Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 22
Nazywając rzecz po imieniu nowoczesną Automatyzacje we wszelkich odmianach zatrudnia się do zarabiania pieniędzy i zdobywania światowej pozycji.
Droga, nowoczesna elektronika samodzielna i wbudowana ma coraz większy udział w handlu międzynarodowym, który przecież stanowi o światowej pozycji krajów. Elektronika wbudowana jest w towary nowoczesne i drogie.
Spójrzmy ja te sprawy wyglądają w obecnym starciu hegemona z kandydatem na jego stanowisko. Sprawy te mają wpływ na każdą gospodarkę na Ziemi i przed tym nie ma ucieczki.
W 2020 roku Chiny wytworzyły 29 % globalnej wartości dodanej w przemyśle przetwórczym a udział USA spadł poniżej 11 %.
Według klasyfikacji ONZ Chiny są jedynym krajem świata wytwarzającym wszystkie kategorie produktów przemysłowych ! W czasie pandemii okazało się jak dużo wyrobów produkują z dziedziny medycyny i przyległości.
Chińczycy NIE są jednak zadowoleni z nowoczesności i zyskowności swojej produkcji. Stosunek wartości DODANEJ do produkcji przemysłowej brutto w Chinach wynosi około 20% podczas gdy u liderów w USA i Niemczech stosunek ten znacznie przekraczał w innowacyjnych branżach nawet 30 %.
Są różne uproszczone klasyfikacje dotyczące nowoczesności produkcji.
W jednej z nich na szczycie są światowi innowatorzy technologii szybko ją wdrażający, niżej pozostali producenci nowoczesnych towarów z najwyższej półki, potem producenci nienowoczesnych wyrobów standardowych no i najniżej III światowi eksporterzy surowców.
Od lat największym bólem głowy Chin jest MIKROELKTRONIKA i najnowocześniejsze materiały. Sytuacje w której mikroelektroniczna produkcja Chin zaspokaja tylko około 20% ich potrzeb a wartość importu chipów przekracza 250 mld dolarów rocznie, trudno nazwać normalną.
W opracowywanym przez Chińską Akademię Inżynierii wskaźniku rozwoju produkcji uwzględniono skalę produkcji, jakość, zysk, optymalizację strukturalną oraz zrównoważony rozwój. W 2020 roku pierwsze są w tej klasyfikacji USA. Dalej są Niemcy i Japonia a za nimi Chiny a za nimi kolejno Korea Południowa, Francja i Wielka Brytania. Chiny chcą zwiększenia swojej konkurencyjności gospodarczej, polepszenia pozycji w globalnych łańcuchach wartości, transformacji w kierunku nowych technologii i zmniejszenie zależności od firm zagranicznych.
Priorytetami strategii rozwojowych są technologie nowych generacji, wysokiej klasy skomputeryzowane maszyny, pojazdy elektryczne i zaawansowane urządzenia medyczne.
Ambitny program Made in China 2025 zakłada że w 2025 roku 40% używanych w produkcji chipów będzie produkowanych w Chinach, 80 % wyposażenia sektora ICT będą produkować lokalne firmy a 50% używanych systemów operacyjnych stworzą Chiny. Już widać za półmetkiem MIC 25 że wskaźniki te nie zostaną osiągnięte mimo alokowania gigantycznych środków i wykonania ciężkiej pracy.
Są jednak dziedziny gdzie jest lepiej niż zakładano. Panuje pogląd że Chiny będą mieć największy wpływ na rozwój AI na świecie w najbliższym czasie. Chiny mają produkować najwięcej urządzeń zasadnie stosujących prawdziwą ( a nie reklamową ) AI to znaczy takich gdzie bez AI urządzenie nie ma sensu. Chociaż liczba chińskich patentów w dziedzinie AI jest znacznie mniejsza niż USA to są to jednak patenty o dużym ciężarze gatunkowym.
Już 70 % światowych stacji bazowych systemu 5G jest zbudowana z chińskiego sprzętu i to mimo akcji USA szantażujących „sojuszników”. Duże chińskie miasta przodują w świecie w dostępie do 5G.
Chociaż Chinom daleko w stosunku ilości robotów do pracowników, do światowych liderów, to robotów mają ogromną ilość a postęp jest szybki i Chiny produkują coraz więcej robotów. Najważniejsze jest jednak to że w Chinach przekroczono punkt ciężkości w stosowaniu robotów i ich użycie staje się RUTYNOWE i trywialne. Mają już wyszkoloną i obeznaną z tematem kadrę. Warto przypomnieć że gdy Japonia na początku lat osiemdziesiątych prowadziła niszczącą nowoczesny przemysł Zachodu ofensywę eksportową była wtedy jedynym krajem świata gdzie roboty stosowano już rutynowo.
Mimo akcji Zachodu Chiny obroniły swój prawie monopolistyczny sektor metali rzadkich niezbędnych dla wytwarzania produktów wysokich technologii.
O ile chińskie wydobycie minerałów ziem rzadkich spadło z prawie 98 % do 63 % świata ( mimo swojej nazwy metale rzadkie wcale nie są takie rzadkie w przyrodzie) to nadal ponad 80 % rafinacji metali ziem rzadkich wykonują chińskie firmy ściśle strzeżonymi technologiami.
Władze Chin mają dobrą świadomość sytuacyjną w przeciwieństwie do ... Polski. Technologie obcych firm u siebie uważają za własną dopiero gdy ją przyswoją i sami rozpoczną nią produkcje.
