Undersökning av optimeringsalternativ för
elektrostatlackering
Daniel Persson
Rikard Skansare
EXAMENSARBETE 2010
ELEKTROTEKNIK
Undersökning av optimeringsalternativ för
elektrostatlackering
Study of optimization options for electrostatic coating
Daniel Persson
Rikard Skansare
Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom ämnesområdet elektroteknik. Arbetet är ett led i den treåriga
högskoleingenjörsutbildningen. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.
Handledare: Peter Leisner Omfattning: 15 hp (C-nivå) Datum: 2010-06-21
Abstract
Abstract
This report describes a thesis done at the Jönköping University of Technology. The aim of this thesis was to create conditions to optimize an existing
automatic electrostatic coating system by changing the technology for dispensing lacquer. To select the technology, a study of different dispensing techniques carried out which concluded that the piezoelectric membrane and electrostatic atomization are the most interesting techniques.
In order to perform tests with dispensing techniques a demonstrator has been optimized. The controller and PC software of the demonstrator has been programmed to be able to send out PWM signals that control the dispensers. An adapter card was designed to control the piezoelectric membrane and a steering link to the electrostatic atomization has been developed for PWM signals up to 500V.
The work has laid ground for a demonstrator where further testing of the dispensing technologies can be performed.
Sammanfattning
Den här rapporten beskriver ett examensarbete utfört vid Jönköpings tekniska högskola. Målet med arbetet var att skapa förutsättningar för att optimera ett befintligt automatiskt elektrostatlackeringssystem genom att byta ut tekniken för dispensering av lack. För att välja teknik har en undersökning av olika dispenseringstekniker genomförts där man kommit fram till att piezoelektriska membran och elektrostatisk atomisering är de tekniker som är mest intressanta. För att kunna utföra tester med dispenseringsteknikerna har en befintlig
testutrustning (demonstrator) anpassats för ändamålet. Demonstratorns kontrollerkort och PC-program har programmerats om och anpassats för att kunna sända ut PWM-signaler som styr dispenseringen. Ett adapterkort har konstruerats för att kunna styra piezoelektriska membran och en styrkoppling till elektrostatisk atomisering har tagits fram för PWM-signaler upp till 500V. Arbetet har lagt grunden till en demonstrator där vidare tester av
dispenseringsteknikerna piezoelektriska membran och elektrostatisk atomisering kan utföras.
Nyckelord
Aerosolgenerering Elektrostatlackering PWM-signaler ATmega1281
Innehållsförteckning
Innehållsförteckning
1
Inledning ... 5
1.1 BAKGRUND... 5 1.2 SYFTE OCH MÅL ... 6 1.3 AVGRÄNSNINGAR ... 6 1.4 DISPOSITION ... 72
Teoretisk bakgrund ... 8
2.1 ELEKTROSTATLACKERING ... 8 2.1.1 Elektriska fält... 8 2.1.2 Lackeringstekniker ... 9 2.2 AEROSOLER ... 10 2.2.1 Aerosolgenerering ... 102.3 TRANSISTORERS BETEENDE VID HÖG FREKVENS OCH SPÄNNING ... 13
2.3.1 Effekttransistorer ... 13 2.3.2 MOSFET ... 14
3
Genomförande ...15
3.1 UTREDNING AV AEROSOLGENERATOR ... 15 3.1.1 Kravspecifikation för aerosolgenerator... 15 3.1.2 Utredning av teknik ... 16 3.2 TEST... 173.2.1 Principtest av elektrostatisk atomisering... 17
3.2.2 Test av piezoelektriska membran ... 18
3.2.3 Slutsats ... 19 3.3 UTVECKLING AV DEMONSTRATOR ... 20 3.3.1 Kravspecifikation för demonstrator ... 20 3.3.2 Lösningsförslag ... 20 3.3.3 PC Program ... 22 3.3.4 Kontrollerkort ... 25 3.3.5 Kommunikation ... 28
3.3.6 Utveckling av adapterkort för piezoelektriska membran... 29
3.3.7 Styrning av elektrostatisk atomiserare... 30
4
Resultat ...34
4.1 TEST OCH VERIFIERING ... 34
4.1.1 Adapterkort för piezoelektriska membran ... 34
4.1.2 Styrkoppling för elektrostatisk atomiserare ... 38
4.2 UPPNÅDDA MÅL OCH KRAV ... 38
4.2.1 Checklista för mål och krav: ... 39
5
Slutsats och diskussion ...41
6
Referenser ...43
7
Sökord ...45
Figurförteckning
FIGUR 1:BLOCKSCHEMA ÖVER DEMONSTRATORN ...5
FIGUR 2:ULTRASONISK NEBULISATOR[7] ... 11
FIGUR 3:NEBULISATOR MED TEKNIKEN ROTERANDE SKIVA [11] ... 12
FIGUR 4:ELEKTROSTATISK ATOMISERARE[13] ... 12
FIGUR 5:ELEKTROSTATISK ATOMISERING MED RING. ... 18
FIGUR 6: STYRKORTETS SIGNALER FÖR PIEZOELEKTRISKA MEMBRAN ... 19
FIGUR 7:BLOCKSCHEMA ÖVER DEMONSTRATORN ... 20
FIGUR 8:FREKVENSINSTÄLLNING ... 23
FIGUR 9:PWM-INSTÄLLNING ... 24
FIGUR 10:FAST PWM MODE[16] ... 27
FIGUR 11:KOMPARATORKOPPLING ... 30
FIGUR 12:KRETS FÖR ELEKTROSTATISK NEBULISATOR ... 31
FIGUR 13:KOPPLINGSSCHEMA ÖVER DRIVKRETS IR2108[18]... 32
FIGUR 14:12V SIGNAL 125KHZ ... 35
FIGUR 15:2ST 12V SIGNALER 125KHZ MED OLIKA DUTY CYCLE I FAS ... 35
FIGUR 16:12V SIGNAL 500KHZ ... 36
FIGUR 17:12V SIGNAL MED 140NS STIGTID ... 36
FIGUR 18:12V SIGNAL MED CA 90NS FALLTID... 37
FIGUR 19:JÄMFÖRELSE IN- OCH UTSIGNAL... 37
FIGUR 20:5VSTYRSIGNAL OCH 450VUTSIGNAL 200KHZ ... 38
Tabellförteckning
TABELL 1:FÖRDRÖJNINGAR I EFFEKTTRANSISTOR [14] ... 13TABELL 2:JÄMFÖRELSE AV AEROSOLGENERATORER ... 16
TABELL 3:PRESCALERVÄRDEN ... 24
Inledning
1 Inledning
Ett befintligt automatiserat lackeringssystem för detaljer ska optimeras genom att byta ut dispenseringstekniken mot en mer optimerad teknik som använder elektrostatlackering för att minimera lackspill. Genom att minimera lackspill kommer man inom industrin att kunna spara pengar samtidigt som
miljöpåverkan minimeras.
I rapporten beskrivs examensarbetet som utförts som en del i utbildningen vid Jönköpings Tekniska Högskola inom huvudområdet elektroteknik.
I arbetet utreds för vilka dispenseringstekniker som kan vara lämpliga för en miniatyriserad elektrostatlackering. En optimering av det elektroniska
styrsystem som styr lackeringsprocessen har utförts för att kunna använda och testa de nya dispenseringsteknikerna som alla styrs av olika PWM-signaler. För vidare tester på olika dispenserare kan det vara önskvärt att kunna ställa in signalerna för olika periodtider och pulsbredder. Därför har
inställningsmöjligheter för PWM-signaler programmerats in i systemet.
1.1 Bakgrund
Uppdragsgivaren arbetar med att förbättra ett befintligt industriellt system för att lackera detaljer automatiserat. En uppgift är att utreda olika
dispenseringstekniker och modifiera en demonstrator för att kunna styra dem.
