ire35115 kraftelektronikk og mikrokontrollere 17.12.2015 redacted

(1)

EKSAMENSOPPGAVE.

Emne: IRE35115 / Kraftelektronikk og mikrokontrollere Lærer: Even Arntsen

Åge T Johansen /

Grupper: 11ELE^- D + 11ELEY^-D Dato: 17.12.2015 Tid: 09.00 ^— 13.00 Antall vedleggsider: 4

Antall oppgavesider: 6 (med denne)

Vedlegg 1:Formler (3 sider)

Vedlegg 2:Arduino Uno pinout (1 side)

Sensurfrist: 18.01.2016

Hjelpemidler:

Selvskrevet formelsamling og godkjent kalkulator Kopier av heleeller deler av følgende dokumenter:

- ... a Tutorial on Arduino interrupts - AVR and Arduino timer interrupts

Arduino programming notebook

AVR ATMega328p Datasheet (Atme1-82711-AVR-ATmega-Datasheet_10/2014)

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLEREAT OPPGAVESETTETER FULLSTENDIG

Oppgave 1

Prosjektoppgave uten navn merkes med studentens eksamensnummer og leveres sammen med resten av besvarelsen.

(2)

Oppgave 2

Ll

Di 0305

Id

04 06 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)

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)

Oppgave 4

• 118,

• •

• .

. • • •

• . • . .

• • • 11

• • • • •

•

0 0

• • rfr•-•••--•7‹,

• •• • •

. •• • •

• • • • • • •

• • •

• • • • • • •

•

• • 99999

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 (Arduino- biblioteket). 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)

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

12 STCP

13 OE

8-STA3E SHIFT REGISTER

075

8-BIT STORAGE REGISTER

3-STATE OUTPUTS

00 01 Q2 03 04 05 06 07

15 I 2 3 4 5 6 7

MR 10

SHCP it

STCP 12

OE 13

DS 14

master reset (active LOW) shift register clock input storage register clock input output enable input lactive LOW) serial data nput

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 f Q7S).

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)

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)

Formelark. Kraftelektronikk

Dette er ment som en hjelp til de som har "jernteppe". Således er ikke forutsetning for bruk av formelen tatt med.

1 T

Ud= 7 f0 ^u(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

Kommuteringsspenningsfall, ånfase

Tr Ir

Is =

Id

Vekselstrøm, ånfase

41. — 0,91d Grunnharmonisk, ånfase

Ud= 1,35U5

Middelverdi, diodebru, trefase

Ud=1,35Uscos(a)

Middelverdi, tyristorbru, trefase 3wLsId 3XkId

Kommuteringsspenningsfall, trefase

n- n

2xkid

cosg =

1 Kommuteringsvinkel. (Merk Xk = wLs)

/s = 0,816/d Effektivverdi. Trefase vekselstrøm 41. = 0,78/d Grunnharmonisk. Trefase vekselstrøm

U2 = U1D Step-ned chopper

AU2 Ts2

—

8LC (1 —

D)

Rippel, step-ned U2

1—D

U2 =

Ui ^Step-up

AU2_ DTs

U2 ^— RC Rippel, step-up

(8)

N1 D "

N2 1-D Fly-back

U2 = Ni DUi

N2

Forward

Asynkronmaskin:

ws = Kif ws — wr s =

cos f2 = sfi

c7oPr

ui '' KA agf

12-=-.:.- KsØagf2

Tem a- K6^kg f2

=

1(8Øag 11= \lj2 + 1m2

ma

=

^risinus PBM, amplitudemodulasjonsindeks

Utrekant

f trekant

nl

f = f sinus PBM, frekvensmodulasjonsindeks

(9)

E = coK10 ø =

K2Im Tem= K3la

U = Raia + Lait dia + E

P = V-5UIcoscp Q =

PF =

DPF = coscp1

Genereli trefase Generell trefase Effektfaktor

Forskyvningseffektfaktor

1 1 1

is = V-2.-• 0,784(sin(cot) ^– ^–5

sin(5w0 + –7sin(7w0 – sin(11w0

—13sin(13w0 1 –+)

Fourerrekke til vekselstrøm i trefase likeretter

V-2.•

0,784

1 1 1

is = -

/V (sin(6)0 — sin(11w0 + yrin(13w0 —3 sin(23(a) 1

+

sin(25(a)

^—

+)

Fourierrekke til vekselstrøm i tolvpuls likeretter

(10)

Høgskolen i

Østfold Avdeling— for

ingeniørfag

PCI — 19 1,AS.

0(4 - 18 A4

ADCS H SC1_

r n"..;.1.. 40(4 SDA

41:!, SCK -\{/

MISO

P:IN- PWM MOSI

PWM SS

— OC 14 PWM

8 C_KO —

P84- 08.3- 082.

281-

4,90— :(01

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::•QT1

011— 1 — TXD —PCINT:7 TX

PDe—, — RXD PC.NTS RX

SCK 13

MISO 12

P•In

0

RESE" P.:: 4.1.„1---111--1

/---ARBS —

784 —

PW,=1n

— IDE

111 5,:ki,c":,t115,:r.4 PIP- 11 - 0C24 }- »_.1!,'", !.-, PWM -4 MOS 1

AREF

RESET PCINTI4 c

ADCe -PcINTr, - 14 j AO

ADC1 .-..PC.U:1- :-. 1S !Al

C'q ^A0C2 r..:1,4,1.3.— 16 : 42 '

40C3 -P:::•“.1-17 43

0 rSDA^- 40" --'''''. T'2"--"", (.9

SCL - ADCS -P...INT:3— 19 AS

.cc 18 FEB 2013

ARDUINO

PINOUTDIAGRAM

Absolute p: , 40-4

r.eccc-ended

Absotute 200-4

rocfr...aJt,

•

19

7-.121 Decenei,g c-