Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 5
Pralka automatyczna to kolejny etap w rewolucji wodno – kanalizacyjnej i mydlano – detergentowej.
Pranie odzieży, bielizny, pościeli, ręczników, firan... było jednym z podstawowych zadań żony prowadzącej gospodarstwo domowe rodziny. Pranie nad strumykiem czy w w miejscu do tego przeznaczonym prowadziło też do socjalizacji kobiet we wspólnocie. Było to zajęcie uciążliwe i czasochłonne. Także czasochłonne było prasowanie po wyschnięciu prania na sznurach i krochmaleniu.
Pralka automatyczna narodziła się w USA już przed II Wojną Światową ale brutalne reglamentacje surowców a nawet zakazy produkcji ( i to w kraju „wolności” gospodarczej ) spowodowały że produkcje pralki podjęto dopiero po wojnie.
Bęben w pralce amerykańskiej jest pionowy a w europejskiej poziomy. Produkcja masowa a potem wielkomasowa sprawiły że ceny pralek cały czas spadały a ich funkcjonalność rosła. Pralka automatyczna jest najbardziej użyteczna w dużej rodzinie z dziećmi.
Popularne w USA punkty usługowe z pralkami automatycznymi ( z poziomym bębnem i często z energożerną suszarką. Mają one wzmocnioną konstrukcje ) na monety do zapłaty nie upowszechniły się w Europie.
Elektryczny magiel gorącymi walcami prasuje pościel, obrusy, zasłony... czyli jednostki duże i uciążliwe w ręcznym prasowaniu. Krochmalenie stosowane jest coraz rzadziej.
Pranie chemiczne („na sucho”) wykonywane jest różnymi roztworami substancji chemicznych bez użycia wody. Zapobiega ono deformacji przedmiotów.
Oczywiście duży elegancki hotel z restauracją i innymi usługami ma własną pralnie z maglem i szybko wypierze też chemicznie wybrudzoną marynarkę gościa hotelu. Jest to ilustracja tezy że w nowoczesnym świecie oferuje się kompletną 100% usługę.
Początkowo bęben pralki był napędzany dwubiegowym silnikiem asynchronicznym.
Wolny bieg w dwu kierunkach stosowano w praniu a szybki bieg w odwirowaniu.
Sekwencja czynności pralki ma zapewnić kompromis jak najlepszego wyprania w rozsądnym czasie z jak najmniejszym zniszczeniem ubrań i zużyciem energii.
Pralka automatyczna jest urządzeniem dość skomplikowanym. Polska i inne kraje bloku RWPG nie były w stanie samodzielnie opracować i wdrożyć do masowej produkcji pralki automatycznej. Polska licencje zakupiła w NRF na początku lat siedemdziesiątych i wdrożyła produkcje masową „automatów” dzieląc się licencją z innymi krajami bloku. Zresztą Polska faktycznie podzieliła się z ZSRR i innymi krajami zakupami kredytowymi zostając bankrutem.
Mikrokontrolery dość wolno wyparły system sterujący z programatorem bębnowym.
System sterujący pralki automatycznej początkowo budowano w oparciu o tanie mikrokontrolery 4 – bitowe a w szczególności z rodziny Texas Instruments TMS 1000. Wykonane w najtańszej technologi P-MOS mikrokontrolery były prymitywne i powolne ale musiały twórcom wystarczyć. Stworzenie małego objętościowo programu mieszczącego się w pamięci ROM mikrokontrolera było trudne.
Zawory ( lub dwoma) wody wodociągowej, pompkę wody, zamek drzwi DL oraz silnik załączano triakami. Konieczna jest ujemna biegunowość prądu bramki triaka jako że czułość wyzwalania dodatnim prądem przy ujemnym prądzie anodowym jest mała i wyzwalanie to jest niewskazane. Ujemny prąd bramki dobrze koresponduje z ujemnym zasilaniem mikrokontrolera P-MOS. Gdy stosuje się mikrokontroler N-MOS lub CMOS stosuje się nienaturalny dla nich biegun dodatni zasilania na GND. GND mikrokontrolera nie jest izolowane od sieci !
