پیش از کنترل حلقه بسته ابتدا در مورد پایداری دینامیک ثابت صندلی چرخدار، توضیحاتی داده می شود.
البته در اینجا پایداری حول محوری که در امتداد مسیر حرکت است، بررسی خواهد شد که مهمترین حالت پایداری نیز می باشد.
اگر مسیر صاف بوده و در هیچ جهتی شبیه نداشته باشد بدست آوردن حداکثر سرعت صندلی، برای حفظ پایداری، ساده است ولی اگر بخواهیم پایدرای را در سطوح شیب دار بررسی کنیم، آنگاه مسأله قدری پیچیده خواهد بود.
ابتدا برای ساده، حداکثر سرعت را به دست می آوریم: مطابق شکل (2-4) برای حفظ پایداری باید مجموع گشتاور هایی که به مرکز جرم (CG)[1] ، حول خطی که چرخهای عقب و جلو را به هم وصل می کند، وارد می شود، برابر صفر باشد: شکل (4-2): نیروهای وارد شده به مرکز جرم (16-4) که در آن D نصف فاصله چرخهای عقب و L ارتفاع مرکز جرم از زمین می باشد.
مطابق شکل (3-4) یک دستگاه مختصات متصل به صندلی در نظر می گیریم.
شکل (3-4): دستگاه مختصات صندلی چرخدار فرض می کنیم که مرکز جرم صندلی چرخدار درست در بالای وسط پاره خط متصل کننده چرخهای عقب واقع است.
با این فرض مختصات مرکز جرم و نقطه تماس چرخ عقب با زمین در مختصات صندلی که با اندیس 1 مشخص می شود، به شکل زیر می باشد.
مارتریسهای تبدل مختصات به صورت روابط (18-4) می باشند: (18-4) برای به دست آوردن ماتریس تبدیل از مختصات صفر (مرجع) به مختصات 1 باید ماتریسهای فوق را در هم ضرب نماییم: ماتریس تبدیل از مختصات 1 به 0 معکوس ماتریس (19-4) می باشد: (20-4) تصویر بردارهای L و D در صفحه را که به ترتیب با نمایش می دهیم می توان با استفاده از تبدیل (20-4) بدست آورد: (21-4) (22-4) در مرجع [1] ثابت شده است که حداکثر سرعت مجاز صندلی چرخدار برای دور زدن حول دایره ای به شعاع r از رابطه (23-4) بدست می آید.
که در آن به ترتیب تصویر بردارهای و در صفحه از دستگاه مختصات مرجع می باشند.
با توجه به رابطه از رابطه های زیر به دست می آید.
(24-4) متغیر را به صورت (25-4) معرفی می کنیم: (25-4) با توجه به اینکه بردارهای D و L در دستگاه مختصات صندلی بر هم عمودند در نتیجه در دستگاه مختصات مرجع نیز بر هم عمود خواهند بود، با استفاده از تعریف از رابطه (26-4) به دست می آید.
(26-4) حال با استفاده از رابطه (23-4) و (24-4) الی (26-4) می توان حداکثر سرعت صندلی چرخدار را در هر مسیر دلخواه به گونه ای بدست آورد که با توجه به شکل (3-4) پایداری حول محور x حفظ شود.
به عنوان مثال حالت ساده مسیر صاف بدون هیچگونه شیب را درنظر می گیریم در نتیجه داریم: با جایگذاری مقادیر در رابطه (13-4) مقدار V بدست می آید.
که دقیقاً منطبق بر مقدار بدست آمده از رابطه (16-4) می باشد که مستقیماً آنرا به دست آورده بودیم.
حال بررسی کنترل حلقه بسته را ادامه می دهیم: 4-4-بررسی کنترل حلقه بسته برای کنترل حلقه بسته لازم است که در ابتدا مدلی از صندلی چرخدار الکتریکی که توسط انسان هدایت می شود، ارائه کنیم.
در این مدل سعی داریم که تابع شبکه ای برای صندلی چرخدار به دست آوریم که خروجی آن موقعیت صندلی چرخدار و ورودی مسیر مورد نظر استفاده کننده باشد.
این تابع شبکه شامل بلوکهای زیر می باشد.
شکل (4-4): دیاگرام بلوکی سیستم صندلی چرخدا الکتریکی با کنترل انسان در مرجع [1] مدل تصمیم گیری راننده به شکل زیر معرفی شده است.
(27-4) که در این رابطه اصلاح زاویه چرخهای جلو و انحراف سیستم از مسیر مورد نظر است.
ضریبی وابسته به وضعیت فیزیولوژیکی و روانی راننده، زمان پاسخ راننده میزان نمایانی مسیر و V سرعت صندلی چرخدار است.
