Gruppe 770. Kent N. T. Kejser

Transkript

1 Motorregulering Det Ingeniør-, Natur- og Sundhedsvidenskabelige Fakultet 6-7. Semester projekt, Aalborg Universitet i samarbejde med Migatronic A/S Control 3.oktober 2007 Gruppe 770 Kent N. T. Kejser

2

3 Aalborg Universitet Institut for Elektroniske Systemer Frederik Bajers Vej Aalborg Ø Telefon Titel: Praktikrapport Tema: Control Projektperiode: p6-7, Diplomingeniør projekt 2008 Synopsis: Projektgruppe: 08gr770 Gruppemedlem: Kent Nygaard Thorup Kejser Kontaktperson: Anders Hjarnø Jørgensen Vejleder: Kirsten Mølgaard Nielsen Tom Søndergaard Pedersen Oplagstal: 5 Dette projekt omhandler motor regulering designet til implementering i en Sigma svejsemaskine. Projektet er lavet i samarbejde med svejsemaskine fabrikken Migatronic A/S. Der er opstillet en model over motoren, samt den gamle regulering. Der er desuden opstillet en model for tilbagekoblingen, hvor der er implementeret generering af PWM signal samt capture compare. Motorreguleringen er blevet optimeret, hvilket er gjort ved at implementere Feed Forward i reguleringsløkken, samt implementering af mindre aggressiv PI regulering. Ved test af motorreguleringen erfares det, at motoren starter og kører bedre end med den gamle regulering. Derfor implementeres opdateringen i softwaren, og den comittes på Migatronics CVS server, til fremtidig implementering i deres svejsemaskiner. Sidetal: 66 Bilagsantal og -art: 1 CD Afsluttet den 3/ Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

4 II

5 INDHOLD 1 Beskrivelse af Migatronic A/S 1 2 Hvad producerer Migatronic A/S Produktsortiment: Svejsemaskiner Arbejdsopgaver som praktikant Virksomhedens vækst 7 4 Organisation Migatronics ledelse Certifikater Kvalitetsstyring Arbejdsmiljø Miljø Gennemgang af en svejsemaskine Hvad er en svejsning Maskinel virkemåde Motorregulering Beskrivelse af system Værdier i systemet Opstilling af simulinkmodel Løsning på problemstilling Implementering af løsning Test af den implementerede regulering Konklusion 29 III

6 INDHOLD Litteraturliste 30 A Diskretisering af Klassiske regulatorer 33 A.1 P regulator A.2 PI regulator A.3 PID regulator B DC-motoren 37 B.1 Virkemåde B.2 Modellering B.3 Bestemmelse af motorkonstanter C Billeder af svejseprocess 43 D Kode fra embedded matlabfil 45 E Logbog over praktikperioden 47 F Processanalyse 65 F.1 Indlæring F.2 Vidensudveksling mellem uddannelse og praktik IV

7

8 INDHOLD Forkortelser og ordforklaring I rapporten er følgende forkortelser benyttet hhv. osv. ift. pga. bla. APV RoHS EU CVS LTI EMC henholdsvis og så videre i forhold til på grund af blandt andet Arbejds Plads Vurdering Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment Europæiske Union Concurrent Versions System Lineær Tids Invariens Electromagnetic compatibility VI

9 INDHOLD Forord Dette projekt er udarbejdet af Kent Kejser, som led i praktikperioden, hvilket er en del af uddannelsen som diplomingeniør. Praktikken afholdes i udviklingsafdelingen ved Migatronic A/S i Fjerritslev. Praktikperioden er fastsat til 20 uger, som svarer til 30 ECTS. Projektet her giver en beskrivelse af virksomheden samt en teknisk fremstilling af en af arbejdsopgaverne i virksomheden. Kilder som er brugt i projektet er angivet med et tal og derefter sidetal som fx [1,s.15] hvor der henvises til side 15 i kilde nummer 1 i litteraturlisten. Internetsider er ikke angivet med sidehenvisning. Figurer, formler samt tabeller er nummereret efter kapitel og placering. Er der fx tale om fjerde figur i kapitel to, er figuren nummereret 2.4. På bilags cd en findes en praktikrapporten i digital udgave. Modellerne som er brugt til simulering er ligeledes vedlagt, matlab filen motor_init skal køres inden simulink filen køres, da der bruges værdier fra matlabs workspace. Migatronics ISO 9001 kvalitets certifikat er ligeledes vedlagt som en PDF fil. Billederne der er brugt på forsiden er fra Cooptim som producerer og leverer wirefeeders til svejsemaskiner. Billederne er taget fra deres produktkatalog [5, s. 25 og 35]. Aalborg Universitet, 3. oktober 2008 Kent Kejser VII

10

11 KAPITEL 1 BESKRIVELSE AF MIGATRONIC A/S Migatronic A/S er en svejsemaskine-fabrik, der blev grundlagt i 1970 i Fjerritslev. Virksomheden leverer alt fra enkelte svejse maskiner til total løsninger i større produktioner. Migatronic A/S beskæftiger 453 ansatte (pr.1 aug 2008) i danmark. Virksomheden i Fjerritslev er moderselskabet, og det er her den primære produktion af maskinerne finder sted. Et af datterselskaberne ved Migatronic er Migatronic Automation, de fungere som sparringspartner ved større total løsninger i automatiserings opgaver. Foruden Automation er der etableret 12 datterselskaber, 10 i Europa, og 2 i østen. Migatronic startede produktionen af transformatorbaserede svejsemaskiner i Idag produceres der stadig transformatorbaserede svejsemaskiner. De består af en helt traditionel transformator hvor man på en stort håndtag vælger hvilken svejsestrøm der skal bruges. Den store knap skifter så på en kontakt så den rigtige strøm fås ud fra forskellige udtag på transformatoren. Figur 1.1: Billede af automig svejsemaskine. Allerede sidst i 70 erne begyndte Migatronic udviklingen af inverterbaserede svejsemaskiner. Den første prototype var med på Schweissen & Schneiden messen i Derefter er udviklingen af 1

12 Beskrivelse af Migatronic A/S inverterbaserede svejsemaskiner kommet langt. I dag er de aktuelle inverterbaserede Mig/Mag maskiner Sigma og Omega. (a) (b) Figur 1.2: (a) Omega svejsemaskine, sidste nye skud på stammen til lettere industri. (b) Model Sigma, dette er en større og stærkere industri model, som kan svejse med strømme på 500 A. Migatronics vision er at udvikle og producere produkter, der har tilknytning til svejse branchen, samt at markedsføre egne produkter såvel som tilkøbte produkter inden for branchen. Migatronics filosofi er følgende [7] Under filosofien "Tænd, tryk og svejs"skal Migatronic være bedst og dermed blive størst inden for maskiner til lysbuesvejsning, overalt i verden hvor der er et sådant behov. Hvormed der menes at svejsningen skal være ekstremt let tilgængelig, samt bruger interfacet skal være sådan at alle nemt kan indstille maskinen, og svejse med den. Som tidligere skrevet blev Migatronic A/S grundlagt i Derefter har Migatronic koncernen udviklet sig.i tabel 1.1 ses det, hvornår datterselskaberne er blevet grundlagt. Koncern Stiftet Salg Migatronic Storbritannien 1978 Salg Migatronic Tyskland 1979 Salg Migatronic Frankrig 1980 Udvikling, produktion og salg Migatronic Automation 1985 Salg Migatronic Italien 1991 Salg Migatronic Sverige 1992 Salg Migatronic Norge 1992 Salg Migatronic Tjekkiet 1992 Salg Migatronic Ungarn 1992 Udvikling, produktion og salg Greenweld Italien 1997 Salg Migatronic Finland 1997 Salg Migatronic Holland 1998 Produktion og salg Migatronic Indien 2000 Produktion og salg Migatronic Kina 2007 Tabel 1.1: Stiftelse af datterselskaber 2

13 KAPITEL 2 HVAD PRODUCERER MIGATRONIC A/S Migatronic A/S producerer svejsemaskiner lige fra low performance A maskiner, til store avancerede svejsemaskiner. Migatronic sælger også tilbehør til svejsning, herunder kan nævnes elektroder til TIG svejsning, svejse skærme osv. Alt tilbehør købes ind af migatronic, og dette sælges så videre igennem Migatronic, desuden brandes varerne med Migatronics logo. 2.1 Produktsortiment: Svejsemaskiner Dette produktprogram er dels skrevet ud fra viden erhvervet ved at arbejde i virksomheden, men også ud fra [3, Hele noten] SIGMA (MIG/MAG med MMA) Denne svejsertype er yderst avanceret hvad angår elektronik, modellen henvender sig til den tunge industri, hvor der stilles store krav til intermittens samt brugervenlighed. Sigma svejsermodellen fås i 3 forskellige strømgrupper 300, 400 og 500 A.På denne model kan der monteres forskellige betjeningspaneler indeholdende synergiske svejseprogrammer. FLEX (MIG/MAG) Denne model er forgængeren til Sigma. Flex leveres ligeledes i de 3 strømgrupper 300, 400 og 500 A. Modellen indeholder smartcard så brugeren kan programmere sine egne indstillinger i maskinen, disse gemmes så på smartcardet hvorefter brugeren kan benytte en hvilken som helst svejsemaskine, bare smartcardet er med. KMX (MIG/MAG) Dette er en tyristorreguleret svejsemaskine, hvilket vil sige maskinen har et utroligt stor kraft. Maskinen er en af de kraftigste migatronic har leveret til markedet, og den leveres kun i en 550 A udgave. 3

14 Hvad producerer Migatronic A/S MEW (Svejsegenerator) Når der kræves en mobil svejsemaskine kan MEW benyttes. Denne benzin/diesel drevne generator muliggør svejsning med elektroder, samt muligheden for at tilslutte elapparater, der kører på enten 220V eller 400V. MIG (MIG/MAG) Denne mig maskine er tiltænkt industrien. Maskinen er trinreguleret og har maksimal output på hhv. 300, 445, 485 og 545 A. Maskinen er tiltænkt større konstruktionsopgaver i sort jern med stor godstykkelse. Der kan monteres separat trådboks på maskinen. AUTOMIG (MIG/MAG) Denne udgave af MIG serien er tiltænkt svejsning i tyndere plader, svejsestrømmen er på 160, 180, 200 og 250 A, hvorfor den er særlig velegnet til autoværksteder. Maskinen har mulighed for at køre på enten 230 V eller 400 V, og det er muligt at omkoble maskinen til brug ved begge forsyninger. PI (TIG/MMA og MMA) PI serien er en ny inverterbaseret tig svejsemaskine. Maskinen har 3 forskellige betjeningspaneler, og findes i 4 forskellige strømklasser 200, 250, 400 og 500 A. Modellen på 200 A kan køre på en enfaset tilslutning på 230 V. NAVIGATOR (TIG/MMA) Da navigator modellen kom frem var det med en patenteret svejse egenskab kaldet D.O.C.(Dynamic Oxide Control) som satte helt nye kvalitetskrav til aluminiums svejsning. Maskinen leveres i 250 og 300 A modeller. DELTA & MAMBA (TIG/MMA) Delta serien er en transportabel TIG/MMA svejsemaskiner. Disse produceres i 140 og 160 A. til enfaset brug. Mamba er ligeledes en transportabel maskine udelukkende til MMA, men også enkelte TIG svejsninger kan laves med denne. ZETA Denne model er Migatronics bud på en plasma skære. Den leveres i 2 strømudgaver en 45 A og en 60 A, som skærer pæne snit i plader på henholdsvis 8 mm og 12mm. Maskinen skærer i alt metal som er ledende, og er derfor et flagskib inden for plasma skæring. 2.2 Arbejdsopgaver som praktikant I praktikperioden er der arbejdet med følgende emner. Lysbue detektion på MIG/MAG processor Her har arbejdet bestået i at optage svejseprocessen med højhastigheds kamera samtidig 4

15 2.2 Arbejdsopgaver som praktikant med at strøm og spænding måles. Dataene hentes ind i matlab, hvor de placeres i arrays, hvorefter de kan implementeres i simulink. I simulink er der så opstillet modeller, som undersøger om der sker en kortslutning. Men for at kunne aflæse kortslutningen på billederne mere præcist, ønskes det at belyse smeltebadet og lysbue med et kraftigt lys, som er meget koncentreret omkring nogle få bølgelængder. Derefter monteres et optisk filter foran kameraet, som kun lukker det udsendte lys fra lyskilden igennem. Dioderne skal synkroniseres med højhastigheds kameraet, og så skal det lyse med en duty cycle på 0,001% til 0,01%. Dette bevirker at der skal pulses en strøm op imod 2A igennem dioderne. Der er til formålet opbygget en konstantstrømsgenerator med tilbagekobling på, så strømmen kan justeres med et potentiometer. Desuden aflæses strømmen på et display opbygget med tre syv segmenter. Projektet faldt lidt fra hinanden idet lyskeglen ikke kunne blive fokuseret. Hvis denne kan fokuseres vil lysstrålen kunne fokuseres i lysbuen og kameraet vil kunne filme smeltebadet uden forstyrrelser fra andre bølgelængder af lys. Boost konverter til Omega Boost konverter projektet er stiftet af Migatronic A/S, denne skal levere forsyning til omega svejsemaskinerne. Meningen er at inputtet til konverteren kan være enten 1 faset (230 V) eller 3 faset (400 V). Samtidig skal outputtet være 600 V og den skal kunne levere 10 KW. I projektet har jeg lavet udregninger på levetiden for kondensatorerne, som er monteret for at holde output spændingen konstant. Dette er opbygget i PSpice i orcad. Hvor der er lavet beregninger på levetiden. Motorregulering på Sigma Der har været en fejl på trådfremføringen på Sigma maskinerne. Fejlen er blevet undersøgt og fejlene er fastslået. Herudfra er der opstillet en ny regulering, som er blevet implementeret på maskinen. Softwaren er meget bedre end den gamle, derfor comittes ændringerne til firmaets CVS server. Dette problem har dannet grundlag for denne rapport. 5

16 Hvad producerer Migatronic A/S 6

17 KAPITEL 3 VIRKSOMHEDENS VÆKST Migatronic A/S er et aktieselskab, som har været i konstant positiv vækst siden fabrikken blev grundlagt. Der findes tal for fabrikkens omsætning fra 1975 og op til i dag. I fabrikkens første leveår blev der produceret 4 svejsemaskiner og omsætningen var på kr. I 1974 har den samlede produktion af svejsemaskiner rundet 400 stk. Under olie krisen i Danmark i 1973 stiger efterspørgslen på svejsemaskiner og Migatronic begynder for alvor at producere mange maskiner. Dermed ses det at migatronic allerede på de første fem år havde en stor vækstudvikling. Fra 1975 til 2007 er der tal på årsbasis for virksomhedens nettoomsætning. Figur 3.1: Virksomhedens vækst Halvårs regnskabet[4] blev offentliggjort den 22 August 2008, og indeholder data for virksomhedens halvårs regnskab 2007 samt for I forhold til 2007 er der i år en fremgang i omsætningen 7