Figur 1: Blockschema över demonstratorn
PC
Kontrollerkort
Dispenserare (6st)
Stegmotor
Uppdragsgivaren har tidigare fastställt att elektrostatlackering är den bästa tekniken för att minimera spill och förbättra den befintliga processen. Den lack som kommer användas har redan testats och verifierats. Målsättningen för examensarbetet är att hitta vilka tekniker som är intressanta för att dispensera lacken i det elektrostatiska fältet och styrningen av dispenseringen.
1.2 Syfte och mål
Målet med arbetet är att utreda vilka tekniker som är bäst lämpade för
dispensering och skapa en demonstrator för dessa. Syftet med utredningen och demonstratorn är att lägga en grund till fortsatt arbete för att förbättra en industriell process.
Demonstratorn ska ha följande egenskaper:
Möjlighet att styra lackeringsprocessen som tidigare med de nya dispenseringsteknikerna
Möjlighet att styra olika dispenseringstekniker med hjälp av PWM-signaler
Styra upp till sex stycken dispenserare individuellt för att ge möjlighet till att i framtiden kunna styra flera lackeringsprocesser eller dispensera olika lacker i samma process utan att behöva manuellt byta mellan lackerna
Inställningar av PWM-signalerna ska kunna göras med
användarinterfacet på PC:n för att underlätta tester av de olika dispenseringsteknikerna
1.3 Avgränsningar
Arbetet omfattar uppbyggnaden av demonstratorn och inte användandet av den. Därför omfattas inte djupare tester av dispenserarna då detta läggs för vidare arbete eftersom testerna kräver utrustning och arbete som inte finns inom tiden för examensarbetet. De egenskaper som inte testats är: partikelstorlek, flöde och driftsäkerhet.
Ett automatiskt läge i PC:n för lackeringsprocessen har inte skapats då djupare tester av dispenserarna krävs.
Rapporten är riktad till läsare med goda kunskaper inom mikroprocessorer och elektronik, därför beskrivs inte grundläggande teori inom dessa områden i kapitlet Teoretisk bakgrund.
Inledning
1.4 Disposition
För att ge läsaren en bättre förståelse för arbetet börjar rapporten med en Teoretisk bakgrund till elektrostatlackering, aerosoler och transistorer. Där nämns olika aerosolgeneratorer.
I Genomförande beskrivs en utredning av aerosolgeneratorer och test av ett par intressanta dispenseringstekniker samt utvecklingen av demonstratorn. Under Utveckling av demonstrator beskrivs hur programmen i PC:n och
kontrollerkortet optimerats. Utveckling av adapterkort och styrkoppling för dispenseringsteknikerna presenteras här.
Resultatet av demonstratorn presenteras under Resultat. Där finns även en checklista för uppnådda mål.
2 Teoretisk bakgrund
För att underlätta förståelsen för arbetet gjordes först en teoretisk bakgrund innehållandes elektrostatlackering, aerosoler (med tillhörande
aerosolgeneratorer) och transistorers beteende vid höga frekvenser.
2.1 Elektrostatlackering
En bakgrund av elektrostatlackering behövdes för att senare kunna välja vilken teknik som är bäst lämpad. Bakgrunden omfattar elektriska fält och
lackeringstekniker.
2.1.1 Elektriska fält
Det finns två sorters elektriska fält, elektrodynamiska fält (nedan kallat EDF) och elektrostatiska fält (nedan kallat ESF). Elektrodynamik handlar om hur elektriska laddningar i rörelse påverkar varandra och elektrostatik hur elektriska laddningar i vila påverkar varandra. En skillnad mellan ESF och EDF är att det förstnämnda inte är magnetiskt. Laddningarna som rör sig skapar magnetiska fält men effekten av dem är försumbara inom elektrostatiken [1]. Grunden till elektrostatik kommer från den franske fysikern Charles Augustin de Coulomb som redan på 1700-talet publicerade en fysiklag som numera är känd som Coulombs lag. Den är definierad som storleken på kraften F mellan två laddningar (q1 och q2) med avståndet r vilket ger
2 2 1 r q q k F e där ke är Coulombs konstant.
Definitionen för ett elektriskt fält är elektrisk kraft (F ) per enhetsladdning (q). Formeln för elektriska fältets styrka och riktning (E) är alltså
q F E .
Riktningen på fältet bestäms som kraftens riktning fältet ger på en positiv testpartikel. Det innebär alltså att riktningen är exempelvis radiellt utåt för en positiv laddning och radiellt inåt för en negativ laddning [2].
Teoretisk bakgrund
2.1.2 Lackeringstekniker
Inom lackering finns det flera olika metoder men endast vid sprutmålning och pulverlackering använder man sig av elektrostatik.
2.1.2.1 Elektrostatisk sprutmålning
Elektrostatisk sprutmålning (nedan kallat ESSM) innebär att den våta färgen laddas och används i ett elektriskt fält. Man kan exempelvis använda en sprutpistol för att skjuta ut färgen. Elektroderna i sprutpistolen är anslutna till en högspänd likström som kan vara 30-125 kV. Den höga laddningen på färgpartiklarna innebär att de attraheras till det jordade objektet som ska lackeras. Metoden är bra på så vis att den ger ett jämnt färgskikt över hela objektet då partiklarna strävar efter att komma i kontakt med en jordad del som inte är lackerad.ESSM kan kombineras med låg- och högtryckssprutning. En stor risk med ESSM är gnistbildning vid elektrostatiska urladdningar då man arbetar med så pass höga spänningar. Därför är det viktigt att allt är väl jordat för att undvika urladdningar. Det går inte heller få ett lika tjockt lager som vid pulverlackering utan att färgen börjar rinna [3].
2.1.2.2 Pulverlackering
Pulverlackering skiljer sig från ESSM genom att det saknar bindningsmedel, dvs. vätska. Pulvret appliceras på liknande sätt som ESSM. Det krävs en ugn som efter applicering värmer upp pulvret mellan 160-210°C i ca tio minuter vilket då blir flytande och bildar ett sorts skal som är tåligare än vanlig färg. Pulverlackering används främst för lackering av metaller men det är även möjligt att lackera exempelvis MDF-skivor och plaster. Ett problem med de sistnämnda är att materialen inte är elektriskt ledande vilket gör att
tillvägagångssättet skiljer sig från lackering av metall. För att få materialen ledande kan man förvärma dem vilket i MDF-skivans fall innebär att fukt tränger ut till ytan vilket ökar ledningsförmågan. För plasten innebär det att den blir mjukare och då ledande men det krävs en specialtillverkad plast, vanlig plast fungerar inte lika bra.
Ur miljöaspekten är pulverlackering bra då mängden farligt avfall och spill som släpps ut är minimalt. Detta tack vare att man kan återanvända överblivet
pulver efter en lackering.
En begränsning hos pulverlackering är förmågan att applicera ett tunt lager då det inte är säkert att den smälter ihop till ett starkt skal vid för liten mängd pulver [3][4].
2.2 Aerosoler
En aerosol är en lösning av ett ämne i luft. Det kan vara fasta eller flytande ämnen såsom damm, dimma och spray. Formen på partiklarna i en aerosol kan variera och är för flytande ämnen oftast sfäriska. Fasta ämnen har oftast mer oregelbunden form exempelvis asbest som ser ut som smala långa fibrer och svetsrök som har mer kantiga partiklar. Storleken hos partiklarna i en aerosol kan variera mellan 1nm till 100µm.
Eftersom formen hos partiklarna varierar har man ansatt ett enhetligt mått där storleken på partiklarna anges i diametern hos en sfär med densiteten 1g/cm³ som uppför sig likadant i en luftström. Detta mått kallas även för den
aerodynamiska diametern [5].
2.2.1 Aerosolgenerering
Det finns flera metoder för att skapa en aerosol av en vätska. Vissa generatorer drivs av en gas, exempelvis sprayburkar och andra med hjälp av elektriska komponenter som piezomembran.
