Györök, György

Repository of the Academy's Library

Mikrokontrollerek hardver-hatékonyalkalmazásaGyörök GyörgyÓbudai EgyetemAlba Regia Mu˝szaki KarSzékesfehérvár Budai út 45,gyorok.gyorgy@amk.uni-obuda.huKivonat—Egyrészt a manapság használt mikrokontrollerekegy-egy gyártóra jellemzo˝en azonos aritmetikai-logikai egységgelés belso˝ környezettel, maggal rendelkeznek. A gyártók stratégiaiszempontok miatt egy-egy típuson belül, közel azonos magú mik-rokontrollereket forgalmaznak, viszont ezen mikrokontrollerekperiféria-választéka felhasználás-orientált és igen tág határokközött választható.Másrészt az elektronikai alkatrészpiacon a leggyakrabbanalkalmazott megoldásokhoz egy-egy cél-integrált áramkör talál-ható, amelyekbo˝l létrehozhatjuk a kívánt áramkört. Ezek a meg-oldások általában megfelelo˝ek, gyorsan adaptálhatók, biztonságo-sak, viszont a kialakítandó áramköri leheto˝ségeket, az áramkörirugalmasságott, a kello˝ költséghatékonyságot korlátozzák.I. BEVEZETÉSA mikrokontrollerek ki-, illetve bemeneti meghajtóképes-sége alapveto˝en az általános áramköri felhasználásnak meg-felelo˝en kialakított. Így a bemenetek impedanciája általábanminden mikrokontrollernél azonos, csakúgy, mint a kimene-tek Isinc, illetve Iload áram-értékei. Ezen jellemzo˝k bizonyostartományban átparaméterezheto˝k, megváltoztathatók [6] [2].Igen hatékony, rugalmas, kevés külso˝ alkatrészt tartalmazómegoldásokat tudunk kialakítani akkor, ha a mikrokontrolle-rek konfigurálható belso˝ perifériáit alkalmazzuk az áramkörimegoldásokhoz [1] [2] [8].Az alkalmazott mikrokontrollerek esetén, néhány példánkeresztül olyan hardver hatékony megoldásokat mutatunk be,amelyek mikrokontrollerek rendszerbe ágyazhatóságát nagy-mértékben kiszélesíti a nagyobb flexibilitás és a külso˝ áram-körök számának minimalizálása miatt. Így bemutatunk egyolyan vezérlo˝ egységet, amely napelemek bizonyos sziget-üzemének optimalizálását valósítja meg, ipari környezetbenalkalmazott indukciós kemence hatásfok-optimalizálását oldjameg, elektromos fu˝to˝test élettartam növelo˝ vezérlését végzi,pneumatikus eszközök sebesség kritikus vezérlését látja el ésimpulzusszélesség modulációs eljárás segítségével kisindukti-vitású tekercsek alacsony frekvenciájú mágneses terét állítjaelo˝ [9] [5] [3].II. NAPELEMEK SZIGET-ÜZEMÉNEK OPTIMALIZÁLÁSAA fentiek alapján hatékonyan oldható meg napelemeksziget-üzemének optimalizálása mikrokontrollerrel.A napelemek belso˝ ellenállása a megvilágítás intenzitásátóla napsugarak beesési szögéto˝l, és sok más környezeti paramé-terto˝l nagymértékben függ. Egy DC–DC konverter optimálisIkiNapelemR iUsDC-DC konverterRDCµCI,U RPWM1. ábra. Napelem optimális illesztése DC–DC konverterhez.illesztése (1. ábra) szigetüzemu˝ alkalmazásnál akkor valósulmeg, ha a tápegység bemeneti ellenállása (RDC) megegyezika napelemével. A mikrokontroller (µC) a napelem villamosteljesítményét (U,I) folyamatosan méri és a konverter bemenetiellenállását (RDC) az impulzus szélesség modulációs jel RPWMkitöltési tényezo˝jének változtatásával úgy módosítja, hogy ateljesítmény a leheto˝ legnagyobb legyen, amikor is a töltöáram(Iki) is maximális.