De opzet van een digitale motorbesturing

(1)

De opzet van een digitale motorbesturing

Citation for published version (APA):

Knechten, A. C. M., & Rommers, P. F. E. (1983). De opzet van een digitale motorbesturing. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPB0026). Technische Hogeschool

Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1983

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

DE OPZET VAN EEN DIGITALE

MOTORBESTURING

/lC.I1,

r:

F. E.

Alex Knechten en Peter Rommers

(3)

Technische Den Dolech afdeling: vakgroep:

DE OPZET VAN EEN DIGITALE MOTORBESTURING

in opdracht van: Hogeschool Eindhoven 2 Eindhoven Werktuigbouwkunde Produktie-technologie en Bedrijfsmechanisatie

laboratorium: Fysische Bewerkingen

begeleider: ir. C.J. Heuvelman

schoolmentor: ir. A.M. Oosterbaan

door:

Alex Knechten en Peter Rommers,

studenten aan de H.T.S. te Eindhoven, afdeling Elektrotechniek

(4)

SAMENVATTING

SAMENVATTING pag. 1

De opdracht die wij gekregen hebben bestaat uit het

opbouwen van een microprocessor gestuurde motor, die

uiteindelijk gebruikt wordt voor flexibele

automatisering. Dit houdt in dat de motorregeling op

zoveel mogelijk plaatsen ingezet moet kunnen worden.

Voor de T.R., waar al verschillende systemen digitaal

gestuurd worden, is het een project dat de aanwezige

kennis van deze regelingen verder zal uitbouwen.

Uiteindelijk hopen we dat de opgedane ervaringen ten

goede komen aan geintresseerden uit het bedrijfsleven.

Ret hart van de schakeling is de motor-tacho

combinatie, die bij elke omwenteling van de motor 1000

pulsen afgeeft. Deze pulsen worden omgezet tot 4000

pulsen m.b.v. een vermenigvuldiger. Dit signaal wordt

naar een teller gevoerd die de positie van de as bijhoud

en de draaisnelheid door gedurende een bepaalde tijd de

pulsen te tellen en vast te houden in een latch. De

signalen die hiervoor nodig zijn worden via een programma met de microcomputer gerealiseerd.

Om de totale overbrenging van het systeem te bepalen

is het noodzakelijk geweest om de tijdconstanten te

bepalen van de elementen in de regelkring. Gebleken is

dat alleen de tijdconstante van de motor-tacho combinatie

invloed heeft op de overbrenging. Deze tijdconstante is

gemeten door een blokspanning via een versterker op de

motor te plaatsen en de responsie van de open lus via een

DAC te bepalen. Gedurende het onderzoek is het verschil

bepaald tussen de motor-tacho combinatie met een starre

en een flexibele koppeling. Gebleken is dat de

combinatie met de flexibele koppeling een kleinere

tijdconstante heeft dan de combinatie met starre

koppeling.

Uiteidelijk is de regelkring gesloten en is de motor

te regelen door een zich nog in de ontwikkelingsfase

bevindende P.I.D.-regelaar. Ret is dan de bedoeling dat

de bekende karakteristiek van de motor geoptimaliseerd

wordt. Dit houdt in dat een nauwkeurig gedefinieerde

(5)

SAMENVATTING 2

Het is te verwachten dat de software-regelaar te

traag is t.o.V. de door ons gebruikte I-8085

microprocessor. Hierdoor dient een hardware

vermenigvuldiger te worden toegepast. Verder is het zo

dat het project zich nog in een beginstadium bevindt en

er dus nog een aantal problemen te overwinnen zijn.

Echter de toekomst van dit project mag door de huidige

toenemende vraag naar automatisering met vertrouwen

(6)

VOORWOORD

VOORWOORD pag. 3

Als afsluiting van de H.T.S. hebben wij onze

afstudeeropdracht verricht op de afdeling

Werktuigbouwkunde van de Technische Hogeschool in

Eindhoven. Deze afdeling is onderverdeeld in een viertal

vakgroepen, waaronder de vakgroep Werktuigbouwkunde

Produktietechnologie en Bedrijfsmechanisatie (W.P.B.).