Egenskaper som gör att generatorerna skiljer sig åt är sådant som droppstorlek, flöde och spridning av droppstorlek. Så kallade monodispersa aerosoler har ingen spridning i droppstorlek. Polydispersa aerosoler har en spridning i droppstorlek som kan variera för olika generatorer.
2.2.1.1 Piezoelektriskt membran
Dessa generatorer pulsar vid en resonansfrekvens och pumpar ut en aerosol genom tusentals små hål i ett membran som har en diameter på några
millimeter. Aerosolen som skapas av generatorn är monodispers och pumpas ut ur generatorn med en låg hastighet vilket skapar ett moln av aerosol istället för en stråle. Flödet genom generatorn är några få mikroliter per sekund [6].
2.2.1.2 Ultrasoniska nebulisatorer
En ultrasonisk nebulisator fungerar med hjälp av ett membran som vanligtvis vibrerar i 2,4MHz och får vätskedroppar att genom kavitation övergå lokalt till gasform. Vätskan frigörs i en blandning av droppar och gas. Med denna metod kan man skapa en polydispers aerosol med en partikelstorlek mellan 1 - 5µm. Flödet för dessa generatorer varierar kraftigt men 0 - 80µl/s är vanligt.
Teoretisk bakgrund
Figur 2: Ultrasonisk nebulisator[7]
I Figur 2 kan man se hur en ultrasonisk nebulisator skulle kunna användas för att skapa en aerosol. Vätskan som ska omvandlas till en aerosol har man i en avskild behållare som ligger i fokus för den ultrasoniska energin. Detta så att man kan generera aerosol av ämnen som annars kan vara kemiskt slitande på membranet[8].
2.2.1.3 Pneumatiska nebulisatorer
Pneumatiska nebulisatorer drivs av en gas och behöver inga elektriska komponenter. Gasen driver ut vätskan genom ett munstycke och skapar en aerosol. Aerosolen är polydispers och flödet för dessa generatorer är större än för de andra aerosolgeneratorerna. Denna teknik används i exempelvis
sprayburkar och inom lackeringsindustri [9].
2.2.1.4 Roterande skiva (eng. Spinning disc)
En vätska släpps ner i centrum på en roterande skiva i ett horisontellt plan. Skivan roterar med en hastighet på upp till 70 000 varv/minut. Med hjälp av centrifugalkraften trycks vätskan ut mot kanterna på skivan och sönderdelas till en aerosol som är monodispers. Det sitter ett skydd över skivan som
tillsammans med ett luftflöde tvingar aerosolen under skivan för att där samlas och dispenseras ut genom ett luftrör (se Figur 3) [10][11].
Figur 3: Nebulisator med tekniken Roterande skiva [11]
2.2.1.5 Elektrostatisk atomiserare
Elektrostatisk atomisering fungerar genom att ett elektriskt fält skapas mellan appliceringsnålen och ett jordat objekt eller en ring som sitter några få cm nedanför nålen. Detta fält blir koniskt och därför starkast vid nålens spets där fältet drar vätskan och skapar en kon som hålls tillbaka av ytspänningen i vätskan. När fältets kraft på vätskan blir starkare än ytspänningen skickas små droppar iväg som går mot det jordade objektet eller genom ringen. Dropparnas laddning får dropparna att repellera från varandra och skapa en aerosol som rör sig i fältet ner mot objektet (se Figur 4). Med denna metod kan man skapa monodispersa aerosoler med en droppstorlek på mindre än 1µm [12][13].
Teoretisk bakgrund
2.3 Transistorers beteende vid hög frekvens och
spänning
Det finns många olika transistorer men vid hög frekvens och spänning är det inte helt klart vad som är bäst. En bakgrund har sammanställts av
effekttransistorer och MOSFET för att kunna bestämma vad som är lämpligt att använda.
2.3.1 Effekttransistorer
För att uppnå en spänning på flera hundra volt mellan kollektor och emitter på en BJT-transistor behövs en effekttransistor. De styrs med en basström och är gjorda för att klara av en hög spänning och hög ström. Ju högre spänning de klarar desto långsammare blir de i regel gällande stigtid, lagringstid och falltid. Som exempel tas transistorn STX616 upp. Det är en NPN-transistor och den klarar upp till 500V mellan kollektor och emitter. I Tabell 1 kan man se fördröjningar som uppstår vid switchning av STX616.
ton ts tf RESISTIVE LOAD Turn-on time Storage time Fall time VCC = 250V IC = 250mA IB1 = 65mA IB2 = -130mA 0,2 5 0,65 µs µs µs ton ts tf RESISTIVE LOAD Turn-on time Storage time Fall time VCC = 250V IC = 0,8A IB1 = 160mA IB2 = -0,4A 1 2,5 0,35 µs µs µs
Tabell 1: Fördröjningar i effekttransistor [14]
Vid en spänning på 250V och basström på 65mA och kollektorström på 250mA är den totala fördröjningen
µs µs µs µs 0,2 5 0,65 85 , 5
2.3.2 MOSFET
En MOSFET fungerar inte på samma sätt som BJT. Den styrs istället av en spänning på gate-ingången. För att transistorn ska öppna mellan drain och source behövs en viss gate-laddning. Laddningen är alltid specificerat i databladet och kan vara från några få nanocoulomb för små transistorer till flera hundra för större. Det som är av intresse med gate-laddningen är att man kan använda den för att räkna ut vilken tid det tar att switcha på transistorn. Formeln för att beräkna det är
t Q I .
En liten MOSFET som kräver en gate-laddning på exempelvis 10nC som man vill switcha på efter 100ns ger att en ström på
ns nC mA 10 100
100
behövs för att uppnå tiden. Typisk startfördröjning och stigtid för en MOSFET är 100ns tillsammans och ungefär detsamma för avstängningsfördröjning och falltid [15].
Genomförande
3 Genomförande
3.1 Utredning av aerosolgenerator
När man ska välja mellan sprutmålning och pulverlackering kommer man fram till att sprutmålning är bäst lämpad för slutprodukten. Det ska finnas en
möjlighet att använda ett lågt flöde och därmed inte alltid ge en heltäckande yta. I teoretisk bakgrund nämndes att pulverlackering är svårt att använda då det inte är heltäckande och är därför inte lämpligt. Ämnet måste även värmas upp i en ugn ca tio minuter vilket inte heller är lämpligt då tempot i systemet medför att det måste gå snabbare.
3.1.1 Kravspecifikation för aerosolgenerator
Industrianpassad, ska klara kontinuerlig användning Anpassad för vätska
Driftsäker
o Ska klara aggressiva kemikalier o Ska inte slamma igen
o Ska ha lång livslängd Flöde styrbart mellan 1nl/s – 1µl/s Flödesavvikelse ±0,1nl
Droppstorlek < 0,5nl Elektroniskt styrd Rimlig kostnad
3.1.2 Utredning av teknik
Utifrån kravspecifikationen på aerosolgeneratorn som ska användas i den färdiga produkten har en utredning gjorts för att välja den bäst lämpade
tekniken. I denna utredning har en sammanställning gjorts för tidigare i arbetet nämnda tekniker, som klarar av att dispensera en vätska (se Tabell 2).
Teknik Flödesmängd Partikelstorlek Monodispersa Pris Piezoelektrisk < 6,7µl/s < 3µm Ja Mellan Ultrasonisk 0 - 80µl/s 1 - 10µm Nej Högt
Pneumatisk ~ 1ml/s < 100µm Nej Högt
Roterande skiva * 20 - 100 µm Ja Högt
Elektrostatisk ~ 3µl/s < 1µm Ja Låg
Tabell 2: Jämförelse av aerosolgeneratorer
* Uppgift saknas
Piezoelektriska membran är en teknik som är intressant då den uppfyller kravspecifikationen. Flödet går att styra elektroniskt med en PWM-signal. Generatorerna är små och enkla i sin konstruktion och det enda som behövs är själva membranet och ett styrkort som ger ut en sinussignal på ca 125kHz. Ett mindre test kommer utföras på tekniken.
