Přípravek pro demonstraci řízení pohonu MAXON prostřednictvím karty Humusoft MF624. (Jan Babjak)
Popis přípravku Pro potřeby výuky na katedře robototechniky byl vyvinut přípravek umožňující řízení pohonu MAXON prostřednictvím karty MF624 vyrobené firmou HUMUSOFT. Karta je vybavena množstvím analogových i digitálních vstupů, dále pak digitálními i analogovými výstupy, výstupy z časovače a vstupy pro IRC dekodéry. Přípravek využívá některé z těchto signálů pro řízení pohonu MAXON. Umožňuje měřit rychlost motoru jak pomocí IRC enkodéru, tak i analogově pomocí napětí, indukovaného na připojeném měřícím motoru. Dále přípravek umožňuje zobrazovat dvě logické hodnoty pomocí LED diod a ovládat program promocí dvojice tlačítek. Posledním vstupem je analogový vstup z potenciometru, kterým můžeme regulovat rychlost motoru. Na následujícím obrázku je zachyceno úplné blokové schéma.
Obr. 1. ‐ Schéma zapojení přípravku Demonstrační přípravek se skládá ze dvou vzájemně spojených motorů MAXON, jeden z nich slouží jako hnací, druhý jako měřící. Toto řešení umožní měřit otáčky soustavy jak klasicky prostřednictvím IRC enkodéru tak i pomocí napětí indukovaného na měřícím motoru a je tak možné sledovat jejich vzájemnou korelaci. Všechny vstupní a výstupní signály jsou prostřednictvím speciálních kabelů připojeny ke kartě HUMUSOFT MF624. Za použití vhodných kabelů je možné použít přípravek i s jinou
kartou, která je schopna poskytnout a zpracovat potřebné datové signály. Následující tabulka zachycuje signály, které přípravek používá. Signál DOUT0 DOUT1 DOUT2 DOUT3 DIN6 DIN7 IRCA+ IRCB+ AD1 AD2 TOUT0
Význam Signalizace (zelená LED) Signalizace (červená LED) Směr otáčení (L298 Input1) Směr otáčení (L298 Input2) Ovládaní (zelené tlačítko) Ovládaní (červené tlačítko) Vsutp z IRC enkodéru (kanál A) Vsutp z IRC enkodéru (kanál B) Analogový vstup (potenciometr) Analogový vstup (vinutí měřícího motoru) PWM výstup (L298 Enable1) Tab. 1. – Přehled použitých signálů
Programová podpora Karta MF624 může být obsluhována jak prostřednictvím dodané knihovny pro vývojové prostředí Visual Studio, tak prostřednictvím TOOLBOXu pro výpočtovný systém MATLAB. Pro práci ve Visual Basicu je potřeba předem deklarovat použité funkce. Pro potřeby demonstračního programu byly deklarovány následující funkce a procedury: Function HudaqOpenDevice Lib "hudaqlib.dll" (devicename, deviceorder, options) As UInteger Function HudaqEncRead Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel) As Integer Sub HudaqEncReset Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel) Function HudaqPWMWrite Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel, frequency, duty) As UInteger Sub HudaqDOWrite Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel, value) Sub HudaqDOWriteBit Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel, bit, value) Function HudaqDIReadBit Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel, bit) As Integer Function HudaqDIRead Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel) As Integer Function HudaqAIRead Lib "hudaqlib.dll" (handle, channel) As Double
Význam funkcí a procedur je snadno odvoditelný z jejich názvů. Obdobné funkce jsou dostupné i jako TOOLBOX pro MATLAB. Každá funkce a procedura má jako první parametr handle, který je možné získat jako výstup funkce HudaqOpenDevice kterou je nutné zavolat před prvním použitím, kterékoli další funkce pro práci s kartou MF624.