Így a DC–DC konvertert olyan módon kell vezérelnünk,hogy annak bemeno˝ ellenállása egyezzen meg a napelemmindenkori belso˝ ellenállásával (Ri = RDC). Pragmatikusabbmegfogalmazásban azt is állíthatjuk, hogy impulzus széles-ség modulációs eljárással úgy kell megváltoztatni a kapcsolóüzemu˝ DC–DC konverter kitöltési tényezo˝jét, hogy annak akimenetén tudjuk a leheto˝ legnagyobb teljesítményt kinyerni.A mikrokontrollert ehhez az alkalmazáshoz a leheto˝ legtöbbbelso˝ perifériát felhasználva fogjuk alkalmazni. Így mikro-kontrollerrel oldjuk meg a kapcsolóüzemu˝ tápegység közvetlenvezérlését, csakúgy, mint a kimeno˝ teljesítmény folyamatosmérését. [4] [19]III. INDUKCIÓS KEMENCE ÖNOPTIMALIZÁLÁSAUgyancsak hatékony alkalmazás valósítható meg mikro-kontroller segítségével egy indukciós kemence önoptimalizá-lása kapcsán is [8].Az indukciós vagy örvényáramos kemencénél nagyfrek-venciás mágneses teret állítunk elo˝ (2. ábra), amelyet egyµCErõsítõL iC iR iσUDC UhLSUoscUpP2. ábra. Az örvényáramú indukciós berendezés funkcionálisblokkvázlata.ITUσ>Uσ-1 ? A frekvencia növelése egy elemiértékkelRETURNYAmplitúdó csökkent?NITA frekvencia csökkentése egyelemi értékkel3. ábra. A maximális indukciós teljesítmény megkeresése afrekvencia megváltoztatásával.tekercs belsejében alakítunk ki. Ebbe helyezzük a hevítendo˝munkadarabot.Az Up a kívánt teljesítmény-alpjel. A Mikrokontroller (µC)az Uosc jelet a teljesítményero˝síto˝ bementére juttatja. Azero˝síto˝ az Ri, Ci, Li hálózat segítségével juttatja a mágnesesteljesítményt a hevítendo˝ munkadarabra. Az Ls induktivítás sjelével mérjük a mágneses térero˝sséget. Az UDC a tápfeszült-ség.A tekercs akkor tudja a maximális mágneses energiát amunkadarabra juttatni, ha a párhuzamos rezgo˝kör, amelynekegyik eleme éppen a nagyfrekvencás mágneses teret kicsa-toló tekercs, rezonancia frekvenciája megegyezik a gerjeszto˝frekvenciával. Ha a munkadarabot a tekercs belsejébe helyez-zük, a tekercs induktivitása, a munkadarab permeabilitásátólés a tekercsbe helyezés geometriájától függo˝en megváltozik,csakúgy, mint a párhuzamos rezgo˝kör rezonancia frekvenciája[26].Az alkalmazott mikrokontroller folyamatosan méri (3. ábra)a nagyfrekvenciás teljesítményt és mint frekvenciagenerátorhangolja a párhuzamos rezgo˝kör rezonancia frekvenciájánakmegfelelo˝en a gerjeszto˝ frekvencia értékét mindaddig, amíga leheto˝ legnagyobb teljesítményu˝ mágneses energiát nemjuttatunk a munkadarabra és az örvényáramú hevítés nagyságamaximális értéku˝ nem lesz. Ha az amplitúdó csökken a mik-rokontroller megszakítási szubrutin végrehajtását kezdi el. AzUs a tekercsen mért feszültség, míg az Us 1 az egy ciklussalkorábban mért érték. [7] [24] [23] [14]IV. ELEKTROMOS FU˝TO˝TEST ÉLETTARTAM-NÖVELO˝VEZÉRLÉSEElektromos fu˝to˝test élettartam-növelo˝ vezérlésénél [10, 20]bizonyos periodikus, aperiodikus villamos alkalmazásoknál–elso˝sorban anyagi jellemzo˝k miatt– a fu˝to˝test élettartamanagymértékben függ a felfu˝tési, illetve a kihu˝lési gradiensto˝l[26, 39]. A tapasztalatok és a mért értékek alapján egyfu˝to˝test jóval hosszabb élettartamú akkor, ha kikapcsolásnál,illetve bekapcsolásnál valamilyen, az üzemi ho˝mérsékletnélkisebb értéku˝ ho˝n-tartó vezérlést alkalmazunk, a felmelegítési-lehu˝tési sebesség ido˝-gradiensének szabályozásával együtt.Ilyen vezérlés ido˝paraméterei, illetve a megfelelo˝ ho˝mérsékletiértékek tapasztalati úton határozhatók meg (4. ábra). Ezen he-urisztikus függvények alapján