Ponieważ mikrokontrolery nie miały przetwornika A/D temperatura nagrzewanej grzejnikiem wody nie była mierzona. NTC jako sensor temperatury wraz z wybieranym rezystorem via komparator decydowały o załączeniu grzałki do określonej temperatury przekaźnikiem mocy ( triak musiałby mieć duży radiator z uwagi na duży prąd grzałki) a mikrokontroler decydował tylko o grzaniu lub nie grzaniu.
Dla pralki z napędem dwubiegowym silnikiem asynchronicznym prędkość odwirowania nie przekraczała 400 obrotów na minutę a pralki te bardzo silnie wibrowały i hałasowały przy odwirowaniu jeśli przypadkowo pranie rozłożyło się mocno niesymetrycznie.
Kolejnym etapem rozwoju pralki było zastosowanie do napędu uniwersalnego komutatorowego silnika szeregowego zintegrowanego z sensorem obrotów Tacho AC co pozwoliło wraz z sensorem wibracji i rozbudowanym algorytmem sterowania osiągnąć wysoką prędkość wirowania. Silniki uniwersalne produkowane są na świecie miliardami.
Do czasu aż staniały wydajne mikrokontrolery triak silnika był sterowany fazowo dedykowanym analogowym układem scalonym a mikrokontroler / przyciski / pokrętło podawały jedynie rozkazy o zadanych obrotach. Układ płynnie zmieniał obroty. Wydajny mikrokontroler sam realizuje sterowanie fazowe triaka i pętlę prędkościową sprzężenia zwrotnego.
Charakterystyka silnika szeregowego jest bardzo elastyczna i bez prędkościowego sprzężenia zwrotnego z uwagi na rozłożenie prania bęben kręciłby się bardzo nierównomiernie.
O kierunku obrotów silnika szeregowego decyduje przekaźnik lub dwa tworzące swoimi stykami mostek zmieniający kierunek załączenia uzwojenia wzbudzenia. Uzwojenia wzbudzenia ( dotyczy tylko pralek o bardzo szybkim wirowaniu) ma odczep i dla uzyskania najwyższych obrotów załączona jest tylko część uzwojenia Dla trwałości przełączanie przekaźników jest bez-prądowe po wcześniejszym zredukowaniu prądu silnika do zera.
Charakterystyczny jest równomierny pobór prądu podczas wirowania i bardzo nierówny w czasie prania. Wartość szczytowa prądu w czasie prania jest większa niż podczas wirowania !
Początkowo piezoceramiczne sensory wibracji zastąpiły scalone sensory-akcelerometry MEMS.
Program mikrokontrolera operując silnikiem stara się jak najbardziej równomiernie rozmieścić pranie i zwiększyć prędkość wirowania do wybranej przez użytkownika. Czasem jednak jest to niemożliwe. Im lepszy algorytm tym pralka jest cichsza i można pranie nastawić nawet wieczorem lub idąc spać aby skorzystać z taniej nocnej energii elektrycznej. Im wyższa prędkość wirowania tym pranie jest „suchsze” ale bardziej pogniecione i gdy kolejną czynnością jest prasowanie trzeba zachować umiarkowanie z odwirowaniem.
Tak jak powoli pralki z mikrokontrolerem i silnikiem uniwersalnym wypierały pralki z silnikiem asynchronicznym tak samo powoli silnik uniwersalny jest wypierany przez silnik BLDC zintegrowany z inverterem a to dlatego że silnik uniwersalny osiągnął znaczną niezawodność a jego produkcje ostro zautomatyzowano.
Masowo produkowane są tanie, scalone hybrydowo mostki trójfazowe z tranzystorów IGBT z wysokonapięciowymi driverami CMOS oraz oprogramowane (!) mikrokontrolery do invertera, którego cena bardzo spadła. Na cenę silnika BLDC rzutują zastosowane magnesy stałe z metalami ziemi rzadkich. Wysoka cena opóźnia popularyzacje silników z magnesami.
Także oferowane są oprogramowane mikrokontrolery do sterowania pralki oraz gotowe płyty drukowane sterowników z małymi wyświetlaczami LCD i manipulatorem. Oprogramowany mikrokontroler jest dużo droższy od samego mikrokontrolera ale zwalnia jego użytkownika z opracowania i przetestowania programu. Dane konfiguracyjne producent gotowego urządzenia zapisuje w małej pamięci nieulotnej z interfejsem szeregowym I2C lub innym.
