ire35115 kraftelektronikk og mikrokontrollere 26.02.2016 redacted

(1)

EKSAMENSOPPGAVE.

Emne: IRE35115 / Kraftelektronikk og mikrokontrollere Lærer: Even Arntsen

Åge T Johansen

Grupper:

13H ELE/13H ELEY

Dato:

26.02.2016

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: 16.03.2016 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 (Atme1-82711-AVR-ATmega-Datasheet_10/2014)

KANDIDATEN MÅ SELVKONTROLLERE AT 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

Figur 1

Vi har en vanlig trefase diodebru, med en drossel som sikrer glatt likestrøm.

Nettspenningen U =400 V. R =15 ohm, hvor mye effekt forbrukes i denne?

Hva blir effektivverdien av vekselstrømmen inn til brua?

Hvor mange amper blir den største overharmoniske komponenten i vekselstrømmen?

Lag en skisse av spenningen som ligger over L, og forklar hvordan vi kan anslå om kurven ser fornuftig ut.

Nettfrekvensen er 50 Hz, Det blir satt inn induktanser på vekselstrømsiden i serie med kablene inn til brua. Effektforbruket i R blir nå 16 kW. Hvor stor er induktansen som blir satt inn?

Vis på spenningskurven ut av trefasebrua hvordan vekselstrømsinduktansene påvirker spenningskurven?

Diodene er av typen likeretterdioder. Hva er forskjellen på hurtig svitsjedioder og likeretterdioder?

L 1

(3)

Oppgave 3

L 1

Figur 2. Chopper

Figur 2 viser en step-ned chopper. Styreprinsippet er baser på Puls Bredde Modulasjon. Ul = 110 V

Vi vil ha U2 = 48 V (spenningen over R), med 110 V inn. Hva blir duty- cycelen?

Med svitsjefrekvens lik 15 kHz, hvor stor må L1 være for at strømrippelen skal ble mindre 2 A?

Hvor stor må C2 være for at spenningsrippelen i U2 skal være mindre enn 0,7%?

(Benytt verdi for L1 som beregnet i b)

Tegn opp strømmen i L1, når denne ligger på grense til diskontinuitet. Sett på skala for strøm og tid, og når strømmen går i transistoren hhv. dioden.

Det er ikke likegyldig hvordan kretsen arrangeres fysisk. Forklar hva man bør prøve å tilstrebe, ut fra hensyn til forholdene ved avslag av Q1.

Vi skal benytte deler av chopperen til å styre en likestrømsmotor. Av

hovedkomponentene benytter vi bare Cl, 01, D1 og motoren. Hvilke fordeler mht.

drivekretsen for 0.1, oppnår vi ved å tilkoble motoren i kollektoren i stedet for emitteren? Tegn opp en skisse for denne løsningen.

Vi ønsker å kunne styre turtallet på motoren ved en pulsgiver. I tillegg skal vi ha en strømsløyfe for motorstrømmen. Tegne opp et blokkskjema for dette

reguleringssystemet.

(4)

4 Høgskolen i østfold —Avdeling for ingeniørfag

Oppgave 4

• .

• • -1114- •

...

• 1.. •• •

• • • • • •

•

i •

• •

•

• •rS

1, • • 1• •

• • • • •

• • • • • • •

• •

•

• • ')

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 Arduino-biblioteket. Programmet skal gå i en evig løkke og etter tur vise lys i de 3 diodene —R - G - B. Hver diode skal lyse i ett sekund hver. Bruk delay-funksjonen for å realisere varigheten av lysene.

Gjør samme oppgave som i punkt a),men ved å benytte millis-funksjonen istedenfor delay-funksjonen. Det skal også gjøres en annen modifikasjon; mellom hvert lys skal det være et tidsrom der ingen av diodene lyser. Denne tiden skal være 1 sekund etter dioden R, 2 sekunder etter G og 3 sekunder etter B.

Arduino-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.

0

(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 5 sekunder (0 V) ned til 1 sekund (5V).

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

00 01 151

Table 3Function Control

02 03 04 234

tableV;

05 5

Input

SHCP 1STCP OE MR DS

X X L L X

X L L X

X X H L X

X L H H

X L H X

L H X

8-STAGE SHIFT REGISTER

8-BIT STORAGE REGISTER

3-STATE OUTPUTS

06 07

6 7 mna554

MR 10 master reset (active LOW)

SHCP 11 shift register clock input

075 STCP 12 storage register clock input

OE 13 output enable input (active LOW)

DS 14 serial data input

Output ,Function 07S Qn

L NC a LOW-level on MR only affects the shift registers L L empty shift register loaded into storage register

L Z shift register clear: parallel outputs in high-impedance OFF-state 065 NC logic HIGH-level shifted into shift register stage 0. Contents of all

shift register stages shifted through. e.g. previous state of stage 6 (internal 06S) appears on the serial output (07S).

NC OnS contents of shift register stages (internal OnS I are transferred to the storage register and parallel output stages

06S QnS contents of shift register shifted through: previous contents of the shift register is transferred to the storage register and the parallel output stages

[1] H = voltage state:

L = LOW voltage state:

= LOW-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 = 1, CPHA = 1

minst signifikante bit skal skiftes ut først

klokkefrekvensen er 125 kHz (gitt 8MHz systemklokke) ikke avbruddstyrt

Arduino som master

Legg inn de riktige instruksjonene i setup-funksjonen for Arduino.

c) Bruk funksjonsregistrene for SPI-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).