Ultrasonisk nebulisator uppfyller många delar från kravspecifikationen men rent praktiskt är den inte bra. I Figur 2 visas ett exempel på hur ultrasonisk nebulisator kan användas. Ett problem med denna generator är förmågan att styra den. Det bör finnas två alternativ till detta och ett av dem är att styra gasflödet och det andra är att styra generatorn. För att styra gasflödet behövs någon sorts ventil som måste vara snabb nog för att kunna ge ett lågt utflöde och även vara elektroniskt styrd. För att styra generatorn behövs ett konstant gasflöde men risken med detta är att det blir en fördröjning av
aerosolutskjutningen. Det är säkert möjligt att använda denna teknik till produkten men det blir en komplex lösning och troligtvis dyr då det är många komponenter som ska användas.
Pneumatiska generatorer klarar inte av att uppfylla kraven för generatorn dels på flödesmängden men även partikelstorleken. Priset skulle därför bli högt för den precision som krävs.
Genomförande
Roterande skiva uppfyller vissa krav, dock är flödesmängden svår att styra då den beror på mängden droppar man kan droppa på skivan. Precis som för ultrasonisk nebulisator är tekniken komplex och kräver många delar för att fungera. Det medför även att priset blir högt och tekniken är således inte intressant.
Elektrostatisk atomisering är intressant då droppstorleken blir liten och flödet går att få tillräckligt lågt. För att utreda om tekniken är praktiskt användbar kommer ett test utföras. Inga produkter har hittats som använder denna teknik och det behövs mer utredning och forskning för att kunna använda den i en slutlig produkt.
Utredningen visar att elektrostatisk atomisering och piezoelektrisk membran är de två mest intressanta teknikerna att arbeta vidare med.
3.2 Test
För att få en uppfattning om hur piezoelektriska membran och elektrostatisk atomiserare fungerar i praktiken har två tester utförts. Testerna är av det enklare slaget. Finjusteringar och beräkningar för att uppnå bästa möjliga resultat har uteslutits då det inte ingår i arbetets mål. Det intressanta för arbetet är att få veta att teknikerna fungerar.
3.2.1 Principtest av elektrostatisk atomisering
Då det inte fanns en färdig produkt för att testa metoden behövdes en testrigg som byggdes upp med en spruta, kanyl (0,4mm ytterdiameter),
högspänningskälla (2kV - 15kV) och ett jordat objekt eller ring med diameter på 2,5mm - 34mm (se Figur 5).
Syftet med testet var att undersöka om metoden uppfyller kraven för att kunna användas i produkten.
I testerna observerades att droppstorleken och flödet beror på det
elektrostatiska fältet mellan nålen och objektet nedanför. Med ett jordat objekt nedanför nålen drogs dropparna i en stråle rakt ner mot objektet. Med en ring nedanför nålen skapades mindre droppar och en spridning på strålen. Detta gav ett bättre resultat men inte bra nog för produkten då dropparnas storlek inte var tillräckligt små i testet för att klara av kraven på droppstorlek.
Det bästa resultatet uppnåddes genom att ha en så liten ring som möjligt (2,5mm) med ett stort elektrostatiskt fält. Dropparna blev inte tillräckligt små för att skapa en aerosol men det ska vara möjligt att skapa monodispersa aerosoler med metoden [12].
Förslag för att vidare testa denna metod skulle vara att styra trycket i sprutan med hjälp av en mikropump. På detta vis skulle man kunna styra flödet exakt genom att styra pumpen och det elektrostatiska fältet.
Figur 5: Elektrostatisk atomisering med ring.
3.2.2 Test av piezoelektriska membran
Tekniken är lite annorlunda mot elektrostatisk atomisering på det sättet att det är ett membran med många små hål som trycker ut aerosolen istället för ett enda hål. Detta medför att aerosolen sprider sig och för att kunna träffa objekten som ska lackeras med hög precision behövs ett elektrostatiskt fält. Objekten som lackeras är jordade och tillsammans med det elektrostatiska fältet attraheras den laddade aerosolen till objekten.
Syftet med testet var att bestämma minsta puls som kunde skjutas ut och om aerosolen gick att styra med elektrostatiskt fält.
Ett test gjordes genom att starta membranet och lackera ett jordat objekt. Man kunde se en klar skillnad på attraheringen av aerosolen mot objektet när det elektrostatiska fältet var aktivt respektive inaktivt.
Styrningen av membranet är viktig och när det testades dök ett problem upp med styrkortet från tillverkaren. Membranet gick inte att styra i närheten av så snabbt som det var tänkt för att uppfylla kraven. I Figur 6 syns styrsignalen (undre) och den övre signalen visar när membranet är aktiv. När styrsignalen går låg ska membranet starta men det dröjer 8ms innan den startar. Det är långt ifrån styrbart då kravet är att man ska kunna dispensera 1nl/s - 1µl/s.
Genomförande
Figur 6: styrkortets signaler för piezoelektriska membran
Ett annat problem som dök upp var att en större droppe bildades ibland på membranet. Då slutade utskjutningen av aerosol. Vid testet var nebulisatorns behållare med vätska öppen och troligtvis tvingade atmosfärtrycket vätskan genom membranet och det kunde då inte skjuta ut dropparna.
3.2.3 Slutsats
Efter testerna av piezoelektrisk nebulisator och elektrostatisk atomiserare drogs slutsatsen att båda teknikerna är intressanta för arbetet. Ett problem med den piezoelektriska nebulisatorn var att styrkortet hade en lång fördröjning. En dialog har förts med tillverkaren och problemet ligger nu hos dem. Om detta blir löst är tekniken intressant för vidare tester då den är enkel att styra med en PWM-signal.
Elektrostatisk atomiserare har fördelen att grundidén kring tekniken är enkel då det endast krävs en kanyl och högspänningskälla. Styrningen kan eventuellt bli komplicerad då det är många parametrar som samverkar för att erhålla ett kontrollerat flöde. En styrkoppling för högspänningspulser ska tas fram för att styrning av elektrostatiska fältet ska vara möjlig.
Den befintliga demonstratorn kommer anpassas för att kunna använda piezoelektriska membran och elektrostatiska atomiserare.
3.3 Utveckling av demonstrator
Den befintliga demonstratorn består av en PC med ett program skrivet i C# och ett kontrollerkort som styrs av en PC samt dispenserare och en stegmotor som för detaljerna genom lackeringsprocessen. Syftet med demonstratorn är att kunna göra utförliga tester och utveckla en ny process för lackering av små detaljer.
3.3.1 Kravspecifikation för demonstrator
Ska kunna styra upp till sex dispenserare
Ska ha möjlighet att användas med piezoelektriska membran och elektrostatisk atomiserare
Programmen i PC:n och kontrollerkortet ska vara kompatibla med varandra
3.3.2 Lösningsförslag
Figur 7: Blockschema över demonstratorn
PC Kontrollerkort Adapterkort Dispenserare (6 st) Stegmotor RS232 Styrkort Rullband 5V PWM 12V PWM Sinus
Genomförande
För att uppfylla kravspecifikationen måste dispenserarna styras med PWM-signaler. PWM-signalerna måste kunna ändras i frekvens och duty cycle för att skapa möjligheter för tester av de olika dispenserarna. För att uppnå kravet att styra flödet mellan 1nl/s - 1µl/s med det valda piezoelektriska membranet som har ett flöde på 6,7µl/s, måste PWM-signalen kunna gå ner till 1 av
nl µl 1/ 7 , 6 6700 .
Frekvensen som piezoelektriska membranen arbetar på är 125kHz vilket motsvarar en periodtid på 8µs. Därför bör pulstiden inte understiga 8µs. Mikrokontrollern ATmega1281 som sitter på kontrollerkortet arbetar i en frekvens på 14,31818MHz. I den frekvensen motsvarar 8µs
µs MHz ticks 14,31818 8
115
där ett tick motsvarar ett steg på timern. Om periodtiden ska kunna vara 6700 gånger längre än 8µs dvs. µs ms 6700 8 6 , 53 så motsvarar det µs MHz ticks 6700 14,31818 8 767454 .