18 Virksomhedens vækst på 4% i moderselskabet. Men pga. dårligt resultat fra Automation og dyre investeringer i Kina, reduceres halvårets resultat i hele koncernen til et fald på 19% i forhold til samme tid sidste år. En anden måde hvorpå væksten i virksomheden kan ses, er ved at se på stablen af medarbejdere. På figur 3.1 ses antallet af medarbejdere som blå søjler ved de enkelte år. Der ses en lille nedgang i årene efter 2000, men dette er der blevet rettet op på igen efter Grunden til nedgangen pålægges konjektur nedgang på verdens markedet samt større konkurrence fra billigere selskaber, der har set dagens lys[2, s.6]. Migatronics markedsandele på det danske marked, ses på figur 3.2(a) og markedsandelene på verdens markedet, ses på figur 3.2(b). Idet migatronic er konjektur afhængig ift. verdens markedet så må det regnes med, at markedsandelene er vokset. Migatronic 50% Markedet 97% Markedet 50% Migatronic 3% (a) (b) Figur 3.2: (a) Migatronics markedsandel i Danmark. (b) Andelen på verdens markedet, her ses det at Migatronic har 3% markedsandele, dette forventes at disse andele er steget. 8

19 KAPITEL 4 ORGANISATION Migatronic A/S er et aktieselskab, som er konjektur afhængig, med dette menes der at når verdens økonomien falder, så er det de færreste virksomheder der har lyst til at investere i nyt materiel. Dette kan migatronic mærke som et fald i ordre. Et aktieselskab skal have en bestyrelse på minimum tre medlemmer. Bestyrelsen står for ansættelsen af en direktion på et til tre medlemmer. I et aktieselskab udbydes aktier, disse kan købes af alle som har interesse i virksomheden eller som ser en økonomisk fordel i at besidde disse aktier. Folk som besidder aktier kaldes aktionærer, disse indbydes til en generalforsamling årligt hvor virksomheden præsenterer regnskab og andre væsentlige beslutninger. Derudover kan der på en generalforsamling vælges ny bestyrelse samt valg af ny revisor hvis det er nødvendigt, valget skal dog falde på en statsautoriseret revisor. Der kan indkaldes til ekstra ordinær generalforsamling. Her kan der bla. ændres i virksomhedens økonomiske indsigt. Det skete bla. på den ekstra ordinære generalforsamling i foråret på Migatronic, her blev det besluttet at iværksætte et aktie tilbagekøb. Dette sker for at sikre virksomhedens råderum. Virksomheden har nogle vedtægter nedskrevet som skal overholdes vedrørende aktieselskabet. Det er bla. hvornår der senest skal indkaldes til general forsamling og hvordan det skal spredes ud til folk at der er general forsamling, alle vedtægter kan læses på Migatronics hjemmeside [8]. 4.1 Migatronics ledelse Bestyrelsen hos migatronic har 6 medlemmer, hvoraf de 2 er valgt af medarbejderne på fabrikken. Peter Roed er valgt til adm. direktør af bestyrelsen. Peter Roed startede hos Migatronic i 1972 og i 1973 købte han 50% af aktierne i selskabet sammen med Jørn Rødbro. Disse to delte ledelsen og direktionen i et år inden Peter Roed overtog direktionen på egen hånd. På figur 4.1 ses hvordan ledelses strukturen er på Migatronic A/S. Som tidligere skrevet bestemmer bestyrelsen hvem der er adm. direktør for firmaet. Derfor er ledelsen eller direktionen sat ind under bestyrelsen. Der findes derefter 5 hovedgrupper. Som alle varetager en del af virksomheden. Beskrivelse af disse ses her: Økonomi Denne under gruppe varetager alt hvad der angår lønninger, årsregnskaber og regnskab. Produktion Produktionen varetager alt hvad der har med varen at gøre. De står for at købe de kompo- 9

20 Organisation nenter, samt de materialer der skal bruges til at fremstille en svejsemaskine. Ligesom det er denne undergruppe der styrer fremstillingen af svejsemaskinerne i produktionshallerne. Produktionen varetager også PTA som er produktionsteknisk afdeling. Denne afdeling dokumenterer svejsemaskinerne, samt udfører kvalitets tests. I produktions sammenhæng er vedligeholdelsen af maskinerne særdeles vigtig for at levere produkter af højeste kvalitet. Derfor varetages vedligeholdelsen af maskinerne og bygninger af produktionen. Udvikling Udviklingsafdelingen sørger for altid at være på forkant med nye metoder til at optimere svejseprocessen. Derfor står udviklingsafdelingen også for at planlægge og udvikle relevante produkter, fra en ide til en prototype. Herunder er der i udviklingsafdelingen en undergruppe i mekanisk design, denne gruppe sørger for at maskinerne mekanisk set kan holde til den fysiske belastning de udsættes for. Salg Når svejsemaskinen er færdig skal denne på markedet. Hvis ikke dette gøres rigtigt kan produktet blive en fiasko, derfor sørger salgsafdelingen for, at svejsemaskinerne bliver markedsført på strategiske rigtige tidspunkter, og for salg af maskinerne. Salgs afdelingen står også for hele Migatronics service center, som varetager service opgaver samt reparation på maskiner som fejler. System Hele koncernen er opbygget omkring et stort system kaldet movex, hvor der kan indberettes hvor mange timer der er brugt på de enkelte projekter og en masse andre ting. På virksomheden forefindes der ligeledes et intranet hvor kvalitetsstyring, lagerstatus og dokumentation på maskinerne samt mange flere informationer er indeholdt. Derudover skal hele Migatronics computersystemer vedligeholdes, dette styres fra IT afdelingen, som også ligger under fanen system. Derudover håndterer "system"også kvalitets test af svejsemaskiner. Bestyrelse Ledelse Økonomi Produktion Udvikling Salg System Indkøb Produktplanlægning Marketing Systemer PTA Produktudvikling Salg IT Produktion Service Kvalitet Vedligehold Figur 4.1: Organisationen ved Migatronic A/S 10

21 KAPITEL 5 CERTIFIKATER 5.1 Kvalitetsstyring Migatronic A/S erhvervede i 1991 et ISO 9001 certifikat. Migatronic var den første svejsemaskine fabrik i EU som fik certifikatet. Kemmpi havde dog allerede året før fået certifikatet, men i 1991 var Finland ikke en del af EU, de kom først med i Migatronic er nødt til at have effektive produktionslinier, samt kvalitets sikring af produkter for at få certifikatet. Det er "Det Norske Veritas"som kontrollerer om Migatronic overholder kravene. Certifikatet kan ses på den vedlagte cd. Men ISO 9001 er også blevet et kvalitetskrav til virksomheden fra kunderne, der vil sikre en høj kvalitet af produkterne. 5.2 Arbejdsmiljø Migatronic A/S overholder arbejdstilsynets lov om arbejdssikkerhed. Herunder også gældende regler for APV, selvom denne for nogle er lidt svær at finde. APV en er tilgængelig på Migatronics intranet, hvor alle medarbejdere har adgang. For at forbedre det psykiske arbejdsmiljø er der etableret motionslokaler, hvor de ansatte har mulighed for at gå ned og afstresse en times tid i løbet af arbejdsdagen. Dermed vil Migatronic gøre en forskel hvad angår de ansattes psykiske og fysiske arbejdsmiljø. Ligesom der i kantinen er mulighed for salatbar, som opfordrer de ansatte til at spise sundt. 5.3 Miljø Der findes ikke nogle certifikater angående miljø belastninger i virksomheden, men virksomheden overholder RoHS direktivet fra EU Rohs direktiv Migatronic A/S overholder krav fra EU om overholdelse af RoHS direktivet. Direktivet går ud på at man ikke må sende elektronik udstyr nyt såvel som gammelt på markedet hvis det indeholder bly, kviksølv, cadmium, hexavalent chrom, polybromerede biphenyler (PBB) eller polybromerede diphenylethere (PBDE). Dette har migatronic overholdt siden 1. Juli

22 Certifikater Miljø belastninger Migatronic A/S sikrer bla. produkterne ved at lave levetidstest på maskinerne. Det foregår udenfor i containere hvor maskinerne skrues op til max styrke og hvor de så afsætter masser af energi i en stor modstand. En nuværende test er på en Sigma 500, som har kørt i et år med en svejsestrøm på 500 A hvor den svejser med 50%. Maskinen kører 24 timer i døgnet 7 dage om ugen, og har gjort det i 1 år nu. Men effekten der afsættes i belastningsmodstanden må ikke udnyttes til fx. at opvarme væske som kan bruges til at varme bygninger op. Da Migatronic får leveret varme fra et fjernvarme anlæg. Derfor vil et miljø certifikat ikke være en investering der gavner salget af svejsemaskiner eller migatronics image. Virksomhederne skal ifølge ISO 9001 certifikatet gennemføre en række tests, hvori levetidstest indgår, det er denne test hvor svejsemaskinerne belastes kontinuert. Derfor vil der være både være argumenter for men også argumenter imod at migatronic bliver ISO certificeret. 12

23 KAPITEL 6 GENNEMGANG AF EN SVEJSEMASKINE Der vil i dette kapitel blive forklaret hvad en svejsemaskine er og hvad den bruges til. I gennemgangen bliver der taget udgangspunkt i en MIG/MAG svejser, af modellen Sigma 500. Transporten af materiale til smeltebadet sker med store dråber, hvilket betyder svejseren svejser med kortbue. Når der svejses med kortbur er fremføringen af tråd hurtigere end den kan nå at smelte tråden hvorved der opstår kortslutninger. 6.1 Hvad er en svejsning En svejsning er en sammenføjning af metaller ligesom vi kender det ved en lodning, men ved en svejsning sker der en opsmeltning af emnet hvorefter til tilsættes svejsetråd. Dette sikre en stærkere sammenføjning af metallerne. Når der svejses fremføres tråden som påtrykkes en strøm helt ude ved spidsen af håndtaget. Tråden fremføres mod emnet, som er forbundet til stel. Når tråden kommer tæt nok på emnet dannes der lysbue som dels opvarmer metallet på emnet, samt smeltning af svejsetråd, hastigheden tråden smelter i, afgøres af svejsestrømmen da diameteren af tråden er fast. Emnet er forbundet til strømkildens stel, derfor vil der dannes katode (-) ved emnet, og anode (+) ved trådens munding, se figur Strømkilde Emne Figur 6.1: Skitsetegning af svejseprocessen Når der svejses skal der vælges en given svejsestrøm, og en given trådhastighed, i mange nye 13

24 Gennemgang af en svejsemaskine maskiner ligger dette programmeret ind i svejseren som synergiske programmer, her fortæller man svejsemaskinen hvor tyk tråd der svejses med samt hvor tyk pladen der skal svejses i er. Derefter bestemmer svejseren hvilken strøm der er optimal, samt hvilken trådhastighed som passer til strømmen. Efter programvalget kan svejsemaskinen svejse når knappen på håndtaget aktiveres og trådmundingen føres frem mod emnet. Der er optaget en film på Migatronics højhastigheds kamera hvor billederne viser hvorledes lysbuen ser ud, samt kortslutninger. Se appendix C for billedserie. 6.2 Maskinel virkemåde Den mere tekniske virkemåde af en svejser. kan beskrives med blokdiagrammet på figur 6.2. Figur 6.2: Blokdiagram over inverterbaseret svejsemaskine På figuren ses det at maskinen er monteret på en 3 faset forsyning 3x400 Vac. Denne bliver ensrettet igennem netensretningen så der ligger 565 Vdc ved H-broen. H-broen bliver styret af en regulator som regulerer i forhold til spændingsreferencen og outputtet af spændingen. H-broens outputsignal trækker en transformator som transformerer spændingen ca 10 gange ned. Der er monteret dioder i serie med transformatorens positiv og negativ og disse samles, hvilket giver et dobbelt ensrettet signal. Der monteres en drosselspole på den negative udgang for at udglatte svejsestrømmen, se figur + V out V in L drossel - Figur 6.3: Udgangen fra transformeren, som giver svejsestrømmen. Reguleringen måler svejsestrømmen og skruer op eller ned for fasen til H-broen, som er koblet som en "zero voltage soft switch-full bridge", for at ændre duty cyclen og dermed strømmen. Reguleringen af strøm, spænding, og trådhastighed, foregår i en Infineon C167 microcontroller. Trådreguleringen har trådreferencen som input og den aktuelle hastighed tilbagekoblet ved hjælp af en tachoskive og en counter. Reguleringen sætter så en duty cycle til en H-bro som driver motoren. 14

25 KAPITEL 7 MOTORREGULERING Migatronics service afdeling kontaktede udviklingsafdelingen, da kunder begyndte at brokke sig over motoren til trådfremføringen ikke kørte som forventet. Problemet er at motoren ikke kører jævnt samt den nogle gange ikke startet. Derfor undersøges problemet og det kan iagttages at motoren nogle gange ikke slår igang. Andre gange starter motoren fint, men pludselig kan motoren finde på at hakke. Koden for svejsemaskinen model Sigma findes frem og dokumentet indeholdende koden hedder wire.c samt wire.h. Koden gennemlæses og reguleringsløkken findes frem. Der laves opslag i.h filen for at finde konstanterne til reguleringsløkken. Reguleringen kan skrives som formel 7.1. output = ((3 (fejl ((11 fejl_old) >> 4))) >> 1) + output_old (7.1) I reguleringsløkken bruges» (bitshift højre), som division. Ved»n bitshiftes der med n bits til højre, det svare til en division på 2 n. Dermed kan reguleringen skrives som output = Dette kan reduceres og skrives som formel 7.2. output = fejl_old 3 (fejl 16 ) + output_old 2 11 fejl fejl_old + output_old 32 Ved omskrivning til tids domænet kan formlen skrives som: Hvor: x[n] x[n 1] y[n] y[n 1] y[n] = x[n] x[n 1] + y[n 1] 32 Fejlsignalet, som er tilbagekoblingen - V ref Fejlsignalet som var input til reguleringen, en gang tilbage Output fra reguleringen Sidste output fra reguleringen, fra engang tilbage Det ses i appendiks A hvorledes de bilineære transformationer ved brug af tustins metode tager sig ud på P, PI og PID regulatorer. Det kan ses ud fra formel A.2 at den nuværende regulator er en PI regulator. 15

26 Motorregulering 7.1 Beskrivelse af system Som vist på figur 7.1 trækker motoren nogle tandhjul som resulterer i at motorens kraft bliver gearet. Ved snekkedrevet er der en gearing på (24 : 1) [1, Punkt 2]. På motoren monteres der et tandhjul med 18 tænder, hvorefter der monteres et tandhjul med 17 tænder for at trække wiren frem. Det giver en samlet gear ratio på 1 : 24 17/18 = 1 : Tråd : 1 18 PWM Motor Regulering Counter Figur 7.1: Skitsetegning af wirefeeder For at konstruere reguleringen skal motorhastigheden bestemmes. Dette gøres ved at montere en tacho skive på motorens anker hvor der er monteret en IR gaffel over. Tacho skiven giver 60 pulser pr omgang [1, Punkt 10.1]. Signalet fra tacho generatoren tilsluttes en "capture compare"indgang hvorpå der er koblet en counter, som tæller pulser der komme med en frekvens på 625 khz. Hver gang "capture compare"porten aktiveres med en stigende flanke aflæses counteren. Dette output bruges i reguleringen for at tilpasse motorhastigheden til den ønskede trådhastighed. Reguleringen sætter så en duty cycle til motoren, som bestemmer dennes hastighed. 7.2 Værdier i systemet I systemet er tråden begrænset så den maksimalt kan fremføres med 30 m/min og mindste fremførende hastighed er 0.5 m/min. Inputs til reguleringsløkken er de inputs, der aflæses på Cap Com (Capture Compare) porten. Værdierne som reguleringsløkken kan få regnes ud, når trådhastigheden er kendt. Ved at lave disse målinger for ref=0.5 m/min og for ref=30 m/min kan grænserne findes. For at komme fra trådhastighed til punkter pr. aflæsning i counteren er det nødvendigt med en omregning: Omkredsen på rullerne ved trådmundingen er O = 0, 10519m. Det ønskes nu at finde hvor mange omdrejninger trådmundingshjulet laver når trådhastigheden er v=0,5 m/min. 16 omdrejninger = 0, 5m/min 0, 10519m/omdr = 4, 7533omdr/min