(7)

Formelark. Kraftelektronikk

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

Ud = .-7 foTli(t)dt Middelverdi

URMS=

_\

Ff — T1OT 112(t) dt Effektivverdi

Ud= 0,9U5 Middelverdi,diodebru, &ifase

Ud=0,9Uscos(a) Middelverdi,tyristorbru,&ffase

7t

n-

is

= Vekselstrøm, &Ifase

= 0,94 Grunnharmonisk,&ifase

Ud= 1,35U, Middelverdi,diodebru, trefase Ud=1,35Uscos(a) Middelverdi,tyristorbru,trefase

3COLsId 3XkId

Kommuteringsspenningsfall,trefase

2xkid

cosii = 1 r_ Kommuteringsvinkel.(Merk X k = CD1, 5

⁾

-V2Us

= 0,81.64 Effektivverdi.Trefase vekselstrøm

= 0,784 Grunnharmonisk.Trefase vekselstrøm

U2 = U1D Step-ned chopper

U2 Ts2

= 1 D) Rippel, step-ned

U2

8LC

U2 = — 1—D ^Step-up

2coLs/d 2Xidd

Kommuteringsspenningsfall,&ffase

åL12—DTs

1.12 RC Rippel, step-up

(8)

8 Høgskolen i Østfold —Avdeling for ingeniørfag

D "

U2

- Ui

N2 1—D

Fly-back

U2 =

N 2

Forward

Asynkronmaskin:

=

^Klf

S =

(0.5- f2=

sf1

f2

%Pr = f — f2 K2Ø"f

.12 l<50a9f2

Tem -2:-

KMkg

^f2

/m =

KEmag

= +

^1m2

(

-dr

sinus

PBM, amplitudemodulasjonsindeks

in

a = n trekant

m

ftrekant

f

fsinus

PBM, frekvensmodulasjonsindeks

(9)

E = w1(1ø ø = K2Im Tem= K31a0

U = Raia+ La-c--it dia + E

P = .NIUlcos(p Q = -Nillsincp

PF = — ^P

S

DPF = coscp1

Generell trefase Generell trefase Effektfaktor

Forskyvningseffekffaktor

1 1 1

is = NI2 • 0,784 (sin(wt)

^— ^—5

sin(5(a) +

^—7

^sin(7cot)

^—

^i-- 1 sin(11wt)

+

^—13

1 sin(13wt) .. —+)

Fourerrekke til vekselstrøm i trefase likeretter

is= - i

N ^(sin(wt) —iT. sin(11wt) + E sin(13wt) —-s sin(23wt)

Fourierrekke til vekselstrøm i tolvpuls likeretter

(10)

Høgskolen i

Østfold Avdeling— for

ingeniørfag

82

›::

0

SOF

:• R.N.‘ K 13

UT.5 T`riE

fl

VEDLEGG 2

P8SH 13

PCINT14; ElIPC6 - 1 1----HP84H 12 ,

I ^IM,P

^82,-1, ¹¹

Res“

Lo axe,

[ •

•

-Ceneniy,g

th"

1 RESET

ADCO • PCINT8

ADC1 PCINT9 15 41

40C2 ,—,PCINT10.—. 16 42

ADC3 PCIP4T1i 17 43

SDA 40C4 —PCINT12— 18 A4

SCL — 4005 ....PCINT13.... 19 1AS

RESET

8.---a=18b011(`) 18FEB2013

. .

ARDUINO

PINOUTDIAGRAM

kr,

1.1* tvf

Absolute ma- pr pi, 40,,T2

reccenaed 20n4

Absofute ,ox 200,4 fo, ent;',2 pactage

PCS—119 A5' PC4--1: 18 IA4-'

F

13 PCINTS SCK W'''''

P84— 12 PCINT41 MISO

_ „.._....

P93,-i 11 ,-- OC.2A .... PCINT3 k. 1484 !1 MOSI

P82- le - ocle - PCINT2 i•=1; P,s14 ,,-.1.ss

P81-1 9 - OC1A - PCINT11-1 Pb14 '...--.

P130-, 8 - C_11:1 -i PCINTO: ' 1(21 PD7-. 7 '— AIN1 PCINT23;

PD(5—. 6 — AINe —PCINT22H 1:444H OCOA

1305..•! 5 — T1 .—PCINT211, 1,14

PD4 4 — TO •-,PCINT20} { XCK

PO3—i 3 — :NT1 —"PCINTI9H P144 H 0e.28

PD2 2 —,. :: %Te PCINT.181

P81• 1 — TXD PCINT.17. TX

280— e — RXD —PCINT_6 RX

1113e Power

enn

pPc[,,tguPZntion '21.g1taa nlr

Related nr,

>1.1

0.(2A PCIN1'31-4,_ P444 MOSI

-PCINT14---1811K

THE DEFINITIVE

INT13k 4005 H SCL

PCINT12). 40C4 H SDA

AREF

19 18 17 16 15 14

PE15

PCINTS I SCK

P,INT4 MISO

P1,

.DE

Source l'otal