történo˝ vezérléssel egy fu˝to˝testvárható élettartama jelento˝sen növelheto˝.T [ ËC ]100080060040020012005 10 15 20 25 30 35 406 16 2204. ábra. A javasolt élettartam-növelo˝ vezérlés egy adott fu˝to˝testesetén. A teljes ido˝tartam 60s, a maximális teljesítmény 100%.Ilyen vezérlés is hatékonyan valósítható meg mikrokont-roller segítségével (5. ábra). Ebben az esetben a tirisztorok,TRIAC-ok fázishasítós szabályozását mu˝ködtetjük úgy, hogya mikrokontroller magát a gyújtóimpulzust állítja elo˝, a min-denkori null-átmenethez késleltetetten az algoritmus, illetve amért ho˝mérséklet függvényében. [1] [10] [11]5. ábra. Fázishasítós vezérlés mikrokontroller kimenetéro˝l (PA-3), illetve a nulla átmenet érzékelés megoldása (PB-1).V. PNEUMATIKUS AKTUÁTOROK SEBESSÉG-IDO˝ FÜGGO˝VEZÉRLÉSÉREÁltalában a pneumaikus aktuátorokat sebességkritikus kör-nyezetben nem alkalmazzuk, mivel a su˝rített levego˝s mozgatásmegleheto˝sen hektikus viselkedésu˝.Ha egy pneumatikus beavatkozón egy adott tömeg helyez-kedik el, s ezen tömeg mozgatását szeretnénk egy megadottsebesség-ido˝ függvény szerint vezérelni, akkor ezt megtehetjükimpulzus szélesség modulációs szelep-, illetve levego˝nyomásvezérléssel (6. ábra).Pinv∆pµCµαγcs(t)6. ábra. Pneumatikus sebességvezérlés mikrokontrolleres kör-nyezetben.A rendszerbe Pin nyomáson érkezik a su˝rített levego˝, ame-lyet a v szelep kapcsol a c dugattyura, amely s(t) elmozdulás-függvény szerint viselkedik. A mikrokontroller (µC) a Dp nyo-másérzékelo˝ g jelét digitalizálja és az algoritmus függvényébenaz a jelen keresztül vezérli a szelepet.Ehhez szükség van egy rendszeridentifikációs mérésre (7.ábra). A mozgatandó pneumatikus rendszert rövid ido˝re be-kapcsoljuk, megvizsgáljuk az elmozdulás nagyságát, sebessé-gét. . . stb. és ennek függvényében tudjuk, impulzus szélességmodulációs eljárással (8. ábra), a sebesség-ido˝ függvényt elo˝-állítani. Így, mikrokontroller hatékony alkalmazásával, lehe-to˝ségünk adódik pneumatikus aktuátorok sebesség-ido˝ függo˝vezérlésére.[22] [26]VI. SÍKTEKERCSEK ALACSONYFREKVENCIÁSVEZÉRLÉSÉNEK MEGOLDÁSAAz alacsony frekvenciás mágneses tér orvos-biológiai al-kalmazása gyakori. Általában nagyméretu˝ vasmagos tekercsetkell alkalmazunk, amely a felhasználás területeit korlátozza.Lényegesen jobb megoldás, ha úgynevezett síktekercset alkal-mazunk. A síktekercs (9. ábra) kis induktivitású, így alacsonyfrekvenciás vezérlése, kello˝en nagy térero˝sség mellett, csakkörülményesen oldható meg.Ezért érdekes szakmai kihívás ezen síktekercsek alacsony-frekvenciás vezérlésének megoldása [24] mikrokontroller se-gítségével [15] [16] [17].A mikrokontrollert ebben az esetben olyan vezérlo˝kéntalkalmazzuk (10. ábra), amely impulzus szélesség modulációseljárással a kívánt alacsony frekvenciás komponenst állítja elo˝(11. ábra), miközben a mágneses mezo˝ nagyságát mérjük.A mikrokontroller szoros visszacsatolásban vezérli a tekercsmeghajtó áramkörét. [12] [13] [25]VII. ÖSSZEFOGLALÁSA bemutatott eljárásokban közös, hogy kevés nagy integ-ráltságú külso˝ elektronikus alkatrészt tartalmaznak. Az egyesalkalmazásokban felhasznált mikrokontroller a belso˝ ero˝forrá-saiból, legyen az hardver vagy szoftver, a legtöbbet használja.Ezek teljesu˝léséhez körültekinto˝ áramkör kialakítási, valamintprogramozási és rendszertervezési készségekre van szüksége-sek. Mindezekkel összemérheto˝en fontos a mikrokontroller ki-választása és annak alapos ismerete, a komplex megközelítés.