Tajwan jest globalnym liderem w produkcji chipów produkowanych na zamówienie i według projektów innych firm – 60% udziału światowego. Sam koncern TSCM odpowiada za 52 % światowych dostaw. Pozycje swoją TSMC umocni inwestując kolejne 25 mld dolarów w modernizacje i rozbudowę zdolności produkcyjnych. Odbiorcą połowy tajwańskiej produkcji w 2019 roku były Chiny. W świecie tylko TSCM z koreańskim Samsungiem opanowali technologie o rozdzielczości 5 nm. Apple zrezygnowało z procesorów i innych układów Intela i TSMC produkuje im znacznie wydajniejsze chipy własnego projektu. Eksport, głównie chipów, tworzy aż 70% PKB Tajwanu. Udział Chin w tajwańskich inwestycjach zmalał z 84 % do 38 % po embargu technologicznym USA przeciwko Chinom wymuszonym przez USA. Ale w przemyśle przetwórczym udział bieżących inwestycji Chin nadal wynosi 60 %. Embargo technologiczne jest neutralizowane i 40% eksportu Tajwanu odbierają Chiny i Hongkong.
Obecnie światowy popyt na mikroelektronikę jest większy niż podaż. Kilka fabryk samochodów w Europie, w tym w Polsce, musiało wstrzymać produkcję z powodu braku mikrokontrolerów i mikroprocesorów.
Bezsilną Amerykę irytują spektakularne sukcesy chińskich firm w HANDLU elektronicznym. W tym roku 800 milionów chińskich cyfrowych klientów zrobi zakupy za ponad 2,7 bln dolarów ( równowartość), co stanowi prawie 57% światowych obrotów e-commerce i 52 % wartości sprzedaży detalicznej w Chinach. Nikt w świecie nie ma tak wysokich wskaźników cyfrowej penetracji handlu detalicznego. Kolejnymi krajami pod tym względem są Korea Południowa i Wielka Brytania, gdzie udział wynosi około 27 %.
Udział w rynku potężnych platform sprzedażowych Alibaba, JD.com i Pinduoduo, wynosi około 83%. Chiny słusznie mają własne wyszukiwarki ( najpopularniejsza Baidu ) i własny handel elektroniczny. Nie pozwalają się panoszyć amerykańskim firmom i realizują własne cele. Tak zwane superaplikacje związane z poszukiwaniem towaru i zakupem, monitoringiem procesu dostawy oraz płatnością są najnowocześniejsze w świecie. Spopularyzowany Listopadowy Dzień Singla wygenerował sprzedaż o wartości 115 mld dolarów !
Magazyny towarów i rozdzielnie gigantów są coraz bardziej zautomatyzowane podobnie jak cała ich logistyka.
Platformy w krytycznym momencie pandemii Covid-19 wsparły rząd i społeczeństwo z pełną determinacją. Zamrożono ceny wszystkich artykułów związanych z bezpieczeństwem zdrowotnym i wielu innych. Szybko uruchomiono serwisy telemedyczne do rezerwacji przeprowadzenia testów na koronawirusa. Ekspresowe dostawy środków medycznych do zamkniętych ( dla osób postronnych ) szpitali wykonywano za pomocą dronów i pojazdów autonomicznych. Efektem ubocznym budowy pozytywnego wizerunku gigantów są napływające nowe rzesze klientów.
Rząd Chin wspiera swoje koncerny a one symetrycznie realizują oczekiwania rządu.
Spektakularny sukces Chin w walce ze straszną epidemia Covid-19 chyba wszystkim uświadomił jak daleko zaszły chińskie koncerny działające w pobliżu AI, skoro już w początkowym etapie epidemii udało się wyłowić wszystkich zakażających i osoby które mogły zostać zakażone przez nich.
Zatem powyżej powtarzają się cały czas NAPĘDY jako fizyczni wykonawcy a z drugiej strony ma nimi zacząć rządzić AI.
W czasie epidemii koronawirusa wielu pracowników podjęło prace zdalną:
-Z centrów dystrybucyjnych korporacji, często pracowników dużych biur typu „OpenSpace”
-Z centrów wsparcia technicznego dla klientów
-Z instytucji finansowych, agencji reklamowych, promocyjnych i windykacyjnych...
Praca tych osób jest możliwa do względnie prostej automatyzacji i wdrożona AI zrobi z tych osób bezrobotnych. Im bardziej sensowne są realizowane w firmach procedury operacyjne tym łatwiej jest je programowo automatyzować.
Sztuczna inteligencja coraz lepiej przekłada teksty pomiędzy różnymi językami ale do doskonałości jeszcze sporo brakuje. Zresztą jak przełożyć poezje skoro spory o to „co chciał powiedzieć poeta” trwają stuleciami ? AI coraz lepiej prowadzi też samochody ale tylko na dobrych drogach. Obie te prace okazały się znacznie trudniejsze dla AI niż to sobie kiedyś optymistycznie wyobrażano.
Po głośnych upadkach dużych zachodnich firm okazuje się że zarządy rażąco łamiąc przepisy Ustawy o Księgowości, robiąc małpie sztuczki, oszukiwały na podatkach, oszukiwały akcjonariuszy i kredytujące je banki i poszukiwały pracowników a nierzadko prowadzono podwójną księgowość.