تابع شکل موتورها در بخش (5) توضیح داده خواهد شد و خواهیم دید که به دلیل زیاد قطبهای الکتریکی و مکانیک می توان موتور را یک سیستم درجه اول فرض کرد: (28-4) تنها بلوک باقیمانده مدل انحراف صندلی چرخدار از مسیر مستقیم، بر اساس زاویه انحراف چرخهای جلو[2] است.
با توجه به شکل (5-4) می توان رابطه (29-4) رانوشت.
شکل (4-5): سینماتیک صندلی چرخدار تحت کنترل انسان (29-4) با فرض کوچک بودن زوایا می توانیم روابط (29-4) را به شکل زیر خطی نمائیم تا بتوانیم یک مدل خطی از سیستم ارائه کنیم.
(30-4) با تعریف اپراتور به عنوان مشتق گیر می توانیم معادلات (30-4) را به شکل ماتریس بنویسیم.
با حل این معادله ماتریسی برای با استفاده از روش کرامر خواهیم داشت: که در آن دترمینال ماتریس ضرایب است.
با انجام محاسبات و بدست آوردن مقادیر دترمینالها داریم: با گرفتن تبدیل پالاس ساده سازی خواهیم داشت: حال دیاگرام بلوکی شکل (5-4) را با جایگزینی مقادیر ، می توان به شکل زیر ساده کرد.
شکل (6-4): دیاگرام بلوکی کامل شده شکل (5-4) می بینیم که با وجود هم ساده سازیهای ممکن سیستم بسیار پیچیده است.
بنابراین کنترل آن اگر بخواهد با شکلی جامع انجام گیرد، بسیار پیچیده می شود به طوری که بجز با یک سیستم میکروپرسسوری که بتواند اطلاعات رسیده از سنسورهای مختلف را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد.
پیاده سازی آن امکان پذیر نخواهد بود.
درادامه انواع روشهای موجود برای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است.
5-4-روشهای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی 1-5—4-کنترل کننده ها قابل تنظیم [3] صندلیهای چرخدار الکتریکی را می توان با روشهایی مبتنی بر سیستمهای آنالوگ و یا دیجیتال کنترل نمود.
در مدارهای دیجیتال میکروکنترولرها هم خود صندلی و هم موتورها را کنترل می کنند استفاده از میکروکنترلرها کنترل قابل انعطافی که ورودیهای مختلفی اعم از آنالوگ یا دیجیتال دارد را ممکن می سازد.
معمولاً پارامترهایی که می توان آنها را تنظیم کرد عبارتند از حداکثر سرعت خطی، حداکثر سرعت وشتاب زاویه ای، شتاب و حرکت ترمز و پارامترهای فیلتر ورودی.
البته پارامترهای فوق از طریق روشهای آنالوگ نیز قابل پیاده سازی است ولی مزیت عمده کنترولهای میکروپروسسوری امکان پیاده سازی الگوریتم های دینامیک کنترل است.
کنترل صندلیهای چرخدار الکتریکی با استفاده از روشهای کنترل فیدبک دار بر پایه میکرو پروسسورها بسیار بهبود یافته است.
کنتر فیدبک دار عموماً استفاده می شود تا سرعت مورد نظر استفاده کننده مستقل از شیب و ناهمواریهای مسیر به صندلی چرخدار اعمال می شود.
به عنوان مثال وقتی کاربر سرعت خاصی را مشخص می کند سرعت صندلی چه در هنگام بالا رفتن از شیب و چه در هنگام پائین آمدن از آن تغییر نکند.
برای انجام این کار فرضهای ساده کننده زیر در نظر گرفته شده است.
فقط نیروهای عمودی به چرخهای هدایت کننده جلو وارد می شود.
چرخهای کوچک جلو به میزان مساوی تحت بار هستند.
مرکز جرم مجموعه نسبت به صندلی ثابت است.
چرخها نمی لغزند.
تغییرات در شیب مسیر، تدریجی است.
روشهای کنترل فیدبک دار به خصوص اگر با میکروکنترولر ساخته شوند استفاده از صندلی را برای شخص بسیار آسان می کند.
کافیست که شخص سرعت و جهت را توسط یک جوی استیک و یا هر وسیله ورودی دیگری مشخص کند؛ میکرو کنترولر سرعت و جهت فعلی را توسط سنسورها حس کرده و فرمانهای مناسب را به موتورها برای رسیدن به سرعت و جهت مطلوب صادر می نماید.
یکی از مهمترین مسائل در کنترل میکرو پروسسوری سیستمها مسأله نمونه برداری است که عملکرد سیستم حلقه بسته را تحت تأثیر قرار می دهد.
نمونه برداری سریع سیستم را همانند حالت پیوسته آنالوگ مدل می کند و در نتیجه پاسخ مدل بسیار شبیه تر به پاسخ واقعی سیستم خواهد بود.
فرکانس نمونه برداری به دلیل محدود بودن سرعت میکروپروسسور، سنسورها و اعمال کننده ها و همچنین نرم افزار، نمی تواند خیلی زیاد باشد.
