Examinator: William Sandqvist Tel

Transkript

1 Institutionen för Tillämpad IT Tentamen i Givare och Ställdon Kurskod: IL1390/6B2267 (Ten1 3hp/2p) Datum: 18/ Tid: Examinator: William Sandqvist Tel Tentamensinformation Hjälpmedel: Formelblad har bifogats tentamen. Miniräknare: Miniräknare tillåten Omfång: Tentamen består av 12 uppgifter om totalt 30p. Poängkrav: För godkänt krävs 15 p. Joker: Den som löst sitt häfte med inlämningsuppgifter i tid innan tentamensveckan får en JOKER vid detta tentamenstillfälle. På en valfri tentamensuppgift skriver man JOKER och kan då tillgodoräkna sig full poäng på den uppgiften. Utförande: Bladnr. och uppgiftsnr. skall anges på varje inlämnat skrivpapper Namn och personnummer skall anges på varje inlämnat skrivpapper. Skriv endast på en sida. Redovisade lösningar skall vara fullständiga och lätta att följa, egna antaganden skall motiveras. Lycka till Fullständiga lösningar anslås efter tentamenstidens slut 1

2 1. (3p) Givare/Sensor Mekanisk miljöanpassning "Fönster" Instorhet handling Avkänd storhet Avkännare Givarelement Inre signalbe- Utstorhet Utsignal Matning Spänning/Ström I figuren till vänster visas det blockdiagram som används i läroboken för att beskriva givare. Tillämpa detta blockdiagram på givaren i figuren till höger (figuren är från läroboken). Det vill säga du ska kort beskriva vad följande block och begrepp innebär för just denna givare. Givaren består i princip av en öppen transformatorkärna med en lindning. Givarens namn/benämning? Arbetsprincip? Instorhet? Utstorhet? Rita skiss över utsignalen! Avkänd storhet? Avkännare? Givarelement? Föreslå lämplig matning? Föreslå lämplig signalbehandling? 2

3 2. (2p) Figuren visar två olika 4-spårs kodskivor a) Vilka fördelar/nackdelar har kodskivan till vänster? Vad kallas koden? b) Vilka fördelar/nackdelar har kodskivan till höger? Vad kallas koden? c) Figuren till höger visar en kodlinjal som tillämpar ett speciellt avkodningssätt. Vad kallas detta för? Vilken av kodskivorna skulle kunna dra nytta av detta avkodningssätt? 3. (2p) R R0 R Figurerna (från läroboken) visar två helt olika typer av resistiva givare, dvs givare vars utstorhet är en resistansförändring. Givaren till vänster kallas för: Givarens instorhet är: Givaren till höger kallas för: Givarens instorhet är: 3

4 4. (3p) För att minimera temperaturens påverkan vid töjningsmätningar används olika bryggkopplingar. Antag att de givarna i figurerna ej är av temperaturkompenserad typ. Välj bland alternativen nedan: a) b) c) a) Obalansspänningen: Påverkas av givartemperaturen / påverkas inte av givartemperaturen Påverkas av omgivningstemperaturen / påverkas inte av omgivningstemperaturen b) Obalansspänningen: Påverkas av givartemperaturen / påverkas inte av givartemperaturen Påverkas av omgivningstemperaturen / påverkas inte av omgivningstemperaturen c) Obalansspänningen: Påverkas av givartemperaturen / påverkas inte av givartemperaturen Påverkas av omgivningstemperaturen / påverkas inte av omgivningstemperaturen Motivering: 4

5 5. (2p) Givare avger ofta mycket svaga signaler. Det är stor risk att givarsignalerna dränks i störningar på väg till mätutrustningen. Figuren visar ett antal störskyddsåtgärder som man kan behöva använda för att förhindra störningar. Berätta om dessa (dvs. förklara frågetecknen i figuren): 5

