Realizacja w układzie FPGA algorytmu pomiaru prędko kompensowanym enkoderze inkrementalnym



Podobne dokumenty
Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium MASZYN I URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH. Nr 2

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Enkoder magnetyczny AS5040.

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

PRACA PRZEJŚCIOWA SYMULACYJNA. Zadania projektowe

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

METODA POMIARU DOKŁADNOŚCI KINEMATYCZNEJ PRZEKŁADNI ŚLIMAKOWYCH

86403,86413, Prędkość obrotowa do 3000 min -1 (chwilowa)

Badanie właściwości wysokorozdzielczych przetworników analogowo-cyfrowych w systemie programowalnym FPGA. Autor: Daniel Słowik

oznaczenie sprawy: CRZP/231/009/D/17, ZP/66/WETI/17 Załącznik nr 6 I-III do SIWZ Szczegółowy opis przedmiotu zamówienia dla części I-III

Problematyka budowy skanera 3D doświadczenia własne

Sterowniki Programowalne Sem. V, AiR

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 20/10. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL WUP 05/15. rzecz. pat.

Laboratorium Maszyny CNC. Nr 3

Problem testowania/wzorcowania instrumentów geodezyjnych

Komputerowe systemy pomiarowe. Dr Zbigniew Kozioł - wykład Mgr Mariusz Woźny - laboratorium

Programowanie mikrokontrolerów AVR z rodziny ATmega.

PRZETWORNIKI C / A PODSTAWOWE PARAMETRY

Toromierz Laserowy LASERTOR XTL 2

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 12/13

Laboratorium Maszyny CNC

Doświadczenia z tworzenia systemu pomiarowo-sterującego z procesorami rodziny C2000. Leszek Dębowski Instytut Elektrotechniki Oddział w Gdańsku

Programowanie Układów Logicznych kod kursu: ETD6203. Szczegóły realizacji projektu indywidualnego W dr inż.

Karta charakterystyki online ACS36-L1K0-K01 ACS/ACM36 ENKODER ABSOLUTNY

Politechnika Częstochowska, Katedra Inżynierii Komputerowej (1,2) KIMLA, Producent Obrabiarek Numerycznych (3)

Specjalność: Komputerowe systemy sterowania i diagnostyki

Ćwiczenie 3,4. Analiza widmowa sygnałów czasowych: sinus, trójkąt, prostokąt, szum biały i szum różowy

Wpływ nieliniowości elementów układu pomiarowego na błąd pomiaru impedancji

Projektowanie systemów pomiarowych

Komputerowe systemy pomiarowe. Podstawowe elementy sprzętowe elektronicznych układów pomiarowych

1. Cel ćwiczenia. 2. Podłączenia urządzeń zewnętrznych w sterowniku VersaMax Micro

Oprogramowanie FormControl

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Struktury specjalizowane wykorzystywane w mikrokontrolerach

Zarządzanie pamięcią w systemie operacyjnym

CSMIO-ENC. Moduł do gwintowania. Rev 1.1. copyright 2012 CS-Lab s.c.

PR kwietnia 2012 Mechanika Strona 1 z 5. XTS (extended Transport System) Rozszerzony System Transportowy: nowatorska technologia napędów

Sterowanie układem zawieszenia magnetycznego

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

ARCHI 9000 CYFROWY SYSTEM REJESTRACJI

Szkoła programisty PLC : sterowniki przemysłowe / Gilewski Tomasz. Gliwice, cop Spis treści

Research & Development Ultrasonic Technology / Fingerprint recognition

Przetworniki pomiarowe liniowego przesunięcia Enkoder linkowy B80

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Serwomechanizmy sterowanie

Przetworniki pomiarowe liniowego przesunięcia Enkoder linkowy D135

Zastosowanie procesorów AVR firmy ATMEL w cyfrowych pomiarach częstotliwości

Ćw. 8: POMIARY Z WYKORZYSTANIE OSCYLOSKOPU Ocena: Podpis prowadzącego: Uwagi:

DIAGNOSTYKA SILNIKA BLDC I UKŁADU STEROWANIA

Przetworniki AC i CA

Wzmacniacze operacyjne

Moduł MUU020. Przeznaczenie. Oprogramowanie i użyteczne właściwości modułu

Wzmacniacz jako generator. Warunki generacji

SILNIK KROKOWY. w ploterach i małych obrabiarkach CNC.