Zużycie energii elektrycznej do suszenia prania jest ogromne i przyszłościowym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie rekuperacji i pompy ciepła co jednak mocno skomplikuje pralkę i podniesie jej cenę ale znów zautomatyzowana produkcja wielkomasowa cenę stopniowo zredukuje.
Grzejnik wody w pralce ma duża moc i jest potencjalnie niebezpieczny bowiem bez wody może dojść do pożaru. Do jego jednego końca zasilanie sieciowe podaje przekaźnik mocy ( są rozwiązania z nadzorem jego sprawności i sprawności innych elementów w obwodzie grzejnika. Detekcja jakiegokolwiek uszkodzenie blokuje pralkę ) a do drugiego presostat. Dodatkowo zasilanie odcinają otwarte drzwi pralki oraz wyłącznik główny a w szereg z grzejnikiem dano bezpiecznik.
Pralka może też zalać mieszkanie. Po zamknięciu drzwi pralki przez DL (Door Lock ) podaje on zasilanie do obwodu zasilania wszystkich wykonawców a system podaje napięcie do elektromagnesu w DL blokującego otwarcie drzwi. DL zostanie odblokowany dopiero po wypompowaniu wody z pralki i to z dodatkowym marginesem czasu.
Mikrokontroler pralki i mikrokontroler invertera silnika BLDC to typowe zastosowania „wbudowane”. Kupując pralkę i każdy produkt z wbudowaną inteligencją płaci się firmie która wykonała oprogramowanie i drogo sprzedaje oprogramowane mikrokontrolery.
Regułą jest użycie do produkcji masowej komponentów dobrej jakości. Marża producenta finalnego towaru jest często niewielka a koszty napraw gwarancyjnych serwisu są wysokie. Jest to silna zachęta do utrzymywania jakości.
Użyty w ćwiczeniu silnik uniwersalny od pralki 220-240 Vac nie ma luzów, opór toczenia jest niewielki, nie ma drgań, słychać tylko przy wyższych obrotach szum powietrza. Przy zasilaniu napięciem stałym pulsacje pobieranego prądu są niewielki. Nie ma iskrzenia komutator – szczotki. Maksymalny prąd przy praniu wynosi 4A a przy wirowaniu ze zmniejszonym wzbudzeniem 3A.
Nieobciążony silnik szeregowy przy zasileniu pełnym napięciem może się rozbiec i ulec uszkodzeniu.
Tacho AC jest zintegrowane z silnikiem. Jego koszt to może zaledwie 2-3% całości.
Serwomechanizmowe silniki synchroniczne i BLDC z magnesami stałymi zawsze zintegrowane są z Resolverem ( po polsku Selsyn) lub inkrementalnym optycznym sensorem kwadraturowym z indexem oraz z hamulcem. Bez podania napięcia na hamulec silnik jest zatrzymamy co gwarantuje samobezpieczeństwo maszyn z tymi silnikami na poziomie elementarnym. Przy braku zasilania lub awarii sterowania silnik stanie. Zestaw jest w 100% kompletny. Czasem nawet koncern oferuje przekładnie produkowaną przez siebie lub współpracującą firmę !
Firma która chce „wyprodukować” robota może kupić serwomechanizmy i dedykowane do nich invertery oraz komputer z odpowiednimi interfejsami. Sam może wykonać podstawę, ramiona i część mechanizmów.
Producent pralki musi wykonać obudowe z blachy i plastiki a resztę może kupić !
Monstrualny,największy w świecie, kompleks przemysłowy Rouge River Forda miał własną hutę, odlewnie i stalownie, elektrownie, zakład produkujący gumę i plastiki, hutę szkła... Z dostarczanych surowców masowo produkował wyjeżdżające ciurkiem samochody. Oczywiście Ford kupował też standardowe elementy na rynku. Tak samo kompleks Volkswagena miał własną hutę...
Od tego czasu wiele się zmieniło w światowej gospodarce. Coraz więcej podzespołów kupuje się od wyspecjalizowanych dostawców. Ma to bardzo poważne i z reguły niedostrzegalne implikacje o totalnym wpływie na wszystko.