6 6. (3p) En motorpotentiometer är en givare/ställdons-kombination bestående av en PMDC-motor (med växel) som driver en potentiometer. Ofta används den när man vill kunna fjärrstyra en manuell ratt på en utrustning, men den kan även användas direkt som ett ställdon som i exemplet nedan. x Drivdon/förstärkare Motorpotentiometer Antag att en helt mekanisk utrustning har en har en manuell justerskruv som man ska vrida på när omgivningstemperaturen ändrar sig. Man vill nu automatisera detta moment och anskaffar därför en motorpotentiometer. Potentiometerns axel fästs vid justerskruven så att den kan vrida på denna i önskad proportion till temperaturförändringarna. I figuren till höger består motorpotentiometern av motorn M och potentiometern P. Det tillhörande drivdonet symboliseras av förstärkarsymbolen. Omgivningstemperaturen mäts med en PT-100 termometer R PT E R 1 R 2 P som är seriekopplad med en resistor R 1 = 500 Ω. R Tillsammans med potentiometern PT M P = 500 Ω som har serieresistorerna R 2 = 5000 Ω och R 3 = 1000 Ω, utgör de en Whetstonebrygga. R 3 Funktionen är den att drivdonet tvingar motorn att vrida potentiometern (x) så att bryggan hela tiden hålls balanserad. (Denna Whetstonebrygga använder således balanseringsmetoden). ( Bryggan matas med den konstanta likspänning E i figuren. Dessutom har drivdonet en egen matningsspänning som dock inte tagits med i figuren. ) För potentiometern gäller att 0 < x < 1 som motsvarar vridningsvinkeln 0 < θ < 270. a) Beräkna vilken mekanisk vridningsvinkel θ axeln får vid temperaturen 40 C? b) Resistorerna R 1 R 2 och R 3 har dimensionerats så att temperaturen styr vridningen med rätt proportion. Beräkna hur många mekaniska grader axeln vrider sig per temperaturgrad / C? c) Blir förhållandet mellan temperatur och vridningsvinkel linjärt (motivera svaret)? θ 6

7 7. (2p) VR-Resolvern, variabel reluktans resolvern är en förenklad variant av resolver som fått stor användning i dagens hybridbilar ( dvs. med batteri/bränsledrift ). Den vanliga rotorlindningen har ersatts med en (eliptisk) rotorskiva av järn som slipats så att det resulterande luftgapet, och därmed permabiliteten, varierar när skivan vrids (permabiliteten ändrar sig enligt en sinusfunktion av vridningsvinkeln). En växelsström genom en magnetiseringslindning i statorn (Exiting Winding R1-R2) magnetiserar rotorskivan. Magnetfältet från denna har returvägar genom två andra statorlindningar, en sinuslindning (Phase S2-S4) och en cosinuslindning (Phase S1-S3). Det hela är jämförbart med den vanliga resolvern, men med ett utförandet som har förenklats avsevärt (och till en betydligt lägre kostnad). VR-resolvern är en mycket stryktålig givare helt i fordonsindustrins smak. VR-resolverns rotorskiva utformas i princip bara för poltal större än två (dvs. 4, 6, 8 ). Figurens symmetriska rotorskiva (a) ger t.ex. resolvern poltalet fyra. (Att resolvern inte är tvåpolig behöver inte vara ett problem, oftast används resolvern till att kommutera en borstlös elmotor och då kan man ju välja samma poltal till motorn). Antag att en VR-resolver med poltalet fyra används för att mäta en axels vridningsvinkel θ. Man uppskattar vridningsvinkeln θ till c:a 250 (mekaniska grader). För att få fram ett mer exakt värde mäter man ( med en Scopemeter, inställd på effektivvärde ) spänningen E S2-S4 = 5,25 V och E S1-S3 = 2,91 V. Beräkna nu ett mer exakt värde på vridningsvinkeln θ. 7