Metody numeryczne Technika obliczeniowa i symulacyjna Sem. 2, EiT, 2014/2015

Regulacja dwupołożeniowa (dwustawna)

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

Wykład I. Podstawowe pojęcia. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Architektura komputerów

Dodatek B. Zasady komunikacji z otoczeniem w typowych systemach komputerowych

WZMACNIACZ OPERACYJNY

LINIAŁ POMIAROWY DO OBRABIAREK CNC Optoelektroniczny inkrementalny z kompensacją termicznego wydłużenia

Stanowisko pomiarowe do badania stanów przejściowych silnika krokowego

6.4 WZMACNIACZE ASTOR GE INTELLIGENT PLATFORMS - SERWONAPĘDY VERSAMOTION

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: PL B1

mgr inż. Stefana Korolczuka

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Podstawy Automatyki. Wykład 8 - Wprowadzenie do automatyki procesów dyskretnych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Specjalność: Komputerowe systemy sterowania i diagnostyki. Strona 1 z 5

PL B1. Sposób pomiaru składowych impedancji czujnika indukcyjnego i układ pomiarowy składowych impedancji czujnika indukcyjnego

Podstawy Elektroniki dla Informatyki. Pętla fazowa

Tematy prac dyplomowych w Katedrze Awioniki i Sterowania. Studia: I stopnia (inżynierskie)

Proste układy wykonawcze

1. Podstawowe wiadomości Możliwości sprzętowe Połączenia elektryczne Elementy funkcjonalne programów...

ECTS - program studiów kierunku Automatyka i robotyka, Studia I stopnia, rok akademicki 2015/2016

Karta charakterystyki online MVM-04M-2MC-MKLB TTK70 ENKODERY LINIOWE

P O L I T E C H N I K A Ł Ó D Z K A INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD ELEKTROWNI LABORATORIUM POMIARÓW I AUTOMATYKI W ELEKTROWNIACH

LABORATORIUM PKM. Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Badanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia dla wybranych skojarzeń ciernych

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 06/ WUP 06/17

Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki. Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI

Obrabiarki CNC. Nr 10

KATEDRA ELEKTRONIKI AGH WYDZIAŁ EAIIE. Dydaktyczny model 4-bitowego przetwornika C/A z siecią rezystorów o wartościach wagowych

Zintegrowany system wizualizacji parametrów nawigacyjnych w PNDS

POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania MECHATRONIKA. Profile dyplomowania Konstrukcje Mechatroniczne

STOCHOWSKA WYDZIAŁ IN

MMB Drives 40 Elektrownie wiatrowe

LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁU PRZETWORNIKA OBROTOWO-IMPULSOWEGO

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Programowanie i uruchamianie serwo-kontrolera w napędowym układzie wykonawczym z silnikiem skokowym. Przebieg ćwiczenia

ALGORYTMY OBLICZENIOWE - wykorzystanie danych pomiarowych z liczników bilansujących na stacjach SN/nn

Rozproszony system zbierania danych.

Instrukcja do ćwiczenia 6 REGULACJA TRÓJPOŁOŻENIOWA

Podstawy Automatyki. Wykład 8 - Wprowadzenie do automatyki procesów dyskretnych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Ćwiczenie EA9 Czujniki położenia

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

Transkrypt:

Realizacja w układzie FPGA algorytmu pomiaru prędko dkości, bazującego na kompensowanym enkoderze inkrementalnym realizowany w ramach projektu badawczego rozwojowego Metody inteligentnego przetwarzania danych oraz obliczenia równolegr wnoległe e w systemach sterowania przemysłowych obrabiarek numerycznych Andrzej Przybył Politechnika Częstochowska Katedra Inżynierii Komputerowej Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007-2010 jako projekt badawczy rozwojowy 1

Zawartość pracy Przedstawiono metodę kompensacji standardowego enkodera inkrementalnego, stosowaną w celu zmniejszenie opóźnienia w torze pomiaru prędko dkości przy niskich obrotach tarczy. Redukcję opóźnienia uzyskano dzięki wykorzystaniu w pomiarze prędko dkości wszystkich zboczy impulsów w cyklu kwadraturowego. Zapewnienie przy tym wysokiej dokładno adności pomiaru wynika z kompensacji fazy impulsów w w funkcji położenia kątowego k tarczy enkodera. Algorytm jest możliwy do realizacji w systemie z układem programowalnym typu FPGA 2

Pomiar prędko dkości na podstawie impulsów w z enkodera inkrementalnego Cykl kwadraturowy impulsów w A i B enkodera inkrementalnego W obszarze interesującym niskich prędko dkości obrotowych pomiar na podstawie czasu trwania cyklu Nierównomierne rozłożenie faz a,b,c,d ogranicza rozdzielczość pomiaru prędko dkości do pełnego cyklu (np. A0 dowolne zbocze fazy A przy zerowej wartości sygnału B ) 3