27 7.2 Værdier i systemet Motorens omdrejningstal ønskes nu fundet, her er gear ratioen fundet til 1 : 22, 67 motoromdrejninger = 4, 7533omdr/min 22, 67 = omdr/min For at få det i omdr/sek divideres der med 60. motoromdrejninger/sek = omdr/min 60sek/min = omdr/sek Der er på tacho hjulet 60 punkter, som kan generere 60 pulser på en omgang. punkter/min = omdr/sek 60pulser/omdr = pulser/sek Nu findes tiden mellem hver puls. tid/puls = pulser/sek = 0, 00928sek/puls Counteren får ticks med en frekvens på 625 khz, hvilket svarer til hvert 1600ns. Derfor findes hvor mange ticks counteren kan nå at tælle til mellem de stigende flanker på Cap Com indgangen. = 0, sek/puls 1600ns/tick = 5800, 07ticks/puls (7.2) I tilbagekoblingssløjfen skal der omregnes fra ticks/puls til m/min, for at det giver mening at trække tilbagekoblingen fra referencen. Ved at regne med en trådhastighed på 1 m/min kan der opstilles en formel for, hvor mange pulser/sek der genereres. m/min = m/min = m/min = 1 22, 67 60pulser/min , 67pulser/sek kHz ( 22, 67)ticks/puls m/min = ticks/puls Processoren er fixed point, derfor kan den ikke regne med decimaler, så opløsningen hæves ved at gange med 40. m/min = ticks/puls 40 m/min = ticks/puls Når trådhastigheden er 0.5 m/min findes det i formel 7.2 at der kommer 5800 ticks/puls. Trådhastigheden findes derefter som = 20, 0029m/min 5800, 07 Grunden til at outputtet er 20 m/min og ikke 0.5 m/min er pga opløsningen. Dette tages der højde for ved at dividere fejlsignalet med 40 dermed fås m/min. Samme udregning kan laves for en trådhastighed på 30 m/min. Her fås outputtet af counteren til Dermed kendes den største og den mindste værdi til reguleringen. 17

28 Motorregulering 7.3 Opstilling af simulinkmodel Der opstilles modeller for den nuværende regulering, tilbagekoblingen inclusiv capture compare samt en model for motoren. Efter modellerne er opstillet kan den samlede model køres i simulink. Her påtrykkes motoren et step således responsen fra motoren kan ses Opstilling af nuværende regulator Den nuværende regulering kan opbygges i simulink med modellen vist på figur 7.2. Det ses tydeligt hvorledes outputtet og inputtet kobles tilbage, hvorved PI reguleringen opstår. Outputtet fra regulatoren er i softwaren begrænset til 0-971, hvilket er simuleret med en saturation boks. 1 In1 1.5 A Unit Delay 1 z B C 1 Saturation Unit Delay 1 z 1 Out1 Figur 7.2: Tidligere regulering af wirefeeder Opstilling af model for motor Da regulatorens output nu er bestemt, kan der opstilles en model for motoren. Denne model tager ikke højde for statisk eller dynamisk friktion. Statisk friktion er den kraft, som skal til for at sætte, i dette tilfælde motoren, i bevægelse. Dynamisk friktion er den friktion der opstår i lejer og gear, og er afhængig af hastigheden. Motor konstanterne bliver bestemt ud fra 4 ligninger med 4 ubekendte. Reelt set er det blot 2 ligninger, en for elektrisk modellering og en for mekanisk modellering. Begge ligninger benyttes 2 gange, første gang indsættes værdier for motoren i friløb, og til sidst indsættes værdier for motoren når den staller (rotoren står stille). Der skal bruges følgende informationer for at bestemme motor konstanterne. Konstant Værdi Gear Gear ratio omdr an Tandhjulshastighed friløb 240 omdr/min omdr as Tandhjulshastighed stall 0 omdr/min omdr ω an Rotorhastighed friløb an gear 2π = rad/s 60 ω as Rotorhastighed stall 0 i an Strøm 1.1 A i as Strøm 42 A V an Ankerspænding 42 V V as Ankerspænding 42 V τ bn Moment 0 N m 58N m τ bs Moment = N m 24 Coulomb friktion 1,5 V L a Motorens induktans 16 mh J Inertimoment 0, kg m 2 Tabel 7.1: Motorvariabler 18

29 7.3 Opstilling af simulinkmodel Dette indsættes i matrixen B.9 fundet i appendiks B. ω an 0 0 i an i an ω an 0 0 ω as 0 0 i as i as ω as 1 0 K b τ c R a = Så giver resultatet, ved benyttelse af matlabs \ operator x = A\b Opstilling af tilbagekobling K b τ c R a = 0, , , Tilbagekoblingen opstilles, inputtet er pulser/sek og outputtet skal være m/min, for at det giver mening at subtrahere det fra referencen. Da tilbagekoblingen indeholder en tacho skive samt en capture compare counter vil dette blive modelleret i simulink. V an τ bn V as τ bs PWM signal Inputtet til blokken er antallet af pulser/sek. Det ønskes på baggrund af dette at generere et PWM signal. Dette gøres ved at integrere signalet, og derefter sætte en switch på, som skifter mellem 0 og 1 afhængig af om det er over eller under 0.5. Dette bevirker også at duty cyclen bliver 50 %. Integratoren bliver resettet når denne når en værdi på 1. Dette gøres ved at sætte outputsignalet af integratoren til en switch, som skifter mellem 0 og 1 med et threshold på 1. Outputtet af switchen kobles til integratorens reset port, se figur Constant 1 PWM Switch 1 s Integrator 1 FRQ 0 Constant1 Switch 1 Figur 7.3: Model for PWM frembringelse Capture compare Inputtet fra tacho skiven frembringer et PWM signal, hvor frekvensen ændres på baggrund af hastigheden på motoren. Capture compare tæller ticks mellem hver PWM puls for at sikre bedre 19

30 Motorregulering aflæsning. Der er valgt at lave en Embedded matlab fil. Hvori der kan eksekveres matlabkode. Derfor oprettes der 3 variable hhv. old_input, counter, output. Der testes om der kommer en stigende flanke ved at opstille en if sætning således if((old_input < 0.5)&&(u >= 0.5)) Hvor: u old_input Input Fejlsignalet som var input til reguleringen, en gang tilbage. Hvis der er stigende flanke sættes counter = output. Men er kriteriet ikke opfyldt tæller counteren 1 op. Dette skal gøres med 625 khz for, at den rigtige outputværdi fås. Dette fås ved at ændre subsystemets parametre hvor sample time sættes 1600e-9. Se appendix D for hele m filen. Samlet tilbagekobling Inputtet til PWM boksen findes fra motorens hastighed i rad/s som ganges med 1 2π for at komme fra radianer til omdr. Derudover ganges der med 60 for at finde antallet af pulser/omgang. m/min 1 Divide divider y fcn u PWM FRQ 1/(2*pi) 60 rad/s 1 Saturation Zero-Order Hold 1 Embedded Cap Com PWM generator rad-->omdr pulser Figur 7.4: Model for hele tilbagekoblingssløjfen Der findes en pulsbredde ud fra hvor mange omdrejninger motoren kører. Dette er beskrevet tidligere. For at tælle ticks mellem de stigende flanker fra PWM generatoren, sendes signalet igennem en embedded matlabfil med en sampeltime på 1/625kHz. Reguleringsløkken bliver kørt med en frekvens 122 Hz i mainprogrammet. Signalet trækkes igennem en saturation boks som sikrer at signalet ikke er negativt. Signalet divideres tilsidst, hvor er tælleren og hvor ticks/puls er nævneren. Derved fås den målte hastighed i m/min Samlet system For at få det samlede system implementeret i simulink, kræver det en tilpasning til de forskellige outputs og inputs. Inputtet til reguleringen er m/min og reguleringens output er et PWM signal. Motorens input skal være en spænding, og der indsættes derfor en pwm til spændings konverter. Denne bestemmes på baggrund af at motoren er påtrykt en spænding på 55 V og duty cyclen er inddelt i 10 bit, dvs steps, hvoraf regulatoren er begrænset til 971 i outputtet. Dermed bliver de 55 V delt ind i 1024 dele, som derefter ganges med outputtet af reguleringen. Gainet som implementeres bliver derfor 55/1024. Motorens output måles i rad/sek, dette omregnes til m/min for at se output grafen i forhold til inputtet til systemet. Inputtet divideres med 40 idet tilbagekoblingen er 40 gange kraftigere for at sikre højere opløsning. Output visualiseringen ses ved at sætte et scope på udgangen sammen med en mux, som samler de 2 signaler, se figur 7.5. Outputtet fra reguleringen kan ses på scope billedet på figur

31 7.3 Opstilling af simulinkmodel 1/40 Controller Gain 1 Step In1Out 1 PWM Subsystem1 55/1024 V PWM --> spænding V_in DC Motor w i Rad /s In1 Out 1 Subsystem rad/s --> m/min Scope Subsystem rad/s --> m/min med tacho m /min PWM rad /s Figur 7.5: Model hele reguleringssløjfen Figur 7.6: Trådhastigheden ses her hvor den gamle regulator er implementeret, på grafen ses referencen som først værende 15 m/min derefter sættes den ned til 5 m/min. 21

32 Motorregulering 7.4 Løsning på problemstilling Der implementeres Feed forward PI regulator til systemet. Formålet med at implementere Feed Forward er hurtig setting time i forhold til oversving. Feed Forward regulatoren udnyttes, da der kendes en ca spænding til motoren ud fra inputtet til systemet. For at finde denne funktion laves der målinger på motoren for at finde et matematisk udtryk for Feed Forward regulatoren. PI regulatoren som benyttes sammen med Feed Forward regulatoren skal implementeres som værende meget langsom. Dette hjælper således at motoren ikke hakker ved fejlsignaler fra tacho pulserne. Feed Forward sikrer ligeledes at motoren altid starter når der tastes. Blokdiagrammet til Feed Forward PI regulatoren kan vises som figur 7.7. F C G H Figur 7.7: Blokdiagram over Feed Forward PI regulator Feed Forward funktionen bestemmes ud fra eksperimentelle målinger. Mens konstanterne til reguleringen A og B bestemmes ved hjælp af grafisk tuning i sisotool. Der findes en overførings funktion for regulatoren og denne implementeres i simulink, hvor der tunes en ekstra gang, da sisotool kun arbejder som LTI (Lineær tids invariens) system og altså ikke ulineære tidsafhængige systemer, som tilbagekoblingen er. Feed Forward bestemmes ud fra eksperimentelle målinger til at have funktionen. F = x[n] Hvor: x[n] Input Dette Feed Forward signal er med output i volt. Dette signal kan benyttes til simuleringer, samt bestemmelse af regulator konstanter i sisotool. For at signalet kan implementeres i koden, skal Feed Forward outputtet være i en pwm værdi. Dette gøres ved at gange referencen med 40, da dette er skaleringen. Derefter ganges både dc-niveauet og hældningskoefficienten med 55/1024. Derefter søges løsningen til ligningen: s d 40 ref = ref s = d = I sisotool i matlab opstilles en regulator med Feed Forward kompensering. Motorens overføringsfunktion implementeres som G, men da der i sisotool ikke er plads til at implementere en blok hvor 1 rad/s omregnes til m/min. Så ganges der 2 π 24 17/ på motorens overføringsfunktion, da denne omregning giver resultatet fra rad/s til m/min på trisserne. Tilbagekoblingen sættes til 1. da outputtet allerede nu er i m/min. Dette bevirker at systemet betragtes som LTI. Feed 22

33 7.4 Løsning på problemstilling Forward kompenseringen sættes 1.5, og der undlades derfor at sætte DC værdien ind på 1.5, da dette ikke kan lade sig gøre i sisotool. Integratordelen i PI regulatoren har en pol i 0. I sisotool vælges så en nulpunkts placering, samt et given gain således, at step responset er tilfredsstillende, der designes desuden ud fra, at fase margenen skal ligge mellem 0 og 180 grader. Dette giver en stabil regulator. Der findes en fornuftig løsning i sisotool, denne regulering har følgende overføringsfunktion i kontinuert tid s + 10 C s = s Der benyttes matlabs c2d funktion hvori der skrives "cdiskret=c2d(c1,1/122, tustin )". Samtidig divideres der igennem med z således konstanterne a og b. let kan findes til brug i simulink. Dermed fås værdierne: C z = z 1 1 z 1 A = B = Dette implementeres i simulink, kontrol løkken ses på figur 7.8(a). Outputtet findes som figur 7.8(b), der viser den nye regulator i forhold til den gamle samt referencen ref 1/40 A1 (1.5*u + 1.5)*1024/55 FeedForward 2 err A 4 Unit Delay 1 z B Saturation Unit Delay 1 1 z (a) 1 Out (b) Figur 7.8: (a) Kontrolløkke for regulator fundet med sisotool. (b) Outputtet fra reguleringen. Hvor outputtet er trådhastigheden i m/min. Den grønne er referencen, den blå er den gamle regulering og den røde er den nye regulators output. Denne regulering giver indsvingning, som går lige op til referencen, men den er lidt for langsom til applikationen og derfor optimeres denne regulering ved at tune parametrene i simulink. Outputtet ønskes at give en lille smule oversving og derefter regulere sig ned til referencen. Ved at iagttage den diskrete formel for PI regulering, formel A.2, kan det ses, at en pludselig ændring i fejlen vil resultere i en ændring i outputtet med i forholdet til A. Inputtet en gang senere bliver betragtet i forhold til både A og B. Derfor vil A være aggressiviteten af regulatoren, hvorimod B er udtryk for hvor godt regulatoren finder ind igen. Man skal selvfølgelig altid huske på at A og B er afhængige af hinanden. A hæves til 0.6 og B sættes til 0.5. Dette resultere i følgende output ift. referencen. 23