8 8. (3p) Ett termoelement typ K används till en styrbox för en bilmotor. Termoelementets mätpunkt är monterat i avgassystemet vid lambdasonden för att känna av när denna uppnått arbetstemperaturen 325º C. Termoelementet använder som referenstemperatur styrboxens temperatur. Eftersom omgivningstemperaturen kan växla mellan -30º en kall vinterdag till +30º en het sommardag, måste man kompensera för dessa variationer på något sätt. När det gäller bilelektronik väljer man oftast billigast tänkbara givare, tex. en vanlig diod som temperaturgivare. Funktionen är följande: När omgivningstemperaturen ändras adderas en korrektionspänning U Korr till termoemken. Korrektionsspänningen tas från dioden via en spänningsdelare bestående av R 1 = 2000 Ω och R 2 = 36,5 Ω. Dioden har spänningsfallet 0,652V vid 0º och detta ändrar sig med 2,2 mv/ C. a) Antag att omgivningstemperaturen är 0º. Termoemken ansluts till en komparator. Komparatorn ska signalera Ready när mätpunkten når lambdasondens arbetstemperatur 325º C. Vilket spänningsvärde på referensspänningen U Ref ska man ställa in? b) Tanken med diodkretsen är att kompensera så att komparatorn slår om vid 325º oavsett omgivningstemperaturen. Kontrollera detta genom beräkningar för omgivningstemperaturerna -10 C och +10 C. Termospänning i mv för temperaturer mellan -29 C +349 C ϑ REF = 0 C typ K, NiCr NiAl -20-0,778-0,816-0,854-0,892-0,930-0,968-1,006-1,043-1,081-1, , ,470-0,508-0,547-0,586-0,624-0,663-0,701-0, ,039-0,079-0,118-0,157-0,197-0,236-0,275-0,314-0,353 [ C] [ C] ,00 0,039 0,079 0,119 0,158 0,198 0,238 0,277 0,317 0, ,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0, ,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1, ,203 1,244 1,285 1,326 1,366 1,407 1,448 1,489 1,530 1, ,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1, ,209 12,250 12,291 12,336 12,374 12,416 12,457 12,499 12,540 12, ,624 12,665 12,707 12,748 12,790 12,831 12,873 12,915 12,956 12, ,040 13,081 13,123 13,165 13,206 13,248 13,290 13,331 13,373 13, ,457 13,498 13,540 13,582 13,624 13,665 13,707 13,749 13,791 13, ,874 13,916 13,958 14,000 14,042 14,084 14,126 14,167 14,209 14,251 8

9 9. (2p) En Piezoelektrisk accelerometer har känsligheten 10 pc/g, där g = 10 m/s 2 (för enkelhets skull). Givaren är ansluten till en elektronisk voltmeter och det totala systemets kapacitans och läckresistans är C TOT = 100 pf respektive R TOT = 10 9 Ω. a) Piezoelektriska givare har läckning. Beräkna med vilken tidkonstant givaren läcker. τ =? [s] b) Antag att givaren är placerad i en snabb hiss med känslighetsriktningen vänd i färdriktningen. Figuren nedan visar hastighetsprofilen för en resa uppåt. Rita hur givarens utspänning ser ut under dessa 12 sekunder. Se figuren. 9

10 10. (2p) En liten stegmotor har momentkurvorna i diagrammet ovan. Stegmotorn ska driva ett svänghjul som har dubbelt så stort tröghetsmoment som den egna rotorn (dvs. totalt 3 J). a) Rita momentkurvan för kombinationen stegmotor med svänghjul i diagrammet. b) Hur hur snabbt kan man starta med kombinationen stegmotor+svänghjul? f =? [steg/sek] c) Kan man köra kombinationen med 610 steg/sek? 11. (2p) BL24A22-02 BLDC är en 45 W borstlös likströmsmotor. Diagrammet nedan gäller när motorn drivs med U N = 36 V likspänning och kommuteras direkt med enkel elektronik. I diagrammet är n N och I N märkdriftpunkten. I praktiken blir motorspänningen 35V eftersom elektroniken har spänningsfallet 1V. a) Beräkna ur diagrammet spänningskonstanten (Backemf) K B. K B =? [V/Krpm] b) Antag att man ansluter motorn till 24 V i stället för 36 V (23 V med spänningsfallet i elektroniken). Hur stort blir då varvtalet vid märkmoment M N = 0,11 Nm. n =? [varv/min] (En grafisk lösning är ok) 10

11 12. (4p) En PMSM-motor har följande data: K E = 97 mvmin K T = 1,65 Nm/A I N = 4 A R = 6,3 Ω (Phase Phase) L = 35 mh (Phase Phase) J = 3,1 kgcm 2 Motorn driver ett svänghjul med tröghetsmomentet J = 34 kgcm 2. Friktionen försummas. Till motorn används en servoförstärkare som anslutits till trefasnätet U H = 400 V. Motorn körs med denna hastighetsprofil. a) Hur stor ström krävs under accelerationsfasen (för att övervinna det totala tröghetsmomentet)? b) Hur stor spänning krävs för att påbörja accelerationsfasen? Svara med hur stor huvudspänning motorn behöver? c) Hur stor spänning behövs för att nå varvtalet Svara med hur stor huvudspänning motorn behöver? d) Hur stor ström krävs under fasen med konstant varvtal? e) Hur stor spänning krävs under fasen med konstant varvtal? Svara med hur stor huvudspänning motorn behöver? f) Hur stor spänning behöver motorn när den påbörjar retardationsfasen? Svara med hur stor huvudspänning motorn behöver? Lycka till! 11