پریود نمونه برداری برابر 0.01 ثانیه عموماً برای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی معمولی کافی بوده و به راحتی قابل دستیابی است.
2-5-4-کنترل با سنسورهای یا همکار هدف از این نوع کنترل افزایش قابلیت های حرکت کاربر با سپردن وظایف مربوط به هدایت صندلی به یک سیستم کنترل اتوماتیک است.
این سیستم کنترلی از آنجا که تصمیم گیری بیشتری انجا می دهد دارای سنسورهای متعدد داخلی و خارجی می باشد به همین دلیل آنرا کنترل مبتنی بر سنسورها می نامند.
در این روش به دلیل وجود سنسورهای زیاد، پردازش اولیه خروجیهای سنسورها پیش از انتقال آن به کنترل کننده اصلی حائز اهمیت است.
پردازش اولیه: سیگنالهای ورودی ممکن است متغیر و یا ثابت باشند.
منظور از ثابت این است که توسط یک کلید که چند حالت می تواند داشته باشد، انتخاب می گردد.
سیگنالهای ورودی متغیر سیگنالهای خروجی وسائلی مثل جوی استیک می باشند.
سیگنال خروجی سنسورها و یا وسائل ورودی را می توان مستقیماً به کنترل کننده داده و یا اینکه ابتدا روی آن پردازش صورت داد و سپس به کنترل کننده منتقل می کنیم.
پردازش اولیه ممکن است بسیار ساده فقط با فیلتر کردن سیگنال ورودی و آنالوگ و یا متوسط گیری مثلثی سیگنال دیجیتال انجام شود و یا اینکه در آن از روشهای پیچیده ای مثل شبکه عصبی و یا منطق فازی استفاده گردد.
روشهای پیچیده تری نیز برای حذف نویز به کار گرفته می شود.
فیلتر کردن ساده ممکن است قدرت سیگنال اصلی که همان سرعت و جهت مورد نظر کاربر است را کاهش دهد.
یکی از انواع نیوز، ارسال سیگنالهای ناخواسته توسط وسایل ورودی می باشد.
به عنوان مثال اگر جوی استیک را در نظر بگیریم، در حالت استراحت نیز ممکن است سیگنالهایی از خود ارسال نماید.
این سیگنالها حتی وقتی که جوی استیک در حال کار است نیز ممکن است ارسال شود.
بااین توضیح یک روش وقتی ورودی دستگاه در وضعیت خنثی است اطلاعات ارسال شده توسط آن ثبت می شود.
از این اطلاعات می توان برای آموزش یک شبکه عصلی و یا پیاده کردن یک منطق نازی استفاده کرد.
اطلاعات ارسالی در وضعیت خنثی را می توان اندازه گیری کرد و به عنوان یک نویز زمینه برای ساختن یک فیلتر حذف نویز وقتی به کار برد .
پردازش اولیه کاربردهای گسترده تری دارد ولی در اینجا با ذکر این نکته که می توان با پردازش اولیه تصمیم های مناسبتری در هنگام بروز خطا گرفتن این قسمت را به پایان می بریم.
حالتهای مختلف ورودی و وضعتی سیستم در حافظه ضبط می شود .
حال دستورات جدید صادر شده توسط کاربرد و متعاقب آن حرکت صندلی برای آن تا حدودی شبیه به دستورات قبلی باشد در غیر این صورت یک پیغام خطا به کاربر ارسال خواهد شد.
استراتژی کنترل سنسورهای داخلی سنسورهای خارجی بلوک تصمیم گیرنده سنسورهای داخلی وضعیت صندلی چرخدار را منتقل می کنند.
منظور از وضعیت پارامترهایی مثل سرعت صندلی چرخدار، میزان شارژ باطریها، جریان موتورها، درجه حرارت موتور و وضعیت قسمتهای مکانیکی، می باشد.
سنسورهای خارجی به منظور اندازه گیری جهت، فاصله و نحوه ارتباط اجسام اطراف نسبت به صندلی چرخدار، استفاده می شوند.
سنسورهای خارجی شامل آشکار سازه های مادون قرمز، مبدلهای اولتراسوند سنسورهای مغناطیسی و سیستم های بینایی ماشین می باشند.
این سنسورها می توانند به تشخیص موانع بالقوه خطرناک برای کاربر و همچنین جلوگیری از برخورد به آنها کمک کنند.
البته سنسورها نمی توانند مستقیماً مانع از برخورد شوند بلکه اطلاعات لازم را به قسمت کنترل منتقل میکنند.
به عنوان مثال در مواقعی که کاربر به علل مختلف نمی تواند به طور دقیق مسیر صندلی را تنظیم کند با استفاده از سنسورهای خارجی، یک سیستم کنترل را می توان چنان طراحی کرد که مسیر تقریبی را از کاربر دریافت کرد و سپس مسیر دقیق را با در نظر گرفتن از موانع و خطرهای موجود خود تعیین کند.