34 Motorregulering Figur 7.9: Outputtet fra Feed Forward PI regulatoren når den er monteret i et system hvor referencen er 5 m/min og skifter op til 25 m/min. Referencen ses som den røde graf. 7.5 Implementering af løsning Løsningen fra figur 7.9 skal implementeres i Infinion C167 Microcontrolleren. Dette implementeres ved først at beregne en PI regulering og derefter en Feed Forward kompensering. Denne regulering laves i wire.c og konstanterne til reguleringen sættes i wire.h. PI reguleringen har overføringsfunktionen formel 7.3. y[n] = 0.6x[n] + 0.5x[n 1] + y[n 1] (7.3) For at denne kan implementeres i softwaren findes konstanterne som fixed point værdier. Ved fixed point skal konstanterne fremstå som brøker, og det foretrækkes her at benytte enten 1 2, 1 4, 1 8, 1 16, 1 32 eller 1 64 da funktionen left shift så vil blive benyttet i koden. For PI regulatoren bliver en fixed point repræsentation således. y[n] = x[n] + x[n 1] + y[n 1] For Feed Forward kompenseringen vil en fixed point repræsentation, tage sig ud således. Det skal lige huskes at det er i softwaren, så derfor skal konstanterne 28 og implementeres. F = x[n] Ved at disse værdier er tilpasset fixed point repræsentationen vil outputtet fra regulatoren ligeledes blive ændret. Konstanterne er således. Konstant Værdi 19 A_ctrl B_ctrl 32 s 28 d Tabel 7.2: Konstanter til simulering bestemt ud fra fixed point repræsentation Dette giver anledning til følgende kontrolløkke figur 7.10(a) med outputtet på figur 7.10(b). Dette skal implementeres i softwaren, først bestemmes PI regulatorens output, og derefter Feed Forward kompenseringen. Til sidst summeres disse sammen. Herunder er vist hvorledes PI reguleringen er implementeret. 24

35 7.5 Implementering af løsning ref 1/40 A1 (28*(55/1024) + (22/32)*u*40*(55/1024) FeedForward 15 2 err A Ctrl 10 Unit Delay 1 z Saturation Out1 B Unit Delay z (a) (b) Figur 7.10: (a) Resulterende kontrolløkke for regulator, efter tuning med simulink samt implementering i software. Hvor der er fundet fixed point værdier. (b) Outputtet fra reguleringen. Hvor outputtet er trådhastigheden i m/min. Den røde er referencen, den blå er systemets regulering af motorhastigheden. 1 wire. h 2 / / New motor c o n t r o l l e r by KNK. Must use f e e d forward 3 # d e f i n e MOTOR_CTRL_GAIN_ # d e f i n e MOTOR_CTRL_GAIN_ # d e f i n e MOTOR_CTRL_SCALE 5 6 wire. c 7 / / C a l c u l a t i n g C o n t r o l S i g n a l. ( PI c o n t r o l l e r ) 8 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l = MOTOR_CTRL_GAIN_1 i W i r e F e e d E r r o r ; 9 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l = MOTOR_CTRL_GAIN_2 i M o t o r I n t e r n E r r o r O l d ; 10 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l = i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l >> MOTOR_CTRL_SCALE; 11 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l += i M o t o r I n t e r n C o n t r o l S i g n a l O l d ; Hvor: iwirefeedcontrolsignal MOTOR_CTRL_GAIN_1 iwirefeederror MOTOR_CTRL_GAIN_2 imotorinternerrorold MOTOR_CTRL_SCALE imotorinterncontrolsignalold Nuværende output A konstanten Nuværende fejl B konstanten Gammel fejl Scalerings faktor Gammel output Som det ses bruges define til at oprette variablerne indeholdende værdierne for reguleringen. Disse oprettes i H-filen, da de så let kan findes igen. Regulerings signalet bestemmes som iwirefeedcontrolsignal, her benyttes -= for at trække MOTOR_CTRL_GAIN_2*iMotorInternErrorOld fra iwirefeedcontrolsignal. ligeledes benyttes der også += som lægger noget til facit. Der benyttes desuden»5 (left shift med 5) i reguleringsløkken, dette gøres for at dividere med igennem med 32. Da et left shift betyder forskydning af bits til venstre, der flyttes 5 pladser, og derfor divideres der med 2 5 = 32. På samme måde kan der også ganges signaler sammen, dette gøres ved right shift, dette benyttes dog ikke i denne rapport. Feed Forward signalet genereres herefter. 1 wire. h 2 / / New motor c o n t r o l l e r, Feed Forward c o n s t a n t s. 3 # d e f i n e MOTOR_FF_CTRL_GAIN 22 4 # d e f i n e MOTOR_FF_CTRL_CONST 28 5 wire. c 6 / / C a l c u l a t i n g f e e d forward c o n t r o l s i g n a l 7 i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l = MOTOR_FF_CTRL_CONST + 8 ( ( MOTOR_FF_CTRL_GAIN iwirefeedref ) >> MOTOR_CTRL_SCALE) ; 25

36 Motorregulering Hvor: MOTOR_FF_CTRL_CONST Udtryk for spændingen der hvor motoren slår igang MOTOR_FF_CTRL_GAIN Udtryk for hældningskoeficienten til motoren ved [ imotorinternfeedforwardcontrolsignal Feed Forward kompenseringen iwirefeedref Tråd referencen MOTOR_CTRL_SCALE Skalerings konstant V olt ] m/min Kontrol signalet begrænses med en satuation boks i simulink, i softwaren laves dette med 2 if løkker. I koden herunder er dette vist. 1 wire. h 2 # d e f i n e MOTOR_INTERN_SATURATION_UPPER 971 / / S a t u r a t i o n. 3 # d e f i n e MOTOR_INTERN_SATURATION_LOWER 0 / / S a t u r a t i o n. 4 wire. c 5 / / S a t u a t i o n o f o u t p u t. i n c l f e e d forward 6 i f ( i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l > (MOTOR_INTERN_SATURATION_UPPER i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l ) ) 7 { 8 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l = MOTOR_INTERN_SATURATION_UPPER i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l ; 9 } 10 e l s e i f ( i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l < (MOTOR_INTERN_SATURATION_LOWER i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l ) ) 11 { 12 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l = MOTOR_INTERN_SATURATION_LOWER i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l ; 13 } Hvor: MOTOR_INTERN_SATURATION_UPPER Begrænsning for PWM signal. Den maksimale værdi er MOTOR_INTERN_SATURATION_LOWER Begrænsning for PWM signal. iwirefeedcontrolsignal Kontrolsignal fra PI reguleringen imotorinternfeedforwardcontrolsignal Feed Forward kompensering I reguleringsløkken skal der bruges værdier, som er forskudt engang tilbage. Normalt er det erfaret at værdierne gemmes i en anden variabel og de kan så bruges til reguleringen. Dette skal gøres lidt anderledes når der er indsat begrænsning i outputtet. Derfor er den gamle fejl x[n-1] nødt til at blive bestemt ud fra de to outputs. Dette er implementeret i softwaren, men ikke i simuleringerne, da vi i simuleringerne holder os inden for begrænsningen i satuation boksen. En af grundene til at der skulle laves en ny regulering var også at motoren hakker når den kører, og denne fejl er blevet fundet til at være støj på målingerne af tachopulsen. Det resulterer i at reguleringen nogle gange får værdier som om motoren kører 200 m tråd ud i minuttet. På baggrund af dette bestemmes fejlen x[n], derfor ud fra outputtet og den gamle fejl. y[n] = x[n] x[n 1] + y[n 1] y[n] y[n 1] = x[n] x[n 1] (y[n] y[n 1]) = 19x[n] 16x[n 1] 32(y[n] y[n 1]) + 16x[n 1] = 19x[n] 32(y[n] y[n 1]) + 16x[n 1] = x[n] (7.4) 19 På baggrund af det i formel 7.4 fundne udtryk for x[n], benyttes dette til at gemme den nuværende fejl til den gamle. Derfor gemmes de gamle formler direkte ned i variablen for den gamle fejl. Dette ender ud i følgende implementering i softwaren. 1 wire. h 2 # d e f i n e MOTOR_CTRL_GAIN_

37 7.6 Test af den implementerede regulering 3 # d e f i n e MOTOR_CTRL_GAIN_ # d e f i n e MOTOR_CTRL_SCALE 5 5 wire. c 6 / / Save new v a l u e s t o o l d once. 7 i M o t o r I n t e r n E r r o r O l d = ( ( ( i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l 8 i M o t o r I n t e r n C o n t r o l S i g n a l O l d ) << MOTOR_CTRL_SCALE) 9 + MOTOR_CTRL_GAIN_2 i M o t o r I n t e r n E r r o r O l d ) / MOTOR_CTRL_GAIN_1 ; 10 i M o t o r I n t e r n C o n t r o l S i g n a l O l d = i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l ; Hvor: imotorinternerrorold iwirefeedcontrolsignal imotorinterncontrolsignalold MOTOR_CTRL_SCALE MOTOR_CTRL_GAIN_1 MOTOR_CTRL_GAIN_2 Gammel fejl Nuværende output fra reguleringen Gammel output fra reguleringen Nævner til A og B for reguleringen Tæller til A for reguleringen Tæller til B for reguleringen Der er nu fundet en PI regulering og Feed Forward kompensering disse summeres sammen til en værdi. Dette gøres med C operatoren += som ligger imotorinternfeedforwardcontrolsignal til iwirefeedcontrolsignal. Dette sendes derefter ud af regulatoren og gennem en H-bro til motoren. Dette gøres ved at sætte wireinternsetpwmxxx. H-broen sørger for at booste signalet op til 55V peak-peak. 1 / / Add Feed Forward 2 i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l += i M o t o r I n t e r n F e e d F o r w a r d C o n t r o l S i g n a l ; 3 / / Apply new C o n t r o l S i g n a l. 4 wireinternsetpwm ( i W i r e F e e d C o n t r o l S i g n a l ) ; Hvor: imotorinternerrorold iwirefeedcontrolsignal imotorinterncontrolsignalold MOTOR_CTRL_SCALE MOTOR_CTRL_GAIN_1 MOTOR_CTRL_GAIN_2 Gammel fejl Nuværende output fra reguleringen Gammel output fra reguleringen Nævner til A og B for reguleringen Tæller til A for reguleringen Tæller til B for reguleringen 7.6 Test af den implementerede regulering Den fundne regulator inclusiv Feed Forward kompenseringen er implementeret i softwaren. Koden eksekveres på en Sigma maskine, og der tastes på håndtaget. Resultatet er som forventet, motoren starter hver gang. Dette problem blev afhjulpet idet der er implementeret Feed Forward regulering, så motoren altid starter. Det andet problem var støj på målingerne af hastigheden af tråden. Hvilket medførte, at motoren hakkede i trådfremføringen. Dette er afhjulpet ved at implementere en langsommere regulator, hvilket er muligt idet der er Feed Forward implementeret, og reguleringen derfor ikke skal lave så stor indsvingning. Der er tastet 100 gange på håndtaget og der er ikke konstateret nogle fejl ved start. Desuden er motorens signal koblet til et oscilloskop for at se om der er fejl på signalet. Fejlene som fik motoren til at stoppe kortvarigt er stort set væk, de er ikke helt væk da reguleringen stadig bruger inputtet til at forme et output. Men størrelsen på de støjpeaks der blev observeret før er blevet væsentlig mindre. 27

38 Motorregulering 28

39 KAPITEL 8 KONKLUSION Rapporten har taget udgangspunkt i optimering af et produkt, som allerede er markedsført. Problemstillingen kom på skrivebordet, da kunder brokkede sig over at motoren ikke kørte som forventet. Service afdelingen omskiftede i første omgang motoren i håb om, at det var den der skabte problemet. Udskiftningen af motoren har i nogle tilfælde løst problemet, men langt fra alle tilfælde er afhjulpet. Udviklingsafdelingen blev derfor introduceret til problemstillingen, hvorefter en større fejlsøgning fandt sted. Der kunne ud fra målinger på motorens anker spænding, ses at den hakkede i fremdriften samt, at den ikke altid fik start spænding. Der kunne iøvrigt iagttages at 2 ud af 5 motorer startede fint men, at problemet med fremdriften var på alle motorer. Grunden til at motoren hakker i fremdriften er fundet til at være støjmålinger på tacho signalet. Denne giver nogle gange værdier som om motoren kører 200 m tråd ud i minuttet. Reguleringen af motoren har derfor ikke været optimal, og der designes derfor en ny regulering til applikationen. Den nye regulering designes med Feed Forward kompensering hvilket gør, at man kan tillade at gøre PI regulatoren mindre aggressiv overfor pludselige fejl. Regulatoren er først fundet ved hjælp af sisotool i Matlab, derefter er resultatet af dette implementeret i simulink hvor, der er brugt grafisk tuning til at optimere regulatoren. Til sidst er regulerings konstanterne fundet i fixed point repræsentation, så de kan implementeres på microcontrolleren. Reguleringen benyttes i dag til de nye svejsemaskiner som forlader fabrikken, samt som en software opdatering til maskiner der skal til service. 29

40 Konklusion 30

41 LITTERATUR [1] Ankarsrum Motors AB. Motor ksv5035 / 759. Firma spec, Juni [2] Migatronic A/S. Årsrapport Internet, Jan [3] Migatronic A/S. Maskinprogram. Internet, [4] Migatronic A/S. Halvårsrapport Internet, Aug [5] Cooptim. Wirefeeders Internet, [6] Abbas Emami-Naeini Gene F. Franklin, J. David Powell. Feedback control of Dynamic Systems. Prentice Hall, 5 edition, [7] Migatronic. Strategi og visioner. Internet, Oktober [8] Migatronic. Vedtægter. Internet, September [9] Mechatronics Wiki. Brushed dc motor theory. Internet, Sep [10] Wikipedia. Lens (optics). Internet, Sep

42 LITTERATUR 32

43 APPENDIKS A DISKRETISERING AF KLASSISKE REGULATORER I dette Appendiks vil de 3 klassiske reguleringer blive diskretiseret ved hjælp af tustins metode. Dette vil gøre det meget mere overskueligt, når regulatortypen inden for motorreguleringen skal fastlægges. A.1 P regulator Proportional regulatoren har overføringsfunktionen: H(s) = K p H(s) = sk p s Ved at transformere fra kontinuert tid til diskret tid, kan z transformen findes. Til at diskretisere signaler kan flere metoder bruges, her benyttes tustins metode[6, s ]. H(s) = sk p s s= 2 z 1 Ts z+1 H(z) = ( 2 T s z 1 z+1 )K p 2 z 1 T s z+1 H(z) = 2(z 1)K p 2(z 1) H(z) = y(z) = K p x(z) y(z) = x(z) K p y[n] = K p x[n] Hvis vi sætter K p = a fås: y[n] = ax[n] (A.1) 33

