Computertechnik II. Echtzeitsteuerung eines Wechselstromstellers mit einem PIC Mikrocontroller

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1 Technische Universität Dresden Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Elektrotechnisches Institut Lehrstuhl Leistungselektronik Prof. Dr.-Ing. habil. H. Güldner März 2004 Praktikum zur Lehrveranstaltung Computertechnik II Versuch Echtzeitsteuerung eines Wechselstromstellers mit einem PIC Mikrocontroller 1. Zielstellung 2. Detaillierte Aufgabenstellung 3. Versuchsaufbau 4. Grundlagen 5. Programmierung 6. Anhang 7. Literaturverzeichnis

2 1. Zielstellung Dieser Praktikumsversuch soll einen Einblick in die Assemblerprogrammierung von Mikrocontrollern geben. Gleichzeitig sollen Aspekte zur Echtzeitverarbeitung, der Leistungselektronik und von Embedded Systemen betrachtet werden. Dabei ist ein Programm zu erstellen, das die Helligkeit einer Lampe über einen Wechselstromsteller steuert. Die Sollwertvorgabe erfolgt über 2 Tasten. Dafür sind die Ports für die Tasten und weitere Ports für die Spannungs- und Stromnulldurchgangserkennung einzulesen, auszuwerten und dementsprechend ein Zündimpuls für einen elektronischen Schalter (Triac) zu generieren. 2. Detaillierte Aufgabenstellung 2.1 Testen Sie das Programm zur Ansteuerung der Leuchtdioden; machen Sie sich mit der Bedienung der MPLAB - Entwicklungsumgebung vertraut. 2.2 Erstellen Sie einen Signalflussplan für die Ansteuerung des Triacs. 2.3 Erstellen Sie einen Programmablaufplan für die Applikation. 2.4 Erstellen Sie einen Zustandsgraphen. 2.5 Erstellen Sie einen Zeitgraphen, um sich das Timing zu verdeutlichen. Diskutieren sie die Echtzeitanforderungen (hart / weich). 2.6 Programmieren Sie ein Programm, dass einen festen Zündverzögerungswinkel α mit Synchronisation auf den Spannungsnulldurchgang erzeugt. 2.7 Erweitern Sie Ihr Programm von 2.6 so, dass mit den Tasten eine Hell- und Dunkelsteuerung der Lampe (Variation des Zündverzögerungswinkels α) möglich wird. Eine Auflösung des Zündverzögerungswinkels von 8 Bit reicht dabei aus. 2.8 Begrenzen sie den Stellbereich des Zündverzögerungswinkels α damit kein Überlauf möglich wird. 2.9 Oszillografieren Sie die Verläufe von Spannung, Strom, Ansteuersignal und Triggersignal Diskutieren Sie den Effekt, warum sich mit der Versuchsanordnung nicht sehr kleine Verzögerungswinkel (α < 5 ) einstellen lassen Zusatzaufgabe: Schreiben Sie ein Programm, dass die Lampe im Sekundentakt blinken lässt. 2

3 3. Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau besteht aus dem Wechselstromsteller, dem In Circuit Emulator (ICEPIC), einem PC mit der Entwicklungsumgebung (IDE) MPLAB und einer Glühlampe als Last. Im Wesentlichen besteht die hardwaremäßige Realisierung des Wechselstromstellers aus sechs verschiedenen Baugruppen: der Stromversorgung, Spannungs- und Stromnulldurchgangserkennung, Zündimpulsgenerierung, dem Controller mit seinen Ein- und Ausgängen und dem Triac. Als Controller wird ein PIC 16C505 von Microchip verwendet. Dieser Controller ist sehr einfach aufgebaut und mit wenigen Peripheriemodulen ausgestattet. Es ist ein 8 Bit Typ mit 11 I/O Pins, einem Timer und einer maximalen Arbeitsfrequenz von 20 MHz [9]. 4. Grundlagen Das untere Bild zeigt die Grundschaltung eines Wechselstromstellers. Um das Prinzip zu veranschaulichen betrachten wir zunächst den Fall der ohmschen Last. Die an den Triac anzulegenden Zündsignale sind dabei um den Steuerwinkel α verzögert zu erzeugen. Bis zum Zünden sperrt der Halbleiterschalter (Triac). Danach liegt die aktuelle Netzspannung an der Last an (vgl. Abbildung 2). Dadurch wird die Spannungszeitfläche und somit der Effektivwert der Spannung an der Last gestellt. Der Triac sperrt, wenn der Laststrom durch das Bauelement unter den Haltestrom (typspezifische Kenngröße; wenige ma) fällt. [1] 3