De opdracht is uitgevoerd in het laboratorium voor

fysische bewerkingen, behorende bij de vakgroep W.P.B ..

Onze opdracht was het maken van een door een

microcomputer geregelde motor-tacho combinatie. Dit

hebben wij gerealiseerd met een Servalco motor en een

gekoppelde optische incrementele tacho. De besturing van

deze eenheid wordt verzorgd door een op de

8085-gebaseerde microcomputer van Intel. De input van het

systeem is een gewenste snelheid. De output de geregelde

snelheid en positie. De uiteindelijke positionering van

de as dient een nauwkeurigheid van 0,1 graad te bezitten.

Om deze eis te realiseren dient het systeem een regelaar

en een snelheidsregeling te bevatten. Doordat

uiteindelijk een variabele belasting geregeld moet kunnen

worden is een maximale stroombegrenzing en een variabele

vermogensregeling noodzakelijk. Verder bestond de

opdracht uit het bouwen van een regelaar, het maken van

een interface en een externe teller voor de tacho. De

stuurversterker was reeds aanwezig.

Het uiteindelijke doel van de opdracht is het kennis

nemen van de problemen bij flexibele automatisering.

Flexibel automatiseren houdt in dat er gezocht wordt naar

een systeem dat toepasbaar is in een zo groat mogelijk

gebied. Ons systeem kan worden toegepast bij het

positioneren van een werkstuk of machine. We denken

hierbij aan de besturing van een robotarm.

We hebben gedurende deze periode erg prettig mogen

samenwerken met iedereen in het laboratorium. We willen

hen hiervoor hartelijk danken. Vooral de heren ir. C.J.

Heuvelman en G.J. Theuws bedanken we voor de uitstekende

begeleiding. Ook bedanken we de heer ir. A.M.

Oosterbaanr die als schoolmentor optrad.

(7)

INHOUDSOPGAVE INHOUDSOPGAVE pag. 4 SAMENVATTING 1 VOORWOORD 3 INHOUDSOPGAVE 4 1. INLEIDING 6

1.1 De verantwoording van het verslag 6

1.2 Het verslag in vogelvlucht 7

2. DE OPZET VAN DE REGELING 8

2.1 De motor-tacho combinatie 8

2.2 De vermenigvuldiger 10

2.3 De tellers 13

2.3.1 De positieteller 13

2.3.2 De snelheidsteller 14

2.4 De Digitaal Analoog Convertor CD.A.C.) 16

2.5 De voeding 17

2.6 De versterkers 17

3. DE MICROCOMPUTER 19

3.1 De microcomputer-print 19

3.2 Het werken met de microcomputer 23

4. DE SOFTWARE 24

5. HET BEPALEN VAN DE SYSTEEMEIGENSCHAPPEN EN DE 28

REGELAAR

5.1 Het bepalen van de systeemeigenschappen 28

5.1.1 Het gedrag van de motor 28

5.1.2 Bepaling van de tijdconstante van de 29

open Ius met een flexibele en een starre koppeling

5.2 De invloed van het traagheidsmoment op de . . . 31 tijdconstante

5.3 Het bepalen vam de dynamische overdracht 33

m.b.v. Fast Fourier Transform

5.4 Hct sluiten van de regellu5 50

5.5 De P.I.D.-regelaar 52

6. CONCLUSIES 56

(8)

INHOUDSOPGAVE pag. 5 Bijlage B De Bijlage C De Bijlage D De Bijlage E De Bijlage F De Bijlage G De BIJLAGEN 60

Bijlage A De motor en impulsgever 60

vermenigvuldiger 65 tellers 68 D.A.C 71 voeding 74 E.W.M.C 75 aansluitgegevens 82

(9)

