Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools #3 Optimierung der Hardware

Hallo, ich bin Ruo Yi. Im letztem Beitrag habe ich den prototypischen Aufbau (Entwicklungsboard) der kostengünstigen modellbasierten Regelungsplattform beschrieben. Nun möchte ich die Optimierung des prototypischen Aufbaus erläutern.

Problem des prototypischen Aufbaus

Bei der Verwendung der prototypischen Regelungsplattform ist es bemerkenswert, dass die Einflüsse von Signalrauschen nicht vernachlässigt werden können. Die bisher gemessenen Signaldaten sind immer von einem relativ großen Rauschen überlagert. Bild 1 zeigt ein von der Analyseplattform aufgenommenes Messsignal aus dem Beschleunigungssensor LIS344ALH.

Bild 1: Rauschen im Eingangssignal (oben:Originalgröße, unten:Vergrößert)

Dabei befindet sich der Sensor in Ruhe. Die Spitzen des Rauschens können einen Wert von 0,15 V betragen und sind problematisch für Regelung. Zum einen beeinflusst das Rauschen  die Regelungsgüte der Regelungsplattform. Zum anderen können die Spitzen des Rauschens auch dazu führen, dass die kleinen Schwingungen von der Regelungsplattform nicht erfasst werden können, da solche kleine Schwingungen in dem Rauschen untergehen.

Die Quellen des Rauschens können verschieden sein. Zuerst können die selbst erstellten Schaltungen wie Pegelanpassung und Rekonstruktionsfilter das Rauschen erzeugen. Außerdem kann das Analog-Digital-Wandler des Mikrocomputers Rauschen verursachen. Es kann auch sein, dass die Spannungsrippel des DCDC-Wandlers den Operationsverstärker der Signalkonditionierung stört und dadurch Rauschen in Messdaten erzeugt. Darüber hinaus können die von den nicht sauber geordneten Leiterbahnen erzeugte elektromagnetische Störung auch einen Beitrag zum Rauschen in den Messdaten leisten. In  Bild 2 ist die Rückseite des prototypischen Aufbaus dargestellt.

Bild 2: Rückseite des prototypischen Aufbaus

Optimierung der Hardware

Bei der Optimierung liegt der Schwerpunkt auf der Rauschunterdrückung in der Schaltung. Rauschunterdrückung ist ein sehr spezialisierter Bereich, dafür ist ein tiefes Verständnis für analoge und digitale Schaltungstechnik erforderlich. Aus Zeitgründen ist es nicht möglich, eine umfassende Studie für den prototypischen Aufbau bezüglich der Rauschunterdrückung durchzuführen. Daher basiert die Optimierung in dieser Arbeit hauptsächlich auf den Testergebnissen und einigen empirischen Schlussfolgerungen. Eine Reihe von Maßnahmen zur Rauschunterdrückung werden an den folgenden Stellen ergriffen.

• Spannungsquelle des BeagleBone Black (BBB)

Das BBB ist von einer DC-Spannung von 5V betrieben und versorgt dann Beschleunigungssensoren und alle drauf liegenden Platinen mit Spannungen von 5V und 3,3V. Man kann sagen, dass die Spannungsquelle des BBB das ganze Entwicklungsboard beeinflussen kann. Bisher kann das BBB entweder vom PC über ein USB-Kabel oder direkt vom Netz über ein DC-Netzteil betrieben werden. Die beiden Arten der Spannungsversorgung werden von dem so genannten „Netzbrummen“ beeinflusst. Um eine möglichst stabile Versorgungsspannung für das BBB zu schaffen, wird eine Powerbank bzw. ein Akku als Spannungsquelle für das BBB eingesetzt. Anhand der Messergebnisse ist es erwähnenswert, dass die gemessenen analogen Eingangsignale bei der Verwendung des Akkus als Spannungsquelle viel stabiler ist, wenn das BBB unbelastet ist, d.h. keine Platinen auf dem BBB liegen. Im Vergleich dazu ist die Wirkung des Akkus sehr gering, wenn alle Platinen (Pegelanpassung, Rekonstruktionsfilter usw.) mit BBB zusammengeschaltet sind. Dies ist wahrscheinlich auf die Zusammenwirkung von Operationsverstärkern und dem DCDC-Wandler auf den Platinen zurückzuführen. Außerdem kann die Übertragung der Messdaten vom Entwicklungsboard zu PC bei der Verwendung eines Akkus unterbrochen werden, wenn die Anzahl der Messkanäle relativ groß und die Abtastrate hoch ist. Ein möglicher Grund dafür ist, dass die maximale Stromversorgung von 2A von dem Akku die Übertragung der Messdaten nicht antreiben kann. Zusammenfassend gesagt ist die Verwendung eines Akkus als Spannungsquelle zur Rauschunterdrückung nicht erfolgreich.

Alternativ kann man versuchen, die Spannung in dem Entwicklungsboard intern zu stabilisieren. Dafür kann ein Tiefpassfilter, Ferritperle oder eine Kapazität an jeder solchen internen Versorgungsspannung eingesetzt werden. So können hochfrequente Rippel in den internen Versorgungsspannungen ausgefiltert und dadurch ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis in den Messdaten erzielt werden. In Bild 3 ist ein Schema der Filterung der Versorgungsspannung dargestellt. In meiner Arbeit wird jeweils eine Kapazität mit C=100nF parallel zu jeder internen Versorgungsspannung des BBB geschaltet.