4 Abbildung 2 Spannungs- und Stromverlauf für ohmsche Last Der Effektivwert ergibt sich aus folgenden Formeln: U U L = U el 1 π π ( 2 sin( ϑ) ) ϑ= α 2 dϑ 1 1 = π α sin(2α ) π 2 L U el In der Realität treten jedoch meist ohmsch- induktive Lasten auf, wie z.b. Motoren und Lampen. Dabei ist der Stromverlauf gegenüber dem Spannungsverlauf zeitlich verschoben. Da es sich bei einem Triac um zwei antiparallele Thyristoren handelt, können diese erst dann wieder Sperrspannung aufnehmen, wenn der notwendige Haltestrom unterschritten wird, d.h. der Stromnulldurchgang ist mit entscheidend für den Spannungseffektivwert. In der Überlappungszeit ist der Wechselstromsteller nicht steuerbar. 4

5 Abbildung 3 Spannungs- und Stromverlauf für ohmsch- induktive Last In Abbildung 4 sieht man eine grafische Lösung der transzendenten Gleichungen für die Stromflussdauer. Man kann erkennen, ab welchem Steuerwinkel α der Wechselstromsteller steuerbar ist. Bei vollständig induktiven Lasten muss α größer als 90 sein. Abbildung 4 5

6 5. Programmierung 5.1 Programmierumgebung MPLAB Im Folgenden wird auf die ersten Grundschritte zur Erstellung eines Programms in der Entwicklungsumgebung MPLAB eingegangen. Ein ausführliches Tutorial findet man z.b. Im Internet [7] [8]. Erste Schritte: Starten des Programms MPLAB Anlegen eines Projektes (Project - New Project) bzw. öffnen eines vorhandenen Projektes Anlegen einer Assemblerdatei (File - New) bzw. öffnen Auswahl des Prozessors (PIC 16C505) Project Files anklicken - Node Properties - OK Add Node -.asm- Datei auswählen OK Assemblertext eingeben Zum Kompilieren: Debug - Run - Run 6

7 5.2 Erstellen des Programms Datenblatt (Kurzform, 1. Seite) des Mikrocontrollers [9] 7

8 5.2.2 Befehlssatz (Kurzform): ausführliche Erklärung der Befehle [9] [8] [7]. 8

9 Beispielprogramm ;********************************************************************** ; DATEINAME LED.asm ;********************************************************************** ; PROZESSOR PIC 16C505 ; PINBELEGUNG ; Vcc 1-*-14 Vss ; 2 13 Spannungsnulldurchgangserfassung ; 3 12 Stromnulldurchgangserfassung ; 4 11 LED1 ; 5 10 LED2 ; 6 9 Taster1 ; Triac 7 8 Taster2 ;********************************************************************** LIST P=16C505 ; Festlegung des verwendeten Prozessors #include <P16c505.inc> ; Verwendung von vorgegebenen Variablennamen ; für den Mikrocontroller ;****** Variablen Definitionen **************************************** ; zum Beispiel mögliche Adressen 08h,09h...0Fh,10h...1Fh variable EQU 0Ah ;****** BIT Definitionen ********************************************** #DEFINE _Unull PORTB,0 ; Spannungsnulldurchgang #DEFINE _Inull PORTB,1 ; Stromnulldurchgang #DEFINE _triac PORTC,3 ; Ansteuerung Triac #DEFINE _Taster1 PORTC,1 #DEFINE _Taster2 PORTC,2 #DEFINE _LED1 PORTB,2 #DEFINE _LED2 PORTC,0 ;****** Start Vector ************************************************** ORG 01FFh ; Reset Adresse GOTO MAIN ORG 0000h ; Start Adresse GOTO MAIN ; Sprung zum Hauptprogramm ;##### Hauptprogramm ################################################ ;****** Initialisiere PIC ********************************************* MAIN MOVWF OSCCAL ; Timer kalibrieren CLRWDT ; Clear Watchdog Timer MOVLW OPTION b' ' ; setzt OPTION Register mit folgenden Werten ; Bit7 wake-up on pin-change, ; Bit6 weak pull-ups ; Bit5 Timer0 on internal instruction clock, ; Bit3 prescaler to Timer0 ; Bit0-2: Prescaler rate 1:4 MOVLW b' ' TRIS PORTB ; Setzt Pins des PortB(RB0..RB5) auf MOVLW b' ' ; 1=Input(high-impedance), 0=Output TRIS PORTC ; entsprechend ProtC(RC0..RC5) CLRF PORTB CLRF PORTC 9