بدین طریق کنترل صندلی با مشارکت کاربر و یک سیستم کنترل اتوماتیک انجام می گیرد و میزان این مشارکت به توانایی های کاربر بستگی خواهد داشت.
این روش کنترل بر اساس دو مدل مختلف عمل می کند: مدل تصمیم گیری انسان.
مدل رفتاری انسان.
برای استفاده از مدل تصمیم گیری انسان باید مدلی از نحوه استخراج پارامترهای کنترلی از روی اطلاعاتی بدست آمده از سنسورها، توسط کاربر، بدست آورد.
مدلهای معین به این منظور مناسب نیستند.
مدلهایی که بر اساس تئوری احتمال ارائه می شوند از داده های واقعی برای تشخیص مشخصات کاربر که بر روی تصمیم گیری او مؤثر هستند استفاده می کنند.
بر اساس پارامترهای اندازه گیری شده مثل جهت، سرعت، موقعیت بدن و تأخیر های زمانی، احتمالی اینکه کاربر به یک مود که از قبل تعریف شده برود، محاسبه می شود: مود انتخاب شده یکی از مودهایی خواهد بود که بیشترین احتمال را دارند.
برای حل این مسأله با استفاده از منطق فازی بسیار مناسب خواهد بود.
مدلهای رفتار انسان فرض می کند که عملکرد راننده را می توان در چند بخش اساسی طبقه بندی کرد.
به عنوان مثال می توان سه گروه مهم حرکت صندلی چرخدار را به شکل زیر تعریف کرد.
1-حرکت با سرعت بالا در این روش مشخصه های استخراج می شوند که مربوط به حرکت صندلی چرخدار درمکانهایی است که سرعت در آنها زیاد و موانع بسیار کم بوده و در حالت کلی مشخصه های حرکت در فضای آزاد می باشد.
2-حرکت با مانورهای زیاد این شیوه مخصوص مکانهایی است که تعداد زیادی مانع وجود داشته مثلاً حرکت در یک اتاق که لوازم مختلفی در آن وجود دارد و یا حرکت از یک اتاق به اتاق دیگر.
3-مستقر نمودن در یک محل در این روش در مواقعی است که کاربر قصد از عبور از مانع را ندارد به عنوان مثال می خواهد نسبت به یک مسیر و یا حالتی شبیه به آن مستقر شود.
کاربر می تواند با استفاده از یک کلید و یا هر وسیله ورودی دیگر هر یک از این سه روش را انتخاب نماید سپس سیست کنترل بر آن اساس صندلی را کنترل خواهد نمود.
3-5-4- کنترل تحمل پذیر خطا مجموعه صندلی چرخدار الکتریکی و کاربر پیچیده تر از آن است که بتوان دینامیک آنرا توسط یک مدل ریاضی دقیق تعریف نمود.
کنترل کننده های وقفی مبتنی بر منطق فازی وشبکه عصبی در مواقعی که مدل سیستم را نمی توان به طور دقیق تعیین کرد، عملکرد بهتری نسبت به کنترل کننده های کلاسیک داردند که علت آن کاهش میزان عدم قطعیت مدل با استفاده از تخمین پارامترها به صورت پیوسته می باشد.
کنترل کننده های وفقی وقتی که به یک دینامیک مدل نشده و یا یک اغتشاش پیش بینی نشده برخورد کنند (مثلاً هنگامی که در سخت افزار صندلی و کنترل کننده آن اختلال ایجاد شود) ممکن است که ناپایدار شوند.
کنترل تحمل پذیرخطا روشی است که بر عملکرد کنترل کننده های پیشرفته نظارت می کند و مواقعی که رفتار سیستم غیر عادی شود، تصمیم مناسب را اتخاذ می کنند.
قبلاً نیز توضیح دادیم که صندلی چرخدار الکتریکی فقط در مواقعی که کاربرد دچار مشکلات عمده حرکتی است استفاده می شود بنابراین اگر هنگام حرکت، یک المان آسیب ببیند آنگاه ممکن است خطرات بسیار زیادی متوجه کاربر شود.
نقش کنترل تحمل پذیر خطا در این مواقع این است که تا حد امکان کنترل شخص بر سیستم حفظ شود و اینکه صندلی را به یک نقطه امن هدایت نماید.
6-4-سازگاری الکترومغناطیسی نویز اکلترومغناطیسی به دو گروه عمده تقسیم می شود: [5] نویز هدایتی نویز تشعشعی نویز هدایتی به دلیل صفر نبودن امپدانس مسیر زمین و همچنین به دلیل وجود خازنهای پارازیت، از یک مدار به مدار دیگر هدایت می شود.
این نوع نویز در مداراتی که در آنها عمل کلید زنی اتفاق می افتد، نمود بیشتری دارد.