Bild 3: Schema von Filterung der Versorgungsspannung [1]

• DCDC-Wandler

In dem Entwicklungsboard bietet der DCDC-Wandler IA0505S die bipolaren Versorgungsspannung von  ±5V für die Operationsverstärker LM358 im Anti-Aliasingfilter und ADA4096 in der Platine zur Ausgangspegelanpassung. Laut des Datenblattes vom IA0505S ist die Ausgangsspannung mit einem Rauschen von ±75mV pk-pk mit einer Bandbreite von 20 MHz überlagert. Um dieses Rauschen zu unterdrücken, wird ein LC-Filter am Eingang und ein RC-Filter jeweils für den positiven und negativen Ausgang verwendet (Siehe Bild 4). Dabei werden L=3,3uH und C=10uF für den LC-Filter sowie R=0Ω und C=4,7uF für RC-Filter ausgewählt. Der Grund für die Wahl von R=0Ω in dem RC-Filter liegt darin, dass eine parallele geschaltete Kapazität zur Rauschunterdrückung am Ausgang des DCDC-Wandlers laute einigen Literaturen schon ausreicht. Trotzdem wird ein Platz für den Widerstand des RC-Filters vorgesehen. Man kann in Zukunft einen RC-Filter hier einsetzen, indem man den Widerstand R=0Ω durch einen anderen Widerstand ersetzt.

Bild 4: Ein- und Ausgangsbeschaltung zur Rauschunterdrückung für DCDC-Wanlder

(Anmerkung: Im Bild 4 soll „IA0503S“ durch „IA0505S“ ersetzt werden)

• Operationsverstärker

Die unerwünschte Schwankung in der Versorgungsspannung kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers über den Versorgungsspannungsdurchgriff (Power supply rejection ratio, kurz PSRR) beeinflussen. Um die Versorgungsspannung der Operationsverstärker zu glätten, werden Kapazitäten nach der 100nF-Regel [1] parallel zu jeder Versorgungsspannung geschaltet. In Bild 5 ist die Beschaltung der Kapazitäten zur Glättung der Versorgungsspannung zur Pegelanpassung des Ausgangs dargestellt.

Bild 5: Beschaltung der Kapazitäten zur Glättung der Versorgungsspannung für Operationsverstärker

• Erdung und Massefläche

Eine sorgfältige Erdung ist wichtig für genaue Messungen [2]. Für den aus Lochrasterplatinen bestehenden prototypischen Aufbaus ist es eine neue Gestaltung der Erdung nicht möglich. Deswegen wird ein großer Massefläche über der ganzen Schaltung bei dem PCB-Design eingesetzt, damit die Regelungsplattform vor äußeren elektrodynamischen Wellen geschützt wird.

Integrieren der Schaltung

Die im letzten Abschnitt erläuterten Maßnahmen können wegen des mangelnden Platzes und der zu komplexen Verkabelung nicht auf dem prototypischen Aufbau durchgeführt werden. Außerdem verursachen die nicht ordentlichen Leiterdrähte elektrodynamische Störung in der Schaltung. Um das Gesamtsystem kompakter, robuster und Störungsfrei zu machen, wird die Schaltung des Gesamtsystem erneut gestaltet und dabei auf einem Leiterplatte (PCB) integriert.

Der vollständige Vorgang vom Intergrieren der Schaltung auf einer PCB mittels der Software Kicad werde ich in einem anderen Beitrag beschreiben. Hier zeige ich euch direkt die gefertigte Leiterplatte der neuen Regelungsplattform (Siehe Bild 6).

Bild 6: Leiterplatte der Regelungsplattform (recht) und ursprüngliches Entwicklungsboard (link)

Hardwarequalifizierung der neuen Leiterplatte

Um die Genauigkeit der von der Leiterplatte (PCB) erfassten Messdaten zu beurteilen, wird das Rauschverhalten des Gesamtsystems analysiert. Dabei bezieht sich das Rauschen auf die Messdaten aus dem Beschleunigungssensor, der bei Messung sich in Ruhe befindet. Zur Auswertung der Messdaten werden der Effektivwert und Spitze-Spitze-Wert als Kriterien verwendet. Damit wird das Rauschverhalten der neuen Leiterplatte mit dem des alten Entwicklungsboards verglichen. Im Bild 7 ist der Vergleich zwischen dem alten Entwicklungsboard und der neuen Leiterplatte zu sehen. Dabei ist die Messdauer 20s und der Gleichanteil wird von den Messdaten abgezogen. Daraus ergeben sich die Effektivwerte und Spitze-Spitze-Werte, die in Tabelle 1 zusammengefasst werden. Zur Auswertung der Messdaten werden der Effektivwert und Spitze-Spitze-Wert nach folgenden Gleichungen als Kriterien verwendet [3].

Bild 7: Vergleich des Rauschverhaltens zwischen dem alten Entwicklungsboard und der neuen Leiterplatte

Tabelle 1: Rauschverhalten des Gesamtsystems

Man kann sagen, dass die neue Leiterplatte bezüglich der Rauchunterdrückung viel besser als das alte Entwicklungsboard ist. Damit hat die Optimierung der Hardware zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.

Quellen:

[1]: HEIDINGER , M.: Grundlagen Schaltplan- und Platinenlayout. Techn. Ber. KIT, 2017

[2]:NATIONAL-INSTRUMENTS : Fünf Tipps für die Verminderung von Rauschen bei Messungen. Webseite, Quelle:http://www.ni.com/white-paper/7870/de/.

[3]: ENDEVCO : Practical considerations of accelerometer noise. Webseite, Quelle:https:// endevco.com/news/archivednews/2009/2009_12/TP324.pdf.

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