Namiastka AI nauczona na różnych manipulacjach mogłaby skutecznie wykonywać błyskawiczną kontrole księgowości. W USA i Europie Zachodniej jest sporo zadłużonych, niewypłacalnych firm Zoombie które biorą nowe kredyty aby spłacać stare. Niegdyś najpotężniejszy koncern przemysłowy świata General Electric jest bankrutem. Powrót z anomalii zerowych stóp procentowych do stóp normalnych zakończy się groźbą upadku firm Zoombie i znów bankierzy centralni będą musieli coś zrobić.
Słowo „subharmoniczne” na wiele znaczeń.
W matematyce funkcje subharmoniczne używane są w rozwiązaniach równań różniczkowych cząstkowych, w analizie zespolonej i w teorii potencjału.
W muzyce subharmoniczne to seria podtonów, które są lustrzanym odbiciem szeregu harmonicznego.
We wszelkich układach nieliniowych mogą występować drgania o złożonym charakterze, także subharmoniczne i drgania chaotyczne przypominające szumy. Często maszyny przed uszkodzeniem generują znacznie silniejsze subharmoniczne niż normalnie.
Przed erą układów scalonych stosowano proste, nieliniowe układy analogowe jako dzielniki częstotliwości. Często były to nieliniowo synchronizowane generatory ale podział częstotliwości czyli pod - synchronizacje uzyskiwano tylko w niewielkim zakresie częstotliwości
Cytat z archiwum: „W nieliniowych układach fizycznych mogą występować drgania subharmoniczne. Obserwuje się je w energetycznym generatorze synchronicznym. Drgania subharmoniczne mogą wystąpić w wadliwie zaprojektowanym tranzystorowym wzmacniaczu mocy wysokiej częstotliwości RF. Wzmocnienie mocy tranzystorów szybko spada z częstotliwością. W pasmie roboczym tranzystor może być stabilny ale przy niższych częstotliwościach z konkretnymi obwodami dopasowującymi może być na skraju generacji w rożnych punktach pracy. Główną przyczyna jest szkodliwe sprzężenie zwrotne przez pojemność kolektor - baza. Drgania te nie tylko degradują własności wzmacniacza ale są tez niebezpieczne dla tranzystora.
Podwielokrotność harmonicznych może się ciągle zmieniać i proces może być dość chaotyczny.
Zjawisko drgań subharmonicznych w praktyce występuje dość często. Literatura temat omija szerokim lukiem i jest ono często niezrozumiale.
Na przykład zasilacz impulsowy czasem cicho szumi mimo iż powinien pracować bezgłośnie ponieważ częstotliwość modulacji PWM jest ponadakustyczna a napięcie tętnień na wyjściu jest dużo większe niż wynika to z projektu.
Albo pętla regulacji położeniowej w maszynie CNC z silnikiem prądu stałego sterowanym przez inverter tyrystorowy przy małym i nieciągłym prądzie silnika ( małym wytwarzanym momencie napędowym ) jest niestabilna i generuje drgania o częstotliwości subharmonicznej w stosunku do napięcia sieci zasilającej.
Servo położeniowe jest podwójnym układem kaskadowym. Najbardziej wewnętrzna jest pętla prądowa a następnie prędkościowa a następnie położeniowa. Pętla prądu z inverterem pracującym z prądem nieciągłym ma wąskie pasmo co powoduje ze pętla prędkościowa ma dożą dobroć a pętla położeniowa wykazuje małe subharmoniczne oscylacje położenia.
Przykład wziety z R.Redl, I.Novak: Instabilities in current-mode controlled switching voltage regulators. PESC '81, 1981 IEEE, s. 17-28.
Niech będzie dany najprostszy obniżający napięcie zasilacz impulsowy ( buck step-down converter). Niech pracuje z ciągłym prądem w wyjściowym dławiku czyli w modzie CCM. Ma on tylko sterowany idealny górny klucz - tranzystor i idealna dolna diodę ( lub klucz aktywny i tak jest dalej w przykładach. Z kluczem aktywnym przepływ mocy może być dwukierunkowy ) i dalej dławik i wyjściowy kondensator filtrujące sygnał prostokątny z kluczy.
Bardzo ważna jest ochrona nadprądowa klucza aby nie uległ zniszczeniu przy zwarciu. Totez często układ regulacji wykonuje się jako kaskadowy. Wewnętrzna pętla regulacji Slave reguluje prąd dławika i otrzymuje wartość zadana z zewnętrznej pętli Master regulującej napięcie wyjściowe.
Tranzystor ( w tym przykładzie ) jest załączany na początku każdego okresu PWM a wyłączany komparatorem po przekroczeniu zadanego pętli prądu dławika.
Dla uproszczenia napięcie wejściowe wynosi 1 i zadany szczytowy prąd w dławiku tez niech będzie 1.
Dla głębokości modulacji d<50% układ wydaje się pracować stabilnie aczkolwiek im bliżej granicznej wartości 0.5 tym jest bardziej oscylacyjny. Niech prąd w dławiku narasta z szybkością m1 a opada z szybkością m2. Stosunek m2/m1 zależy tylko od Uo. Niech DI[n] oznacza szczytowe różnice prądów w następujących po sobie okresach PWM . Łatwo zauważyć ze DI[n+1] = DI[n] (m2/m1). Czyli istotnie tłumienie oscylacji jest tym większe im mniejsze jest d i granice oscylacji osiągamy przy d=0.5. Powyżej d>0.5 pojawiają się oscylacje subharmoniczne i średnio ich częstotliwość jest tym mniejsza im bardziej zbliżamy się do d=1.
