Inteligentne urządzenia AGD

Poniedziałek, 29 października 2007 | Technika

Wraz ze wzrostem stopnia scalenia układów elektronicznych i malejącymi cenami podzespołów wzrasta sens stosowania elektroniki w sprzęcie AGD. Konsumenci domagają się nowocześnie wyglądających urządzeń, o znakomitych właściwościach, za które są gotowi nieco więcej zapłacić. Przewiduje się, że całkowity dochód z uzupełnienia „białego sprzętu” AGD półprzewodnikami wzrośnie z 505 milionów USD w roku 2003 do 920 milionów USD w 2008. Zaledwie cztery, czy pięć, lat temu wartość elektroniki w AGD nie dochodziła do 25% czy 30%, a obecnie przekracza 50% i dalej wzrasta. W przyszłości może dojść nawet do 80%.

Biorąc pod uwagę surowe wymagania, nakładane na producentów układów scalonych, wytwórcy sprzętu AGD są paradoksalnie pod nieustanną presją obniżania cen. Od projektantów wymaga się urządzeń bardziej inteligentnych, łatwiejszych w użyciu i bardziej niezawodnych. Ale muszą oni działać w granicach cenowych oczekiwań odbiorców, którzy domagają się coraz lepszych urządzeń po coraz niższych cenach. Wymaganiom tym nie można sprostać wyłącznie drogą ulepszania sprzętu. W projektowaniu znaczny udział musi mieć także oprogramowanie.

Współczesne pralki kosztują znacznie mniej niż te z przed kilku lat, które niemal zupełnie pozbawione były inteligencji. Koszt jest bardzo istotnym czynnikiem podczas podejmowani decyzji kupna, ale o wyborze kupowanego urządzenia decydują jego właściwości.

Projektanci starają się sprostać wyzwaniom maksymalizując w maszynach udział elektroniki. Czujniki, procesory DSP, mikrokontrolery, zasilacze, siłowniki i pamięć Flash zajmują sporo miejsca w projektach. Pozwalają także producentom oferować szeroką ofertę, w której poszczególne urządzenia różnią się dodatkową funkcjonalnością i cenami.

Ekologia napędza technikę

Rys. 1. Scalona platforma projektowania iMotion firmy International Rectifier składa się z kontrolera i sterownika PWM wraz z IGBT i tranzystorami MOSFET.

Ustawodawstwo promujące wyroby o dużej sprawności energetycznej ma wielki wpływ na zastosowanie elektroniki w sprzęcie AGD. Podobny wpływ mają zabiegi dotyczące oszczędności wody, zaburzeń elektromagnetycznych, dyrektywa o ograniczeniu stosowania substancjach szkodliwych (RoHS) i ograniczanie hałaśliwości działania. Obecnie w gospodarstwach domowych są zwykle zatrudnione dwie dorosłe osoby (mąż i żona), wykonujące swoje prace domowe (pranie i zmywanie) wieczorem po pracy, co wymaga działania cichego. Z tej przyczyny wywodzi się trend do stosowania bezszczotkowych silników prądu stałego.

Sprawność energetyczna i oszczędność wody stały się podstawowymi wymaganiami dla AGD w Europie. Typowa współczesna lodówka z automatycznym rozmrażaniem i zamrażarką zużywa mniej niż 500kWh rocznie, podczas gdy zwyczajna lodówka zużywała w roku 1973 1800kWh. Znaczenia nabiera nawet korekcja współczynnika mocy w urządzeniach napędzanych silnikami, ponieważ przyczynia się do oszczędności energii elektrycznej. Korekcja ta jest obowiązkowa w Europie, Japonii, Chinach i częściowo w Indiach, a wkrótce ma być wprowadzona także w USA. Do takich zadań w firmie International Rectifier opracowano do tego celu cyfrowy kontroler iMotion. Scalony układ IRMCF3xx składa się ze sterownika i układu napędowego PWM ze scalonymi tranzystorami o izolowanej bramce (IGBT) i MOSFET-ami (rys. 1). Ten kosztujący niecałe 10 dolarów układ realizuje sterowanie silnikiem AC.

Wielkie możliwości oszczędzania energii i wody nadal drzemią w pralkach elektrycznych. Według producentów nowe pralki zużywają o 14% mniej energii elektrycznej i aż 87% mniej wody niż przed 10 laty. Przekłada się to na 31-procentowy spadek kosztów prania. W najnowszych konstrukcjach pralek do napędu używa się silników z magnesami trwałymi bez pośrednictwa przekładni, czy pasków klinowych.

Rys. 2. W nowoczesnych pralkach stosuje się układy elektroniczne do podwyższenia ich sprawności energetycznej, zwiększenia możliwości i obniżenia hałaśliwości. W przykładowej maszynie użyto czujników pola elektrycznego firmy Freescale Semiconductors.

