Emne: IRE35115 / Kraftelektronikk og mikrokontrollere Lærer: Even Arntsen. Vedlegg 2: Arduino Uno pinout (1 side)

Transkript

1 1 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag EKSAMENSOPPGAVE. Emne: IRE35115 / Kraftelektronikk og mikrokontrollere Lærer: Even Arntsen Åge T Johansen / Grupper: 11ELE- D + 11ELEY- D Dato: Tid: Antall vedleggsider: 4 Antall oppgavesider: 6 (med denne) Vedlegg 1: Formler (3 sider) Vedlegg 2: Arduino Uno pinout (1 side) Sensurfrist: Hjelpemidler: Selvskrevet formelsamling og godkjent kalkulator Kopier av hele eller deler av følgende dokumenter: -... a Tutorial on Arduino interrupts - AVR and Arduino timer interrupts Arduino programming notebook AVR ATMega328p Datasheet (Atme AVR-ATmega-Datasheet_10/2014) KANDIDATEN MÅ SELVKONTROLLEREAT OPPGAVESETTETER FULLSTENDIG Oppgave 1 Prosjektoppgave uten navn merkes med studentens eksamensnummer og leveres sammen med resten av besvarelsen.

2 2 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag Oppgave 2 Ll Di 0305 Id D2 Figur 1 Vi har en vanlig trefase diodebru, med en drossel som sikrer glatt likestrøm. Resistansen i lasten er 11, 5 ohm og den bruker 5 kw. Hva er nettspenningen? Hva blir verdien av den grunnharmoniske av vekselstrømmen inn til brua? Vi tar nå med virkningen av kommuteringsreaktansen. Nettfrekvensen er 50 Hz, og vi har en induktans pr. fase Ls = 2 mh. Hvor stor blir likestrømmen i kretsen? Vi får brudd i en av vekseistrømskablene inn til brua, slik at vi går over i kfasedrift. Hva blir likespenningen over R, nå? (Vi kan se bort fra kommuteringsspenningsfall) Når vi måler de overharmoniske komponentene i vekselstrømmen før og etter kabelbruddet i pkt d), får vi ikke samme resultat. Hva blir den laveste overharmoniske komponenten før og etter kabelbruddet? Hva forstår vi med rekombinasjonstiden trr, til en diode?

3 3 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag Oppgave3 0.1 L1 LJ1 C1 D1C2U2 Li Figur 2. Chopper Figur 2 viser en step-ned chopper. Styreprinsippet er baser på Puls Bredde Modulasjon. Vi vil ha U2 = 12 V (spenningen over R), med Ul = 48 V inn. Hva blir duty- cycelen? Med 20 khz og L = 0,5mH, hvor stor må C2 minst være, hvis vi skal få en rippel i utgangsspenningen, U2 < 0,15 %? Tegn opp strømmen i Ll, når det går 2A likestrøm ut av omformeren. Det er ikke likegyldig hvordan kretsen arrangeres fysisk. I figur 3, er det vist en kvasi arrangement- tegning. Forklar hva man prøver å oppnå ved denne plasseringen av komponentene, ut fra hensyn til forholdene ved avslag av 01. D1 L1 LJ1 0.1 C U Li Figur 3 Vi skal benytte deler av chopperen til å styre en likestrømsmotor. Av hovedkomponentene benytter vi bare Cl, Q1, D1 og motoren. Hvilke fordeler mht. drivekretsen for Q1, oppnår vi ved å tilkoble motoren i kollektoren i stedet for emitteren? Tegn opp en skisse for denne løsningen. Forklar hvordan gate- emitterspenningen vil kunne bli hvis vi har for lange ledninger fra drivkretsen, og vi ikke har satt inn en motstand i denne kretsen.