Eftersom en 16-bitars timer används behövs en prescaler på 64 för att kravet ska kunna uppnås. Med en prescaler på 64 ställs timern in på periodtiden
64 767454 11991ticks ticks och upptiden 64 115 2ticks ticks . Flödet ska då bli nära 1nl/s och PWM-frekvensen blir
ticks MHz Hz 14,31818 767454 7 , 18 .
Denna frekvens är kanske inte optimal för styrning av snabba system. Därför behövs möjligheter att ändra PWM-frekvensen för att göra tester i framtiden. På en period pumpar membranet ut i teorin
µs s µl pl 6,7 8 6 , 53 .
När man skickar en period till piezoelektriska membranet hinner det inte
komma upp i full amplitud på grund av en tröghet i membranet och flödet är då obestämt. Detta måste man därför göra mätningar på för att se hur mycket flödet skiljer i de små dispenseringarna där endast ett fåtal perioder på
membranet skickas. Det är även ett faktum att flödet skiljer sig åt mellan olika membran och det är därför nödvändigt att ha med någon sorts kalibrering för detta. Mätningar på detta ska inte utföras inom examensarbetet.
För att PWM-signalerna ska kunna styra det piezoelektriska membranet måste signalerna förstärkas från 5V till 12V eftersom styrkortet som skapar 125kHz sinussignaler kräver 12V input för start och stop. Ett adapterkort är därför nödvändigt att skapa till kontrollerkortet [6].
Elektrostatiska atomiserare ska kunna styras med signalerna. Eftersom ingen information har hittats om styrning av dessa behövs ett bra sätt att enkelt kunna ändra PWM-signalernas frekvens och duty cycle. Därför ställs krav på
programvaran i PC:n för att användaren enkelt ska kunna ställa in vilka värden han eller hon vill ha när tester på tekniken utförs. PWM-signalerna ska i detta fall styra det elektrostatiska fältet och därför kommer signalerna att behöva vara ett par hundra volt.
3.3.3 PC Program
Ett PC-program som är framtaget av uppdragsgivaren används för att styra lackeringsprocessen med den tidigare utvecklade tekniken. Det är skrivet i C# och har ett grafiskt gränssnitt för att underlätta för användaren. I programmet fanns ursprungligen två olika lägen, ett manuellt och ett automatiskt. Det manuella läget gav möjligheten att välja exakta signaler för varje enskild dispenserare. Det automatiska läget räknade själv ut styrsignalerna med
avseende på satta inparametrar och sensorer. Hastigheten gick att ställa in som man önskade och mängden lack som skulle dispenseras justerades av
programmet i den automatiska processen men även manuellt om så önskades. Då målet för arbetet var att kunna styra dispensering med nya tekniker
behövdes en anpassning göras. Programmet är välstrukturerat och många funktioner kunde återanvändas men vissa har modifierats och en del nya har lagts till. Under arbetets gång valdes att endast ett manuellt läge skulle finnas då det är tänkt att demonstratorn ska visa att de nya metoderna fungerar så att man kan utföra lackeringstester.
Genomförande
3.3.3.1 Frekvensinställning
Figur 8: Frekvensinställning
Frekvensen och periodtiden går att ställa in var för sig så uppdateras den andra automatiskt. Frekvensen visas i Hz och periodtiden i µs då det är vanligast att periodtiden kommer vara i den regionen. Vid knapptryck på ”Send Period time” görs beräkningen av periodtiden i ticks för kontrollerkortets processor. Beräkningen är
PWMFreq CPUFreq
ticks
där CPUFreq är Atmelprocessorns frekvens som är 14,31818MHz och PWMFreq är valda frekvensen.
En beräkning av prescalern som ska skickas görs även och den beror på valda frekvensen för att uppnå så bra upplösning som möjligt. Värdet som skickas till kontrollerkortet beroende på vald frekvens kan ses i Tabell 3.
Frekvens Periodtid
Send Period time
PWM_dispenser_Set_Config() Knapptryck
Värde Prescaler Max periodtid Vald frekvens (avrundat uppåt) 1 1 4,58ms 219Hz 2 8 36,62ms 28Hz 4 64 292,93ms 4Hz 5 256 1,17s 1Hz Tabell 3: Prescalervärden
Efter dessa beräkningar tar funktionen PWM_dispenser_Set_Config() emot prescalern och periodtiden som den packar ihop till ett paket med hjälp av befintliga funktioner i programmet. Paketet skickas sedan till kontrollerkortet och väntar på ett godkännande att paketet tagits emot som det ska.
3.3.3.2 Skicka PWM
Figur 9: PWM-inställning
PWM 1 PWM 2 PWM 3 PWM 4 PWM 5 PWM 6
UT1/DT1 UT2/DT2 UT3/DT3 UT4/DT4 UT5/DT5 UT6/DT6
Send PWM
Set_PWM() Send_MotorSpeed() Knapptryck
Genomförande
Första steget när man vill skicka en PWM-signal är att välja värden för varje enskild kanal och det går att göra antingen med en scrollbar eller genom att skriva in värdet. Det går att välja värden mellan 0 - 65 535 vilket ger en hög upplösning (se Bilaga 1).
Nästa steg är att en duty cycle beräknas vilket görs som en procentsats av värdet på scrollbaren. Det innebär att t.ex. värdet 32 768 som är hälften av 65 535 ger en duty cycle på 50%. Upptiden (UT1-6) och nertiden (DT1-6) visas sen i varsin ruta för att ge ett enkelt uttryck. Det värde som skickas till kontrollerkortet för upptiden måste beräknas. Först görs det på samma sätt som för frekvensinställningen dvs.
PWMFreq CPUFreq
s
Periodtick .
Efter det beräknas
Periodtid Upptid
Dutycycle .
Antal ticks i kontrollerkortets processor som motsvarar upptiden ges av
Dutycycle s
Periodtick Uppticks
Efter detta händer det inte något förrän användaren trycker på Send PWM. Knapptrycket leder till att upptiderna för varje kanal delas upp i två bytes var och paketeras ihop till ett paket i funktionen Set_PWM() som redan fanns i det befintliga programmet. Hastigheten på motorn i processen går också att ställa in och värdet skickas sen vidare till kontrollerkortet med funktionen
Send_MotorSpeed() som även den redan fanns.
När dessa steg är utförda har alla nödvändiga variabler ställts in och skickats till kontrollerkortet och användaren kan därefter starta och stoppa processen med de två knapparna.
3.3.4 Kontrollerkort
Kontrollerkortet är egenutvecklat av uppdragsgivaren och används för att styra demonstratorn. Kontrollerkortet var anpassat för den tidigare tekniken och ska anpassas för att kunna styra upp till sex stycken dispenserare av de nya
teknikerna. Dispenserarna styrs individuellt med PWM-signaler. För att skapa PWM-signaler behövs timers och vissa befintliga funktioner behöver ändras och nya funktioner läggas till.
Kraven som ställs på kontrollerkortet är:
Ska kunna sända ut sex stycken PWM-signaler med lika frekvens och olika duty cycle
PWM-signalerna ska kunna ställas via kommunikation från PC-programmet
Ändringarna i kontrollerkortet ska inte påverka kontrollerkortets tidigare funktion. Med undantag för den tidigare tekniken
PWM-signalerna ska kunna ha en frekvens mellan 18Hz - 200kHz
3.3.4.1 ATmega 1281
Kontrollerkortet har en ATmega1281 mikrokontroller för att styra allt på demonstratorn. ATmega1281 har sex stycken timers. Timer1 och timer3 är identiska i funktion och används för att styra PWM-signalerna. De har 16 bitar och kan generera tre stycken PWM-signaler var på utgångarna OC1A,B,C och OC3A,B,C.