Tylko ze szczytowy prąd w dławiku przy tej samej wartości zadanej będzie mniejszy. Wartość zadana ustalono dla wykresu na 1.7
Dokładnie odwrotna jest sytuacja gdy klucz w okresie PWM załączamy gdy prąd w dławiku spada poniżej wartości zadanej "1" i wyłączamy na koniec okresu. System jest stabilny dla d>0.5 i niestabilny dla mniejszych d.
Leczenie szkodliwych drgań subharmonicznych dodatkowym sygnałem piłokształtnym jest identyczne jak poprzednio.
Sygnał do dławika w tym rozwiązaniu może być podany przez sterowane fazowo tyrystory a przebieg napięcia dla dławika będzie fazowo sterowany "sinusoidalny" a nie prostokątny.
W przypadku inverterów tyrystorowych sterujących silniki servomechanizmów rozwiązaniem przeciwko drganiom subharmonicznym jest adaptacyjny regulator prądu. Przy prądzie ciągłym jest to regulator PI a przy prądzie przerywanym regulator całkujący I o coraz to większym wzmocnieniu wraz z rosnącym czasem przerw miedzy impulsami prądu. Pasmo pętli prądowej pozostaje dzięki temu w miarę stałe.
Istotna jest strona eksperymentalno - praktyczna. Wiedząc w jakim punkcie pracy mogą się pojawić drgania subharmoniczne możemy łatwo takie warunki wymusić.
W przypadku zasilaczy impulsowych obserwacje sygnałów PWM oscyloskopem utrudniają tętnienia 100Hz w napięciu z prostownika sieciowego. Dobrze jest wiec dać zasilanie 300Vdc ( dla sieci 220Vac ) z zasilacza stabilizowanego bez tętnień. Obciążeniem testowanego zasilacza może być opornik mocy załączany tranzystorem mocy sterowanym generatorem z częstotliwością kilkudziesięciu Hz.
W przypadku napędu w maszynie CNC podejrzaną oś, możemy elastycznie zahamować i dokładnie zadając położenie wymusić określony mały prąd silnika tej osi i prace z nieciągłym prądem.
NB. Produkowane urządzenia elektroniczne i urządzenia zawierające wbudowana elektronikę są coraz bardziej skomplikowane zarówno w warstwie sprzętowej jak i programowej. Ich opracowanie jest kosztowne i kosztowne są tez testy na których producenci oszczędzają. Toteż szansa że urządzenie czy program będzie miało jakaś wadę rośnie.”
Przyrządy pomiarowe cyfrowe wyparły analogowe przyrządy wskazówkowe. Cyfrowy odczyt nie powinien się za często zmieniać z uwagi na percepcje obserwatora. Na zakresie napięcia / prądu stałego mierzony sygnał poprzez prosty filtr dolnoprzepustowy RC podany jest do podwójnie całkującego przetwornika A/D i dwa lub trzy razy na sekundę prezentowany jest na wyświetlaczu bo częstsza prezentacja nie ma sensu. Zaletą podwójnie całkującego przetwornika A/D z odpowiednim czasem całkowania jest mocne tłumienie wszędobylskiego zakłócającego pola elektromagnetycznego - napięcia sieciowego 50/60 Hz.
Na zakresie napięcia / prądu zmiennego sygnał poprzez prosty filtr górnoprzepustowy RC podany jest do prostownika a w lepszych przyrządach do przetwornika wartości skutecznej RMS a dalej odfiltrowany dolnoprzepustowo i podany do całkującego przetwornika A/D i znów prezentowany na wyświetlaczu.
Wszechstronnym przyrządem jest oscyloskop ale trzeba jeszcze obraz zinterpretować i wyjaśnić a oprogramowanie oscyloskopów ciągle jest słabe.
Wskazówka mechanicznego manometru drga bowiem przepływ medium nie jest idealnie laminarny. Z tego powodu sensor ciśnienia z reguły ma filtr dolnoprzepustowy o wybieranej częstotliwości granicznej aby odpowiednio stłumić „szumy”.
Filtr dolnoprzepustowy sensora obniża optymalne wzmocnienie pętli regulacji automatycznej czyli tłumienie zakłóceń i śledzenie sygnału zadanego, ale jest „złem koniecznym”.
Wyprostowane napięcie sieciowe ( prosty prostownik może być quasi RMS ) można z grubsza tylko dolnoprzepustowo odfiltrować i spróbkować synchronicznie z napięciem sieciowym programem i sprzętem A/D mikrokontrolera. W ten sposób uzyskamy szybkie i niezłe dane pomiarowe. „Kto szybko daje dwa razy daje”
Z uwagi na obecność harmonicznych można od razu przetwarzać A/D napięcie sieciowe próbkując jest conajmniej z częstotliwością 2 KHz.
Ponieważ od dłuższego czasu masowe pamięci Flash i pamięci dyskowe są bardzo tanie ważne zmienne procesowe kontrolowanego obiektu są rejestrowane aby w razie potrzeby później je analizować. Okres rejestracji jest istotny. Czasem potrzebne jest użycie filtracji dolnoprzepustowej aby rejestrować istotne poziomy tłumiąc szumy.