44 Diskretisering af Klassiske regulatorer A.2 PI regulator Proportional integral regulatoren har overføringsfunktionen: H(s) = K p + K i s H(s) = sk p + K i s Ved at transformere fra kontinuert tid til diskret tid, kan z transformen findes. Til at diskretisere signaler kan flere metoder bruges, her benyttes tustins metode[6, s ]. H(s) = sk p + K i s ( ) 2 z 1 Ts z+1 K p + K i H(z) = Til slut ganges der igennem med z 1 2 z 1 T s z+1 s= 2 z 1 Ts z+1 H(z) = 2 K p(z 1) + K i T s (z + 1) 2 (z 1) H(z) = K p(z 1) K i T s (z + 1) (z 1) H(z) = K p z K p K i T s z K i T s (z 1) H(z) = (K p K i T s )z + ( K p K i T s ) (z 1) H(z) = y(z) x(z) = (K p K i T s ) + ( K p K i T s )z 1 (1 z 1 ) y(z) (1 z 1 ) = x(z) ((K p K i T s ) + ( K p K i T s )z 1 ) y[n] y[n 1] = (K p K i T s )x[n] + ( K p K i T s )x[n 1] y[n] = (K p K i T s )x[n] + ( K p K i T s )x[n 1] + y[n 1] Hvis vi sætter: a = K p K i t s b = K p K i t s fås en overskuelig endelig løsning på PI regulatoren, udtrykt på den måde hvorpå denne kan implementeres i softwaren. y[n] = ax[n] + bx[n 1] + y[n 1] (A.2) 34

45 A.3 PID regulator A.3 PID regulator Proportional integral derivative regulatoren har overføringsfunktionen: H(s) = K p + K i s + K ds H(s) = sk p + K i + K d s 2 s Ved at transformere fra kontinuert tid til diskret tid, kan z transformen findes. Til at diskretisere signaler kan flere metoder bruges, her benyttes tustins metode[6, s ]. H(s) = sk p + K i + K d s 2 s s= 2 z 1 Ts z+1 H(z) = ( 2 T s z 1 z+1 )K p + K i + K d ( 2 T s z 1 z+1 )2 2 z 1 T s z+1 H(z) = ( 2 T s z 1 z+1 )K p + K i + K d 4 (z 1)2 T 2 s (z+1)2 2 z 1 T s z+1 H(z) = 2 K p(z 1) + K i T s (z + 1) + K d 4 (z 1) 2 T s (z+1) 2(z 1) H(z) = K p(z 1) K i T s (z + 1) + K d 2 (z 1) 2 T s (z+1) z 1 H(z) = K p(z 1) T s (z + 1) K i T s (z + 1) T s (z + 1) + K d 2(z 1) 2 (z 1) T s (z + 1) H(z) = K p T s (z 1) (z + 1) K i T 2 s (z + 1) 2 + K d 2(z 1) 2 (z 1) T s (z + 1) H(z) = K p(z 2 1) K i T s (z 2 + 2z + 1) + K d 1 T s 2(z 2 2z + 1) z 2 1 H(z) = (K p K i T s + K d 1 T s 2)z 2 + (2 1 2 K i T s 2 K d 1 T s 2)z + ( K p K i T s + K d 1 T s 2) z 2 1 Nu ganges der igennem med z 2 y(z) x(z) = (K p K 1 i T s + K d T s 2) + (2 1 2 K 1 i T s 2 K d T s 2)z 1 + ( K p K 1 i T s + K d T s 1 z 2 For at forenkle udtrykket vælges det at indsætte konstanterne a, b og c, de har henholdsvis følgende værdier: a = K p K 1 i T s + K d 2 T s b = K i T s 2 K d c = K p K i T s + K d Hvilket forenkler udtrykket til y(z) x(z) = a + bz 1 + cz 2 1 z 2 Som i digital signal vil blive udtrykt som y(z)(1 z 2 ) = x(z)(a + bz 1 + cz 2 ) 1 T s 2 1 T s 2 y[n] y[n 2] = ax[n] + bx[n 1] + cx[n 2] y[n] = ax[n] + bx[n 1] + cx[n 2] + y[n 2] 2)z 2 35

46 Diskretisering af Klassiske regulatorer 36

47 APPENDIKS B DC-MOTOREN I dette appendiks vil virkemåden for en DC motor blive gennemgået, i øvrigt vil der blive opstillet en generel model for en motor. Motoren som er valgt er en KSV 5035/759 fra Ankarsrum Motors AB. På motoren er der monteret et snekkegear som gearer motoren med forholdet 1:24. B.1 Virkemåde Hvis vi ser grundlæggende på en motor, er den generelle virkemåde, at der placeres en leder der bærer strømmen I i et stationært magnetfelt. Jf. Laplaces lov om hvordan et magnetfelt påvirker et infinitesemalt lederstykke. Laplaces lov siger: d F = Id l B Hvor: d F er kraften påvirkende på lederen [kg m 2 ] I er strømmen der løber i lederen [A] d l er retningsvektor [n/a] B er magnetisk fluxtæthed [T] Det kan antages, at lederne altid er vinkelrette på magnetfeltet, i en roterende motor. Derfor kan formlen skrives på denne form. F = B I l (B.1) Hvor: F er kraften påvirkende på lederen [kg m 2 ] I er strømmen der løber i lederen [A] l er det samlede lederstykke [m] B er magnetisk fluxtæthed [T] 37

48 DC-motoren Figur B.1: Til venstre ses motorvindingerne hvor det største moment findes, i midten er vindingen i bevælgelse mod motorens maksimum når motoren ikke indeholder polvending, til højre er motorens vindinger i maksimum [9] For at få motoren til at dreje kontinuert, er det nødvendigt at indsætte minimum 2 poler. Med dette menes, at strømmen vendes igennem vindingerne, hvilket gøres ved hjælp af kulstænger, som rører nogle kontaktflader på rotoren. Når rotoren så roterer ændres strømretningen i spolen, og motoren kan dreje kontinuert rundt. Hvis der laves flere poler på rotoren, kører motoren mere jævnt og ligeledes bliver spændingen (coulombfriktionen) for motoren mindre. Motoren der arbejdes med har 16 poler. B.2 Modellering Da kraften som påvirker et lederstykke er givet fra Laplaces lov, kan momentet findes eftersom momentet er kraft gange arm. Dette ses i formel B.2. τ m = d F r (B.2) Ved at indsætte formel B.1 i formel B.2 fås. τ m = B I l r = K I (B.3) Endvidere skal den elektromotoriske kraft findes, hvilket gøres ud fra en leders bevægelse i et magnetfelt. de m = (v B) dl (B.4) Hvor: de m Elektromotoriske kraft i dl [N] v Hastigheden [m/s] Når formel B.4 integreres for at den elektromotoriske kraft for hele lederen findes, fås. e m = ω r B l = K ω (B.5) Hvor: e m Elektromotorisk kraft i lederstykket l [N] K samme konstant som i formel B.3 Efter sammenhængen mellem moment og strøm er fundet, kan der opstilles ækvivalente modeller for motoren. Eftersom en motor er elektrisk og denne producerer mekanisk rotation, skal der både opstilles en elektrisk model samt en mekanisk model for motoren. Den elektriske model kan opstilles således. 38

49 B.2 Modellering Figur B.2: Elektrisk model for motor Figur B.2 giver anledning til at opskrive Kirshoff spændingslov for kredsløbet når strømmen i a løber heri. V a = R a i a + L a di a dt + K ω (B.6) Hvor: V a er den påtrykte ankerspænding R a er den Ohmske modstand i viklingen L a er viklingens selvinduktion [V] [Ω] [H] Den mekaniske model for motoren kan vises med dette free body diagram. Hvori momenterne er indtegnet. τ m τ b τ f Figur B.3: Mekanisk model for motor Det giver anledning til at opskrive formlen for momenterne som kommer sig af impulsmomentsætningen. J dω dt = τ m τ b τ f (ω, τ m τ b ) (B.7) Hvor: J er inertimomentet i motoren [kg m 2 ] τ m er Motormomentet [kg m 2 ] τ b er Belastningsmomentet [kg m 2 ] τ f er Friktionsmomentmoment [kg m 2 ] Systemet modelleres uden friktionsmoment τ f og derfor sættes dette til 0. Årsagen til dette er at τ f er en samling af flere momenter, bla coulomb friktionen og viskos friktion. Viskos friktion er også kaldet den våde friktion, denne er ulineær. Hvilket er grunden til der ses bort fra dette. Coulomb friktionen måles senere og sættes ind i modellen for motoren således denne er medregnet. 39

50 DC-motoren Kraftmoment Kraftmoment Coulomb friktion Statisk model af friktion Coulomb friktion Viskos friktion Stiktion Viskos friktion Stiktion Dynamisk model af friktion Vinkelhastighed Vinkelhastighed Statisk model af friktion (a) (b) Figur B.4: (a) Statisk model for motorfriktionen, denne model er god ved start af motoren, da coulomb friktionen skal overskrides for at starte motoren. (b) Dynamisk model af friktionsmoment, den lilla streg viser hvordan dette kan modeleres. som det ses vil der være en stor fejl idet motoren starter, men når den først er kommet over starten vil denne model dynamisk set være bedre. Nu kan overføringsfunktionen findes til den elektriske del, ved at laplace transformere formel B.6. Herved fås. V a (s) = (R a + L a s) I a (s) + K ω(s) V a (s) K ω(s) I a (s) = (R a + L a s) I a (s) 1 = V a (s) K ω(s) R a + L a s For den mekaniske del kan overføringsfunktionen findes ud fra formel B.7. J dω dt = τ m τ b τ f (ω, τ m τ b ) J dω dt = Ki a ω b 0 J s ω(s) = Ki a (s) ω(s) b (J s + b) ω(s) = Ki a (s) ω(s) K = i a (s) J s + b Dermed kan modellen for motoren opstilles således. (B.8) Mekanisk Figur B.5: Motormodel med elektrisk og mekanisk del Dette kan modelleres i simulink hvor modellen kan defineres således. 40

51 B.3 Bestemmelse af motorkonstanter Figur B.6: Blokdiagram for motormodel, lavet i simulink. B.3 Bestemmelse af motorkonstanter Når konstanterne bestemmes skal motoren have indfundet sig i Steady-state. Således motoren ikke svinger i omdrejningstal eller strømtræk. For at modellere motoren skal motorkonstanterne K, R a, b og tau c findes. Coulomb konstanten er målt i laboratoriet, og det er forsøgt, at finde den spændingen som får motoren til at starte. Derfor modelleres coulomb friktionen ikke med i modellen, før til sidst hvor den indsættes. Der vil være en friktion τ c idet motoren kører rundt, denne friktion beregnes, men bruges ikke i de videre beregninger. Derimod indsættes den spænding, der er målt i laboratoriet, som får motoren til at slå igang. Spændingen er målt til 1,5 V og bruges under betegnelsen coulomb på figur B.6. Ligningerne er på grundform således gældende for både fritløb samt stall. V a = ω K + i a R a τ b = i a K τ c ω b Ved at finde værdierne i databladet for motoren, kan de enkelte konstanter findes og formlerne kan løses, det hele ender ud med 4 ligninger med 4 ubekendte. V an = ω an K + i an R a τ bn = i an K ω an b V as = ω as K + i as R a τ bs = i as K τ c ω as b hvor: Van Ankerspænding i fritløb [V] ω n Omdrejlingstal i fritløb [rad/s] K Motorkonstant [n/a] i an Ankerstrømmen i fritløb [A] R a Vindingernes modstand [Ω] τ bn Belastningsmoment i fritløb [kg m 2 ] τ c Coulombfriktion [kg m 2 ] b Dæmpningskonstant [n/a] V as Ankerspænding i stall [V] ω s Omdrejlingstal i stall [rad/s] i as Ankerstrømmen i stall [A] τ bs Belastningsmoment i stall [kg m 2 ] 41

52 DC-motoren Dette kan opstilles i en matrix så det noget nemmere kan løses i matlab. ω an 0 0 i an K V an i an ω an 0 0 b ω as 0 0 i as τ c = τ bn V as i as ω as 1 0 R a τ bs (B.9) Ved brug af \ operatoren i matlab kan løsningen til en Ax = b matrix findes. Hvis matrixen A er kvadratisk vil løsningen til \ operatoren være næsten den samme, som inv(a) b blot beregnet på en anderledes måde, som er noget hurtigere. Hvis matrixen ikke er n n, men derimod en underbestemt n m eller overbestemt m n matrix, benytter \ operatoren sig af enten cholesky, LU eller least squares metode for at bestemme en løsning til problemet. 42

53 APPENDIKS C BILLEDER AF SVEJSEPROCESS Her ses billeder taget med Redlake HS-4 højhastigheds kamera, hvor der er monteret en 1500W arbejdslampe bag ved lysbuen, samt et DIN 4 svejseglas foran kameraet, dette er gjort for at forbedre billedkvaliteten. (a) Lysbuen opvarmer smeltebadet samt smelter tråd, lysbuen er den hvide plet i midsten af billedet. (b) Dråbestørrelsen er stor, lysbuen er blevet mindre pga. trådhastigheden er større end smeltehastigheden (c) Overførsel af materiale til smeltebadet, det ses at det kun er dråben som sidder yderst på tråden der overføres. (d) Overførslen af materiale er færdig, derfor bliver dråbeafslutningen lille og strømmen stiger, derefter fås en fribrænding. (e) Fribrændingen er lige sket, der ses små fragmenter forlade smeltebadet, dette betegnes som sprøjt. 43

54 Billeder af svejseprocess 44

55 APPENDIKS D KODE FRA EMBEDDED MATLABFIL 1 f u n c t i o n y = f c n ( u ) 2 3 %Der o p r e t t e s en v a r i a b e l samt der t j e k e s om denne er tom. ER d e t t i l f æ l d e t 4 %g i v e s den værdien p e r s i s t e n t o l d _ i n p u t 7 i f isempty ( o l d _ i n p u t ) 8 o l d _ i n p u t = 0 ; 9 end p e r s i s t e n t c o u n t e r 12 i f isempty ( c o u n t e r ) 13 c o u n t e r = 0 ; 14 end 15 % O u t p u t t e t g i v e s værdien 65536, da d e t må a n t a g e s a t motoren h o l d e r s t i l l e 16 % når v a r i a b l e n o p r e t t e s. 17 p e r s i s t e n t o u t p u t 18 i f isempty ( o u t p u t ) 19 o u t p u t = 65536; 20 end % Hvis i n p u t t e t går f r a l a v t i l h ø j d e t e k t e r e s der en s t i g e n d e f l a n k e. Hvis 23 % der er en s t i g e n d e f l a n k e s æ t t e s c o u n t e r e n s værdi t i l o u t p u t t e t og c o u n t e r e n 24 %r e s e t t e s. E l l e r s så t æ l l e s c o u n t e r e n en op. 25 i f ( ( o l d _ i n p u t < 0. 5 ) && ( u >= 0. 5 ) ) o u t p u t = c o u n t e r ; 28 c o u n t e r = 0 ; e l s e 31 c o u n t e r = c o u n t e r +1; 32 i f c o u n t e r > o u t p u t = c o u n t e r ; 34 c o u n t e r = 0 ; 35 end 36 end % Gamle v æ r d i e r gemmes i d e r t i l o p r e t t e d e v a r i a b l e. 39 o l d _ i n p u t = u ; 40 y = o u t p u t ; 45