10 ;****** MAIN ********************************************************* START BTFSS GOTO BSF _Taster1 START _LED1 Schleife BTFSS GOTO BCF GOTO _Taster2 Schleife _LED1 START END ;********************************************************************** Programmierhilfen Für das zu erarbeitende Programm können sie die Vorgaben und Voreinstellungen aus dem Beispielprogramm übernehmen. Diese Einstellungen sind bereits auf die Versuchsanordnung ausgerichtet. Um die benötigte zeitliche Verzögerung zu erhalten, können sie mit Schleifen arbeiten. Dabei ist zu berücksichtigen, wie viele Zyklen des Controllers für die Ausführung eines Befehles notwendig sind (zu entnehmen aus der Befehlsliste). Der Mikrocontroller arbeitet mit dem internen Oszillator und einer Frequenz von 4 MHz. Durch das 4-stufige Pipelining des Prozessors ergibt sich dabei eine Zykluszeit von 1 µs. z.b. MOVLW d'9' MOVWF variable verzoegerung DECFSZ variable,1 GOTO verzoegerung..ergibt eine Verzögerung von 2µs+9 3µs. Alternativ kann natürlich auch der Timer TMR0 verwendet werden. Für die Triggerung des Spannungsnulldurchgangs kann man folgendes Unterprogramm anwenden, das man mit CALL Spannungsnull aufruft: Spannungsnull ; das Signal für den Spannungsnulldurchgang BTFSC _Unull ; geht kurz vor dem Nulldurchgang auf low GOTO Spannungsnull positive_flanke ; und beim Nulldurchgang wieder auf high BTFSS _Unull GOTO positive_flanke RETLW 0 10

11 Controllereingangssignal- Messung des Spannungsnulldurchganges: Der Spannungsnulldurchgang wird auf die steigende Flanke getriggert. Für die Ansteuerung des Triacs ist es ausreichend, den vorgegebenen Ausgang für eine Zeit von etwa 10µs auf high zu legen. Gegebenenfalls müssen mehrere kurze Zündimpulse ausgegeben werden. 11

12 Anhang 2: Schaltplan 12

13 7. Literaturverzeichnis [1] R.Lappe; H.Conrad; M.Kronberg: Leistungselektronik (1991) Verlag Technik, Berlin [2] Dr.Anne König; Manfred König: Das PICmirco Profi- Buch. Taschenbuch Seiten (1999) Franzis, Feldkirchen; ISBN: [3] Dieter Kohtz: Messen, Steuern und Regeln mit PIC- Mikrocontrollern. Schaltungen und Programme für Praxis und Hobby. 192 Seiten (2000) Franzis, Feldkirchen; ISBN: [4] Dr.Anne König; Manfred König: Mit dem PIC-Controller erfolgreich arbeiten, Markt und Technik 1996 [5] Taschenbuch Mikroprozessortechnik, Prof.Dr.-Ing T.Beierlein, Prof.D.I. O.Hagenbruch, Carl Hanser Verlag Leipzig, 1999 [6] PICmicro Mid-Range MCU Family Reference Manual, Microchip Technology Inc., 1997 [7] Microchip Technology Inc. Technical Library CD-Rom [8] Microchip Technology Inc. Website [9] PIC 16C505 Data Sheet, Microchip Technology Inc.,