Dawniej do rejestracji używano rejestratorów na taśmie papierowej. Z szerokości linii kreślonej przez piórko rejestratora z atramentem na papierze i szybkości posuwu papieru wynikało maksymalne pasmo sygnału bowiem jeśli sygnał zmieniał się zbyt szybko, to na taśmie była tylko czarna wstęga, faktycznie prawie bez informacji ! Wiadomo z zapisu było jedynie kiedy i w jakim zakresie sygnał się szybko zmieniał.
W systemie energetycznym rejestruje się średni pobór mocy za okres 15 minut.
Moc jednej fazy pulsuje z podwójną częstotliwością sieciową. Przy symetrycznym zasilaniu trójfazowym symetrycznego odbiornika suma chwilowej mocy trzech faz nie ma pulsacji ale w rzeczywistości niewielkie pulsacje są. Aby dokładnie zgadzały się bilanse mocy, moc powinna być mierzona jako całka za okres/y mocy chwilowej bowiem filtry dolnoprzepustowe nie zapewnią zgodności bowiem ich odpowiedz jest przecież splotem od minus nieskończoności czasu.
Pulsacje prądu trójfazowego z invertera zasilającego silnik spadają wraz z częstotliwością modulacji PWM. Ponieważ użycie filtru dolnoprzepustowego jest wykluczone sygnały prądów próbkuje się w środku okresu PWM i ta wartość dobrze przybliża średnią wartość prądów za okres PWM. Wydajne mikrokontrolery mają podwójny przetwornik A/D do jednoczesnego pomiaru próbek prądu dwóch faz zaś układ liczników i generatora PWM pozwala realizować takie zadanie.
Zawsze publikowane są programy testowe pokazujące użycie systemu mikrokontrolera w inwerterze.
Optymalna dla minimalizacji wszystkich strat częstotliwość modulacji PWM invertera zależy od rodzaju użytych kluczy mocy. W historycznych już falownikach z szybkimi tyrystorami częstotliwość modulacji PWM rzadko przekraczała 1 KHz podobnie jak z wyłączalnymi bramką potężnymi tyrystorami GTO.
Królujące obecnie tranzystory mocy IGBT pozwalają stosować większą częstotliwość modulacji ale prawdziwie szybkie są dopiero tranzystory mocy wykonane w SiC i GaN.
Podwyższanie częstotliwości modulacji powyżej 5 KHz straty w silniku obniża już bardzo powoli a pulsacje prądu nie spadają już proporcjonalnie do częstotliwości dlatego że reaktancja silnika z indukcyjności robi się coraz bardziej rezystancją co wynika z własności magnetycznych blach stojana.
Przy częstotliwości modulacji PWM powyżej 10 kHz harmoniczne są już poza zakresem akustycznym ucha człowieka co jest istotne dla komfortu pracowników i użytkowników.
Pasmo programowego regulatora prądu silnika jest proporcjonalne do częstotliwości modulacji PWM. Pasmo to wraz z rozdzielczością enkodera położenia i rezonansami mechanicznymi napędu decyduje o pasmie całego serwonapędu, które powinno być jak najszersze bowiem „czas to pieniądz”. Im większy jest napęd tym z reguły niższe są mechaniczne częstotliwości rezonansowe. Stąd wniosek że używanie wysokich częstotliwości modulacji PWM w napędach dużej mocy w zasadzie nic silnikowi napędu i kompletnemu napędowi nie daje a podnosi straty dynamiczne w kluczach mostka invertera.
Sprawdzenie
1.W programie mikrokontrolera invertera serwonapędu można rozwinięciem w szereg wyliczać potrzebne wartości funkcji sinus lub ją stablicować w przedziale 0..60 Deg jak postąpił Microchip. Cykl elektryczny tutaj to 1024 punkty. Komentarz objaśnia szczegóły.
// This sinewave lookup table has 171 entries. (1024 points per
// electrical cycle -- 1024*(60/360) = 171)
// The table covers 60 degrees of the sine function.
int sinetable[] __attribute__((far,section(".const,r")))=
{0,201,401,602,803,1003,1204,1404,1605,1805,
2005,2206,2406,2606,2806,3006,3205,3405,3605,3804,4003,4202,4401,4600,
4799,4997,5195,5393,5591,5789,5986,6183,6380,6577,6773,6970,7166,7361,
7557,7752,7947,8141,8335,8529,8723,8916,9109,9302,9494,9686,9877,10068,
10259,10449,10639,10829,11018,11207,11395,11583,11771,11958,12144,
12331,12516,12701,12886,13070,13254,13437,13620,13802,13984,14165,
14346,14526,14706,14885,15063,15241,15419,15595,15772,15947,16122,
16297,16470,16643,16816,16988,17159,17330,17500,17669,17838,18006,
18173,18340,18506,18671,18835,18999,19162,19325,19487,19647,19808,
19967,20126,20284,20441,20598,20753,20908,21062,21216,21368,21520,
21671,21821,21970,22119,22266,22413,22559,22704,22848,22992,23134,
23276,23417,23557,23696,23834,23971,24107,24243,24377,24511,24644,
24776,24906,25036,25165,25293,25420,25547,25672,25796,25919,26042,
26163,26283,26403,26521,26638,26755,26870,26984,27098,27210,27321,
27431,27541,27649,27756,27862,27967,28071,28174,28276,28377};
//---------------------------------------------------------------------
// The function SVM() determines which sector the input angle is
// located in. Then, the modulation angle is normalized to the current
// 60 degree sector. Two angles are calculated from the normalized
// angle.
