Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools #2 Hardware der Regelungsplattform aufbauen.
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 offenen Softwaretools“ vorgestellt. In diesem Beitrag gehen wir auf die Hardware der Regelungsplattform 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 z.B. zur aktiven Schwingungsdämpfung soll die Hardware zumindest die folgenden Komponenten besitzen:
- Einplatinencomputer/Mikrocomputer: der ist der Kernkomponente der Plattform. Der erfasst die Messsignale (z.B. analoge Signale aus der Beschleunigungssensor), macht dann Abtastung der Messsignale (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.
Im Folgende wird jede vorgenannte Komponente kurz beschrieben.
Einplatinencomputer
Für meine Anwendung wird das BeagleBone Black als der Einplatinencomputer ausgewählt (Siehe Bild 1). Die Merkmale von BeagleBone Black ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Für weitere Informationen sei auf das Homepage von BeagleBone und die Beiträge von Maxwell verwisen.
Bild 1: BeagleBone Black [1]
Tabelle 1: BeagleBone Black Merkmale in der Übersicht [2]
Beschleunigungssensor
Zur Erfassung der Schwingungen wird der kostengünstige Beschleunigungssensor LIS344ALH (Siehe Bild 2) ausgewählt. Die Merkmale des Sensors sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
Bild 2: Beschleunigungssensor LIS344ALH
Tabelle 2: LIS344ALH Merkmale in der Übersicht [3]
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 gebräuchlichen 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 Bild 3 dargestellt. Für die PWM-Frequenz von 100kHz in BeagleBone Black ist die Grenzfrequenz dieses Rekonstruktionsfilters 1500Hz.
Bild 3: Rekonstruktionsfilter [4]
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 Bild 4 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.
Bild 4: Pegelanpassung des Ausgangs [4]
Eingänge
Ähnlich wie bei den Ausgängen sollen die Eigenschaften des Mikrocomputers BeagleBone Black und der Eingangsignalquelle bei der Auslegung der Eingangsschaltungen 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 die Spannung aus dem Beschleunigungssensor reduziert werden. Dafür benötigt man eine Schaltung zur Pegelanpassung. Das Bild 5 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.
Bild 5: Pegelanpassung des Eingangs [4]
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 der hohe Frequenzanteil aus den Messdaten auszufiltern, ist ein Anti-Aliasingfilter benötigt. Der Anti-Aliasingfilter kann als einen Tiefpassfilter betrachtet werden. 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.
Der Wert des Potentiometers soll anhand der folgenden Gleichungen ausgewählt werden [5],
wobei die beiden reellen Koeffizienten a und b Filterkoeffizienten sind. Durch ihre Wahl lässt sich die Funktion auf die Filterapproximationen Bessel, Butterworth und Tschebyscheff abbilden [1]. In der folgenden Tabelle ist ein Auszug aus den bekannten Filterkatalogen für die Wahl der Filterkoeffizienten dargestellt. In meiner Arbeit werden a=1,4142 und b=1 für einen Butterworth-Filter 2.Ordnung ausgewählt. Nach den vorgenannten Gleichungen kann dieser Tiefpass mit den Potentiometern [latex]R_1=50\,\text{k}\Omega[/latex] und [latex]R_2=20\,\text{k}\Omega[/latex] theoretisch eine einstellbare Grenzfrequenzumfang von 40Hz bis 100kHz erreichen. Zum Beispiel für eine Grenzfrequenz von 500Hz werden [latex]R_1=3663\,\Omega[/latex] und [latex]R_2=838\,\Omega[/latex] eingestellt.
Tabelle 3: Aktiver RC-Tiefpass 2.Ordnung [5]
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 prototypische Aufbau ist in dem folgenden Bild dargestellt. Dabei werden die oben beschriebenen Schaltungen in der Form von Platinenstück gelötet.
Bild 6: Prototypischer Aufbau der Regelungsplattform
Im nächsten Beitrag werde ich euch die Optimierung dieser prototypischen Plattform erläutern.
Quelle:
[1]: BEAGLEBOARD : About BeagleBoard. Webseite, Quelle:https://beagleboard.org/about.
[2]: COLEY , G.: BeagleBone Black System Reference Manuel. Revision B. BeagleBoard. 2013
[3]: STMICROELECTRONICS : LIS344ALH Datasheet. Rev. 3. 2008
[4]: CONGIU , S.: Entwicklung einer Low-Cost-Plattform für die experimentelle Analyse von Schwingungen. Masterarbeit. Technische Universität Darmstadt, 2017
[5]: REINHOLD , W.: Elektronische Schaltungstechnik. HANSER, 2010
Letzter Bietrag:
Nächster Beitrag:
Schreibe einen Kommentar