56 Kode fra embedded matlabfil 46

57 APPENDIKS E LOGBOG OVER PRAKTIKPERIODEN Her ses logbogen fra tirsdag den 29/4 til Tirsdag den 30/9 over praktikperioden hos Migatronic A/S for Kent Kejser. 29/4 Tirsdag Jeg mødte kl halv 9, hvor jeg fik anvist en arbejdsplads. Og kl 9 var der morgensamling hvor jeg blev budt velkommen og de andre spurgte lidt ind til hvad jeg lavede og sådan. Efter morgensamlingen fik jeg udleveret en PHD afhandling skrevet af Jesper Sandberg omhandlende "Advanced control methods for optimization of arc welding". 30/4 Onsdag Jeg har læst i Jesper Sandbergs PHD afhandling, og ved siden af har der fået min bruger op og køre på Migatronic. 1/5 Torsdag Kristihimmelfartsdag 2/5 Fredag Dagen er brugt på at læse PHD afhandlingen om control af svejseprocessor. 5/5 Mandag Jeg har nu fået introduceret min plads nede i laboratoriet, og Anders har vist mig hvordan man laver nogle målinger på svejseprocessen. På spændingsmålingen er der en hel del switchstøj overlejret i signalet. Denne frekvens er på 50KHz. For at undgå for meget group delay i målingerne (Tidsforsinkelse som skyldes filteret) sættes knækfrekvensen så højt som muligt, men så der samtidig regnes med en passende udglatning af kurven. Ved siden af disse iagttagelser læses der i Jesper Sandbergs PHS afhandling. 47

58 Logbog over praktikperioden 6/5 Tirsdag Fri. Da jeg skal til tandlæge. 7/5 Onsdag Filteret der ønskes implementeret er et bessel filter, grunden hertil er at dette filter allerede er implementeret i målekasserne som der monteres på svejsemaskinerne. Det originale bessel filter har en knækfrekvens på 40KHz. Der simuleres og en knækfrekvens på 30KHz implementeres og testes.måling på lavpassfilteret fastslog at knækfrekvensen ikke var lav nok, da der stadig er en ripple på 4,65V men det er dog en forbedring ift. de 8,65V der var før. Filteret redesignes så knækfrekvensen nu er på 20KHz, der testes om det bliver bedre. Riplen er nu blevet en hel del mindre end fra starten. Kameraet er desuden blevet indstillet så det er klar til målingerne. 8/5 Torsdag Der laves nogle målinger, det ønskes at trække målingerne ind i matlab, så de kan plottes, og senere kan bruges i simulink. Datane kan komme ud af midas player ved at eksportere datane til et excel ark. Og derefter kan funktionen "xlsread"i matlab benyttes til at importere data. 9/5 Fredag Der ønskes at lave en automatisering af indlæsningen af data. Derfor skrives der en m-fil til matlab som skal stå for denne indlæsning. Det giver lidt problemer med xlsread, men dette bliver lavet sidst på dagen, der mangler stadig noget optimering af koden. 12/5 Mandag 2. Pinsedag 13/5 Tirsdag Færdiggørelse af m-filen, så den kan tage en vilkårlig måling og alligevel indlæse alle samples fra denne. Dette er blevet suppleret med et par ekstra målinger for at teste funktionaliteten, målingerne er ikke systematiske målinger. 14/5 Onsdag Møder: Boost gruppen Det ønskes at finde en sammenhæng mellem slowmotion film, samt målinger. Dette gøres med at implementere indekseringen i indlæsningen af data. Derefter er der lavet en matlab fil som kan tage et givent framenumme og derefter finde strøm og spænding til den givne frame. 15/5 Torsdag Møder: Boost gruppen Opstilling af simulinkmodel. Dette er første opstilling af en model. Dataene er hentet fra matlab, men skal senere kunne hentes fra den mat fil som gennes hver gang der indlæses data til matlab. 48

59 For at detektere kortslutninger sættes der i modellen en if sætning ind. Således at den giver 0 hvis spændingen er over 20V samt 1 hvis spændingen er under 20V. Derefter er der lavet lidt mere systematiske målinger med strømme på A. Ved strømme under 150A kan den første model benyttes. Men når svejsestrømmen kommer over 150A vil der være for meget støj på til at dette kan detekteres korrekt. Derfor skal der konstrueres en anden algoritme til detektion af lysbue. 16/5 Fredag Arbejder på Boost projektet. Ved at anvende strømspoler kan strømmen som løber igennem transistorne bestemmes, den maksimale højde på spolerne er 12mm, da de ellers ikke kan være der for kølepladen. Den mindste strømspole som er fundet er 13mm høj, og det kræver derfor ekstra bearbejdning af baseplaten (kølepladen) hvis disse skal monteres. Der er regnet på to forskellige topologier, bl.a. En BJT transistor som skal slutte hvis strømmen bliver for stor, og dermed slukke for strømmen. En anden metode er at føre signalet ind i en komparator. 19/5 Mandag Møder: Boost gruppen.motorreguleringsgruppen. Printline(firmabesøg). Gennemgang af motorregulering, samt udregning på gear ift trådfremføringshastighed. Der er lavet en matlab fil med udregningen, så den kan gemmes og bruges til senere brug. Filen bruges til at finde motoromdrejningerne i forhold til trådhastigheden. Derudover kan der vise hvor mange pulser der sendes ud. 20/5 Tirsdag Den nuværende motorstyring gennemgås, ved at jeg har fået adgang til koden til Sigma maskinen, herudfra har jeg fundet kontrol løkken, og fået opstillet et udtryk for reguleringen. Det ses ud fra overføringsfunktionen at der er tale om en PI regulator. Denne modelleres i Simulink. 21/5 Onsdag Nu kan jeg kode og compile ny software til Sigma maskinen, (Den som har problemer med trådfremføring). Jeg har brugt det meste at dagen på at debugge, og fejlen er pt konstateret til at være en fejlmåling i microprocessoren. Derfor bruges eftermiddagen på at verificere at processoren er sat rigtigt op, samt at vi tilgår de rigtige registre på den rigtige måde. Proceduren hvorefter der måles er ved at kigge på de stigende flanker. Når der detekteres en stigende flanke. Så tælles der punkter med et interval på 1600ns til der kommer en stigende flanke igen. Når denne detekteres gemmes tællerværdien, og tælleren nulstilles. Og proceduren begynder forfra igen. Motormodellen er ikke helt færdig endnu. Kontrol kredsløbet er lavet færdigt. Men motorens datablad er meget mangelfuldt, så der skal laves forsøg med motoren for at fastlække en komplet model heraf. Når motormodellen er på plads skal dette muligvis benyttes til at lave en kahlmann filtrering i samarbejde med Anders. 22/5 Torsdag Modellen for motoren er færdig, og der er lavet en m-fil hvor dataene ligger i. Denne m-fil skal køres inden simulink modellen kan benyttes. Der laves også nogle test af noget software for at 49

60 Logbog over praktikperioden fastlægge hvor fejlen er, fejlen er bestemt til ved at debugge at processoren nogle gange får for store tællerværdier ind i motoren. motormodellen er implementeret i Simulink, samt fejlmålingerne er ligeledes implementeret, som fejlsignal. 23/5 Fredag Der laves et filter som sammenligner den målte tachopuls med referencesignalet + en tolerance, tolerancen er fastlagt ved at se på motorens steprespons. Ved en motorhastighed på 30m/min er den maksimale step på 4 og ved 1m/min er den maksimale step 17. Ud fra disse 2 punkter bestemmes en funktion som kan programmeres med ind i softwaren. Kort og godt så ser filteret om målingen ligger langt fra referencen. Og hvis dette er tilfældet så skal den nye måling tilskrives referenceværdien. Dette resultere i at store fejlmålinger bliver sorteret fra. I praksis har det forbedret motorens performance rigtig meget. Men det er stadig ikke godt nok da der stadig er nogle spikes. Ved målinger kan det ses at motorens pwm signal stiger fra 88% til 94% når fejl detekteres. Fejlen er dog så lille i det svejsekablet virker som et kraftigt lavpassfilter i at det stort set ikke kan mærkes. Men kvalitetsmæssigt så er det ikke godt nok. Derfor arbejdes der videre med opgaven mandag. 26/5 Mandag Der arbejdes videre på filteret. Dagen går stort set med forsøg på at trimme filteret, samt mætte integratoren fra starten af, så vi er sikker på motoren starter når der tastes på håndtaget. Integratoren mættes ved at måle den spænding som netop får motoren til at kører rundt altså coulomb friktionen. Der arbejdes særligt med en motor leveres af FHP fra Sverige. Denne motor har 10 poler og disse er drejet en smugle således at motoren lettere slår i gang ved brug. Men da der er kommet et noget billigere alternativ nemlig en kinesisk motor har Migatronic interesse i at benytte denne i stedet, samt finde fordele og ulemper ved disse to. Den kinesiske motor har 16 poler, og disse er monteret helt lige. Ved målinger i laboratoriet ses det at FHP motoren starter med at rotere jævnt med en ankerspænding på 1,5V og den kinesiske motor kører allerede ved en ankerspænding på 0,8V. Når integratoren har dette som initial værdi sikre vi os at motoren altid starter når der tastes. 27/5 Tirsdag Der forsøges nu at lave tilbagekoblingen på reguleringsprogrammet i Simulink så det indeholder tachopulserne. Dette giver anledning til en del problemer, så dagen er gået med at søge efter brugbare metoder til at implementere det i Simulink. Sidst på eftermiddagen kom Anders og hjalp. Og det lykkedes at skabe pwm signalet, men der var en voldsom beregningstid. Simulinkmodellen er sendt til Anders som tager lidt over da der skal designes et Kahlmann filter for at dette bliver helt godt, og i takt med at Anders har mange bolte i luften. Så vil min tid blive brugt mest hensigtsmæssigt hvis jeg hjælper med på boostconverteren. Så dette begynder jeg at lave fra onsdag af. 28/5 Onsdag Dagens opgave består i at regne på kondensatorer. Jeg skal have beregnet levetiden på disse. Dertil skal jeg have bestemt en last til kondensatorbatteriet samt en tilførsel af strøm. Dette regnes først i hånden. Men det besluttes at dette skal implementeres i PSpice for at der til sidst også kan laves en FFT analyse af dette. Derfor benyttes Orcad til at tegne kredsløbet i. 50

61 29/5 Torsdag Møder: Boost gruppen PSpice modellen optimeres. Og der simuleres med en last som estimere den som lasten har i virkeligheden. Desuden fås modellen helt op og køre. Der har været lidt problemer med kondensaternes initialværdi (Id=0). Men dette fungerer nu. I morgen fredag skal der beregnes tab i kondensaterne, samt beregning af en estimeret levetid for kondensaterne. 30/5 Fredag Der er bestemt et tab i kondensaterne. Dette tab bestemmer levetiden for kondensaterne når omgivelses temperaturen kendes. Der er desuden lavet en afbryder til arbejdslampen i lab som monteres mandag. Afbryderen er lavet med en 16A tænd og sluk knap til en svejser som er bygget i en kasse. 2/6 Mandag Ny revidering af tabet i kondensaterne, i fredags kom jeg til at bruge peak værdierne men det skal være RMS værdier der benyttes. Jf simuleringerne skal der benyttes 8 kondensatore som kobles parallelt med 2 i serie. *Der kan stadig ikke siges noget om omgivelsestemperaturen, men dette kan måles når boost konverteren kommer til at virke. Afbryderen er monteret i lab og denne fungere som den skal. Derudover er kameraet indstillet så det igen filmer svejseprocessen, da det har været udlånt til luftflowmåling i Omega (Da der skal monteres Boostspoler i luftvejen). 3/6 Tirsdag Møde med Andens om hvor jeg er i mit projekt, samt hvilken vej projektet kunne tage. Jeg har en løsning om virker ved 50A. Det er en løsning som kigger på spændingen, om den er over eller under 20v. Denne løsning er forsøgt på 200A, hvor resultatet var at det ikke virkede. 4/6 Onsdag Der søges på internettet efter metoder til lysbuedetektion, Jeg har reserveret nogle bøger på universitets bibliotek som jeg regner med er gode, derudover har jeg lånt bogen modeling, sensing and control of gas metal arc welding. Resten af dagen er brugt på læsning i denne. 5/6 Torsdag Grundlovsdag. Her læste jeg nogle informationer i dokumenter fra IEEE Explorer. Men dette var ikke direkte relevant for projektet. Derfor er der ikke gjort yderligere ved disse dokumenter. 6/6 Fredag Jeg har tænkt mig at finde en algoritme som beskriver når der sker en kortslutning. Algoritmen tager udgangspunkt i modstanden som bestemmes ud fra strøm- og spændings- målinger. Meningen er så at det skal undersøges om modstanden falder. Hvis modstanden falder, er det fordi der sker en kortslutning, altså close loop. Med dette menes at strømmen løber i kabelet og direkte igennem kortslutningen til stel. Når modstanden stiger vil svejseprocessen være på vej mod open loop, her menes at der dels er modstand i kablet samt modstand i lysbue. Dermed kan det kontroleres om 51

62 Logbog over praktikperioden svejseprocessen går mod closed loop. Ved at se på de sidste 2-5 målinger. Er disse faldende vil svejseprocessen muligvis være på vej mod kortslutning. 9/6 Mandag Der laves en model i matlab i en embedded matlabfil, denne gemmer de sidste 3 målinger i forhold til hinanden, og ser på om de er større eller mindre end 0 for at finde ud af om vi går mod closed eller open loop. 10/6 Tirsdag Eksamen i Matrixberegniinger Arbejdede hjemme denne dag. Brugte dagen på at låne 3 afhandlinger hhv. Arc Welding Process statistical analysis, the effects of real-time control of welding parameters on weld quality in plasma arc keyhole welding og sensorsystemer I lysbuesvejsning. Samt læste I disse om eftermiddagen. 11/6 Onsdag Tandlæge om formiddagen Viderarbejdelse på lysbyedetektion. Der er lavet en embedded matlab fil som kigger på modstanden i kabel samt lysbue. Ud fra det kan jeg konkludere at når modstanden falder så går vi mod en kortslutning, og når modstanden stiger, så er der fribrænding. Dermed kan modstanden i lysbuen bestemmes. Denne bestemmelse inkluderer ionisering af gas, samt opretholdelsen af lysbue. 12/6 Torsdag Embedded matlabfilen optimeres således at den er mere dynamisk, dvs der arbejdes i et array i stedet for at arbejde i flere variable. Dette betyder at der i starten af filen skal angives hvor mange samples man ønsker testet for. Dette virker ikke helt optimalt, men det er meget mere overskueligt end det var tidligere. 13/6 Fredag Samling af simulinkfilen til en embedded fil, i stedet for stor og uoverskuelig fil. Det er testet og simuleringen passer meget godt, men det kan blive bedre endnu, da den godt kan finde på at detektere 2 kortslutninger efter hinanden, til dette er der blevet beregnet på hvor meget tråd der tilføres processen, men dette er meget kompliceret at lave, det kræver et stort dynamisk system som jeg ikke lige har overblik til at lave. Men ud fra overvejelserne af at implementere smeltningen af tråd. Men da der vil blive overført relativt meget varme til omgivelserne da vi arbejder med temperaturer op imod grader celsius. Desuden vil smeltebadet være i bevægelse dels fra eksplotionerne der sker når der svejses men også fra pinch effekten som skubber til smeltebadet. Dette er nogle af de lidt mere komplekse variable der findes. Af simplere variable kan nævnes. Fremdrift af tråd, dette bliver allerede målt og kan hentes. Bestemmelse af hvilken effekt der skal bruges til at smelte tråden, men denne effekt bruges os til at opvarme metallet som svejses i. Alt i alt så er det en kompliceret proces som kræver en viden jeg ikke lige har tilegnet min endnu. 52