Patrząc na produkcje choćby pralki nie można zapominać że z dużą marzą pracuje producent mikrokontrolera, triaków, wyświetlacza LCD i modułu sterującego. Dużo zarabia też producent oprogramowania. Zarabia też zautomatyzowany producent silników klepiąc je milionami... Jeśli producent finalnego wyrobu ma cenną markę to zarabia a jak ma słabą markę to klepie biedę.
Zatem w światowym podziale pracy najlepiej produkować rzeczy nowoczesne z dużą marzą.
Ćwiczenie
1.Wskaż na cechy budowy silnika uniwersalnego wskazujące że został on zaprojektowany do automatycznej produkcji i minimalizowano prace ręczne. Zasilamy z regulowanego zasilacza krzyżowego 30V-3A silnik uniwersalny od pralki z pełnym wzbudzenie. Połączenia na gnieździe należy wykonać kabelkami z krokodylkami patrząc na niezbyt jasną dokumentacje posiłkując się miernikiem. Czas osiągnięcia ustalonych obrotów jałowych przy ustawionym napięciu 30V zależy od ustawionego prądu maksymalnego. Przy prądzie ograniczonym do 3A silnik ruszy dynamicznie z szarpnięciem. W stanie ustalonym pobór prądu wynosi 430mA a częstotliwość sygnału z Tacho AC wynosi ca 505 Hz przy napięciu ca 20 Vpp ( napięcie jest zbliżone do sinusoidy ) i jest stabilna.
Hamując koło pasowe na osi silnika widać ze charakterystyka obciążenia silnika szeregowego jest bardzo elastyczna.
-Ile biegunów ma Tacho AC ? Obroty silnika zmierz przyrządem z transoptorem obiciowym montując ( pomysłowo ! ) na kółku pasowym silnika kawałek odbijającej światło foli aluminiowej.
2.Po zasileniu silnika przez ściemniacz oświetleniowy ( użyto izolującego transformatora bezpieczeństwa 1:1 oraz układu bezpieczeństwa silnika przed „przekręceniem” ) regulując powoli od zera silnik startuje od razu ze sporymi obrotami ( histereza ) choć oczekujemy że będzie też można regulować małe obroty i silnik niepokojąco nierówno chodzi. Jakie są powody tych wad ?
3.Koncern AEG Telefunken produkował udane układy scalone do regulacji fazowej triakami prędkości silników w pętli sprzężenia zwrotnego z sensorem realizujące też inne funkcje. Zanim pojawiły się wydajne mikrokontrolery układy AEG stosowano w systemie pralki z prostym mikrokontrolerem. Schemat z aplikacji jest bardzo zbliżony do schematu użytego modułu z pralki. Regulacja działa bez zarzutu a prędkość zmian obrotów jest słusznie ograniczona. Układ oczywiście wyzwala triaka krótkim bramkowym sygnałem ujemnym w razie potrzeby powtórzonym. Mimo zasilania przez izolujące trafo 1:1 należy zachować ostrożność !
-W jakich celach sprawdzane jest rezystorem R4 napięcie na triaku skoro już sprawdzane jest rezystorem R3 napięcie sieci zasilającej?
-Za parametry jakiej funkcjonalności odpowiadają elementy R7,C7 ?
4.Interfejs komunikacyjny CAN był dedykowany do samochodów ale zastosowano go też w przemyśle. Popularne były i są interfejsy RS485 i Ethernet. Ale komunikacje luźno zintegrowanego z silnikiem BLDC invertera z głównym mikrokontrolerem można obserwować przy pomocy adaptera poziomu sygnału do interfejsu RS232 i programu na PC ! Zwarty w budowie inverter zawiera filtr EMC z dławikiem common na rdzeniu toroidalnym, prostownik mostkowy z kondensatorem elektrolitycznym, mostek IGBT ze scalonym driverem w wysokonapięciowej technologii CMOS oraz mikrokontroler oraz zasilacz impulsowy dla siebie i mikrokontrolera urządzenia.
Mimo zasilania przez izolujące trafo 1:1 należy zachować ostrożność !
5.Wskaż rozwiązania systemu bezpieczeństwa na poniższych schematach.
Bardzo ciekawy i interesujący artykuł.
OdpowiedzUsuńDzien Dobry
UsuńDziekuje za komplement