Disclaimer
Si dispone di un alternatore trifase mosso da un motore diesel e si intende realizzare un sistema di controllo capace di mantenere i giri del motore a 1500 giri/minuto, entro ± 5%, necessari per un corretto funzionamento dell’alternatore a 50Hz. Si prevede la regolazione dell’acceleratore mediante un motorino in continua opportunamente rapportato ed adattato alla meccanica del motore. Dopo aver formulato le eventuali ipotesi aggiuntive si proceda alla soluzione del caso.

Soluzione By Vittorio Crapella – i2viu

Avendo come segnale d'ingresso del sistema di controllo una frequenza che varia al variare dei giri e dovendo agire con una tensione che cambia di valore (tutto / niente) e/o di polarità a seconda di come deve muoversi il motorino elettrico per intervenire sull'acceleratore, viene spontaneo pensare ad un convertitore frequenza tensione (F/V) e ad un comparatore a ponte con amplificatori operazionali e buffer di potenza per comandare il motore elettrico.

Il nostro circuito elettronico verrà alimentato dalla stessa batteria utilizzata per l’avviamento del motore diesel.

SCHEMA A BLOCCHI

MOLTIPLICATORE DI FREQUENZA A PLL

Essendo la frequenza dell'alternatore di 50 Hz e dovendo rimanere entro una tolleranza ristretta di ± 5% avremmo 52,5 Hz massimi e 47,5 Hz minimi che mandati al convertitore F/V darebbe variazioni di tensioni troppo piccole da inviare al comparatore.

Si intende pertanto utilizzare un PLL per moltiplicare la frequenza di 100Hz, ricavata dopo un ponte di diodi (Vedi pag.4), di 16 volte così da avere Fmax=105 x 16 = 1680 Hz e Fmin= 95 x 16 = 1520 Hz.

In queste condizioni il convertitore F/V fornirà 1,6V quando la frequenza è di 100Hz mentre 1,68V per Fmax e 1,52V per Fmin con un deltaV massimi di 160 mV accettabili per un controllo mediante amplificatori operazionali collegati a ponte.

IL CD4046 (PLL) compara la frequenza di entrata sul pin 14 di 100 Hz (proveniente dal ponte di diodi) con quella di ritorno dal divisore CD4520 x 16 sul pin 3 e aggiusta l’oscillatore interno, con uscita sul pin 4 e legato a C3, R5 mediante la tensione di controllo sul pin 9 proveniente dalla comparazione di fase presente sul pin 13.

Si intuisce che l'aggancio di fase e cioè Fin = F pin 3 si avrà quando F sul pin 4 è 16 volte Fin perché solo in questo caso dopo averla divisa dal 4520 per 16 può essere riportata pari a Fin sul pin 3.

CONVERTITORE FREQUENZA TENSIONE

Esaminando i dati applicativi dell'integrato LM331, usato come convertitore Frequenza/Tensione, emerge la formula seguente :

Vo = F Rx Cx Ru 1,1 Vref/Rs dove Rs= circa 14K Vref = 1,9V Ru=100K

Con il trimmer da 4k7 si regolerà Vout di 1,6 V quando i giri sono 1500 e cioè F=50Hz dell'alternatore (100Hz sul ponte di diodi).

COMPARATORE A PONTE

Mediante l'integrato LM336 (2,5V) e il trimmer da 10K si genera la tensione di riferimento del comparatore fissando sui pin 6 del primo LM380 e il pin 2 del secondo LM380 una tensione di 1,6V necessaria per il confronto con quella fornita dal convertitore F/V.

Se il livello di tensione proveniente dal convertitore F/V eguaglia quello impostato con il trimmer da 10K avremo D V sugli ingressi nulla e le tensioni sulle uscite nulle (ponte in equilibrio) o comunque sotto la soglia degli zener da 5V1.

In queste condizioni nessun transistore può saturare e il motore M sarà fermo.

Appena D V sugli ingressi diventa significativo perché il numero di giri si sposta dai 1500 previsti, il ponte si squilibra e l’uscita di un Op va alta e l'altra bassa.

Supponiamo che lo squilibrio sia dovuto ad un superamento dei 1500 giri così avremo sul pin 2 dell'OP-A una tensione più positiva di quello del pin 6 pertanto la sua uscita bassa e sarà ininfluente sui transistori, viceversa il pin 6 dell'OP-B vede una tensione più positiva di quella del pin 2 mandando la sua uscita alta.

Questa volta va in conduzione Q3 assieme a Q2 e il motore girerà per chiudere l'acceleratore e girerà tanto quanto basta affinché il D V d'ingresso si annulli equilibrando nuovamente il ponte fermando il motore elettrico.

Va in conduzione anche Q5 ma serve solo ad evitare che per guasto o mal funzionamento possa andare in conduzione anche Q1 causando un corto circuito.

Supponiamo che lo squilibrio sia dovuto ad un abbassamento sotto i 1500 giri così avremo sul pin 2 dell'OP-B una tensione più positiva di quello del pin 6 pertanto la sua uscita bassa, ininfluente sui transistori, viceversa il pin 6 dell'OP-A vede una tensione più positiva di quella del pin 2 mandando la sua uscita alta.

Questa volta va in conduzione Q1 assieme a Q4 e il motore M girerà nell'altro senso per aprire l'acceleratore e girerà tanto quanto basta affinché il D V d'ingresso si annulli equilibrando nuovamente il ponte fermando il motore elettrico. Va in conduzione anche Q6 ma serve solo ad evitare che per guasto o mal funzionamento possa andare in conduzione anche Q3.

Il sistema dovrebbe essere già sufficientemente stabile considerato una risposta demoltiplicata del motore elettrico altrimenti bisogna intervenire a limitare il guadagno degli operazionali.

ALIMENTAZIONE

Il +Vcc per l'elettronica di controllo viene fornito quando si eccita il relè comandato dal BC327 a sua volta pilotato dal BC547 che entra in conduzione solo quando C si carica e supera i 6,2V dello zener. Questo avviene con un ritardo dovuto ad R e C permettendo, nell'accensione del diesel, di partire a regimi di giri minimi che si aggiusteranno appena il circuito elettronico entra in funzione a relè eccitato.

Questo ritardo è poco superiore al prodotto RxC cioè circa 5 secondi.

TARATURA

Meccanicamente posizionare con relativo fermo l'acceleratore per 1400 giri minimi. Il sistema meccanico con motorino elettrico e riduttore dovrebbe agire sull'acceleratore con vite senza fine per evitare un possibile spostamento quando il motorino elettrico, fatta la sua corsa, viene disalimentato.

Regolare preventivamente il trimmer da 4k7 sul circuito di conversione F/V per avere un Rs complessiva di circa 13,7 Kohm (trimmer = circa 1,7 Kohm).

Alimentare il nostro sistema di controllo elettronico lasciando scollegato ancora il motorino elettrico e ricontrollare che sul partitore 20Kohm / 10K, del circuito ad operazionali connessi a ponte, ci siano 1,6V eventualmente agire sul trimmer da 10K.

Avviare il motore diesel che dovrebbe stabilizzarsi minimo sui 1400 giri, e verificare con multimetro la tensione in uscita dal convertitore che dovrebbe aggirarsi attorno ad 1,4V.

Attaccare il motorino ed accertasti che giri verso un aumento di accelerazione e si dovrebbe fermare raggiunto i 1500 giri.

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