Slika 7: Blokovna shema celotne elektronike.
14 3.1 Napajanje
3.1.1 Izbiralnik napajanja
Ventilator lahko črpa napajanje iz več virov. V verziji 3 ima glavno napajanje iz omrežja in sekundarno napajanje iz baterije. Ta dva vira morata biti pravilno ločena, da nista povezana na isti potencial. Preprosta rešitev bi bili dve diodi, ki imata skupno katodo, ampak bi povzročali prevelik padec napetosti ter posledično izgube, saj so potrebni visoki tokovi za poganjanje motorja. Boljša možnost je izbira dveh parov močnostnih P-kanalnih MOSFET-ov (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), ki nadomestijo diode ter dodatno vezje, ki omogoča prioritetno odpiranje MOSFET-ov in posledično napajanje. To vezje sem v naprej poimenoval izbiralnik napajanja.
Močnostni MOSFET-i imajo vgrajene diode (v angleških virih pogosto body diode), ki omogočajo pretok v eno smer kljub zaprtemu MOSFET-u. Pri P-kanalnih MOSFET-ih je katoda vgrajene diode vezana na izvor in anoda na ponor ter omogoča pretok od ponora proti izvoru. Pri N-kanalnih MOSFET-ih je vgrajena dioda obratno usmerjena. Zaradi vgrajene diode sta zato potrebna dva MOSFET-a, vezana s skupnim izvorom ter skupnimi vrati [6].
Za pravilno odpiranje in zapiranje MOSFET-ov je potrebno prepoznavanje stanj napajalnih linij obeh virov. Za doseganje pravilne logike odpiranja in zapiranja sem uporabil okenski detektor (ang. window detector). Okenski detektor je sestavljen iz dveh primerjalnikov. Prvi primerjalnik ima na en vhodni priključek povezan + priključek, drugi pa – priključek na drug vhodni priključek. - priključek prvega ter + priključek drugega sta vezana na interno napetostno referenco. Na dva izhodna priključka sta nato preko tranzistorja vezana oba izhoda primerjalnikov. V osnovi so okenski detektorji uporabljeni za zaznavanje, če ima nek potencial napetost med dvema vrednostma oziroma če se napetost nahaja v nekem oknu, posledično ime okenski detektor [7].
Logika delovanja izbiralnika napajanja je, da odpira in zapira para MOSFET-ov tako, da je vedno lahko odprt samo en par in je drugi zaprt. S tem dosežemo, da omrežni vir in baterijski vir napajanja ne vplivata en na drugega preko tega vezja. V primeru, da je prisoten samo en od virov, bosta MOSFET-a za tisti vir odprta in za drugega zaprta. Če sta prisotna oba vira, ima prioriteto omrežni vir, tako da je zanj par odprt in za baterijo zaprt. Stanje prisotnosti obeh virov je posredovana naprej krmilniku. Za spremljanje stanja napolnjenosti baterije smo dodali še komunikacijo preko vodila I2C z baterijskim krmilnim sistemom.
Pod izbiralnik napajanja smo dodali še logiko prižiganja in ugašanja celotnega sistema. Sistem uporabnik prižige in ugasne preko tipke. Logika delovanja je, da se s pritiskom tipke sistemu dovede napajanje in ob popolnem zagonu krmilnik prične držati sistem prižgan ter spremlja stanje tipke, preko katerega prepozna, če je potrebno sistem ugasniti (če je uporabnik ponovno pritisnil tipko).
15 3.1.2 Pretvorba napajalne napetosti za vezje ter GUI
Napajalnik za omrežno napajanje ima na izhodu napetost 12 V DC, ki je potrebna za motor. Za elektroniko ter GUI ta napetost ni primerna. Elektronika deluje na 5 V in 3,3 V ter GUI potrebuje napajanje 5 V. Ker elektronika ne zahteva velikih moči, je za pretvorbo primeren linearni napetostni regulator. Ti lahko pretvorijo napetost iz višje na nižjo tako, da pretvorijo vso prekomerno moč v toploto. Njihove prednosti so, da so preprosti za uporabo, ne potrebujejo veliko dodatnih komponent in so cenejša izbira ter pri njihovem delovanju ne prihaja do hitrih preklapljanj, ki bi povzročale elektromagnetne motnje. Njihova slabost je, da celotno prekomerno električno moč pretvorijo v toploto, kar postane problem pri višjih potrebnih močeh. Takrat je potrebno močno paziti, da se zadostno odvaja toploto, sicer lahko pride do škode.
GUI zahteva večje moči, zato linearni regulator ni več primeren. Tu smo uporabili stikalni pretvornik. Stikalni pretvorniki omogočajo pretvarjanje napetosti na višjo ali nižjo in pri tem ne prihaja do večjih izgub v obliki toplote, kot pri linearnih regulatorjih, kar jih naredi primerne za pretvorbo višjih moči. Njihove slabosti so, da zahtevajo večje število komponent in so posledično dražji ter lahko povzročajo veliko elektromagnetnih motenj, zato je smiselna uporaba že izdelanega modula, ki zagotavlja željeno izhodno moč in certificirano ne proizvaja prekomerne količine motenj. Za napajanje GUI smo kasneje ugotovili, da se lahko uporablja za napajanje tudi 12 V, tako da uporaba modula za stikalno pretvorbo napetosti ni potrebna.