Timer1 och timer3 har flera olika PWM-modes för PWM generering. Normal mode, Clear Timer on Compare Match (CTC) mode, Fast PWM mode, Phase correct PWM mode, Phase and Frequency correct mode. För att välja vilken PWM mode som ska användas är en undersökning av dem nödvändig.
I Normal mode räknar timern (TCNTn) upp till det maximala värdet och sätter sedan en flagga och börjar om. Flaggan som sätts kan man ha interrupt på. Detta gäller för de flesta PWM-modes.
CTC mode gör så att timern räknar upp till värdet i Input Compare Register (ICRn) eller Output Compare Register (OCRnA,B,C) innan den börjar om från noll. När timern nått ICRn eller OCRnA,B,C växlar utgången Output Compare (OCnA,B,C). Med CTC kan man då endast ställa in frekvens och man kommer då alltid att ha en upptid och nertid på det värdet som står i ICRn eller
OCRnA,B,C.
Med Fast PWM mode räknar timern upp från noll till värdet som bestäms av registret ICRn. Registret OCRnA,B,C bestämmer när utgångarna OCnA,B,C ska gå låg (se Figur 10). Med funktioner som sätter ICRn, OCRnA,B,C och prescaler, kan man välja vilka frekvenser och duty cycles man vill ha.
Genomförande
Figur 10: Fast PWM mode[16]
Med Phase correct PWM mode räknar timern istället upp till övre värdet som sätts av ICRn. Timern vänder sedan och räknar ner till noll. Genom att sätta OCRnA, B, C mellan noll och det övre värdet så växlar utgången när den passerar OCRnA, B, C.
I arbetet valdes att Fast PWM mode skulle användas eftersom PWM-signalerna inte behöver fler inställningsmöjligheter än period och duty cycle.
För att bestämma PWM-signalerna skapades nya funktioner. En som bestämmer frekvens genom att ändra ICRn och prescaler, och en som
bestämmer duty cycle genom att ändra OCRnA, B, C. Start- och stoppfunktion skapades för att starta och stoppa dispenseringen.
För att stoppa en PWM-signal räcker det inte med att sätta OCRnA, B, C till noll. Gör man detta kommer en puls lika lång som en klockpuls i processorn att finnas i början på perioden. Därför måste man införa ett undantag som stänger av utgången om den är satt till noll. Detta görs genom att ändra utgången till ”Normal port operation” istället för ”Clear OCnA, B, C on compare match, set OCnA, B, C at bottom (non-inverting mode)” i Timer Counter Control Register (TCCRnA). Start- och stoppfunktionen fungerar likadant och ändrar i samma register [16].
3.3.5 Kommunikation
Kommunikationsstandarden som används mellan PC och kontrollerkortet är RS232. Funktioner som tar hand om kommunikationen var klart sedan tidigare. De kommunikationsmeddelanden som berör arbetet är följande:
Set_PWM: Från PC till kontrollerkortet.
Information om PWM-signalernas upptid och antal steg för stegmotorn som styr detaljernas fart genom lackeringsprocessen. Om
PWM-signalerna är aktiva medan detta meddelande tas emot och inga steg från föregående signal är kvar ändras signalerna direkt. Annars väntar
kontrollerkortet tills stegmotorn är klar eller att
PWM_dispenser_Start_pwm ska anropas innan den byter signal. Detta eftersom lackeringen är synkroniserad med hastigheten på bandet som styrs av stegmotorn.
PWM_done: Från kontrollerkortet till PC.
Kommando som ber om ny information för nästa signal. Detta
meddelande skickas när stegmotorn har 50 steg kvar. Innan stegmotorn är klar ska då Set_PWM tas emot med nytt antal steg och eventuellt en ny PWM-frekvens. Annars stannar processen.
PWM_dispenser_Set_Config: Från PC till kontrollerkortet.
Information om prescaler och upptid för att ställa in olika frekvenser. PWM_dispenser_Stop_pwm: Från PC till kontrollerkortet.
Kommando för att stoppa dispenseringen genom att sätta alla PWM utgångar till ”Normal port operation”[16]. Skickas kommandot medan processen är aktiv påverkas inte motorerna utan endast dispenseringen. PWM_dispenser_Start_pwm: Från PC till kontrollerkortet.
Kommando för att starta dispenseringen genom att sätta alla PWM utgångar till ”Clear OCnA, B, C on compare match, set OCnA, B, C at bottom (non-inverting mode)”[16]. Detta meddelande kan starta
dispenseringen utan att någon motor måste köras. Start_Process: Från PC till kontrollerkortet.
Kommando för att starta lackeringsprocessen. Motor och dispensering kommer att bli aktiva.
Stop_Process: Från PC till kontrollerkortet. Kommando för att pausa lackeringsprocessen. Send_MotorSpeed: Från PC till kontrollerkortet.
Genomförande
3.3.6 Utveckling av adapterkort för piezoelektriska membran
För att PWM-signalerna ska kunna användas till piezoelektriska membran behöver signalerna vara anpassade till det styrkort som genererar
sinussignalerna som driver membranen. Styrkortet behöver signaler på 12V för att styra på och avstängning. Då kontrollerkortets utgångar endast ger 5V behövs ett adapterkort.
3.3.6.1 Kravspecifikation för adapterkort
Ingångar för sex stycken PWM-signaler på 5V Alla signaler ska transformeras till 12V
Sex stycken utgångar för PWM-signaler med individuella micro-match kontakter
Ska inte förändra signalernas frekvens eller duty cycle Ska klara frekvenser upp till 125kHz
Ska kunna monteras på det befintliga kontrollerkortet
Extern spänningsmatning av 12V till adapterkortet ska finnas
3.3.6.2 Val av kopplingsschema
För att transformera signalerna från 5 - 12V valdes en komparatorkoppling (se Figur 11). Komparatorkopplingen valdes för dess många fördelar. Mängden komponenter som krävs är få och komparatorn är snabb i omslagen vilket krävs för att kunna klara av höga frekvenser. Komparatorn som används är LM339A och den har en responstid på ca 300ns [17].
Figur 11: Komparatorkoppling
3.3.6.3 Designspecifikation för adapterkort
Adapterkortet har ingångar för sex styrsignaler från kontrollerkortet. Stiftlist används för att ta emot två styrsignaler samt 5V spänning och jord.
Micro-match kontakt används för de resterande fyra styrsignalerna. Detta för att signalerna inte var samlade på kontrollerkortet sedan tidigare. Signalerna förstärks sedan i komparatorerna innan de skickas ut på sex stycken
individuella micro-match kontakter.
En extra hylslist monterades och en micro-match kontakt för att kunna använda flera adapterkort samtidigt i framtiden. Nollohms-motstånd lades till i designen för att det ska vara enkelt att göra små justeringar vid behov (se Bilaga 2)
3.3.7 Styrning av elektrostatisk atomiserare
För att styra dispenseringen av elektrostatisk atomiserare måste det
elektrostatiska fältet styras. En styrkoppling kommer behövas som tar emot styrsignaler från kontrollerkortet och transformerar upp det till några hundra volt. Då det är osäkert vad frekvensen bör vara väljs ett krav upp till 200kHz vilket borde vara tillräckligt.
Genomförande
Tanken med styrkopplingen är att PWM-signalerna från kontrollerkortet ska styra en transistor som är kopplad till högspänning på några hundra volt. Exakt hur hög spänning som behövs är oklart men upp till ungefär 600V är önskvärt i framtida testsyfte. Från styrkopplingen ska den transformerade PWM-signalen kopplas in i ett högspänningsaggregat (Uhv) för att styra den elektrostatiska atomiseraren mellan spänningen på Uhv och Uhv+PWM (se Figur 12).
Figur 12: Krets för elektrostatisk nebulisator
Styrkortet kommer inte konstrueras i ett CAD-program då det mest är till för att testa principen att styra högspänning. Testerna kommer således utföras på labbdäck.