[20] [18] [21]HIVATKOZÁSOK[1] A.S. Deese, C.O. Nwankpa, J. Jimenez, J. Berardino, and J. Hill. Designof modular field programmable analog array hardware for analysis oflarge power systems. pages 1207–1210, 2012.[2] Gy. Györök, M. Makó. Configuration of EEG input-unit by electriccircuit evolution. Proc. 9th International Conference on IntelligentEngineering Systems (INES2005), pages 1–7, September 2005.[3] Gy. Györök, M. Makó, J. Lakner. Combinatorics at electronic circuitrealization in FPAA. Acta Polytechnica Hungarica, Journal of AppliedSciences, 6(1):151–160, 2009.10. ábra. Két síktekercs vezérlése mikrokontrolleres környezetben, FET (Q1-Q4), illetve BJT (T5-T8) félvezeto˝s H-híddalmegvalósítva.[4] Gy. Györök. The function-controlled input for the IN CIRCUITequipment. Proc. 8th Intelligent, Engineering Systems Conference(INES2004), pages 443–446, September 2006.[5] Gy. Györök. Self configuration analog circuit by FPAA. Proc. 4th Slo-vakien –Hungarien Joint Symposium on Applied Machine Intelligence(SAMI2006), pages 34–37, January 2006.[6] Gy. Györök. Self organizing analogue circuit by monte carlo method.Proc. IEEE International Symposium on Logistics and Industrial Infor-matics (LINDI2007), pages 34–37, September 2007.[7] Gy. Györök. A-class amplifier with FPAA as a predictive supply voltagecontrol. Proc. 9th International Symposium of Hungarian Researcherson Computational Intelligence and Informatics (CINTI2008), pages 361–368, November 2008.[8] Gy. Györök. The FPAA realization of analog robust electronic circuit.Proc. IEEE Internacional Conference on Computational Cybernetics(ICCC2009), pages 1–5, November 2009.[9] Gy. Györök. Crossbar network for automatic analog circuit synthesis.Proceedings (Liberios Vokorokos, Ladislav Hluchý, János Fodor szerk.)of the IEEE 12th International Symposium on Applied Machine Intelli-gence and Informatics (SAMI 2014). IEEE Computational IntelligenceSociety, Budapest: IEEE Hungary Section, ISBN:978-1-4799-3441-6,pages 263–267, January 2014.[10] J. Kopják. Dynamic analysis of distributed control network based onevent driven software gates. IEEE 11th International Symposium onIntelligent Systems and Informatics, Subotica, Serbia, ISBN: 978-1-4673-4751-8:p. 293–297, 2013.[11] J. Kopják and J. Kovács. Implementation of event driven softwaregates for combinational logic networks. IEEE 10th Jubilee InternationalSymposium on Intelligent Systems and Informatics, Subotica, Serbia,ISBN: 978-1-4673-4751-8:p. 299–304, 2012.[12] K. Lamár. A világ leggyorsabb mikrovezérlöje. ChipCAD Kft., page 96,January 1999.[13] K. Lamár and Veszprémi K. A mikroszámítógépek térnyerése a villamoshajtások szabályozásában. Proceedings of the Kandó Conference 2002,Budapest, Hungary, pages 1–7, January 2002.[14] K. Lamár and J. Neszveda. Average probability of failure of aperiodi-cally operated devices. Acta Polytechnica Hungarica, 10.(8.):pp. 153–167, 2013.[15] L. Madarász and Zivcak J. Aspects of computational intelligence:Theory and applications. Revised and Selected Papers of the 15thIEEE International Conference on Intelligent Engineering Systems 2011,Springer-Verlag , Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-642-30667-9:p. 436,2011.