در لحظه ای که کلید روشن و یا خاموش می شود، پیکهای ولتاژی ناخواسته ای در زمین مشترک مدار ظاهر می شود که بهصورت نویز برای بقیه مدار عمل می کند.
هر چه فرکانس سوئیچینگ و دامنه ولتاژ و جریان در لحظه سوئیج بیشتر باشد، نویز تولید شده بیشتر خواهد بود.
در صندلی چرخدار الکتریکی عمده ترین منبع تولید این نوع نویز، المان سوئیچ قدرت که در این پروژه ماسفت انتخاب شده است می باشد.
نویز تولید شده از طریق خازن های پارازیت به سایر قسمتها و همچنین بدن شخص منتقل می شود و اگر تجهیزات کمکی حساسی برای فرد مورد استفاده قرار گرفته باشد، باید به این مسأله دقت کافی مبذور داشت.
نویز تشعشعی از طریق میدانهای الکتریکی و یا مغناطیسی به مدار منتقل می شود.
صندلیهای چرخدار الکتریکی در معرض تشعشعات الکترومغناطیسی موجود در محیط اطراف می باشند که اگر مقدار آن زیاد باشد باید برای اطمینان از ایمنی سیستم تمهیداتی را به کار برد.
مدارهای دیجیتال و میکروکنترولرها در کنار مزایایی بی شمار، در مقابل تشعشعات الکترومغناطیسی و دشارژ الکترواستاتیک بسیار حساس هستند.
بسیاری از کاربردهای صندلی چرخدار الکتریکی لوازمی مثل پخش ماشین کامپیوتر و وسایل مخابراتی را به صندلی خود وصل می کنند که همه از یک باطری استفاده می کنند.
این امر باعث می شود امکان انتقال نویز از یک سیستم به سیستم دیگر بسیار زیاد باشند.
بنابراین صندلی چرخدار در معرض نویز هدایتی و نویز تشعشعی می باشد.
شدت میدان الکتریکی ناشی از یک تلفن همراه 15 W برابر 20 V/m بوده و این شدت برای یک سیستم 1 W برابر 8 V/m می باشد.
وزارت دارو و غذای آمریکا جدیداً پیشنهاد کرده است که یک سیستم هشدار دهنده برای نویز تشعشعی چرخدار نصب گردد.
آزمایشهای مختلفی انجام داده است بیانگر این مطلب است که بعضی از صندلی های چرخدار الکتریکی در مقابل میدانهایی برابر V/m 5 نیز حساس می باشند.
که معادل شدت میدان تولید شده توسط یک فرستنده رادیویی 4W در فاصله دو متری است.
برای مقابله با نویز الکترومغناطیسی علاوه بر جلوگیری از ورود نویز به سیستم می توان با استفاده از کنترل تحمل پذیر خطا بسیاری از مشکلات به وجود آمده ناشی از نویز را به راحتی حل نمود.
خلاصه در ابتدا پروتکلی برای حرکت صندلی بر اساس حرکت جوی استیک تعریف شد که با آنچه در ظاهر تصور می شود کمی متفاوت می باشد.
با آنالیز دینامیک ثابت، رابطه ای برای بدست آوردن سرعت صندلی به منظور حفظ پایداری حول محوری که در امتداد حرکت است، معرفی شد.
تابع شبکه به دست آمده برای سیستم صندلی چرخدار با در نظر گرفتن کنترل انسان، پیچیدگی آنرا مشخص می کند.
در انتها نیز به اجمال، انواع نویز موجود در سیستم صندلی چرخدار الکتریکی را بررسی کردیم.
فصل پنجم طراحی قسمتهای مختلف مقدمه در این فصل در مورد طراحی قسمتهای مختلف توضیح خواهیم داد.
مدار به دو روش آنالوگ در مورد طراحی قسمتهای مختلف توضیح خواهیم داد.
مدار به دو روش آنالوگ و دیجیتال پیاده سازی شده است.
ابتدا در مورد نحوه پردازش فرمان جوی استیک توضیح داده و سپس چگونگی تولید سیگنال PWM توضیح می دهیم.
برای انتخاب فرکانس سوئیچینگ پارامترهای موتور استخراج گردیده و با مدل موتور در Spice فرکانس برشگری انتخاب شد.
چگونگی روشن و خاموش کردن سریع ماسفتها، با توجه به خازن ورودی آنها را بررسی خواهیم کرد.
در ادامه نحوه به کارگیری مدار دیجیتال را توضیح داده و آنرا با مدار آنالوگی مقایسه خواهیم کرد.
روشهای ساخت مدار با توجه به آنچه در مورد کنترل صندلی چرخدار در فصل چهار گفته شد به دلیل پیچیدگی، ابتدا صندلی را به صورت حلقه باز کنترل می کنیم.