Konieczność rezygnacji z wykorzystania wszystkich zboczy w pomiarze prędko dkości Dane katalogowe jednego z producentów w wskazują, że przesunięcia fazy wynoszą a,b,c,d = T/4 ± T/8 a wypełnienia impulsów a+b, c+d = T/2 ± T/8 Sygnały y te nie mogą służyć jako precyzyjne wzorce położenia kątowego k i być wykorzystane jako punkty odniesienia w algorytmie pomiaru prędko dkości Mała a precyzja gwarantuje jedynie poprawną pracę enkodera w sensie prawidłowego wykrycia kolejności zboczy. 4

Zarejestrowane w rzeczywistym systemie impulsy A i B oraz prędko dkość obrotowa: wm_enc_all - wyznaczona na podstawie wszystkich zboczy oraz wm_enc_a+ - na podstawie sygnału u A0 Zauważalne są powtarzalne w ramach cyklu odchyłki od wartości średniej Dla wm_enc_a+ opóźnienie w torze pomiaru jest czterokrotnie większe 5

Problem pomiaru niskiej prędko dkości obrotowej Ograniczona rozdzielczość enkodera powoduje powstawanie dużych opóźnie nień w torze pomiaru Możliwe rozwiązania: zania: Zastosowanie enkodera o wyższej rozdzielczości ci Nie zawsze możliwe ze względu na wysoki koszt lub przekroczenie częstotliwo stotliwości dopuszczalnej interfejsu Zastosowanie enkodera sinusoidalnego Wymagany złożony z ony proces przetwarzania sygnałów w analogowych Wysoki koszt Stosowanie estymatorów/obserwator w/obserwatorów w lub filtrów prędko dkości obrotowej Konieczność znajomości dokładnego modelu matematycznego Wpływ sygnałów w zakłócaj cających cych przy niskich prędko dkościach może uniemożliwi liwić praktyczną realizację pomiaru 6

Proponowane rozwiązanie zanie kompensacja nierównomierno wnomierności faz a,b,c,d, w celu dokładnego i szybkiego pomiaru prędko dkości Istotne jest, że e zaobserwowane odchyłki wartości a,b,c,d od T/4 sąs powtarzalne dla kolejnych obrotów w tarczy, i w związku zku z tym można je skompensować 7

Uwagi dodatkowe Oprócz wskazanych uchybów w pomiaru, związanych zanych z niedokładnym rozmieszczeniem pasków w indeksujących (w ramach cyklu i w ramach obrotu tarczy) na tarczy enkodera występuj pują dodatkowe uchyby pomiaru prędko dkości. Są one związane zane z niecentrycznym montażem enkodera względem wału u silnika, co powoduje powstanie cyklicznych uchybów w pomiaru. Ten błąb łąd d systematyczny równier wnież może e zostać skompensowany za pomocą proponowanej metody. Jednak w tym przypadku konieczne jest podjęcie pewnych dodatkowych i kłopotliwych, k działań w celu uzyskania wartości referencyjnych. Z tego względu to zagadnienie nie zostanie dokładnie opisane w niniejszej pracy. 8

Algorytm kompensacji Zaprojektowany algorytm umożliwia wyznaczanie prawidłowej, tj. możliwie najbardziej zbliżonej do rzeczywistej prędko dkości obrotowej, na podstawie wszystkich zboczy impulsów w enkodera Dzięki temu można uzyskać czterokrotne skrócenie opóźnienia w torze pomiaru prędko dkości. Powoduje to znaczną poprawę jakości działania ania procesu regulacji nadąż ążnej serwonapędu w obszarze niskich prędko dkości. Poprawa jest analogiczna do wpływu zastosowania enkodera o czterokrotnie większej rozdzielczości ci 9

Sposób b uzyskania wartości referencyjnych Proces ten musi być dokonany dla każdego egzemplarza enkodera 1. Rozpędzamy napęd, wyposażony ony w enkoder przeznaczony do kompensacji, do stałej prędko dkości obrotowej. 2. Rejestrujemy w serwonapędzie prędko dkość zmierzoną za pomocą obu metod: ALL i A0.. Pomiar prędko dkości dokonywany jest dla wszystkich kolejnych cykli kwadraturowych w ramach pełnego obrotu tarczy. 3. Dokonujemy automatycznej analiza danych: Prędko dkość A0 jako dokładniejsza, uznawana jest jako referencyjna i na tej podstawie wyznaczana jest prędko dkość referencyjna Kompensowane sąs odchyłki wielkości a,b,c,d od wartości idealnej wynoszącej jedną czwartą cyklu kwadraturowego Przyjęli liśmy założenie upraszczające, ce, że e rozmieszczenie punktu sygnału A0 jest wartości cią referencyjną i opisuje precyzyjnie położenie kątowe k tarczy (nie kompensujemy rozmieszczenia pełnych cykli na tarczy) Wynikiem działania ania analizy jest tablica współczynnik czynników w korekcyjnych o długości równej r liczbie efektywnej rozdzielczości ci enkodera (liczba cykli x4). 10