[16] L. Madarász and Fözö R. Intelligent technologies in modelling andcontrol of turbojet engines. New Trends in Technologies : Control,Management, Computational Intellingence and Network Systems, Rijeka,Croatia, ISBN 978-953-307-213-5:p. 17–38, 2011.[17] T. Orosz. Analysis of sap development tools and methods. 15th IEEEInternational Conference on Intelligent Engineering Systems (INES),pages pp. 439–443, 2011.[18] A. Pilat and J. Klocek. Programmable analog hard real-time controller[programowalny sterownik analogowy]. Przeglad Elektrotechniczny,89(3 A):38–46, 2013. cited By (since 1996) 0.[19] Adam Pilat. Control toolbox for industrial programmable analogcontroller embedding state feedback controller. pages 1–4, 2012.[20] A. Selmeci and T. Orosz. Usage of soa and bpm changes the roles andthe way of thinking in development. IEEE 10th Jubilee InternationalSymposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY), pages pp.265–271, 2012.[21] S. Sergyán. Edge detection techniques of thermal images. 2012NSzelep BESzelep KIStartA szükségesmozgási funkcióparametrizálásaIsmétlési frekvenciabeállítása ( A1)Nyomás nagy?Sebességrendben? NVisszacsatolásikésleltetés(A2)Nyomásmérés(A3)7. ábra. A mikrokontrolleres pneumatikus sebességvezérlésfolyamatábrája. Az A  1, A  2, A  3 paraméterek a rend-szeridentifikáció eredménye miatt változnak.IEEE 10th Jubilee International Symposium on Intelligent Systems andInformatics, SISY 2012, pages 227–231, 2012.[22] S. Sergyán. Useful and effective feature descriptors in content-basedimage retrieval of thermal images. LINDI 2012 - 4th IEEE InternationalSymposium on Logistics and Industrial Informatics, Proceedings, pages55–58, 2012.[23] J. Tick. User interface redesign based on user behavior analyses.Proc. of ICCC 2003 IEEE International Conference on ComputationalCybernetics (ICCC2003), pages 29–31, October 2003.[24] J. Tick. Potential Application of P-Graph-Based Workflow in Logistics.Aspects of Computational Intelligence: Theory and Applications: Re-vised and Selected Papers of the 15th IEEE International Conference8. ábra. A megvalósított sebességvezérlés ido˝függvényei lassúmozgás és nagy terhelés esetén. Felül a szelep bekapcsoló-,alul a kikapcsolás várakozási impulzusai láthatók.(a) (b)(c) (d)9. ábra. A megvalósított sík tekercs nyomtatott áramköri tervei,a., a tekercs negyede, b., a tekercs belso˝-, c., a tekercs külso˝végzo˝dése, d., a nyomtatott áramköri kártya másik oldala.11. ábra. Impulzus-szélesség modulációs jelek (sárga) és atekercs szinuszoid áram-ido˝ függvényei.on Intelligent Engineering Systems 2011, pp. 293-303, Springer Verlag,2012, Heidelberg; London; New York, 2012.[25] J. Tick. Business process-based initial modeling at software develop-ment. Proc. of IEEE 11th International Symposium on Applied MachineIntelligence and Informatics (SAMI2013), pages 141–144, January 2013.[26] L. Vokorokos, N. Ádám, and B. Madol. The process control for p-single operators. 19th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region, RAAD 2010 - Proceedings, pages 119–123, 2010.

Mikrokontrollerek hardver-hatékony alkalmazása

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of the Academy's Library