4 4 Høgskolen i østfold Avdelingfor ingeniørfag Oppgave 4 118, rfr , Figuren ovenfor viser en RGB-led som er koblet til et Arduino Uno-kort. RGB-enheten består av 3 dioder (R, B, G) koblet med felles katode. Fargene på ledningene tilsvarer fargene på diodene. Ved å kombinere lys fra de 3 diodene kan 7 forskjellige "farger" vises, hvis man går ut fra at Arduino-utgangen styres fast av eller på dvs. ingen PWM-styring av utgangene. I figuren er det også vist hvordan midtuttaket på et potensiometer er koblet til en analog inngang på Arduino Uno. Skriv et komplett Arduino-program med funksjoner fra Wiring-biblioteket (Arduinobiblioteket). Programmet skal etter tur vise alle 7 fargekombinasjoner på RGB-dioden. Hver farge skal lyse i ett sekund hver. Bruk delay-funksjonen for å realisere varigheten av fargene. (NB! Situasjonen med alle diodene slukket regnes her ikke som noen fargekombinasjon.) Gjør samme oppgave som i punkt a), men ved å benytte millis-funksjonen istedenfor delay-funksjonen. Wiring-biblioteket gjør det "enkelt" (?) å sette opp og bruke digitale utsignaler, men det er svært ineffektivt med hensyn til ressursbruk. Lag en ny versjon av programmet (i punkt a)) der du konfigurerer og bruker IO-portene og funksjonsregistrene til ATMega328p direkte.

5 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag d) Potensiometeret som er vist i figuren ovenfor gjør det mulig å justere spenningen på den analoge inngangen mellom 0 V og 5 V. Lag en utvidelse av programmet i punkt a), der potensiometeret skal brukes til å justere tiden mellom hver fargeveksling fra 100 ms til 10 s. Oppgave 5 Siden det er ganske få digitale10-pinner på Arduino Uno, kan det være aktuelt å utvide kapasiteten ved hjelp av SPI-teknologien. En komponent som kan benyttes til dette er skiftregisteret 74HC595. Aktuelle fakta for dette registeret er vist nedenfor. 14 DS 11 SHCP 10 MR 8-STA3E SHIFT REGISTER MR 10 SHCP it master reset (active LOW) shift register clock input 075 STCP 12 storage register clock input 12 STCP 8-BIT STORAGE REGISTER OE 13 DS 14 output enable input lactive LOW) serial data nput 13 OE 3-STATE OUTPUTS Q I DAll Control hput,output SHCP STCP OE MR DS Q7S!On X X L L X L NC X L L X L L X X H L X L Z X L H H 065 NC X L H X NC QnS L H X Q6S QnS Function a LOW-leyel on MR only affects the shift registers empty shift register loaded into storage register shift register clear: parallei outputs in high-impedance OFF-state logic HIGH-Ieyel shifted into shift register stage 0 Contents of all shift register stages shifted through. e.g preyious state of stage 6 iinternal Q6S) appears on the serial output fq7s). contents of shift register stages (internal QnS) are transferred to the storage register and parallei output stages contents of shift register shifted through: previous contents of the shift register is transferred to the storage register and the parallel output stages H = HIGH ioltage state: L = L0,4 sioltage state: = LOVV-to-HIGH transition: X = don-t care: NC = no change: Z = high-impedance OFF-state.

6 6 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag Vis med et kretsskjema hvordan du vil koble en RGB-led til Arduino Uno via skiftregisteret 595 dersom den skal kunne styres ved hjelp av SPI. Ta med kontrollsignaler og datasignaler. Beskriv funksjonen til hvert signal. Bruk funksjonsregistrene for mikrokontrolleren ATMega328p og vis hvordan du kan konfigurere SPI-enheten til å kommunisere med skiftregisteret omtalt ovenfor: CPOL = 0, CPHA = 0 mest signifikante bit skal skiftes ut først klokkefrekvensen er 1 MHz (gitt 8MHz systemklokke) ikke avbruddstyrt Arduino som master Legg inn de riktige instruksjonene i setup-funksjonen for Arduino. Bruk funksjonsregistrene for SP1-enheten og skriv en loop-funksjon som vil virke på samme måte (med hensyn til lys i RGB-led) som programmet beskrevet i deloppgave 4a). (Kan utføres uavhengig av punkt b). Istedenfor at RGB-led styres fra hovedløkka (loop-funksjonen), ønsker vi at diodene styres direkte fra en avbruddsrutine. Avbruddsrutina skal trigges av Timer1 som et TIMER1_ COMPA-avbrudd hvert hele sekund. Klokkefrekvensen til Arduino-kortet er 8 MHz. Skriv setup-funksjonen for dette oppsettet.