Napotkane problemy Występuj pujące fluktuacje prędko dkości będące wynikiem zmiennych oporów mechanicznych, niedoskonałej ej konstrukcji silnika, uchybów w metody pomiaru położenia wykorzystywanej w algorytmie sterowania wektorowego oraz niedostatecznie skompensowanej pulsacji napięcia zasilającego Powodują one problemy z wyznaczeniem poprawnych wartości korekcyjnych Rys. Fluktuacje prędko dkości zarejestrowane dla stałej wartości napięcia w osi poprzecznej silnika. Podziałka osi x wynosi 50 ms 11

Rozwiązanie zanie napotkanego problemu Zwiększenie częstotliwo stotliwości zegara taktującego licznik pomiarowy z 20MHz do 80MHz redukcja fluktuacji szybkozmiennych Zamontowanie dużej masy bezwładno adności na wał silnika, na czas pomiaru 12

Przebieg prędko dkości referencyjnej Dodatkowo zastosowano filtr dolnoprzepustowy typu FIR o rozpięto tości trójk jkątnego okna czasowego wynoszącej dziesięć próbek 13

Wynik pomiaru prędko dkości zaproponowaną metodą bazująca na skompensowanym enkoderze W W punkcie czasowym równym 40 ms załą łączono kompensację enkodera i na tej podstawie dokonano pomiaru wykorzystując metoda ALL Przedstawiona metoda wyznaczania współczynnik czynników w korekcji nadaje się do korekcji fazy sygnałów w A i B w zakresie poszczególnych cykli kwadraturowych. Nie jest natomiast wystarczająco co dokładna do kompensacji rozmieszczenia tych cykli na tarczy enkodera 14

1 2 4 N Problemy realizacji praktycznej w FPGA Określenie sposobu kodowania współczynnik czynników w korekcyjnych: zastosowano liczby rzeczywiste stałoprzecinkowe U2 w formacie 1.15 (lub 1.8) r a,b,c,d współczynniki sąs korektą wartości teoretycznej wynoszącej (N liczba cykli enkodera) 1 2 4 N t Wielkość t oznacza odległość w czasie pomiędzy dowolnymi najbliższymi, kolejnymi zboczami w cyklu kwadraturowym sygnałów w A i B. r r 15

Wybrane bloki zaproponowanego algorytmu kompensacji tarczy enkodera 16

Wnioski z realizacji praktycznej Docelowy układ serwonapędowy budowany jest na bazie układu FPGA z rodziny Spartan 3A-DSP 3400 zawierający ok. 53 tyś ekwiwalentnych cel logicznych, 126 jednostek DSP oraz 2268 kbitów pamięci BlockRAM. Pamięć BlockRAM zostanie użyta u między innymi w celu przechowywania współczynnik czynników w kompensacji enkodera. Do implementacji tablicy kompensacji enkodera wykorzystano maksymalnie kilkanaście procent dostępnych bloków w pamięci. Możliwa i uzasadniona jest możliwo liwość redukcji szerokości słowa stałoprzecinkowego współczynnik czynników w korekcyjnych do 8 bitów. 17

Wnioski z realizacji praktycznej ciąg g dalszy Przedstawione badania sąs fragmentem szerszych badań dotyczących cych budowy serwonapędu w oparciu o układ FPGA W tym samym układzie FPGA zawarto zostały y pozostałe bloki sterownika serwonapędu: procesor typu SoftCore z pamięci cią programu i danych, sprzętowe bloki do wspomagania obliczeńoraz oraz sprzętowa obsługa komunikacji czasu rzeczywistego przez siec Fast Ethernet. 18

Podsumowanie Zaproponowana modyfikacja metody pomiaru prędko dkości zbudowana w oparciu o układ FPGA pozwala na czterokrotne zmniejszenie opóźnienia z torze pomiaru. Wpływ z zastosowania tej metody jest analogiczny do zastosowania enkodera o czterokrotnie większej rozdzielczości. ci. Wykorzystanie układu FPGA jest dobrym rozwiązaniem zaniem szczególnie ze względu na wykorzystanie tego samego układu FPGA do realizacji innych zadań w rozproszonym systemie napędowym opartym o sieć Ethernet Czasu Rzeczywistego. 19