…..................
-Wylicz stworzonym przez siebie programem w C tą tabele i określ średniokwadratowy błąd tego stablicowania funkcji
-Podaj funkcje która dla kąta 0..1023 używając tej tabeli poda wartości trzech sinusów układu trójfazowego.
2.Algorytm szukający A* z dziedziny AI używany jest do szybkich przeszukiwań w przestrzeni drzewiastej a te przestrzenie mogą być potwornie wielkie z kosmiczną ilością ścieżek do sprawdzenia.
Działanie programu z A* sprawdza się początkowo na niewielkich danych aby można było efekty działania prześledzić.
W tym sprawdzeniu użyto go do poszukiwania najkrótszych połączeń kolejowych między dużymi polskimi miastami a w drugim sprawdzeniu do gry.
W tablicach w programie są informacje o współrzędnych geograficznych miast oraz przybliżonych współrzędnych X,Y ( objaśnienie dalej ), circa od zachodu na wschód, od północy na południe: Szczecin, Zielona Góra, Wrocław, Poznań, Gdańsk, Bydgoszcz, Łódź, Katowice, Warszawa, Kielce, Kraków, Olsztyn oraz rzeczywiste odległości z kolejowego rozkładu PKP ale tylko najbliższych połączeń pospiesznych między miastami. Odległości PKP są oczywiście większe niż na ortodromie między tymi punktami.
Algorytm szukający A* ma wybrać najkrótszą trasę między podanymi mu miastami jako liczbami.
Przykładowo najkrótsza trasa z Gdańska do Krakowa jest przez Bydgoszcz, Łódź, Katowice.
Gdy służąca do oceny odległości między punktami i – j funkcja heurystyczna – jasnowidz h(i,j) jest zbyt pesymistyczna to może dojść do pominięcia optymalnego rozwiązania co jest niedopuszczalne i taka funkcja nie może być użyta. Gdy funkcja jest zbyt optymistyczna to przeszukamy w końcu wyczerpująco całe drzewo i użycie algorytmu A* nie ma żadnego sensu.
Odległość między punktami na „kuli” ziemskiej w przybliżeniu wyznacza ortodroma przechodząca przez te punkty i „bawiąc” się w nią użyjemy funkcji trygonometrycznych i innych które są straszliwe powolne.
Polska od zakola Odry koło Osinowa Dolnego do zakola Bugu koło Zosina ma 789 km szerokości i Lambda 24:09. Polska od Jastrzębiej Góry do szczytu Opołonek ma wysokości 649 Km i Delta 5:50. W tablicy podano też dla każdego miasta współrzędne kartezjańskie przy (fałszywym !) założeniu że Polska jest płaska i w skali odległości dla geometrycznego środka ( to jest dość złożone i tutaj szczegóły są nieistotne) Polski koło miejscowości Piątek w łódzkim.
Zaimplementowany algorytm A* jest niezwykle szybki i kiepska heurystyczna funkcja oceny makabrycznie go spowolni.
Już wyliczenie w funkcji odległości w stworzonych ( niedokładnych ) współrzędnych kartezjańskich użyje powolnego pierwiastka z sumy kwadratów.
Metryka Manhattan jako suma wartości bezwzględnych odległości dX i dY może dać rezultat pesymistyczny co jest wykluczone. Można do większej bezwzględnej wartości z dX lub dY dodać mniejszą wartość oczywiście z wagą zawsze mniejszą od 0.41... ( Dlaczego 0.41... ? )
-Znajdź eksperymentalnie całościowo ( suma czasów z jej użyciem w wyszukiwaniach A* ma być najmniejsza ! ) „najszybszą swoją” ( wymyśloną ) heurystyczną funkcje oceny odległości między miastami tak aby zawsze ( trzeba przetestować wszystkie możliwe kolejowe trasy między miastami oprócz bezpośrednich, upewniając się że rezultat wyszukiwania jest zawsze optymalny ) ustalona poszukiwana trasa była optymalna.
-Idea płaskiego kraju ( jak wyżej Polska ) we współrzędnych XY nie może być zastosowana do wielkich krajów jak Federacja Rosyjska , USA i inne. Na obrazku pokazano szukanie kolejowej trasy między Waszyngtonem D.C a Los Angeles.
-Jakie są związki między użytą w tej realizacji algorytmu A* kolejką priorytetową a sortowaniem stogowym Heapsort ?
Cwiczenia.
1.Programatorem można zapisać i odczytać zawartość „równoległej” pamięci CMOS RAM oczywiście statycznej.
Po wyjęciu układu pamięci z podstawki programatora jest ona dalej zasilana poprzez przyłączony potencjometr ( nie ustawiać w pozycji skrajnej ) napięciem z bateryjki a pin /CS podciągnięty opornikiem. Nie wolno dotykać pinów układu. Schemat komórki pamięci i jej organizacja oraz fragmenty jej schematu są w załączniku.
-Jakie jest minimalne napięcie podtrzymujące zawartość tej pamięci ?
-Bez napięcia podtrzymania zawartość pamięci wydaje się przypadkowa po „włączeniu” zasilania ale po bliższym przyjrzeniu się okazuje się że jest tylko połowicznie przypadkowa. Od czego zależy stan komórek pamięci RAM po podaniu zasilania pamięci ?