7 7 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag VEDLEGG 1 Formelark. Kraftelektronikk Dette er ment som en hjelp til de som har "jernteppe". Således er ikke forutsetning bruk av formelen tatt med. for 1 T Ud= 7 f0u(t)dt Middelverdi URMS,11- ft u2(t) dt = Effektivverdi T JO Ud= 0,9U5 Middelverdi, diodebru, ånfase Ud=0,9Uscos(a) Middelverdi, tyristorbru, ånfase 2wLsId _ 2X kid Tr Ir Kommuteringsspenningsfall, ånfase Is = Id Vekselstrøm, ånfase 41. 0,91d Grunnharmonisk, ånfase Ud= 1,35U5 Middelverdi, diodebru, trefase Ud=1,35Uscos(a) Middelverdi, tyristorbru, trefase 3wLsId 3XkId n- n Kommuteringsspenningsfall, trefase 2xkid cosg = 1 Kommuteringsvinkel. (Merk X k = wl s ) /s = 0,816/d Effektivverdi. Trefase vekselstrøm 41. = 0,78/d Grunnharmonisk. Trefase vekselstrøm U2 = U 1D Step-ned chopper AU2 U2 Ts2 8LC (1 D) Rippel, step-ned U2 = Ui 1 D AU2_ DTs U2 RC Step-up Rippel, step-up

8 8 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag N 1 D " N2 1-D Fly-back Ni U2 = DUi N 2 Forward Asynkronmaskin: ws = Kif ws wr s = cos f2 = sfi c7opr ui '' KA agf 12-=-.:.- KsØagf2 Tem a- K6kg f2 = 1(8Øag 11= \lj2 + 1m2 ma = risinus PBM, amplitudemodulasjonsindeks Utrekant f trekant nlf = f sinus PBM, frekvensmodulasjonsindeks

9 9 Høgskolen i østfold Avdeling for ingeniørfag Likestrømsmaskin: E = cok10 ø = K2Im Tem = K3la dia U = Raia + Lait + E P = V-5UIcoscp Q = PF = DPF = coscp1 Genereli trefase Generell trefase Effektfaktor Forskyvningseffektfaktor is = V-2.- 0,784(sin(cot) 5 sin(5w0 + 7sin(7w0 sin(11w0 1 13sin(13w0 +) Fourerrekke til vekselstrøm i trefase likeretter V-2. 0, (sin(6)0 sin(11w0 + yrin(13w0 3 sin(23(a) is = - /V 1 + sin(25(a) +) Fourierrekke til vekselstrøm i tolvpuls likeretter

10 ingeniørfag for AC(5 Ar- THE DEFINITIVE ARDUINO Avdeling PINOUTDIAGRAM Østfold i Decenei,g c- 19 Absolute p:, 40-4 r.eccc-ended Absotute rocfr...ajt, Høgskolen PCI 19 1,AS. 0 (4-18 A4 ADCS H SC1_ r n"..; (4 SDA AREF RESET PCINTI4 c 082. P :!, SCK -\{/ MISO P:IN- PWM MOSI OC 14 PWM PWM SS 4,90 8 C_KO :(01 ADCe - PcINTr, - 14 j AO ADC1.-.. PC.U:1- :-. 1S!Al A0C2 r..:1,4, : 42 ' C'q 40C3 -P::: r. SDA- 40" --''''' T'2 "--"", (.9 SCL - ADCS -P...INT :3 19 AS 7 41N1 0D6 6 AP:a PWM --( oce4 731 I Pl4.1 4 XC 2D3 3 P*1 1 0( 23 D'32 2 c:: QT TXD PCINT:7 TX PDe, RXD PC.NTS RX RESE" P.:: / ---ARBS SCK MISO 0.cc 18 FEB 2013 PIP C24 }-»_.1!,'",!.-, PWM -4 MOS1 PW, =1n P In IDE 111 5,:ki,c":,t115,:r.4