Również w zmywarkach elektrycznych zużycie energii i wody jest pod kontrolą. Firma Freescale Semiconductor pokazuje, jak głęboko elektronika przenika w rozwiązania zmywarek wraz z całkowicie elektroniczną platformą (rys. 2). Platforma ta obejmuje czujniki pola elektrycznego, wprowadzone niedawno w celu poprawienia odczytu poziomu wody i detekcji hałasu. Dotykowy, bezstykowy, czujnik pola elektrycznego MC34940, wykrywa zmiany natężenia pola elektrycznego, związane ze zmianami pojemności obiektu i jego masy. Czujnik ten może być stosowany w lodówkach do wykrywania kostek lodu, a także w cyklu szronienia i rozmrażania, w wyświetlaczach interaktywnych oraz w panelach sterowania opiekaczem. Stosować go można także do detekcji dłoni w wyciągach kuchennych, detekcji kipienia oraz do detekcji poziomu wody i ładunku w pralkach.

Nowoczesne silniki

Najbardziej widoczny postęp w oszczędzaniu energii jest związany z silnikami elektrycznymi i układami do ich sterowania. Wiele z nich to trójfazowe silniki indukcyjne. Najnowszymi konstrukcjami są bezszczotkowe silniki prądu stałego i synchroniczne z magnesami trwałymi, które są o 30% mniejsze, a o 10% do 15% sprawniejsze od indukcyjnych. Stosowanie silników bezszczotkowych i z magnesami trwałymi przyczynia się do wypierania tradycyjnych sterowników wysokonapięciowych i IGBT.

Rys. 3. Oparty na DSP kontroler C2000 firmy Texas Instruments

W miarę powstawania coraz bardziej skomplikowanych urządzeń stosuje się w nich coraz więcej mikrokontrolerów. Oprócz sterowania silnikiem używane są one w interfejsie użytkownika na płycie czołowej urządzenia, a także do ogólnej kontroli maszyny. Zastępują one używane w starszych konstrukcjach podzespoły dyskretne. W sterowaniu skalarnym, podstawowej technice używanej do napędzania silników, doprowadzenie do silnika napięcia powoduje uzyskanie odpowiedniej szybkości i kierunku obrotów. Do obliczeń tych wykorzystuje się właśnie mikrokontrolery lub DSP. W opartym na DSP kontrolerze TMS320C2000 firmy Texas Instruments stosowane jest sterowanie zorientowane polowo (FOC). Jest ono bardzo skomplikowane obliczeniowo, co znacznie przekracza możliwości mikroprocesorów, ale może być realizowane przy pomocy układów DSP. Układ ten zawiera 16-kanałowy przetwornik analogowo-cyfrowy o 12-bitowej rozdzielczości, podwójny układ sample-and-hold, z dwoma standardowymi timerami, czujnikiem pozycji i szybkości silnika, układem watchdog, 13 wspólnymi cyfrowymi liniami wejścia/wyjścia i pamięcią Flash do przechowywania profili ruchu silnika i innych informacji (rys. 3). Układ ten jest stosowany przez włoskiego wytwórcę pralek Ariston, firmę Indesit. Firma ta wybrała DSP firmy TI, po rozważeniu i sprawdzeniu innych technik, ze względu na parametry jego procesora i elastyczność jego układów peryferyjnych. W niektórych aplikacjach układy DSP nie są konieczne, a są zbyt drogie. Firma STMicroelectronics oferuje tańszy mikrokontroler klasy 8051, 8-bitowy μPSD325x, zawierający 16-makrokomórkowy programowalny układ logiczny (PLD). Jest to układ zoptymalizowany do współpracy z silnikami bezszczotkowymi, który może także być używany do trójfazowych silników indukcyjnych. W mikrokomórkach dokonywane są obliczenia dla funkcji czasowych i związanych z czujnikami.

Interfejs użytkownika

W sprzęcie AGD o zadowoleniu klienta w dużej mierze decyduje interfejs człowieka z maszyną. Niezależnie od stopnia skomplikowania działania urządzenia interfejs ten musi być bardzo skuteczny i to on decyduje o rynkowym sukcesie maszyny. Dobrze zaprojektowany graficzny interfejs użytkownika (GUI) powinien stylowo wyglądać i łatwo funkcjonować. Projektanci są zawsze chętni do przedstawiania urządzeń działających lepiej i mających większą liczbę funkcji, ale często mają ograniczone pojęcie o interfejsie użytkownika. Dużym wyzwaniem dla nich jest usprawnianie działania przy jednoczesnym ułatwianiu obsługi. Równocześnie istotne jest, aby sterowanie było tak niezawodne jak samo urządzenie. Projektanci sprzętu i oprogramowania przy tworzeniu GUI, posługując się zwykle intuicją, zbyt często widzą użytkownika jako osobę im podobną, o skomplikowanej wiedzy technicznej, dlatego często poruszanie się wśród licznych opcji aparatu staje się trudne. (KKP)