Úvod

V poslednom čase sme svedkami rozvoja aplikácie elektrických pohonov v oblasti automobilového priemyslu, ale aj menších dopravných zariadení ako sú bicykle a kolobežky.V súčasnosti je neodmysliteľnou súčasťou všetkých dopravných zariadení palubný počítač, ktorý nás informuje o aktuálnej rýchlosti stavu paliva a mnoho ďalších veličín. Táto práca sa zaoberá návrhom hardvérovej a softvérovej časti palubného počítača na pre kolobežku, ktorý zobrazuje aktuálnu hodnotu napätia napájacej batérie, prúdu, výkonu, rýchlosti kolobežky, prejdenej dráhy a zostávajúceho dojazdu. Ako hlavná riadiaca jednotka je použitý mikrokontrolér MC 56F8013 od firmy Freescale, ktorý obsahuje všetky potrebné súčasti na realizáciu daného zariadenia a je komfortne programovateľný v jazyku C, v ktorom pracuje program CodeWarrior a taktiež sa dajú jednoducho zobrazovať priebehy meraných veličín pomocou programu FreeMaster komunikujúcim s daným mikrokontrolérom.

Funkcie palubného počítača

Meranie napätia

Na meranie je použitý analógovo-digitálny prevodník, ktorý je súčasťou mikrokontroléra používaného v danej aplikácii. Keďže maximálne vstupné napätie do tohto prevodníka je + 3,3 V a merané napätie batérií má 36 V, pri plnom nabití aj viac, je potrebné pre meranie použiť napäťový delič. Principiálna schéma je na obr. 2.1.1.

Obr. 2.1.1 Principiálna schéma pre meranie napätia

Meranie prúdu

Meranie prúdu je uskutočnené pomocou odporu veľmi malej hodnoty a veľkého výkonu zapojenom do spoločnej zeme, na ktorom sa meria úbytok napätia a v programe sa prepočítava na jemu prislúchajúcu hodnotu prúdu podľa Ohmovho zákona. Keďže jeho hodnota je malá musí sa pre vstup do analógovo-digitálneho prevodníka zosilniť pomocou operačného zosilňovača zapojeného v neinvertujúcom režime. Principiálna schéma pre meranie je na obr. 2.2.1.

Obr. 2.2.1 Principiálna schéma pre meranie prúdu

Meranie výkonu

Výkon sa vypočítava pomocou mikrokontroléra na základe meraného napätia a prúdu a následne vyzobrazuje na displeji.

Meranie rýchlosti a prejdenej dráhy

Meranie rýchlosti je prevedené pomocou magnetického čidla, čo je vlastne mikrospínač v puzdre, ktorý sa zopne keď sa k nemu priloží permanentný magnet. A zapojenie pre meranie rýchlosti je znázornené v principiálnej schéme na obr. 2.4.1.

Obr. 2.4.1 Principiálna schéma pre meranie rýchlosti kolobežky

Pomocou čidla sa vytvárajú impulzy. Na vstupe mikrokontroléra je logická úroveň jedna, čo predstavuje +3,3 V, ak sa PM nenachádza v blízkosti spínača a teda nie je zopnutý. Naopak na vstupe je logická nula ak je PM pri spínači a napätie +3,3 V je uzemnené. Priebeh impulzov je na obr. 2.4.2.

Obr. 2.4.2 Priebeh vstupných  impulzov do mikrokontroléra

Pomocou mikrokontroléra sa vypočítava čas trvania impulzu t1 počas jednej otáčky kolesa.Čas t2 je zanedbaný, pretože je veľmi malý. Pomocou známeho obvodu kolesa o sa potom určuje rýchlosť ako:

  
Vzorec 2.4.1
 

Meranie prejdenej dráhy je uskutočnené tak, že po každej otáčke kolesa sa inkrementuje jej hodnota o daný obvod kolesa.

Meranie dojazdu

Meranie dojazdu kolobežky sa robí na základe spotrebovanej elektrickej energie počas jazdy, ktorá sa odpočítava od plnej enegie batérie a dá sa vypočítať podľa vzťahu:

Vzorec 2.5.1
 

a v diskrétnom režime pre mikrokontrolér:

Vzorec 2.5.2
 

A potom zostávajúca energia sa vypočítava ako:

Vzorec 2.5.3
 

V ďalšom kroku je potrebné poznať strednú rýchlosť a stredný výkon, ktorý sa v programe vypočítava vždy z určitého počtu posledne získaných vzoriek vzoriek:

Vzorec 2.5.4
 

Zo zostávajúcej energie batérie sa dá potom vypočítať zostávajúci čas dojazdu ako:

Vzorec 2.5.5
 

a zostávajúca dráha:

Vzorec 2.5.6
 

Fotodokumentácia

Obr. 3.1 Pohľad na dosku plošného spoja spredu
 

Obr. 3.2 Pohľad na dosku plošného spoja zozadu
 

Obr. 3.3 Palubný počítač osadený v skrinke
 

Schéma zapojenia

 

Záver

Palubný počítač bol prakticky realizovaný, aplikovaný na kolobežku a obsahuje všetky funkcie spomenuté v danom článku. Jeho využitie je možné pre všetky kolobežky aj bicykle poháňané elektrickým pohonom. V budúcnosti je možné rozšírenie o ďalšie funkcie. 

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za podpory Katedry výkonových elektrotechnických systémov Žilinskej univerzity v Žiline v rámci Freescale Technology Day 2010. Zvláštne poďakovanie patrí Ing. Pavlovi Makyšovi, PhD a Ing. Vladimírovi Vavrúšovi, PhD za cenné rady a informácie.

Zoznam literatúry

• MOTOROLA: DSP_Quick_Start Users Manual, Targeting Motorola
• http://www.freescale.com/files/dsp/doc/data_sheet/MC56F8013.pdf
• http://www.lcd-module.de/eng/pdf/doma/dog-me.pdf

Odkazy

• Domovská stránka Freescale Semiconductor, Inc - http://www.freescale.cz
• Domovská stránka Freescale Technology Day v Žilině - http://www.ftd.uniza.sk/FTD/
• Domovská stránka Katedry výkonových elektronických systémů (KVES) Žilina - http://www.kves.uniza.sk
• Domovská stránka Žilinské univerzity - http://www.uniza.sk
• Domovská stránka Československé sekce IEEE - http://www.ieee.cz/
• Domovská stránka IEEE Industry Applications Society - http://ewh.ieee.org/soc/ias/
• Domovská stránka IEEE Industrial Electronics Society - http://ieee-ies.org/