3.3.7.1 Krav på styrkrets för elektrostatisk atomiserare
Styra elektrostatiskt fält med PWM-signal upp till minst 200kHz Transformera 5V från kontrollerkortet till några hundra volt
3.3.7.2 Val av kretsschema
Ett problem som man stöter på är höga spänningar och nästan ingen ström. Om det hade varit höga strömmar skulle det gå att använda sig av en
effekttransistor. Teoretiska bakgrunden visar att dessa behöver en hög bas- och kollektorström för att switcha snabbt. För att använda samma exempel som i 2.3.1 Effekttransistorer där kollektorströmmen är 250mA behövs en konstlast. Vid spänningen 250V kommer då effekten över lasten på kollektorn vara
mA V W 250 250 5 , 62
vilket inte är rimligt att använda sig av till styrningen. Styrkoppling PWM 5V < 600V Elektrostatisk atomiserare PWM < 600V Uhv 1kV – 12kV
Ett annat lösningsförslag har varit att använda sig av FET-transistorer då dessa lämpar sig väl för höga frekvenser. För att stänga av utsignalen snabbt behövs en totempålskoppling. Då styrs den övre transistorn att vara på när hög signal önskas och den nedre då låg signal önskas. För att göra det enkelt har en färdig krets använts till detta ändamål, nämligen en MOSFET-drivare (se Figur 13).
Figur 13: Kopplingsschema över drivkrets IR2108 [18]
Valet föll på kretsen IR2108 då den klarar upp till 600V (flytande mellan VS och VB) och ingången för styrningen av transistorn T2 (LIN) är inverterad mot ingången för transistorn T1 (HIN). Styrsignalen skickas in i båda ingångarna vilket innebär att T1 öppnas då insignalen är hög och T2 öppnas då insignalen är låg. Inbyggt i kretsen finns en ”dödtid” på 540ns mellan omslagen på
styrsignalerna (HO, LO) till transistorerna för att undvika kortslutning om båda transistorerna är öppna samtidigt.
VCC går att välja mellan 10-20V för kretsen så 12V är ett bra val då det finns att tillgå från kontrollerkortet.
Avkopplingskondensatorn C1 valdes till 100nF för att få en stabil matningsspänning och C3 valdes till 18,8nF.
Dioden D1 måste klara backspänning upp till 600V. Därför valdes 1N4007 som klarar upp till 1kV. Anledningen till att en diod med högre backspänning än nödvändigt valdes var på grund av tillgänglighet.
Spänningen flyter mellan VS och VB med samma spänning som VCC, alltså 12V. Utgången HO kan ge 200mA (Typ.) så för att uppnå maximala
utströmmen och därmed snabba omslag i transistorn valdes motstånden R1 och R2 till
mA V 200
12
Genomförande
Utgången LO kan ge 350mA (Typ.) men 200mA borde räcka där. Spänningen ut där är samma som VCC.
Transistorerna T1 och T2 valdes med hänsyn till att kretsen ska klara höga frekvenser. En MOSFET (2SK2998) som klarar en drain-source spänning upp till 500V verkade lämplig. Dels för sin höga spänningstålighet och dels för sin låga gate-laddning på 3,8nC. Det medför en omslagstid på
mA nC
ns 3,8 /200 19
vilket anses snabbt.
Bootstrapkondensatorn C2 valdes enligt formeln
Min LS f cc ls qbs g
V
V
V
V
Q
f
I
Q
C
(max)2
2
2
.Formeln kommer från [19] och kan behöva en förklaring. Qg = 3,8nC = Gateladdning för T1
f = 200kHz = Frekvens
Iqbs(max) = 130µA = Max VBS viloström VCC = 12V = Spänning till kretsen
Vf = 1V = Spänningsfall över bootstrapdioden VLS = 1,4V = Spänningsfall över T2
VMin = 0V = Min spänning mellan VB och VS
Qls = Nivåskiftsladdning som krävs per cykel (Typ 5nC för 500-600V MOS-Gate drivkrets)
Beräkningen gav 2,76nF vid frekvensen 200kHz och ju lägre frekvens desto högre kapacitans behövs. Det kan vara önskvärt att göra vissa tester vid låga frekvenser så därför valdes en kondensator på 1µF vilket enligt formeln ger en möjlig frekvens på 25Hz [19].
4 Resultat
Resultatet av arbetet är en färdig demonstrator som kan användas för tester av olika dispenserare. PWM-signaler kan ställas in på sex olika utgångar för att styra flera dispenserare. Signalerna kan anta frekvenser från 1Hz upp till
500kHz och duty cycle mellan 0 - 100% kan antas. Ett adapterkort (se Bilaga 2) gör det även möjligt att styra dispenserare som kräver signaler på 12V istället för 5V. Inställningar för PWM-signalerna görs i ett PC-program som är byggt på C# vilket gör det enkelt för användaren (se Bilaga 1).
De dispenserare som är intressanta att testa vidare med demonstratorn är piezoelektriska membran och elektrostatiska atomiserare. Styrkortet för piezoelektriska membran kunde inte styras med korta pulser (se 3.2.2 Test av piezoelektriska membran). En dialog med tillverkaren av det piezoelektriska membranet har inletts för att lösa problemet.
För att kunna styra elektrostatiska fält har en styrkoppling tagits fram på labbdäck. Styrkopplingen är konstruerad för en PWM-signal. På detta vis kan man göra tester med en elektrostatisk atomiserare. Styrkopplingen klarar av att hantera PWM-signaler upp till 200kHz och transformerar signalen från 5V till 500V. Den kan användas för vidare tester av elektrostatiska atomiserare.
4.1 Test och verifiering
4.1.1 Adapterkort för piezoelektriska membran
Test av hela systemet och mätningar med oscilloskop har gjorts för att verifiera att utsignalerna för piezoelektriska membran från adapterkortet stämmer
överens med inställningarna från PC:n. I Figur 14 kan man se en signal som ställdes in för 125kHz med 50% duty cycle.
Resultat
Figur 14:12V signal 125kHz
I Figur 15 kan man se att flera signaler går att skicka samtidigt och att de ligger i fas med varandra.
Figur 15: 2st 12V signaler 125kHz med olika duty cycle i fas
Figur 16: 12V signal 500kHz
Stigtiden för signalen är ca 140ns (10% - 90%). Detta kan ses i Figur 17. Falltiden som mättes på samma vis är ca 90ns (se Figur 18).
Resultat
Figur 18: 12V signal med ca 90ns falltid
Om man jämför in- och utsignal i adapterkortet kan man se att en fördröjning finns i komparatorn. Fördröjningen är ca 200ns (se Figur 19).
4.1.2 Styrkoppling för elektrostatisk atomiserare
För att verifiera om kretsen fungerade som det var tänkt gjordes några tester. Ett högspänningsaggregat som gav 450V användes och kopplades in i drain på transistorn T1. Då kravet var att kunna styra en PWM-signal på minst 200kHz testades den frekvensen.
I Figur 20 kan man se fördröjningen mellan styrsignalen (övre) och utsignalen (undre) som är ca 900ns. Fördröjningen är ungefär samma både på upp- och nerflank vilket ger en fasförskjutning. En högspänningsprob användes för att mäta utsignalen så 1V på den skalan motsvarar 100V.
Figur 20: 5V Styrsignal och 450V Utsignal 200kHz
4.2 Uppnådda mål och krav
Målen med arbetet var att skapa en demonstrator som skulle kunna användas för att testa de tekniker som i en utredning fastslogs vara intressanta.
Demonstratorn klarar efter arbetet av att styra upp till sex dispenserare med hjälp av PWM-signaler. Teknikerna som kan användas är piezoelektriska membran och elektrostatiska atomiserare. Inställningar för PWM-signalerna kan göras i ett användarinterface på PC:n.
Resultat
Demonstratorn är efter arbetet en bra grund för fortsatt arbete i syfte att förbättra en industriell lackeringsprocess.