البته فقط مدار کنترل حلقه باز خواهد بود و در نهایت کل سیستم توسط کاربر به صورت حلقه بسته کنترل می شود.
به این صورت که اگر صندلی چرخدار در مسیر مورد نظر کاربرحرکت نکند، شخص با دادن فرمان مناسب توسط جوی استیک، مسیر را اصلاح خواهد نمود.
برای هدایت صندلی چرخدار نیز سرعت چرخهای چپ و راست مناسب با حرکت جوی استیک در جهتهای x و y باید برابر با مقادیر بدست آمده از روابط (14-4) و (15-4)، باشد.
معنی دیگر کنترل حلقه باز این است که به جای سرعت چرخها ولتاژ دو سر موتور های چپ و راست را، به ترتیب متناسب با (y+x) و (y-x) تغییر دهیم.
البته در شرایط عادی که مسیر صاف و هموار بوده وشیب نداشته باشد، تقریب فوق خیلی دور از واقعیت نیست.
برای اعمال ولتاژ مناسب به موتورها از دو مدار می توانیم استفاده نماییم: مدار کنترل کننده آنالوگ مدار کنترل کننده آنالوگ مدار کنترل با استفاده از هر دو روش، طراحی و ساخته شد.
در ادامه، این دو روش را بررسی نموده و با یکدیگر مقایسه خواهیم کرد.
علت وجود الزامی یک بخش آنالوگ در هر دو روش، فرکانس بالای سوئیچینگ می باشد.
پائین بودن سرعت میکروهای معمولی مانع استفاده از آنها به این منظور می باشد.
بنابراین به مداری نیاز داریم که بتواند سیگنال PWM مناسب را با فرکانس و دوره کار مورد نظر تولید نماید.
به طور کلی مراحل کار به صورت زیر می باشد: با توجه به توضیحات داده شده بلوکهای مولد PWM و ماسفت در هر دو روش ثابت است.
ولی بلوکهای اول و دوم متفاوت خواهند بود.
در اینجا ابتدا طراحی مدار آنالوگ را توضیح می دهیم: 1-5-پیاده سازی به روش آنالوگ مطابق روابط (14-4) و (15-4) برای هدایت مناسب صندلی چرخدار بر اساس انحراف جوی استیک سرعت چرخهای چپ و راست باید به شکل زیر باشد.
(1-5) که در آن x,y ولتاژهایی هستند که توسط دو مقاومت متغیر جوی استیک تولید می شوند.
از رابطه (1-5) مشخص است که اگر به عنوان مثال () منفی شود.
آنگاه سرعت چرخ چپ باید منفی شود و به عنوان دیگر موتور مربوط به چرخ چپ در جهت معکوس بچرخد.
یعنی که سرعت آن برابر با بوده فقط جهت آن عوض خواهد شد.
بنابراین با منفی شدن و سرعت موتور را برابر مقدار قدر مطلق آنها تنظیم کرده و همانطور که در قسمت (3-3) گفتیم، با یک رله ولتاژ موتور را معکوس می کنیم.
با توجه به نکته فوق مبحث طراحی را ادامه می دهیم: مدارهای شکل (1-5) عمل جمع و تفریق را انجام می دهند: شکل (1-5): جمع کننده و تفریق کننده آنالوگ برای شبیه سازی تابع قدر مطلق دو روش وجود دارد: 1-استفاده از پل دیودی مطابق شکل (2-5) با صرف نظر کردن از افت ولتاژ دیودها که اگر ژورمانیوم باشند به دلیل کم بودن جریان، فرض اشتباهی نیست.
این مدار عمل قدر مطلق گرفتن را انجام می دهد.
مزیت آن سادگی بسیار زیاد آن است.
عیب این مدار این است که زمین ولتاژ ورودی و خروجی مشترک نیست، در نتیجه استفاده از مدار برای منظور ما مناسب نمی باشد.
مزیت دیگر این مدار این است که نیاز به تغذیه ندارد و عملکرد آن تا ولتاژ شکست دیودها، مستقل از ولتاژ ورودی می باشد.
البته اگر دامنه سیگنال ورودی و خروجی خیلی کوچک باشد، به علت افت ولتاژ دیودها نمی توان از آن استفاده کرد.
شکل (2-5): پیاده سازی تابع قدر مطلق با پل دیودی 2-یکسو سازی تمام موج ایده آل یکسوساز تمام موج ایده آل از دو قسمت تشکیل شده است: یکسوسازی نیم موج ایده آل و مدار جمع کننده.
در شکل (3-5) یکسوساز نیم موج ایده آل نشان داده شده است.