63 15/6 Søndag Der er blevet læst i det lånte materiale. Og det ser ganske fornuftigt ud. Jeg går stærkt ud fra at dette kan bruges til projektet. Der er desuden blevet rettet et par småfejl på simulinkmodellen. 16/6 Mandag Fri, jeg arbejdede Søndag i stedet så jeg kunne komme en tur til London. 17/6 Tirsdag Anders har vist hvordan Sigma maskinens DSP programmeres. Desudover har jeg implementeret en test diode i koden som jeg tænder når der sker en kortslutning og slukker når der er en fribrænding. Der arbejdes ligesom jeg har gjort med simuleringer. Dvs. Jeg har startet med at implementere under 15volt metoden. Der er bliver loddet et par ledninger på dioden og der måles differentielt over denne, og dette samples ligeledes til datakortet på computeren når der svejses. Der forefindes 2 testdioder som jeg kan lege med på maskinen. Testen med under 15V gav et specielt billede, signalet sættes først efter 0.3ms og er kun højt i et ms. Og derefter er det lavt i resten af tiden inden fribrændingen. Desuden er der monteret ledninger på dioden så disse kan måles på, de er tilsluttet breakout boxen ligesom strøm og spænding er, dette betyder at jeg kan hente datane ind på computeren. Dette gør at jeg kan gemme målinger, samt jeg kan se om kortslutningen på kameraet bliver detekteret. 18/6 Onsdag Det eneste der gav mening fra gårsdagens målinger var test på om spændingen var over eller under 15V. Algoritning med at tage de sidste 3 målinger og se deres udfald virker ikke efter hensigten, dette kan skyldes at jeg i simuleringen arbejder med målinger på systemet taget ved en samplerate der er langsommere end svejsemaskinens reguleringsfrekvens. Derfor arbejdes der videre med at få implementeret en metode til at detektere lysbue. 19/6 Torsdag Den nuværende kortslutningssikringen i svejsemaskinen er testet, og det viser sig at den detektere kortslutninger ret præcist. Men det tager for lang tid inden detektionen finder sted. Detektionen skal finde sted der hvor spændingen begynder at stige. Og ikke ligesom det er i dag hvor den først detektere det når strøm og spænding er næsten ens. Desuden læses koden for observeren igennem, da det er denne fil jeg skal redigere i. Jeg læser koden og går i detaljer med den. Så jeg har fuld forståelse for den. 20/6 Fredag Efter at have læst resten af koden igennem, leder det tankerne over på en ny algoritme. En algoritme hvor der ved kortslutningens begyndelse testes på om spændingen falder 5v, over en sample, hvis dette er tilfældet, så sker der en kortslutning, ved fribrænding ses der på de sidste 3 samples af spændingen, hvor differencen mellem disse måles og disse differencer skal være positive. Desuden må der ikke kunne detekteres kortslutning igen hvis der ikke har været en fribrænding. Denne algoritme skal testes. 53

64 Logbog over praktikperioden 22/6 Søndag Læst paper igennem om laserlys belysning af svejsningen. Dette kommer fra den messe Anders var på i sidste uge. Ved at belyse en svejseprocess med laserlys, rettere kraftigt lys med en bølgelængde på ca. 1000nm. Dette filtreres så foran kameraet, således det kun er et meget snævert vindue som der ses omkring den bestemte bølgelængde. På farnell har jeg fundet et par lysdioder som har en bølgelængde på 905nm. Men prisen på disse er i omegnen ad 2-300kr stykket. 23/6 Mandag Møder: Boostgruppen Jeg leder her efter laserdioder som kan bruges, samt kigger på kameraets følsomhedsområde for lys. Desuden snakker mig og Anders om paperet og om muligheden i at jeg kan konstruere dette apparatur. 24/6 Tirsdag Gennemsøgt internettet for metoder som kan bruges til at lave vores egen belysning af svejseproceduren. Jeg har ikke kunne finde spektral analyse af kameraet, altså hvor dets følsomhedsområde er størst. Desuden opstilles boostkonverteren nede i lab, for den første prototype er nemlig klar til test. Der er lidt problemer i forsyningsspændingen til regulatoren, derfor sættes forsyningsspændingen til regulatoren til en ekstern strømforsyning. Der er desuden problemer med overstrømbeskyttelse, Vi fjerner overstrømbeskyttelsen. Og derefter virker boost konverteren som den skal. Vi har tilsluttet en fase. Og ved en spænding på 195Vac giver konverteren 600Vdc ud. Den er endnu kun testet med en fase, samt uden belastning. 25/6 Onsdag Møder: Afdelingsmøde, Laserlys til højhastighedskamera (Finn Mengel) Laserlys demonstrationen var rigtig god, vi så på vores opstilling i laboratoriet at det illustrativt bliver meget flottere hvis der monteres laserlys som belysning. Grunden hertil er at laserlyset er meget kraktigere end lysbuen. Og ved at montere et optisk filter foran kameraet og samtidig fjerne det ir filter som sidder deri, så bliver filmen meget flot. Laserlys opstillingen koster i omegnen af euro. Dvs. ca kr. Derfor besluttes det efter produktfremvisningen at jeg arbejder videre med at finde en metode til at belyse processen. Og det skulle være muligt at gøre dette noget billigere. Derudover har der været afdelingsmøde, hvilket var meget interessant at deltage i. Det meste af dagen er gået med fremvisning samt møder. Den resterende tid er brugt på at finde nogle dioder som kan bruges til at blive fokuseret ind i en fiber som derefter kan fokuseres som en diodelaser i lysbuen. 26/6 Torsdag Signalet fra breakoutboxen er testet. Dette signal skal synkronisere kamera og lysudsendelse. Dette gør at billedet bliver taget når dioderne lyser, og dermed er synkroniseret. Signalet er generelt højt, men til tiden 0 peaker det lige ned til 0 og på den stigende flanke herefter sker synkroniseringen. Derfor er det denne stigende flanke jeg skal detektere, dette kan gøres med en 4528 eller På 4538 kan modstanden så dimensioneres til et potmeter, som gør at pulslængden kan varieres. Dette er ønskeligt da en lille pulslængde vil give større afsat effekt, hermed menes at der kan afsættes en given effekt i en diode over et sekund. Dette gælder både hvis dioden er tændt konstant eller om 54

65 den pulsere. Derfor vil det kraftigste lys være et pulserende lys med en duty cycle som passer til kameraets shutter. Derudover skal pulslængden bestemmes af et eksternt potentiometer. 27/6 Fredag Jeg har ledt videre efter dioder, og er kommet frem til 5 forskellige, disse skal senere verificeres. Det handler om "SFH 484-2(850nm)", "SFH 487-2(880nm)", "LD274-3(950nm)", "SFH 4650"og "HSDL 4230". Dioderne "SFH 484-2", "SFH 487-2"og "LD274-3"er anskaffet. Desuden er der anskaffet en 74HCT4538N som bruges til at trigge på stigende flanker. Det har været på tale at montere en 555 timer kreds, men dette er sandsynligvis ikke længere nødvendigt, da Rx er timings modstanden på kredsen HCT4538 kan denne ændres direkte. 30/6 Mandag Der arbejdes videre med kredsløbet, indtil videre er 555 kredsen stadig sat til side. For at komme videre med bestemmelse af kredsløbskomponenter bestemmes en maksimal frekvens (fps) til 5kHz. T(on) signalet er så 200us. Der skal desuden konstrueres en konstantstrøms generator for at trække den rigtige strøm igennem dioderne. Der bestilles nogle laserdioder, det er de billigste som vi kan finde ved farnell. For at udføre nogle tests på dem. 1/7 Tirsdag Dioderne ankommer. Men det er ikke bare ligetil at få dioderne til at lyse, da der er 3 ben på disse, det er for at de ikke brænder af, så sender laserdioden et lys ud, hvornår der så sidder en feedback diode som sørger for at generere en spænding ud fra den udstrålede optiske effekt, dette bruges til at koble dioden tilbage til et reguleringskredsløb. Der er opbygget et kredsløb med en operationsforstærker. Samt et antal diskrete komponenter. Kredsløbet er lagt ud på print som jeg laver nede i kælderen. Og får det loddet op i udviklingsafdelingen. Hele dagen går med at tegne diagram, lægge print ud, og ætse det, og lodde det. 2/7 Onsdag Undersøgelse af Driver IC er tillaser dioder, Vi ønsker at pulse laserdioden for at få den til at lyse mest muligt i kort tid, dette kan umiddelbart ikke bare lade sig gøre med en IC, men hvis der kobles 2 op, kan det lade sig gøre at pulse den fra CW (continius wawe) til 155MHz 3/7 Torsdag Møder: Acte Levering af kondensatorer og papirdisplays Test af kredsløb samt pålodning af de sidste 2 komponenter som manglede i SMD skuffen i UDV (2 stk 10uF kondensatorer). Samt test af hvorfor dioden ikke lyser særlig kraftigt, der er valgt en laser diode på 7mW. Det testes eksperimentelt om dioden kan lyse ved at påtrykke den en spænding, ved målinger på driverkredsløbet, får dioden omkring 8V hvilket også vil være den værdi jeg har tænkt mig at påtrykke den. 4/7 Fredag Møder: Midtvejsmøde med Kirsten og Tom Lyset fra dioden var meget svagt. Ved at fejlsøge på kredsløbet, er der fundet 2 fejl. Dels er kredslø- 55

66 Logbog over praktikperioden ber fra Laser Components forkert da de har byttet om på + og - til opperationsforstærkeren. Og desuden er laserdioden set fra toppen, selvom det ser ud til i databladet at den er set fra bunden. Dette gør at der kommer meget mere skrald på dioden. 7/7 Mandag Der kom i dag et side projekt idet jeg gerne ville have lavet en blæserstyring til en ventilator, Dette kredsløb er et dæmpningskredsløb med en triac og diac samt en variabel modstand som muliggøre variabel blæserhastighed. Kredsløbet konstrueres og det lægges ud som print, derudover fik jeg vist hvordan der konverteres fra diagram til layout, og til sidst til udlægning af print med ætsning ovs. Dertil er der skrevet en lille note som er vedhæftet. 8/7 Tirsdag Kredsløbet for applikationen for at pulse lysdioderne gennemtænkes. Som design er det besluttet at pulse 7 dioder i et array og så skal der monteres 7 sæt, dvs. 7 sæt á 7 dioder det giver 49 dioder på et belysningsprint. Der ønskes desuden måling på referencen for at se hvilken strøm der løber igennem dioderne. Samt en måling på om der er lys i dioderne, da det er infrarødt lys. Det besluttes at dele det op i følgende print. Målekredsløb, dette er printet som måler på referencen. Driverprint, dette print indeholder konstantstrømsgenneratorne samt en schmitt trigger som viser om referencen er langt fra den tilbagekoblede værdi, hvis dette er tilfældet vil der muligvis være en diode som er brænt af, og dermed skal kredsløbet tjekkes. Belysningsprint, Lysdioderne er monteret herpå. I databladet står der at hver diode skal have et kobberareal på 16mm2 for at lave nok køling til dem, for at dioderne kan monteres tæt nok monteres de på 12mm2. 9/7 Onsdag Der arbejdes videre med kredsløbene, målekredsløbet samt belysningsprintets diagrammer lægges ud. Og der lægges diagrammer ud på prints. Dette tager nogen tid, så derfor blev det lidt sent i dag. Det hele skulle være klart så jeg kan lave print i kælderen torsdag. 10/7 Torsdag Jeg har printet diagrammerne ud på transparenter og fremstillet prints i kælderen. Dette var jeg ca. færdig med til middag, og resten af dagen gik så med at lodde målekredsløbet op, samt min blæserstyring. Målekredsløbet testes lige inden jeg tog hjem med der var lidt problemer med differential indgangen på CA3162 Dette blev fikset ved at koble en 5Kohm modstand mellem den negative indgang på differential koblingen til stel på forsyningsnetværket. Dette stabiliserede displayet. Som ellers fungere upåklageligt. 11/7 Fredag Blæserstyringen testes, men den første blæser jeg fik fingre i virkede ikke, da denne ikke kunne dæmpes. Derfor har jeg fået en anden blæser, grunden til at blæseren ikke kunne dæmpes var at statoren var viklet specielt, derfor var den enten tændt eller slukket konstant. Med den nye blæser er der desuden for at stabelisere eventuel problemer med EMS koblet en spole ind med 56

67 nogle vindinger på en ringferitkerne Dette skulle forbedre moterens perfomance en smugle med stabilisere blæserstyringens EMC en hel del. Da kredsløbet kørte kunne der efter det blev slukket igen observeres at triacen blev lidt varm, derfor er der også blevet monteret en køleplade på denne. 14 dages sommerferie 28/7 Mandag Tilbage efter ferien, dagen bruges på at koordinere hvad der skal laves, og hvilken prioritering det skal have. Jeg beslutter mig for at jeg hurtigst muligt skal have gang i de indkøbte dioder, og for at der kan komme det skal der designes et driverkredsløb, før ferien arbejdede jeg med en konstantstrømgennerator med feedback dvs den er drevet af en opperationsforstærker. Dette arbejdes der videre på. 29/7 Tirsdag Simulering af konstantstrømgeneratoren ser fin ud. Dette er allerede lavet før ferien. Men den skal kunne pulses hvilket ser ud til at være et større problem end som så. Da det ikke vil fungere. Anders og mig bliver enige om at der ikke kan benyttes en topologi med feedback. Nu koncentrere jeg mig om at finde en simpel topologi med en transistor og en zener diode. 30/7 Onsdag Kredsløbet med feedback tages op igen, efter læsning i sedra smidt ville dette være det mest præcise, derfor optimeres modellen i pspice, ved at indsætte en hurtigere opperationsforstærker samt hurtigere transistor, der vælges en transistor af typen mosfet i stedet for BJT. 31/7 Torsdag Kredsløbsdiagram lægges ud for driverkredsløbet med 7 parallelle koblinger beregnet til at drive loaden. Desuden lægges kredsløbet ud på print. Og det overvejes nøje hvordan banerne skal lægge for at printet er bedst muligt set med et EMC mæssigt synspunkt. 1/8 Fredag Printet designes færdigt. Og der tilføjes yderligere et par ting til dette. Oneshoot generatoren som giver en puls på stigende flanker implementeres, og netlisten opdateres således det sidste kan lægges ud på print. Der optimeres yderligere på printet for at tykke baner ovs. Stel er trukket ude langs kanten på printet, og er trukket med tykke ledere (2 mm). Forsyningen til de 30 V er ligeledes trykket med tykke baner (2 mm). Selvfølgelig er der mellem transistor gennem minifit til seriemodstanden også trukket tykke baner. Resten af banerne er trukket med 0,75 mm baner. Som også er alt andet en rigeligt tykke nok til at kunne bære de 5 A. pulsstrømme. Komponenterne findes frem for at sikre alt eksistere på virksomheden inden print ætsning. Enkelte komponenter findes ved SMD loddemaskinen, og da der ikke er nogle ansatte en fredag eftermiddag så udskydes dette til manddag. 57