4.2.1 Checklista för mål och krav:
Demonstratorn
Möjlighet att styra lackeringsprocessen som tidigare med de nya teknikerna
Uppnått
Möjlighet att styra olika dispenseringstekniker med hjälp av PWM-signaler
Uppnått
Styra upp till sex stycken dispenserare individuellt
Uppnått
Inställningar av PWM-signalerna ska kunna göras med användarinterfacet på PC:n
Uppnått
Ska ha möjlighet att användas med
piezoelektrisk nebulisator och elektrostatiska membran
Uppnått
Programmen i PC:n och kontrollerkortet ska vara kompatibla med varandra
Uppnått
Kontrollerkort
Ska kunna sända ut sex PWM-signaler med lika frekvens och olika duty cycle
Uppnått
PWM-signalerna ska kunna ställas via kommunikation från PC-programmet
Uppnått
Ändringar i kontrollerkortet ska inte påverka kontrollerkortets tidigare funktion. Med undantag för den tidigare tekniken
Uppnått
PWM-signalerna ska kunna ha en frekvens mellan 18Hz - 200kHz
Adapterkort för piezoelektriska membran
Ingångar för sex stycken PWM-signaler på 5V Uppnått Alla signaler ska transformeras till 12V Uppnått Sex stycken utgångar för PWM-signaler med
individuella micro-match kontakter
Uppnått
Ska inte förändra signalernas frekvens eller duty cycle
Uppnått
Ska klara frekvenser upp till 125kHz Uppnått Ska kunna monteras på det befintliga
kontrollerkortet
Uppnått
Extern spänningsmatning av 12V till adapterkortet ska finnas
Uppnått
Styrkrets för elektrostatisk atomiserare Styra elektrostatiskt fält med PWM-signal upp till minst 200kHz
Uppnått
Transformera 5V från kontrollerkortet till några hundra volt
Uppnått
Slutsats och diskussion
5 Slutsats och diskussion
Piezoelektriska membran har i arbetet visat sig ha vissa problem som behöver lösas. Det största problemet är fördröjningen i styrkortet. Problemet ska tas upp med tillverkaren av styrkortet för att hitta en lösning. Ett annat problem är att det ibland skapas en droppe i underkant på membranet som förhindrar
aerosolen att skjutas ut. Vid testet av piezoelektriska membran (se 3.2.2 Test av piezoelektriska membran) som tidigare nämnts var membranets behållare med vätska öppen och troligtvis tvingade atmosfärtrycket vätskan genom
membranet och det kunde då inte skjuta ut aerosolen. Detta skulle kanske kunna lösas med hjälp av att skapa undertryck i behållaren. Det är något som bör undersökas i fortsatt arbete.
För att med hjälp av piezoelektriska membran nå flödeskravet ner till 1nl/s beräknade vi en styrfrekvens på 18,7Hz. Denna frekvens är inte så bra för att styra ett snabbt system med. För att styra systemet vill man gärna ha en
styrfrekvens på ett par kHz för att få en jämnare dispensering. För att öka denna frekvens skulle man antingen kunna öka CPU-frekvensen på kontrollerkortet eller minska kraven på dispenseringen. Skulle man sätta lägsta flöde till 10 eller 100nl beroende på vad som är rimligt i slutprodukten skulle frekvenserna
187Hz eller 1,87kHz kunna användas för styrfrekvensen.
För att skapa ett automatiskt läge i PC:n för dispensering av lack bör man först välja vilken av teknikerna piezoelektriska membran och elektrostatisk
atomiserare som ska användas i slutprodukten. Det behövs många tester och verifieringar för att veta hur det automatiska läget ska vara inställt. Att göra detta för båda teknikerna blir väldigt mycket extraarbete eftersom vi inte vet om flödet har ett linjärt beroende av PWM-signalen.
Adapterkortet för piezoelektriska membran fungerar bra. Stigtider och falltider är inom ramarna för att kortet ska kunna användas upp till 150kHz utan
problem. Fördröjningen i komparatorerna (se Figur 19) är ca 200ns och kommer inte att påverka dispenseringen eftersom den är lika på upp- och nerflank så vi får samma duty cycle.
Styrkopplingen för elektrostatisk atomiserare uppfyller kraven som ställdes men transistorerna blir väldigt varma vid 450V och 200kHz. För tester vid 200kHz och uppåt behövs därför bra kylning.
I framtida arbete bör man tillverka ett kretskort för styrkopplingen till
elektrostatisk atomiserare istället för att använda labbdäck. Det skulle förenkla vidare tester och eventuellt minska vissa störningar som uppkom på labbdäcket.
Under arbetets gång har vi lärt oss mycket nytt. Processorarkitekturen från Atmel är något som var helt nytt i början av arbetet. Att använda de inbyggda timerfunktionerna i processorn har gått bra och man märker fort hur mycket man tjänar på att använda funktionerna istället för att använda sig av mjukvara för att skapa PWM-signaler.
Examensarbetet har i övrigt varit framgångsrikt. Kraven på arbetet anses uppnådda och uppdragsgivaren är nöjd med vår arbetsinsats. Uppdragsgivaren kommer själv fortsätta utvärderingen av de båda teknikerna.
Referenser
6 Referenser
[1] Crowley, Joseph M. (1999) Fundamentals of applied electrostatics.
Laplacian press, Morgan Hill, ISBN 1-885540-11-6
[2] Jerry S. Faughn, Raymond A. Serway (2006) Serway’s college physics: seventh edition.
Thomson Brooks/Cole, Belmont, ISBN 0-534-49318-1 [3] AFS 1986:29, Sprutmålning
[4] Powder coating online
http://www.powdercoatingonline.com/html/powdercorner.html (Acc. 2010-03-26)
[5] Nationalencyklopedin
http://www.ne.se.bibl.proxy.hj.se/lang/aerosol (Acc. 2010-03-01) [6] PARI Pharma http://www.paripharma.com (Acc. 2010-03-03) [7] Louis E. Owen, (1968) Investigation of techniques for the
introduction of liquid samples into a plasma arc for alloy analysis. Technical report AFML-TR-67-400
[8] Sonaer Ultrasonic http://www.sonozap.com/nebulizer.htm (Acc. 2010-03-05)
[9] http://www.spray.com (ACC. 2010-05-27) [10] Instruction manual STAG 2000
http://www.bgiusa.com/agc/stag_manual.pdf (Acc. 2010-03-03) [11] Hickey, Anthony J. (2004) Pharmaceutical inhalation aerosol
technology.
Marcel Dekker, New York, ISBN 0-8247-4253-2.
[12] Hinds, William C. (1999) Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles – 2nd ed. John Wiley & sons, New York, ISBN 0-471-19410-7
[13] Ian G. Harpur, Adrian G. Bailey and Adel H. Hashish (1996). A design method for the electrostatic atomization of liquid aerosols. J. Aerosol Sci. Vol. 27, No 7, pp. 987-996.
[14] STMicroelectronics (2007), STX616
[16] Atmel (2010), ATmega640/1280/1281/2560/2561, 2549L–AVR– 08/07
[17] Texas Instruments (2010), Quad differential comparators, SLCS006P
[18] International rectifier (2004-09-08), IR2108(4) (S) & (PbF) [19] International rectifier (2007-03-23), Application Note AN-978
Sökord
7 Sökord
A aerodynamiska diametern ... 10 ATmega1281 ...21, 26 C Coulomb ... 8 E elektriska fält... 8 Elektrostatisk atomisering ...17, 18 elektrostatlackering... 1, 2, 5, 6, 7, 8 I IR2108 ...32, 44 L LM339A ... 29 M MOSFET ... 32 P piezoelektrisk nebulisator ...17, 18, 19, 39, 41 Pneumatiska nebulisatorer ... 11 pulverlackering... 9, 15 PWM-modes ... 26 R Roterande skiva ... 11, 12, 16, 17 S sprutmålning ... 9, 15 stegmotor ... 20 T timer ... 21 U ultrasonisk nebulisator ... 10, 11, 16, 178 Bilagor
Bilaga 1 Interface i PC-programvaran.
Bilagor
