Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools #2 Hardware der Regelungsplattform aufbauen.

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Hallo zusammen!

Mein Name ist Ruo Yi. In dem letzten Beitrag habe ich den Hintergrund und die Zielsetzung meiner Masterarbeit „Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offen Softwaretools“ vorgestellt. In diesem Beitrag gehen wir auf die Hardware der Reglerentwicklungsplattform ein.

Es sei hier angemerkt, dass die im Folgenden beschriebenen Anleitung zum Aufbauen der Hardware von der kostengünstigen Regelungsplattform teilweise auf die Vorarbeit von Maxwell (https://www.openadaptronik.de/author/congiu/) zurückgehen. Außerdem kann ich hier aufgrund des begrenzten Platzes nur eine zusammengefasste Beschreibung der Hardware anbieten. 

Bevor man einen Prototyp aufbaut, denkt man zuerst an die Anforderungen für eine Entwicklungsplattform. Für eine praktische Reglerentwicklung zur Schwingungsdämpfung soll die Hardware zumindest die folgenden Komponenten besitzen:

  • Einplatinencomputer: der ist der Kernkomponente der Plattform. Der macht Abtastung für die Eingangssignale (Analog-Digital-Wandlung) , führt Regelalgorithmen aus, gibt Stellgröße aus  und speichert die Messdaten;
  • Beschleunigungssensoren: für die Anwendung der aktiven Schwingungsdämpfung werden zwei Beschleunigungssensoren als Eingangsquelle ausgewählt;
  • zwei Ausgänge: da diese Regelungsplattform in meiner Arbeit für aktive Schwingungsdämpfung eingesetzt und damit validiert wird, benötigt man einen Ausgang für Ausgabe der Anregungsgröße bzw. Störung an der schwingenden Struktur und einen anderen für Ausgabe der  Stellgröße bzw. Kraft zur Schwingungsberuhigung;
  • zwei Eingänge: ähnlich wie bei den Ausgängen benötigt man einen Eingang für Erfassung der Anregungsgröße und den anderen für Erfassung der Schwingung des zu regelnden Objekts;
  • Einstellbare Anti-Aliasingfilter zur Dämpfung der störenden Frequenzanteile in Eingangssignalen;
  • I/O-Schnittstellen für Sensoren, Aktoren, Schalter und deren Versorgungsspannung.

Einplatinencomputer

Für meine Anwendung wird das BeagleBone Black als der Einplatinencomputer ausgewählt (Siehe Bild unten). Die Merkmale von BeagleBone Black ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Für weitere Informationen sei auf das Homepage von BeagleBone (https://beagleboard.org/bone) und die Beiträge von Maxwell (https://www.openadaptronik.de/2017/04/07/schwingungsanalyseplattform-04-inbetriebnahme-des-beaglebone-black/)(https://www.openadaptronik.de/2017/02/14/schwingungsanalyseplattform-03-auswahl-eines-entwicklungsboards/) verwisen.

Bildergebnis für beaglebone

Bildquelle:https://beagleboard.org/bone

Table-Beaglebone

Quelle: COLEY , G.: BeagleBone Black System Reference Manuel. Revision B. BeagleBoard. 2013

Beschleunigungssensor

Zur Erfassung der Schwingungen wird der kostengünstige Beschleunigungssensor LIS344ALH ausgewählt. Die Merkmale des Sensors ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

WeChat Image_20180522212825

SensorMerkmale

Quelle: STMICROELECTRONICS : LIS344ALH Datasheet. Rev. 3. 2008

Ausgänge

Bei der Auslegung der Ausgänge soll die Eigenschaften des Mikrocomputers BeagleBone Black und die Anwendung des Ausgangssignals berücksichtigt werden. Um die Umsetzung einer Regelung zu vereinfachen, soll das Ausgangssignal analog sein.  Außerdem soll die Ausgangsspannung am besten innerhalb -1,5V bis 1,5V begrenzt werden, da diese dem Eingangsspannungsbereich von meisten Audioverstärkern entsprecht. Aber der Mikrocomputer BeagleBone Black kann nur PWM (Pulsweitenmodulation)-Signale ausgeben. In diesem Fall müssen die Ausgangssignale des BeagleBone Black in die erwünschten analogen Signale umgewandelt werden. Dazu benötigt man zuerst einen Rekonstruktionsfilter, um das PWM-Signal in ein analoges Signal umzuwandeln. Für meine Anwendung wird ein RC-Tiefpassfilter 2.Ordnung als der Rekonstruktionsfilter aufgebaut. Die Schaltung des RC-Tiefpassfilters ist in der folgenden Bild dargestellt. Für die PWM-Frequenz von 100kHz in BeagleBone Black ist die Grenzfrequenz dieses Rekonstruktionsfilters 1500Hz.