Pro demonstrační a testovací účely byla vyvinuta aplikace, která umožňuje otestovat všechny dostupné funkce přípravku. Program může pracovat v manuálním režimu (Manual mode), ve kterém se rychlost nastavuje pomocí posuvníku „Duty“, v analogovém režimu je možno rychlost zadávat prostřednictvím potenciometru. Řízení pohonu je realizováno buď přímo, kdy se posuvníkem (resp. potencometrem) nastavuje činitel plnění PWM a nebo přímo žádaná hodnota rychlosti otáčení motoru. Tento režim se aktivuje „zaškrtávatkem“ PI Regulation.
Obr. 2. – Grafické rozhraní demonstrační aplikace Ovládací program umožňuje i zaznamenávat proměnné, použité při výpočtu regulace, na základě těchto hodnot je možné sestavit graf popisující kvalitu regulátoru. 7950 6950 5950 4950 3950 2950 1950 950 -50 250
450
650
850
Žádaná hodnota Regulační odchylka
1050
1250
1450
Skutečná hodnota Akční veličina
Graf 1. – Regulace rychlosti pohonu
1650
1850
Měření na přípravku Přípravek pro demonstraci řízení pohonu MAXON je vybaven měřícími body pro připojení osciloskopu, který nám umožní sledovat jednotlivé průběhy napětí, které jsou k dispozici. Rozmístnění měřících bodů je zachyceno na následujícím obrázku.
Obr. 3. – Měřící body pro osciloskop
1. Měření PWM signálu generovaného kartou MF624 Měření PWM signálu generovaného kartou se provádí na měřícím bodě
přičemž zemnící kontakt
sondy osciloskopu připojíme na svorku (GND). Na měřící bod je přímo vyveden signál TOUTO karty MF624 v TTL úrovni. Ovládacím programem nastavujeme různé hodnoty frekvence a činitele plnění PWM, které pak na připojeném osciloskopu můžeme sledovat a i měřit pomocí funkce MEASURE. Příklad očekávaného průběhu je zachycen na následujícím obrázku.
Obr. 4. – Příklad PWM signálu (TTL)
2. Měření na inkrementálním rotačním kodéru (IRC) motoru MAXON Pro toto měření je potřeba obou kanálů osciloskopu. Jednotlivé měřící sondy připojíme na měřící body a s tím že zemnící kontakty měřících sond připojíme opět na svorku (GND). Po správném zapojení a nastavení osciloskopu můžeme pozorovat průběhy na A a B kanálu, které generuje rotační inkrementální kodér, který je umístněn na připojeném MAXON motoru. Typické průběhy jsou zachyceny na následujícím obrázku:
Obr. 5. – Příklad výstupu i IRC
3. Měření výkonové části pohonu Na tomto měření je možné zobrazit si průběhy napětí, které vznikají ve výkonové části obvodu, která je přímo připojená na ovládaný motor. Průběh PWM signálu, je oproti měření v úloze 1 výrazně zkreslen indukčností připojené zátěže (motoru), která způsobuje napěťové špičky patrné na obrázku číslo 6. Pro měření můžeme použít opět obou kanálu osciloskopu. Sondy připojíme na měřící body a
. Obě zemnící svorky opět připojíme na bod
(GND).
Obr. 6. – Průběhy napětí na motoru.
Závěr Přípravek bude použit při výuce principů řízení a regulace pohonů. Dále si na něm studenti mohou vyzkoušet práci s osciloskopem, kdy si můžou v reálné situaci ověřit teoretické poznatky. Rovněž je možné jej použít pro výuku v programovacím jazyce Visual Basic a práce s výpočetním systémem MATLAB. Umožňuje řízení pohonu MAXON za použití osobního počítače. Lze na něm ověřovat principy a funkce regulátorů.
Použitá literatura
[1] NOVÁK, P.: Mobilní roboty – pohony, senzory, řízení. Nakladatelství BEN – technická literatura Praha, 250s, 2005. ISBN: 80‐7300‐141‐1. [2] BABJAK, J.: Řízení mobilního robotu neuronovou sítí. Diplomová práce, VŠB TU Ostrava, 2006, 56s. [3] Dokumentace firmy HUMUSOFT. Dostupné: www.humusoft.cz [4] MAXON: On‐line katalog pohonů A‐Max. Dostupné: www.maxonmotor.com