2.Zasilany z regulowanego autotransformatora zasilacz sieciowy SMPS na napięcie 230Vac pracuje w modzie Forward. Ma scalony kontroler UC3842 i jeden klucz mocy - Mosfet oraz wspólny dławik toroidalny na wyjściach 5 V i 12 V dla zapewnienia współbieżności obu napięć przy zmiennych obciążeniach. Układ ma UC3842 wewnętrzną pętlę prądowa ( adekwatne wcześniejsze rozważania o subharmonicznych ) i w układzie kaskadowym zewnętrzną regulacyjną pętle napięciową. Układy z tej modernizowanej rodziny wydają się ponadczasowe. Zasilacz jest częściowo obciążony rezystorami mocy i przy napięciu zasilania powyżej circa 150 Vac pracuje bez zarzutu. Poniżej tego napięcia zasilania wypełnienie sygnału PWM sterującego Mosfeta zbliża się i robi się większe niż 50 % ( początkowo tylko odcinkami z powodu tętnień napięcia przy chwilowo najmniejszym w okresie 100 Hz napięciu DC z kondensatora prostownika ) i pojawiają się drgania subharmoniczne !
Przeciwdziałanie tym drganiom subharmonicznym omówiono w Notach Aplikacyjnych dla układów UC3842 wielokrotnie i na schematach urządzeń czasem są te rozwiązania.
Na płycie drukowanej PCB zasilacza są nieobsadzone elementy.
-Podaj nazwy elementów które zapobiegną pojawieniu się oscylacji subharmonicznych.
3.Generator LC na jednym tranzystorze pracuje przy częstotliwości około 100 MHz. Bliski odbiornik UKF FM nastrojony na częstotliwość generatora totalnie milczy bowiem szumy generatora są bardzo małe. Po stuknięciu plastikowym długopisem w cewkę generatora rozlegnie się huk z głośnika odbiornika. Potencjometrem montażowym PR regulowany jest prąd emitera tranzystora co zmienia częstotliwość generatora ale o dziwo niewiele. Natomiast generowane na obwodzie rezonansowym LC napięcie jest w przybliżeniu proporcjonalne do prądu DC emitera o ile nie jest on za duży. Gdy ten prąd zwiększymy „nadmiernie” ( regulacja potencjometrem PR jest delikatna ! ) tak że blisko nasycenia tranzystora lub płyciutkim nasyceniu jego parametry się bardzo psują pojawi się w odbiorniku niewielki szum a przy dalszym zwiększeniu prądu zamiast ładnej czystej sinusoidy na oscyloskopie widać szarpaną, zaszumioną a generator zakłóca odbiór stacji FM w odległości nawet ponad megaherca.
-Przy nastawieniu potencjometrem PR minimalnego prądu emitera obniżając napięcie zasilania ( z racji napięcia Ube tranzystora prąd emitera spada szybciej niż napięcie zasilania generatora ) generator w końcu zamilknie. Dla elementów generatora podanych na schemacie wylicz w przybliżeniu minimalny prąd emitera do generacji. Z czego wynika niewielka histereza ?
-Opisz mechanizm stojący za tą generacją pseudo-szumową przy za dużym prądzie emitera.
4.W drugiej połowie lat osiemdziesiątych National Semiconductor wprowadził wielo - innowacyjne, udane, kompletne układy scalone zasilaczy impulsowych rodziny LM25XX. W nowszych układach zamiast klucza mocy bipolarnego zastosowano tranzystor Mosfet o znacznie mniejszych stratach statycznych i dynamicznych. Aplikacja układu jest ekstremalnie prosta. Obniżający napięcie układ LM2596 ma źródło napięcia odniesienia i generalnie wszystkie inne systemy. Wzmacniacz sygnału błędu ma charakterystykę regulatora PI dzięki zastosowaniu układu „active capacitor” Czyli wraz zerem wprowadzonym przez circa rezystancje ESR kondensatora elektrolitycznego ( użyteczny model kondensatora elektrolitycznego jest skomplikowany !) wyjściowego filtru LC regulator pętli jest typu PID ! Pętla regulacji ma dość dobre parametry dynamiczne przy sugerowanych wartościach elementów filtru LC i jakość regulatora jest dobra. Regulator mocno tłumi wejściowe zmiany napięcia zasilania, ma małą impedancje wyjściową i szybko reaguje na zmiany prądu obciążenia. Tętnienia napięcia częstotliwości PWM na wyjściu są bardzo małe. Częstotliwość generatora PWM 150 KHz przy małych obciążeniach jest automatycznie obniżana do 30 KHz aby zachować regulacje napięcia. Maksymalny prąd klucza mocy wynosi 3A ale rozsądne ciągłe obciążenie układu jest do prądu 1A lub mniej.
Producent instruuje że krytyczny jest projekt płyty drukowanej PCB:
„As in any switching regulator, the layout of the printed circuit board is very important. Rapidly switching currents associated with wiring inductance, stray capacitance and parasitic inductance of the printed circuit board traces can generate voltage transients which can geną erate electromagnetic interferences (EMI) and affect the desired operation. As indicated in the Figure 15, to minimize
inductance and ground loops, the length of the leads indicated by heavy lines should be kept as short as possible. For best results, single−point grounding (as indicated) or ground plane construction should be used.”