16 3.2 Krmiljenje
3.2.1 Krmilnik
Za krmiljenje celotnega sistema je najprimernejši mikrokrmilnik. Pri izbiri mikrokrmilnika so najbolj pomembne zahteve dovolj hitro delovanje, če ima dovolj spomina, da bo lahko program na njem deloval brez problemov, če je zmožen zagotavljati delovanje vseh potrebnih funkcij (ima analogno-digitalne pretvornike, možnost povezav kot so UART, CAN, I2C ter SPI, možnost uporabe časovnikov ter proizvajanje signala PWM) ter dovolj vhodno/izhodnih priključkov. Če se dela nadgradnjo projekta (tu je nadgradnja na verzijo 3), je smiselno izbrati enak mikrokrmilnik oziroma takšnega, na katerega bo najlažje izvesti migracijo programske kode. V fazi razvoja je potrebno razhroščevanje, zato smo dodali še programatorski modul za STM32 mikrokrmilnike ter tipko za ponastavitev mikrokrmilnika.
3.2.2 Kontrola motorja preko vodila CAN
Ker je za povezavo na motor uporabljeno vodilo CAN, je potrebna fizična plast za povezavo med vodilom in mikrokrmilnikom. Vodilo CAN uporablja dve diferencialni liniji.
Mikrokrmilnik se z vodilom poveže preko oddajnika/sprejemnika (ang. transceiver). Ta mora zagotavljati dovolj visoke hitrosti prenosa. Pomembna je zaključitev med diferencialni liniji, ki je potrebna za pravilno delovanje. Za odstranjevanje elektromagnetnih motenj smo dodali še sofazno dušilko na diferencialni liniji vodila.
Za dodatno varnost delovanja smo pri motorju dodali končna stikala. Ta se sprožijo, ko motor pride do popolnega sklepa oziroma razklepa klešč.
3.2.2 Vodilo CAN
Novi motor se uporablja v osnovi za pogon servovolana v avtomobilu. Znotraj avtomobilov je za komunikacijo med različnimi ECU in glavnim krmilnikom pogosto uporabljeno vodilo CAN. Vodilo CAN zagotavlja robustno povezavo, ki je odporna na motnje. Kratica CAN stoji za Controller Area Network. Razvilo ga je podjetje Robert Bosch GmbH leta 1983. Trenutna osnovna verzija vodila CAN je CAN 2.0, ki se razčleni v dva dela; del A in del B. Del A uporablja osnovni 11-bitni identifikator, del B pa razširjeni 29-bitni identifikator. V 2012 je bil razvit še CAN s fleksibilnim prenosom podatkov poimenovan CAN FD, ki omogoča spremembo hitrosti prenosa podatkov znotraj enega sporočila (pošiljanje podatkov se pošilja z višjo hitrostjo kot pošiljanje identifikatorja in ostalih kosov sporočila). Mednarodna organizacija za standardizacijo je za vodilo CAN izdala standard ISO 11898.
Po standardu ISO 11898-2 (standard za fizično plast vodila CAN s hitrostmi do 1 Mbps na CAN in 5 Mbps na CAN FD) se komunikacija dosega z dvema žicama v obliki sukanega para s karakteristično impedanco 120 Ω. Vodilo uporablja diferencialna signala, to sta signal CANH in CANL. Ta dva sta lahko ali v dominantnem stanju ali v recesivnem stanju. V dominantnem stanju je na CANH napetost dvignjena proti 3,5 V in napetost na CAHL povlečena proti 1,5 V.
17 Dominantno stanje predstavlja logično 0 in ga povzroči eno od priklopljenih vozlišč, sicer je vodilo v recesivnem stanju. V recesivnem stanju je diferencialna napetost med linijama 0 V (to predstavlja logično 1). CAN sprejemniki omogočajo do 0,5 V odstopanja pri linijah v recesivnem stanju. Vodilo uporablja diferencialno vezane AND signale. To je omogočeno, ker je dominantni bit 0 in recesivni 1 in s tem se doseže prioriteto vozlišč z nižjim identifikatorjem [8].
Vodilo CAN potrebuje pravilno zaključevanje. To je pomembno za doseganje pravilnega delovanja; tipičen CAN oddajnik ima ˝open-drain˝ strukturo izhoda, torej je dominantno stanje doseženo aktivno, recesivno stanje pa pasivno. Če linija ni pravilno zaključena, se recesivno stanje ne bo pravilno vzpostavilo oziroma se bo vzpostavilo prepočasi, kar lahko povzroči nepravilno delovanje in prenos sporočila.
Najpogosteje uporabljeni zaključitvi za vodilo CAN sta standardna in ločena (ang. split) zaključitev. Najpreprostejši način zaključevanja je standardna zaključitev. Ta predstavlja en upor enake vrednosti kot karakteristična impedanca (to je 120 Ω) med diferencialnima linijama.
Ta zadostuje za pravilno delovanje in prenos. Druga pogosto uporabljena je ločena zaključitev.
Tu se uporabi dva upora in en kondenzator. Upora imata oba vrednost polovice karakteristične impedance (torej 60 Ω) in sta postavljena serijsko med diferencialni liniji. Na točki, kjer sta upora povezana, se proti zemlji poveže še kondenzator, ki je normalno med 1 in 100 nF. Za ta način zaključevanja je sicer potrebnih več komponent, ampak doda svoje prednosti. Upora in kondenzator sestavita dva RC nizkoprepustna filtra, ki filtrirata sofazne motnje na vodilu, kar pomaga pri zagotavljanju EMC. Tu bi se pojavilo vprašanje, če je nevarnost, da se filtrira tudi uporaben signal. Odgovor je ne, ker kondenzator ni direktno vezan na signalni liniji [9].