شکل (3-5): یکسوساز نیم موج ایده آل حال اگر خروجی این مدار را در 2 ضرب کرده و با ولتاژ ورودی و خروجی جمع کنیم، حاصل یکسوساز تمام موج ایده آل می باشد که در شکل (4-5) آمده است: شکل (4-5): یکسوساز تمام موج ایده آل به علت دو برابر شدن ولتاژ ورودی، تغذیه OPAMP ها باید دو برابر حداکثر ورودی و خروجی به اضافه یک با دو ولت باشد تا اشباع نشود برای حل این مشکل در قسمت جمع کننده و تفریق کننده سیگنال خروجی را در ضریب ضرب کردیم.
و در نهایت در خروجی مدار یکسوساز تمام موج این ضریب جبران شده است.
به منظور دقیق بودن مقاومتها و نسبت آنها، همه مقاومتها ازنوع %1 و با مدار انتخاب شده است.
نحوه تضعیف در مدار جمع کننده و تفریق کننده به ترتیب در شکلهای (5-5) و (6-5) نشان داده شده است: شکل (5-5): نحوه تضعیف سیگنال خروجی جمع کننده شکل (6-5): نحوه تضعیف سیگنال خروجی تفریق کننده با توجه به امپدانس ورودی کمی که جمع کننده و تفریق کننده دارند (حداکثر و از طرف دیگر منبع x و y سیگنالهای دریافتی از جوی استیک می باشد که امپدانس خروجی زیادی دارد.
برای حل این مشکل مطابق شکل (7-5) x و y را پیش از اعمال به مدار از جوی استیک بافر می کنیم.
شکل (7-5): نحوه بافر کردن خروجی جوی استیک با ساخته شدن سیگنالهای و باید چرخها سرعتی متناسب با آنها داشته باشند.
اینکه چرخ چه سرعتی دارد و آیا سرعت آن برابر مقدار مورد نظر است یا نه نیازمند به گرفتن فیدبک از سرعت چرخ می باشد که در این پروژه مطرح نیست.
به همین منظور کاری که انجام می شود اعمال متوسط ولتاژی متناسب با به موتور است.
در مواقعی که وسیله در سطح هموار و یا در سطح شیب دار اعمال به طور مستقیم حرکت می کند،این فرض که سرعت موتور متناسب با ولتاژ آن است فرض درستی است.
ولی اگر صندلی بخواهد در شیب دور بزند و مانورهایی شبیه به این انجام دهد آنگاه این فرض به هیچ وجه صادق نیست ونیاز به کنترل کننده های پیچیدهتری دارد که بتواند صندلی را به نحو مطلوب هدایت نماید.
بنابراین هدف فقط اعمال متوسط ولتاژی متناسب با و به موتورها می باشد.
به عبارت دیگر از آنجا که روش کنترل PWM است، باید مداری ساخته شود که متناسب با و دوره کار سیگنال PWM را تغییر دهد.
1-1-5-کنترل کننده PWM برای تولید سیگنال PWM از تراشه TL494 استفاده می کنیم.
در شکل (8-5) پایه های این IC و نمای بلوکهای داخلی آن نشان داده شده است: شکل (8-5): تراشه TL494 TL494 کنترل کننده PWM می باشد.
اساس این کار این نوع تراشه به این صورت است که توسط یک نوسان داخلی که فرکانس آن با مقاومت و خازن خارجی تعیین می شود یک موج داندانه اره ای تولید می کند.
با مقایسه این موج با یک ولتاژ DC موج PWM بادوره کار مورد نظر تولید می گردد.
طبق مشخصات TL494 که در ضمیمه (4) آمده است حداکثر جریان ترانزیستور خروجی TL494، 250 mA می باشد.
در ادامه با بررسی جریان مورد نیاز برای روشن و خاموش کردن سریع ماسفتها خواهیم دید که جریان مذکور به این منظور کافی نمی باشد.
2-2-5-محاسبه جریان گیت ماسفت سوئیچ مورد استفاده، همانطور که در قمست (4-3) توضیح داده شد، یک MOSFET قدرت با شماره IRFP150 می باشد که یک المان (100V , 40A) است.
مقاومت ورودی ماسفت در حالت DC بسیار زیاد است و گیت آن جریان بسیار کمی درحد چند نانو آمپر می کشد.
اما خازن قابل ملاحظه ای بین ترمینالهای گیت و سورس وجود دارد.
این خازن باعث می شود که برای رساندن ولتاژ گیت به حدود 15V برای روشن کردن و همچنین رسانیدن ولتاژ به صفر یا منفی برای خاموش کردن نیاز به جریانهای نسبتاً زیادی داشته باشیم.
در اینجا به طور کلی مسأله فوق را بررسی می نماییم.
در شکل (9-5) جریانهای لازم برای روشن کردن یک ماسفت با توجه به خازنهای ورودی آن نشان داده شده است.
شکل (9-5): جریانهای کشیده شده از گیت هنگام روشن شدن خازن خازن بین پایه های گیت و سورس است که خازن ورودی است و با نمایش دده می شود.
خازن بین پایه های گیت و درین است که با نمایش داده می شود.
[6].