Zewnętrznym rezystorem można ustalić napięcie wyjściowe regulatora. W katalogu papierowym umieszczono przy nim napis „ Locate the programming resistor near the feedback pin using short leads”
Drugi moduł działa stabilnie ale ma inny projekt PCB i obsadę elementów. Drugi moduł będzie pokazany później.
-Gdzie jest/są błąd / y w wadliwym projekcie ?
5.Selsyny mają już ponad 120 lat. Mają liczne zalety ale też i wady. Cena przemysłowa resolvera do zabudowy ( czyli bez własnych łożysk, wału i odbudowy ) wynosi około 30 dolarów a interfejsy do nich są też drogie. Sprawy wokół resolverów są skomplikowane.
Serwomechanizmowy synchroniczny silnik z magnesami z ziem rzadkich współczesnego robota jest zintegrowany z hamulcem ( nominalne napięcie do odpuszczenia hamulca 24Vdc ) oraz Resolverem ( selsyn przelicznikowy ) i sensorem temperatury „uzwojeń” silnika KTY84. Sensor jest użyteczny bowiem silniki serwomechanizmów są silnie dynamicznie forsowane i o przegrzanie silnika jest nie trudno a wrażliwe na ciepło są też magnesy. Chociaż na tabliczce znamionowej „silnika” są oznaczenia producenta robotów Kuka to zespół jest w rzeczywistości produkcji Siemensa ( jest to narodowy koncern elektrotechniczny Niemiec ) a jego dane są w pliku PDF. Dużym solidnym złączem podaje się napięcie pracy do silnika z invertera i napięcie 24V do hamulca. Na osi silnika jest klucz aby można było po odhamowaniu precyzyjnie obracać wałkiem maszyny.
W mniejszym złączu sygnałowym bloku piny 7,9 o nazwie -Vpp/Vpp służą do zasilania uzwojenia resolvera ( Systemu pomiaru jest amplitudowy a nie fazowy ! W systemie z pomiarem fazy zamieniona jest rola uzwojeń ! ) o nominalnej indukcyjności 3.2 mH rekomendowanym napięciem 5-13Vrms o częstotliwości 4-10 KHz. Rekomendowane jest zasilanie symetryczne ale może być też asymetryczne.
Piny 1,2 – SIN , *SIN to jedno kwadraturowe wyjście resolvera o indukcyjności nominalnej 4.8 mH a piny 11,12 to druga kwadratura COS,*COS. Rekomendowane jest użycie wyjść jako symetrycznych ale może być asymetryczne.
Każda z trzech pary przewodów resolvera w kablu mają swoje osobne ekrany.
W interfejsie sinusoidalny sygnał z modulacją PWM z procesora DSP odfiltrowano filtrem RC i powstały dość czysty sygnał sinusoidalny do zasilania resolverów podano do niewielkich scalonych wzmacniaczy mocy.
-W jakim zakresie zmieniają się indukcyjności resolvera ( użyć miernika RLC ) przy zmianie kąta ?
-Dokładnie obracając osią silnika i używając DVM ( chodzi o zasilanie bateryjne czyli brak połączenia miernika z czymkolwiek poza zaciskami ) zbadaj jakie są wyjściowe napięcia resztkowe w układzie symetrycznym z dwoma rezystorami symetryzującymi 3.3K i w układzie asymetrycznym. Napięcia te względne, generalnie wynoszą dla resolverów 1-3% i są jedną z miar jakości maszyny. Jakiej jakości jest badany resolver ? Z czego wynika napięcie resztkowe ?
-Jaka jest relatywna różnica między SIN a COS w maksymalnym napięciu ?
-Ponieważ z sygnałowego punktu widzenia moc doprowadzonego do zasilania resolvera sygnału sinusoidalnego jest niebanalna to na wyjściu wzmacniacza mocy jest równoległy kondensator „rezonansowy” a dokładniej szeregowy dwójnik RC bowiem jak wiadomo wzmacniacz nie może być obciążony pojemnościowo i stąd stabilizujący szeregowy rezystor. Obecność tego dwójnika w ogóle nie zmienia napięcia wyjściowego wzmacniacza mocy ponieważ impedancja wyjściowa wzmacniacza jest bardzo mała. On ma tylko zmniejszyć pobór mocy z zasilacza dostarczając mocy biernej. Prosty miernik RLC nie mierzy dobroci Q indukcyjności. Korzystając z dołączonego kondensatora foliowego, generatora i oscyloskopu zmierz dobroć L od strony zasilania resolvera przy częstotliwości około 5 KHz i napięciu zasilania 6Vrms.
-Znajdź rezonans wyjść resolvera z pojemnością użytego kabla
-Z zasilonym resolverem i hamulcem do jednego kanału oscyloskopu podaj sygnał wyjściowy SIN z resolvera a do drugiego kolejno pary z generowanego napięcia trójfazowego silnika. Obserwując przy szybszym obracaniu osi silnika ( klucz należy zdjąć z osi ) obwiednie sygnału SIN i generowane silnikiem powolne napięcia liniowe ustal relacje fazową między silnikiem a resolverem. Dlaczego resolver ma zawsze tyle samo par biegunów co zintegrowany silnik ? Jak bardzo jest to wszystko ważne w serwonapędzie ?
Jak zawsze zaskakujesz mnie dużą ilością wartościowych informacji. Super.
OdpowiedzUsuńWitam. Staram się aby nie były za trudne.
OdpowiedzUsuńTen wpis jest bardzo interesujący
OdpowiedzUsuń