68 Logbog over praktikperioden 4/8 Mandag Komponenterne er fundet, og det kan konkluderes at so16 huset ikke er så bredt som footprintet i orcad. Derfor vælges det at benytte en dip 16 i stedet. Og så laves det en konverter fra dip16 til so16. 5/8 Tirsdag Printet var færdig ætset mandag aften, og komponenterne til dette findes, så det kan loddes sammen i løbet af dagen, Printet er samlet færdigt så det kan testes onsdag. 6/8 Onsdag Printet tilsluttes 15v, hvilket resulterer i at kanttrigger kredsten brændte af, der monteres en ny, og trigningen ved stigende flanker verificeres til at virke korrekt. 7/8 Torsdag Printet testes videre da det ikke virker som det skal. Operationsforstærkerne var konstruktøren meget sikker på kunne holde til 15V forsyning. Men dette er ikke tilfældet da der blev valgt en anden i sidste øjeblik inden ætsning. Det opslås i databladet at den kun kan tåle 5V hvorfor denne er brændt af. Der monteres en nu på en af driverne. 8/8 Fredag Driveren kan ikke tænde lysdioderne, på grund af gate-source spændingen ikke er stor nok, gatesource threshold er på 4v hvilket skal lægges til spændingen over dioderne og modstanden. Dette giver i omegnen af 21v. Herfor vælges der at koble en 20V zener diode på udgangen af opperationsforstærkeren samt 2 modstande så der altid bliver trukket en strøm igennem dioden. Og dermed opretholdelse af spændingsfaldet. Dette gør at udgangen på operationsforstærkeren variere med 0-5V men på den anden side af zenerdioden vil spændingen variere med 20-25V. Der designes et nyt print med henblik på at dette kommer til at virke på en overskuelig måde. Desuden tilføjes en 4538 i so16 hus, så der findes so16 og dip16. 11/8 Mandag Der designes nyt layout, og der udlægges print til kredsløbet. Dette tager nogen tid at få til at passe, og derfor går resten af dagen med dette. Der lægges desuden stelplan på printet for at eliminere støj. Desuden er der monteret en zener diode på 12V. samt negativ forsyning på ±18V 12/8 Tirsdag Printet ætses og der bores huller i det. Første print der ætses virker ikke da det er blevet spejlvendt forkert, derfor ætses der et nyt print som samles i løbet af eftermiddagen. Der monteres kun en driver ud af de 7 som der er plads til for at verificere printlayoutet. 58

69 13/8 Onsdag Printet testes. Der er problemer med spændingspotentialet over mosfetten da denne variere en hel del pga spændingsfaldet over dioderne, derfor monteres dioderne ved mosfettens drain terminal til vcc. Dette resultere i at spændingspotentialet ved source vil være noget mere stabilt. Desuden er zenerdioden pillet af kredsløbet igen, da der kan gives en udgangsspænding på ±15V. Dette er rigeligt til at få åbnet for mosfetten da gate-source threshold er på max 4V. og spændingen over den 1 ohm modstand maksimalt opnår 5V. 14/8 Torsdag Møder: Afgangsprojektmøde med Anders, Tom og Kirsten Der måles videre på kredsløbet, det ringer ved pulserne, derfor opbygges en simulering i PSpice, hvor der ses en identisk ringning for kredsløbet, denne ringning analyseres og det observeres at denne kommer fra opperationsforstærkerens udgang, da den har uendelig forstærkning i den bufferlignende opsætning den er koblet i. Derfor simuleres med en differential kobling for at bestemme den maksimale forstærkning i kredsløbet. Dette giver en dæmpning i ringningen, men det er stadig ikke godt nok. 15/8 Fredag En ny metode til at styre strømmen er ved at lave en forstærkerkobling med en bjt som effekt transistor, og derefter en fet som driver transistor, dette er i simuleringen verificeret til at være godt. Dette skal implementeres på den seneste version af printet. Dette startes der med mandag morgen. 18/8 Mandag Revurdering af design af konstantstrøms gennerator. Jørgen Iversen hjælper med at få lavet opperationsforstærkeren mere stabil, det besluttes at der konstrueres et test print for at afprøve om det virker inden opbygning af et stort print. 19/8 Tirsdag Printlayout påbegynder os færdiggøres ret hurtigt da der blot er tale om et meget lille print. Printet ætses og opbygges inden frokost. Så det kan testes i eftermiddag. Efter Testen kan det konkluderes at printet virker, spændingen over modstanden stemmer overens med det som er forventet. Derfor arbejdes der nu videre med at lave en opstilling hvor der monteres IR dioder, og hvor der laves målinger på printet med den spændingsmåler som er blevet opbygget tidligere. 20/8 Onsdag Der fejlsøges på hvorfor strømmålingen ikke virker som den skal. Og det konkluderes at RC ledet ikke er godt nok til denne applikation. Derfor søges der efter en ny metode til at måle strømmen på. Til den nye metode bestemmes det at bruge et stereo potmeter, og da det pulserende input signal er mellem 0 og 5 V sættes der 0 og 5 V på nummer 2 potmeter i stereopotmeteret, hvormed spændingen vil være konstant, og dermed kan strømmen som løber igennem dioderne måles. 59

70 Logbog over praktikperioden 21/8 Torsdag Der tegnes diagram for den nye version af printet. Iversen viser mig hvordan man organisere et diagram med flere ark for at give overblik. Og hvordan disse sættes ind i systemet. Der bruges lidt tid på at få det til at se flot ud, men det giver rigtig meget overblik over kredsløbet. Ved dagens udgang er kredsløbet færdigudlagt så der kan lægges print ud fra mandag morgen. 22/8 Fredag Arbejde hjemme, der laves disposition til diplomingeniør projektet. 25/8 Mandag Forbedring af diodeprintet. Fa man ikke kan se om de infrarøde dioder lyser med det blotte øje, så monteres der en alm grøm lysdiode i serie med dioderne, med en modstand koblet parallelt over, for at kunne variere den strøm som trækkes gennem dioden. Der lægges print ud, hvor der lægges stelplan på. Ikke for at fjerne støj, men for at forbedre køleegenskaberne for dioderne. Der lægges print ud hele dagen så der kan ætses tirsdag morgen. 26/8 Tirsdag Møder: Generel Informationsmøde I dag ætses der print men da mødet er kl. 9 til 10. så påbegyndes ætsningen først efter mødet. Indtil kl. 9 arbejdes der med praktikrapport. Efter mødet påbegyndes ætsningen, og kredsløbet opbygges delvist efter middagspausen, og testes. Det verificeres at kredsløbet virker som det skal, og at spændingsmålingen som egentlig er en strømmåling passer med den strøm som løber i dioderne. 27/8 Onsdag Opbyggelse af resterende kredsløb og montering af de sidste SMD dioder. Det verificeres at hele kredsløbet endeligt virker, og at det lyser som det er forudbestemt. 28/8 Torsdag Test med sync signal fra kamera, først måles signalet for at være sikker på det går godt når det tilsluttes derefter monteres kameraets signal til printet og det kan ses at syncsignalet er brugbart til detektion af de stigende flanker. High speed kameraet monteres på en arm så det peger mod bordet. Med en kamera linse skal lyset fra dioderne så fokuseres til at ramme et enkelt punkt. Derfor svejses der et par ben sammen og der stanses et hul i en Aluplade som skrues på benene. Så linsen til sidst kan monteres på pladen. Det testes med en skrivebordslampe for at se hvor brændpunktet er. Brændopunktet skal være på bordoverfladen så kameraet kan filme pletten. Men umiddelbart er der nogle problemer med at på lyskeglen fokuseret korrekt på bordpladen. 29/8 Fredag Der arbejdes på at få lyskeglen fukuseret. Dette er svære end forventet 60

71 1/9 Mandag Der konstrueres et nyt print til lyskilden, da der nu ønskes et print hvor lyskeglen kan ses. Printet ætses og monteres med røde lysdioder. 2/9 Tirsdag.Svejsekursus, på kurset gennemgåes alle processorne i svejsningen, og hvordan en god og holbar svejsning konstrueres. Kurset har relevans idet programmøren har mulighed for at vurdere svejseengenskaberne ift. hvad det optimale er. 3/9 Onsdag Test af fokusering af lys. Der prøves med forskellige metoder til dette. Der laves forsøg med dette resten af ugen, hvor der bla, er testet med en linse fra et kamera. men kamera linsen fokuserede alle 49 dioder hver for sig, det som er ønskeligt med opstillingen er at de 49 dioder skal samles i et brændpunkt, hvor den maksimale effekt kan afsættes. Der er forsøgt at fokusere lyskeglen med en Biconvex linse samt en Plano concave. Den Biconvexe linse fokusere alle dioderne i 49 pletter på bordet, og jf optik teorien så burde det sampes i et brændpunkt [10, Types of simple lenses] 4/9 Torsdag Se Tirsdag den 3/9 5/9 Fredag Se Tirsdag den 3/9 8/9 Mandag Arbejdet med praktikrapporten genoptages, og der samles informationer om Migatronic A/S 9/9 Tirsdag Praktikrapport udarbejdes. 10/9 Onsdag Eksamen i grundlæggende elektroteknik og elektromagnetiske kredse. Praktikrapport udarbejdes. 11/9 Torsdag Praktikrapport udarbejdes. 12/9 Fredag Praktikrapport udarbejdes. 61

72 Logbog over praktikperioden 15/9 Mandag Praktikrapport udarbejdes. 16/9 Tirsdag Praktikrapport udarbejdes samt der fejlsøges på en sigmamaskine som melder primær strømfejl når der er monteret et svejsekabel på 30 m på maskinen. Der findes ud af efter test sammen med Morten, at svejsekablet virker som en stor spole idet, de på fabrikken hvor problemet opstod havde rullet kablet sammen i en bunke, det svarer til der er 8 vindinger med en radius af 40 cm. hvori der løber en strøm på mellem A, og ved større strømme går trafoen i mætning på i svejsemaskinen grundet den store spolepåvirkning som sidder i serie med drosselspolen. Resultatet er at vi kan henvise til brugsanvisningen hvori der står at svejsekabler ikke må rulles sammen, men at de skal ligge elektromagnetisk korrekt. 17/9 Onsdag Praktikrapport udarbejdes. 18/9 Torsdag Praktikrapport udarbejdes. 19/9 Fredag Praktikrapport udarbejdes. 22/9 Mandag Praktikrapport udarbejdes. 23/9 Tirsdag Praktikrapport udarbejdes. 24/9 Onsdag Praktikrapport udarbejdes. 25/9 Torsdag Praktikrapport udarbejdes. 26/9 Fredag Praktikrapport udarbejdes. 62

73 29/9 Mandag Flex, da kurset fra den 2/9 mangler svejseøvelser. Sidste del af kurset bliver afholdt senere, på ubestemt tidspunkt. 30/9 Tirsdag Her flexes da der er arrangeret besøg hos Elcon i Horsens den 6/10. Elcon producere print til virksomheden, og vi er blevet inviteret ned for at se hvordan fremstillingen foregår, samt hvad de kan lave. Det er specielt interessant hvordan der kan lægges køling til SMD komponenter med i printpladen. 63

74 Logbog over praktikperioden 64

75 APPENDIKS F PROCESSANALYSE Dette kapitel har til formål, at beskrive hvad der var godt og hvad der var mindre godt i mit praktik ophold, som led i uddannelsen diplomingeniør ved Aalborg Universitet. F.1 Indlæring I praktikperioden har der været arbejdet med en masse emner, lige fra ren hardware til regulering af systemer. Gennem denne process har der været fokus på indlæring. Det har blandt andet udartet sig ved projektet om boost konverter til Migatronics Omega svejsemaskine, her har der dels været hjælp fra andre ingeniører på arbejdspladsen. Men vi har os haft besøg af firmaet Acte, som levere kondensatorer, og som har stor indsigt i varme afledning fra disse. Hvilket er en væsentlig faktor for levetiden. Ved regulering af systemer, samt modellering af disse, har jeg fået en dyb indsigt i hvad der foregår og hvorfor tingene er som de er. Denne viden har jeg tilegnet mig fra Anders som var min kontaktperson. Ved at være i praktik i en virksomhed, har jeg fundet ud af, at et arbejde som ingeniør ikke kun er videns betonet. Det handler i høj grad om at gå i spænd med de andre ansatte. Nok arbejder man individuelt med den enkelte problemstilling, men hvis man kører fast er det nu rart lige at snakke med en anden og høre personens indgangs vinkel til emnet. Dette har i mange tilfælde for mig afhjulpet situationer hvor jeg ikke kunne komme videre. Nu skal det selvfølgelig heller ikke blot lyde som om, jeg altid spørger andre om hjælp. For ved at være i praktik har jeg også fundet hvordan man tilegner sig viden som det sidst nye inden for udvikling. Hvilket jeg på mange måder synes jeg har manglet før. Hos Migatronic bruger enkelte ingeniører IEEE exploere, dette er en stor samling af phd afhandlinger samt forsknings resultater. Samtidig med dette kommer leverandører også ud i virksomhederne, hvor de viser hvad de kan tilbyde af optimeringer til produkterne i virksomheden. Inden for svejsning findes der ikke så meget litteratur. Dette er fordi regulering af svejseprocessen er forholdsvis ny. Det er ikke mange år siden at der stadig var trinreguleret svejsemaskiner på markedet. Derfor er det i mange tilfælde svært at finde materiale i bøger om optimering af svejseprocessen. Dette havde jeg et problem med under praktikperioden hvor jeg arbejdede med I praktikperioden har der også været brugt tid på printudlægning, det har hovedsageligt været til brug under detektion af lysbue, hvor der er produceret konstantstøms generator. Jeg har derudover 65

76 Processanalyse også verificeret print publikationer til power moduler. Hvor det er lykkedes at få introduceret runde hjørner så der ikke er nogle skarpe hjørner. Dette forbedre kredsløbet ift EMC. F.2 Vidensudveksling mellem uddannelse og praktik I projekterne på universitetet kan det oftest forekomme at det kun er nogle få personer der sætter sig ind i fx regulering i et projekt, mens andre fx arbejder med hardware eller anden implementering. Når dagen for eksamen så oprinder, har alle jo selvfølgelig styr på hvad der sker i projektet og hvordan en regulator bestemmes. Men når man ikke selv har arbejdet med den specifikke opgave glemmes dette hurtigt. Derfor har jeg under praktikperioden fået opfrisket hvordan regulatorer udarbejdes samt implementeres. Hvilket har været meget lærerigt. En af de ting som kunne have været dejlig at kunne inden praktikperioden, er benyttelse af professionel simuleringsværktøjer. Herunder tænkes PSpice, som er et underprogram til OrCAD. Programmet benyttes desuden sammen med komponent database hvos kredsløb først kan opbygges og derefter simuleres inden man eksportere designet til Layout editor som ligeledes er en del af OrCAD. I Layout editor kan kredsløbet lægges ud på print, hvorefter dette kan fremstilles. Det har dog været behjælpeligt at kunne benytte matlab og C kode på et niveau så opgaverne kan realiseres. Der har specielt i matlab været nødvendigt at kunne bruge kode til applikationer, der er lidt ud over det sædvanlige. 66