هنگام تحریک گیت برای آنکه ولتاژ آن در مدت به 15 ولت برسد جریان لازم برای شارژ کردن تا ولتاژ مورد نظر برابر است با: (2-5) جریان مورد نیاز باری دشارژ برابر است با: (3-5) در اینجا و در ماسفت مقادیر خازن ها برابر: بنابراین با استفاده از معادله (2-5) و(3-5) جریان و برابر است با: کل جریان لازم برای تحریک گیت برابر است با: به طور کلی خازن ورودی ماسفت از دید گیت را می توان از رابطه زیر به دست آورد: (5-4) خازن خازن بین پایه های گیت و سورس است که خازن ورودی است و با نمایش داده می شود.
هنگام تحریک گیت برای آنکه ولتاژ آن در مدت به 15 ولت برسد جریان لازم برای شارژ کردن تا ولتاژ مورد نظر برابر است با: (2-5) جریان مورد نیاز برای دشارژ برابر است با: (5-3) در اینجا و در ماسفت IRFP 150 مقادیر خازن ها برابر: بنابراین با استفاده از معادله (2-5) و (3-5) جریان و برابر است با: کل جریان لازم برای تحریک گیت برابر است با: به طور کلی خازن ورودی ماسفت از دید گیت را می توان از رابطه زیر به دست آورد: (4-5) بنابراین مدار تحریک گیت باید توانایی لازم را برای تحویل این جریان را داشته باشد و همچنین هنگام خاموش کردن بتواند چنین جریانی را از گیت ماستف بکشد.
بیشتر از تراشه های کنترل کننده PWM قادر به انجام هر دو کار نیستند.
یعنی که هم جریان را به گیت تزریق می کنند و هم بکشند.
بنابراین برای یک حالت باید چاره ای اندیشیده شود.
TL494 دارای دو خروجی است که از دو ترانزیستور تشکیل شده است که هر یک از آنها می توانند 250mA جریان را بسته به اینکه از کلکتور و یا امیتر به عنوان خروجی استفاده شود، به بار تزریق کند و یا از آن بکشد.
اگر کلکتور این ترانزیستور ها به هم وصل شوند آنگاه جریانی برابر 500mA می توانند از گیت بکشند.
با توجه به این مطلب زمان لازم برای خاموشی ماسفت برابر است با: که زمان کوتاه و مناسبی می باشد.
برای روشن کردن روشهای مختلفی وجود دارد.
در شکل (9-5) یک روش نشان داده شده است که در آن خازن ورودی از طریق و منبع شارژ می شود: شکل (10-5): روشن شدن ماسفت با مقاومت در این حالت دو مشکل وجود دارد.
وقتی که ترانزیستور خروجی TL494 خاموشن می شود، سرعت شارژ شدن Cin به ثابت زمانی محدود می شود که در نتیجه زمان روشن شدن طولانی خواهد شد.
به عنوان مثال حتی اگر مقدار کوچکی برابر داشته باشد و فرض کنیم که سه ثابت زمانی برای روشن شدن ماسفت کافی باشد، آنگاه زمانی برابر: برای روشن شدن لازم است که زمان بسیار زیادی در مقایسه با زمان دشارژ می باشد.
اگر ، و دوره کار برابر 0 باشد تلفات توان برابر می باشد که برای مدار فرمان توان قابل ملاحظه ایست.
برای حل مشکل از مدار شکل (1-5) استفاده می کنیم.
شکل (11-5): روشن شدن ماسفت با مقاومت و ترانزیستور در این صورت ثابت زمانی شارژ برابر حالت قبل شده و برابر است با که زمان مناسبتری است.
بنابراین مدار تحریک ماسفت در نهایت در شکل (12-5) آورده شده است: شکل (12-5): مدار تحریک ماسفت 3-1-5-انتخاب فرکانس برشگری متوسط ولتاژ خروجی یک برشگر برابر می باشد که مستقل از فرکانس برشگری است ولی هارمونیکهای موجود در شکل موج خروجی ضرایبی از فرکانس برشگری خواهند بود.
بنابراین دقت در این مورد در هر کاربردی لازم می باشد.
در حالت کلی هر چه فرکانس برشگری بالاتر باشد فرکانس هارمونیکهای ولتاژ و جریان بالاتر بوده و نوسانات به راحتی توسط اندوکتانس موجود در مدار آرمیچر حذف شده و میزان تلفات کاهش می یابد.
اما افزایش فرکانس به چند دلیل همواره مقدور نیست.
1-محدودیت المان سوئیچ هر سوئیچی مدت زمانی نیاز دارد که پس از فرمان روشن شدن حالت روشن در آید.
این زمان با بالاتر رفتن محدوده جریان ولتاژ المان سوئیچ زیاد می شود.
بنابراین با یک المان سوئیچ خاص حداکثر فرکانس برشگری قابل دستیابی کاملاً مشخص است.