Rekonstruktionosfilter

Nachdem das PWM-Signal in analoges Signal durch den Rekonstruktionsfilter umgewandelt wird, soll die Spannungspegel auf den erwünschten Spannungsbereichen von -1,5V bis 1,5V angepasst werden. Der Ausgangsspannungsbereich des PWM-Signals von BeagleBone Black ist 0V bis 3,3V. Deswegen benötigt man eine Schaltung zur Pegelanpassung. Das folgende Bild zeigt die Schaltung zur Pegelanpassung. Damit wird die Ausgangsspannung des Regelungsplattform von 0V bis 3,3V auf den Bereich -1,5V bis 1,5V angepasst. Der hier eingesetzte Operationsverstärker ist ADA4096.

AktorPegelAnpassung

Eingänge

Ähnlich wie bei den Ausgängen sollen die Eigenschaften des Mikrocomputers BeagleBone Black und der Eingangsignalquelle bei der Auslegung der Eingänge berücksichtigt werden.  Für die Anwendung der Schwingungsdämpfung kommt der Eingangssignal aus der Beschleunigungssensor.  Der Ausgangsspannung des Sensors LIS344ALH ist 0V bis 3,3V. Im Vergleich dazu ist der zulässige analoge Eingangsspannungsbereich vom BeagleBone Black ist 0V bis 1,8V. In diesem Fall muss der Eingangsspannung aus dem Sensor reduziert werden. Dafür benötigt man eine Schaltung zur Pegelanpassung. Das Folgende Bild zeigt die Schaltung der Pegelanpassung der Eingangssignale. Damit wird die Spannung aus dem Beschleunigungssensor von 0V bis 3,3V auf 0V bis 1,8V angepasst. Der hier verwendete Operationsverstärker ist TLC272.

SensorPegelAnpassung

Anti-Aliasingfilter

Da die analogen Eigangsignale abgetastet und dadurch in digitale Signale umgewandelt werden, tritt der Aliasing-Effekt immer auf. Als Aliasing werden im Bereich der Signalanalyse Fehler bezeichnet, wenn im abzutastenden Signal Frequenzanteile vorkommen, die höher als die halbe Abtastfrequenz sind. Um die hohe Frequenzanteil aus den Messdaten auszufiltern, ist ein Anti-Aliasingfilter benötigt. Der Anti-Aliasingfilter kann man als einen Tiefpassfilter betrachten. In meiner Arbeit wird dafür einen aktiven RC-Tiefpass 2.Ordnung ausgewählt. Damit die Grenzfrequenz je nach Anwendung änderbar ist, werden Potentiometer statt Widerstand in der Schaltung eingesetzt. Das folgende Bild zeigt die Schaltung des Anti-Aliasingfilters. Der hier eingesetzte Operationsverstärker ist LM358.

TP2

Der Wert des Potentiometers soll anhand der folgenden Gleichungen ausgewählt werden.

TP2Gleichung

Quelle: REINHOLD , W.: Elektronische Schaltungstechnik. HANSER, 2010

Es sei hier angemerkt, dass die bisherigen dargestellten Schaltungen für einen Kanal ausgelegt sind. Da wir zwei Eingänge und zwei Ausgänge benötigen, sollen alle bisherigen beschriebenen Schaltungen für zwei Kanäle verdoppelt werden.

Versorgungsspannung der Schaltungen

Alle oben erläuterten Sensoren und Schaltungen brauchen Versorgungsspannung. Dabei kann BeagleBone Black die meisten Schaltungen und Sensoren mit Spannungen von 5V und 3,3V versorgen. Für manche Operationsverstärker wie z.B. LM358 und ADA4096, die negative Versorgungsspannung benötigen, wird der DCDC-Wandler IA0505S eingesetzt. Dieser DCDC-Wandler kann eine DC-Spannung von 5V in ±5V umwandeln und somit die negative Versorgungsspannung versorgen.

I/O-Schnittstellen

Bei der Auslegung der I/O-Schnittstellen sollen Plätze für zwei analoge Ausgänge, zwei analoge Eingänge, ein paar digitale Eingänge und Versorgungsspannungen für Sensoren und Schalter reservieren.

Prototypischer Aufbau der Regelungsplattform

Der aufgebaute prototypische Hardware ist in dem folgenden Bild dargestellt. Dabei werden die oben beschriebenen Schaltungen in der Form von Platinenstück gelötet.

AlteBoardmitLabel

Im nächsten Beitrag werde ich Ihnen die Optimierung dieser prototypischen Plattform erläutern.

 


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