodnotu proudu vypočítat ze známého odporu R, který se rovná 0,33 Ω. Výpočet indukčnosti Indukčnost lze určit ze vztahu: V diskrétně naměřených hodnotách však nelze provést derivaci, proto musíme provést diferenci. Diferenci pro vzorek číslo i provádíme: Zjištění kolena charakteristiky Pozici kolena určujeme výpočtem úhlu stoupání jednotlivých úseků mezi vzorky měření. Z rozdílu mezi aktuální a následující hodnotou indukčnosti a rozdílu mezi odpovídajícími hodnotami proudu zjistíme tangens úhlu. V místě, kde je největší rozdíl mezi aktuální a následující hodnotou úhlu, se nachází hledané koleno charakteristiky.

15 Závěr Cílem práce bylo vytvořit firmware a software, které by umožnilo změřit a vykreslit závislost indukčnosti na proudu. Vytvořili jsme firmware pro mikrokontrolér STM32F407, které je schopno měřit na přípravku podle zadaného nastavení. Vyřešili jsme zpracování a zobrazení naměřených dat pomocí software v počítači a vytvořili prostředí, které umožňuje uživateli nastavovat a spouštět měření bez přímého zásahu do mikrokontroléru. Zhotovená práce je vytvořená pro použití na dodaném přípravku a na jiných zařízeních může měřit chybné hodnoty. Při pokračování v práci lze projekt zdokonalit rozšířením možností jeho nastavení a tak mu umožnit použití i na odlišných přípravcích.

16 Seznam použité literatury SEDLÁK, Bedřich; ŠTOLL, Ivan. Elektřina a magnetismus. 1.. vyd. Praha : Academia a Univerzita Karlova, Karolinum, s. STM32F407: datasheet. STMICROELECTRONICS. STMicroelectronics [online]. červen 2013 [cit ]. Dostupné z: SELMACAS. Inductor-tool: firmware. GITHUB, Inc. GitHub: Build software better, together [online]. [2014] [cit ]. Dostupné z: ENGUZRAD. Inductor-tool: software. GITHUB, Inc. GitHub: Build software better, together [online]. [2014] [cit ]. Dostupné z: