ToyWagen elektroniikkaa

[Säätäjä_setä]

Sarjassa Tojowaagenin elektroniikkaa tehdään nyt "kylän monimutkaisin termostaatti" Tero ehkä joskus kertoo miten tähän on jouduttu/tultu.

Ison sähköflektin nopeussäädössä onkin yhtäkkiä ns pari juttua ratkaistavana. Kun flektin ottama virta alkaa liikkua alueella 30 ... 50A on PWM (pulssinleveysmodulaatio) järkevin tapa hoitaa tehonsäätö. Tällaisilla 300-600W tehoilla ohjaimen elektroniikka ei olekkaan enää tosta vaan juttu. Nykyautoissa on jo lähes poikkeuksetta teho-ohjatut sähköflektit eli valmista osaa pitäisi löytyä. Aika yleinen rakenne näyttää olevan, että flektille on oma ohjain mitä moottorinohjain tai jokin muu järjestelmä komentaa. Komentokanava voi olla toteutettu useammalla eri tavalla. Joku dataväylä CAN tai LIN, jänniteohjaus tai PWM signalointi. Tässä projektissa ensimmäinen yritys oli jostain Volvosta peräisin oleva Meyle ohjain. Osoittautui vaan, että tämä oli LIN-väylällä ohjattava malli eli eteneminen pysähtyi siihen. Lisää tutkimuksia ja alkoi löytymään sovivia ohjaimia. Mersuissa käytetty ESG 300 ja 600 purkit tutkimuksiin.

[Säätäjä_setä]

Näistähän ei tietenkään ole minkäänlaisia speksejä olemassa eli tämäkin homma alkoi toiminnan selvittämisellä ja jonkinlaisen speksin tekemisellä jotta säätimiä pystyisi käyttämään.

Modulin kytkennän kanssa pääsi hyvin liikkeelle kun liittimen signaalit oli merkitty purkin kanteen.




Sitten alkoikin ihmettely. Tiedossa oli, että ohjaus-signaalin taajuus pitäisi olla jossain 100Hz tienoilla. Pönttö reagoi "virrat päälle" #15 inputtiin, mutta ohjaukseen ei mitenkään. Pieni tai isompi lamppu kuormanakäynnistyi aina noin puoleen tehoon oli siinä muutaman sekunnin ja sitten pilli pussiin. Uusi yritys 10s kuluttua ja sama juttu.





Tuli mieleen tarjota säätimelle moottoria kuormaksi. Yhtäkkiä kaikki toimikuin ajatus. Ohjaimessa onkin valvonta, että kuormana pitää olla PYÖRIVÄ moottori. Tästä myöhemmin lisää. Alkaa monimutkaisuus valjeta.




Kirjoitellaan tähän väliin oleelliset havainnot toiminnasta / "laitteen speksit"

- Virrankulutus
Kun #15 eli virta päällä ottaa säädin 30 - 50mA virtaa tilasta riippuen. Virta pois tilassa akusta alle 1uA. Käyntitilassa moottorivirta tietenkin määräävä.

- Ohjaava PWM signaali
Vaihtelu 0-12V välillä. Suunta 0% = 0V ja 12V = 100%. Tarkemmin signaali on virtaluuppi minkä ESG purkki syöttää ja ohjaava järjestelmä maadoittamalla"pätkii" eliohjaa halutulla pulssisuhteella.
- Ohjaavan PWM signaalin taajuus voi olla välillä 8 ... 650Hz. 100Hz lienee tavoite.
- säätimen säätöalue on noin 14% ... 100%. Alle 14% ohjauksella flekti on seis.
- ESG purkin syöttämä luuppivirta on noin 2mA. ESGpurkki katkaisee syötön mikäli moottorivika päällä. Ovela menetelmä ilmoittaa ohjaavalle järjestelmälle viasta.

- Mikäli ohjaus-signaali jatkuvasti 0 tai +12Vkäy flekti täysillä.

- Flektin moottorin ohjaus
PWM taajuus noin 19.7kHz
Flektin -napa maissa, ohjaus +navan puolelta

- Säätökäyrä
Suunilleen 1:1 paitsi: Käynnistyskynnys 14% ohjauksella ja lähtö saavuttaa 100% tason noin 75% ohjauksella.

Pieniä eroja 300 ja 600 purkkien välillä. Voi tietysti vaihdella myös osa- ja versionumeroiden mukaan.

[Säätäjä_setä]

Kun lähtötiedot oli kasassa ja onnistumisen edellytykset olemassa niin tekemään. Ohjaava järjestelmä olisi jälleen ns logistisista syistä Arduino pohjainen. Pikkuprossussa riittää häkä hyvin kun tällaisen termostaatin laskennassa ei ole mikään kiire. Piirikortin teko oli mielessä kun keksin, että Juusolle tehdyssä SRM moottorin ohjaimessa on kaikki tarvittava I/O ja poweritavara Arduino Nano modulin ympärille. Tästä syntyi pikavauhtia kehitysalusta ja myöhemmin "koko tuote".



Jäi kaivamaan miten laite tekee tuon pitää löytyä pyörivä moottori johdonpäästä testin. Testausta erikokoisilla moottoreilla.





Oli vaikea löytää, mutta sain tapahtumat vangittua muistiskoopin ruudulle. Jälleen ovela temppu. Ohjain katkaisee moottorin PWM ohjauksen muutaman kymmenen sekunnin välein 1ms ajaksi. Pyörivä tasavirtamoottori toimii myös generaattorina niin sitten vaan mittaamaan mitä ohjauskatkon aikana tapahtuu. Ihan pelkkä jännitemittaus tuo tuskin on. Tekee jonkun tempun katkon noin 800us kohdalla. Näin kuitenkin selvittää pyöriikö flekti vai onko jäätynyt paikoilleen.

[Säätäjä_setä]

Anturiksi valikoitui Bosch 0280130026 NTC anturi. Lienee käytössä lukuisten moottoriohjaimien kanssa. Prossupohjaiseen mittaukseen sopiva vastusalue 20 asteessa 2500 ohmia. Lisäksi löytyy kunnolliset speksit.



NTC vastusten lämpötilariippuvuus on tarkka. Haaste on ominaiskäyrän epälineaarisuus. Linearisoinnin voisi tietysti tehdä interpolointitaulukollakin, mutta Herrat Steinhart-Hart ovat aikoinaan kehittäneet polynomikaavat millä linearisointi menee sujuvasti. Ratkaisu vaatii vain liukulukulaskennan ja riittävästi tarkkuutta. Arduinon prossu ei ole varsinainen number cruncheri, mutta kun ei ole kiire niin laskekoon rauhassa.
Jokainen NTC vastuksen tyyppi poikkeaa hieman toisistaan. Kunhan ominaiskäyrä on tiedossa niin siitä voidaan laskea tarvittavat Steinhart-Hart kertoimet. Nämä ja vähän muita parametrejä kaavaan ja mittausdataa tulee. Käytännön softassa tarvitaan lisäksi vähän suodatusta prosessista riippuen.

[Säätäjä_setä]

Kun ESG kontrollerin ohjaus ja lämpötilan mittaus selvillä ja toteutettu sekä Arduino pohjainen säätö/ohjauskortti valmis niin sitten vaan termostaattia koodaamaan. Siitä tuli lopulta hyvin yksinkertainen säätö. Laskentaan annetaan kaksi asetusarvoa. Käynnistyslämpötila. Tässä ESG purkille annetaan aikaisemmin mainittu 14% ohjaus. 100%:n lämpötila. Tässä lämpötilassa ESG purkki saa 100%:n ohjauksen. Väli mennään lineaarisesti. Eli Näillä kahdella arvolla määritellään säädön startti ja jyrkkyys.



Testailua ja pakettiin.




Kun mittaus on verifioitu niin testausta voi helpottaa korvaamalla anturi potentiometrillä millä voi säädellä mitattua lämpötilaa.



Lopussa vielä säätimen piirikaavio pdf muodossa.Huomaa, että vain kalustetuilla/käytössä olevilla osilla on arvot.

[Säätäjä_setä]

Kuten näissä tapaa käydä lähti tämäkin vähän käsistä.
Koska kytkentään oli mahdollista lisätä pieni I2C liitäntäinen 1" OLED näyttö niin se lisättiin. Perusnäyttönä mitattu lämpötila ja lähtevä ohjaus sekä asetusarvot. Asetusarvot ainakin toistaiseksi softassa olevat kiinteät vakiot.



Termostaatti havaitsee tilanteet missä anturin johdot poikki tai oikosulussa. Vikailmoitus ja flekti varmuuden vuoksi täysille.



Asiakkaan tilauksesta systeemiin tuli vielä jumpperilla valittava testitila missä ohjain pyörittelee flektiä vuorotellen minimi, 50% ja 100% tehoilla.

[Paavo]

Jos softaa vielä hiplataan, niin sellainen ehdotus että halutuksi ajaksi (esim. 1-2s) vääntää ohjauksen täysille, kun rupelia ollaan käynnistämässä. Ja sitten vasta siihen haluttuun tavoitenopeuteen.

Vaikka tuossa mersun purkissa on valvonta moottorin pyörimiselle, niin pieni jysäys alussa varmistaa flektin pyörimään lähdön, jos sattusi olemaan joku oksanpätkä tai lunta/jäätä päällä.

Ja joku nappi mistä saa 100% ohjauksen.

Omassa autossa konepellin puhallin Arduino-ohjauksella, melko paljon helpommalla pääsi kun tehtävänä oli ainoastana suoraviivainen arduino-softa, ja mosfetti-ohjaus plussapuolen sähkön pätkimiseksi.

Arduinolta siitä 16-bit PWM-lähdöstä ohjaus, niin sai PWM-taajuuteen vähintäänkin riittävästi valinnanvaraa.

Alunperin oli Arduino vakio PWM-taajuus, muistaakseni 500Hz, ja flektin moottori vinkui äsyttävästi alle 20% ohjauksella. Nyt on mulla olevasta mersun purkista vakoiltu ~30kHz (muistaakseni), ja puhallin pyörii nätisti 2%, pienempää ei ole tullut kokeiltua.

Rangessa kun on visko-fleksi, ja tuo PWM-ohjaus on vain ylimääräiselle (mutta hitsin hyvin toimivalle ja tarpeelliseksi soittautuneelle) konepellin rupelille, niin riittäisi kolmiasentoinen off-min-max kytkin, jossa min on haluttu "tyhjäkäyntinopeus", esim. 20-25% (riittävän hiljainen mutta siirtää silti kohtuudella ilmaa), joka on päällä koko ajan kesäkelillä ajellessa. Max on sitten 100% niihin tilanteisiin kun pitää työntää sukkaa syyläriin vähän enempi kuin vähän. Nyt kytkimellisellä potkalla off-min..max säätö halutuin portain (olikohan 2%, alunperin taisi olla 5%), mutta tämä tuntuu vähän liian hienolle. Vaikka toimii kyllä.

Rupelina joku Silvolan Heikin hyllystä pikapenkomisella löytynyt (eka 12V ja näyttää toimivalle), starttivirta n. 65A ja 100% noin 23A, pihtivirtaflukella mitattu.