Digitaalihydraulisen venttiilistön ohjauselektroniikan suunnittelu
Tiainen, Lassi (2014)
2014
Automaatiotekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2014-01-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201401041009
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201401041009
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tutkitaan ja kehitetään miniatyrisoidun on/off -venttiilin ohjaus-elektroniikkaa. Kehitystyön tavoitteena on ohjauselektroniikan integrointi digitaalihyd-rauliseen PNM-koodattuun venttiililohkoon, joka sisältää useita samankokoisia on/off -venttiileitä. PNM-koodauksen tavoitteena on kehitys kohti ”täydellistä venttiiliä”, jonka ominaisuudet ovat kestävyyden, vasteaikojen ja ohjelmoitavuuden osalta muihin venttiiliratkaisuihin verrattuna huomattavasti parempia.
Venttiiliboosterin tarkoituksena on nopeuttaa solenoidiventtiilin avautumista ja sulkeutumista, sekä estää turha tehonkulutus ja lämmöntuotto. Jokaiselle venttiilipaketin venttiilille täytyy olla itsenäinen ohjaus, eikä tilaa piirilevylle ole paljoa, joten suunnittelu ja toteutus vaativat kompromisseja. Työssä tutkitaan mahdollisuutta myös matriisimuotoiseen toteutukseen, joka mahdollistaisi erillisten ohjausten vähentämisen radikaalisti.
Venttiilipaketin ohjauselektroniikka koostuu boosterin pääte- ja etuasteista, sekä näitä ohjaavasta mikrokontrollerista. Elektroniikan toteutukseen on useita eri tapoja, joilla kaikilla on omat hyvät ja huonot puolensa. Yksinkertainen piiri voi vaatia monimutkaisen ohjauksen tai päinvastoin. Lisäksi valmiit kaupalliset komponenttikokonaisuudet saattavat helpottaa jonkun ratkaisun toteutusta. Työssä simuloidaan erilaisten boosteripiirien ominaisuuksia ja vertaillaan niiden soveltuvuutta miniventtiilin ohjaukseen.
Työn ohessa kehitettiin prototyyppi uudenlaiselle venttiiliboosterille. Se perustuu venttiilin avaukseen kondensaattorilla, joka on ladattu täyteen puoliaaltotasasuunnatun vaihtojännitteen avulla. Pitovirta tuotetaan avauksen jälkeen automaattisesti saman puoliaaltotasasuuntauksen avulla. Boosterin ominaisuuksia mitattiin yhden miniventtiilin vasteaikojen osalta, sekä boosterin omien ominaisuuksien osalta. Vasteajat osoittautuivat vähintään yhtä hyviksi, kuin aiemmin käytetyillä venttiiliboostereilla.
Työn tulokset olivat rohkaisevia kehitetyn boosterin jatkokehitystä ajatellen. Jatkotutkimuksen aiheena on suunnitellun kahdeksankanavaisen piirilevyn testaus ja mittaus. Myöhemmin tutkitaan mahdollisuutta vastaavan piirin integrointiin 64 venttiiliä sisältävään PNM-koodattuun venttiililohkoon.
Venttiiliboosterin tarkoituksena on nopeuttaa solenoidiventtiilin avautumista ja sulkeutumista, sekä estää turha tehonkulutus ja lämmöntuotto. Jokaiselle venttiilipaketin venttiilille täytyy olla itsenäinen ohjaus, eikä tilaa piirilevylle ole paljoa, joten suunnittelu ja toteutus vaativat kompromisseja. Työssä tutkitaan mahdollisuutta myös matriisimuotoiseen toteutukseen, joka mahdollistaisi erillisten ohjausten vähentämisen radikaalisti.
Venttiilipaketin ohjauselektroniikka koostuu boosterin pääte- ja etuasteista, sekä näitä ohjaavasta mikrokontrollerista. Elektroniikan toteutukseen on useita eri tapoja, joilla kaikilla on omat hyvät ja huonot puolensa. Yksinkertainen piiri voi vaatia monimutkaisen ohjauksen tai päinvastoin. Lisäksi valmiit kaupalliset komponenttikokonaisuudet saattavat helpottaa jonkun ratkaisun toteutusta. Työssä simuloidaan erilaisten boosteripiirien ominaisuuksia ja vertaillaan niiden soveltuvuutta miniventtiilin ohjaukseen.
Työn ohessa kehitettiin prototyyppi uudenlaiselle venttiiliboosterille. Se perustuu venttiilin avaukseen kondensaattorilla, joka on ladattu täyteen puoliaaltotasasuunnatun vaihtojännitteen avulla. Pitovirta tuotetaan avauksen jälkeen automaattisesti saman puoliaaltotasasuuntauksen avulla. Boosterin ominaisuuksia mitattiin yhden miniventtiilin vasteaikojen osalta, sekä boosterin omien ominaisuuksien osalta. Vasteajat osoittautuivat vähintään yhtä hyviksi, kuin aiemmin käytetyillä venttiiliboostereilla.
Työn tulokset olivat rohkaisevia kehitetyn boosterin jatkokehitystä ajatellen. Jatkotutkimuksen aiheena on suunnitellun kahdeksankanavaisen piirilevyn testaus ja mittaus. Myöhemmin tutkitaan mahdollisuutta vastaavan piirin integrointiin 64 venttiiliä sisältävään PNM-koodattuun venttiililohkoon.