INLEIDING

1. INLEIDING

1.1 De verantwoording van het verslag

paq. 6

Gedurende de afstudeerperiode hebben wij gewerkt op

het laboratorium voor fysische bewerkingen van de

T.R.-Eindhoven, afdeling Werktuigbouwkunde. Ret was onze taak

om een begin te maken met de ontwikkeling van een

computergestuurde servoregeling. De opdracht was vooral

gegeven om op een wetenschappelijke manier de

toepassingsmogelijkheden van deze regeling te

onderzoeken. Om altijd een mogelijkheid te hebben snel

iets te wijzigen is het een zaak de regeling zo flexibel

mogelijk op te zetten. Zo zijn bijvoorbeeld twee

servomotoren met impulsgevers aanwezig en is de

versterker dubbel uitgevoerd om uiteindelijk een beweging

in twee richtingen mogelijk te maken. Met deze twee

motoren en impulsgevers is het mogelijk de

systeemeigenschappen van een motor met flexibele

koppeling en met starre koppeling te meten.

De opdracht is in aIle details gezamelijk uitgevoerd

waardoor we allebei het hele systeem kennen. Terwille

van de verdediging van het verslag hebben we de stof

onderverdeeld, waarbij A. Knechten de hoofdstukken 1 en

2 voor zijn rekening neemt en P. Rommers de resterende

hoofdstukken.

In het laatste hoofdstuk is een software PD-regelaar voor de snelheid opgenomen die voor het grootste gedeelte

is gemaakt door B. Cordewener. Deze TR-student studeert

af op deze regelaar, de basis van ons regelsysteem.

Uiteindelijk dient aan het systeem nog een PID-regelaar

voor de positieregeling te worden toegevoegd. De I-actie

is nodig omdat de positieregeling de fijnregeling t.o.V.

de snelheidsregeling is. Schematisch kan de regeling

worden weergegeven zoals in figuur 1 is opgetekend.

D.A.C./ motor / belasling verst. tacho 8 ~ [

ver~~nig-I

vuldiger vergelijken en _~ ₈

_I

snelheid I regelen _I _I m.b.v.

I

plaals I ~ 16 micro-compuler I

fig 1: De eerste blokschematische opzet van de

(10)

INLEIDING pag. 7

Na het opgeven van de instelbare waarde van de

positie wordt, afhankelijk van de belasting aan de as van

de motor en de systeemeigenschappen een snelheid en

positie via een computergestuurde regelaar

teruggekoppeld. Hierdoor wordt een zo gunstig mogelijke

regelaar verkregen. Het was onze opdracht om de

binnenste Ius en de positieteller te realiseren.

1.2 Ret verslag in vogelvlucht

In hoofdstuk 2 wordt de door ons ontwikkelde

hardware bestaande uit een DAC, een vermenigvuldiger en

een snelheids- en positieteller beschreven. Tevens

worden de overige onderdelen (versterkers en motor-tacho

combinatie) beschreven.

In hoofdstuk 3 wordt de voor dit systeem onontbeerlijke

microcomputer in grove lijnen behandeld.

De door ons ontwikkeide software wordt in hoofdstuk 4

behandeld.

In hoofdstuk 5 worden de eigenschappen van het systeem

bepaald en wordt de software van de PD-regelaar

beschreven.

Tenslotte worden in hoofdstuk 6 de conclusies en adviezen

die zijn ontstaan gedurende deze afstudeerperiode uiteen

(11)

DE OPZET VAN DE REGELING

2. DE OPZET VAN DE REGELING

pag. 8

In figuur 2 is met een blokschema de onderlinge

samenhang tussen de motor-tacho combinatie, de

vermenigvuldiger, de tellers, de D.A.C. en de versterker

weergegeven.

Xo

fig. 2 : Het blokschema van de regeling.

In de volgende paragrafen worden de afzonderlijke

onderdelen behandeld.

2.1 De motor-tacho combinatie

De motor-tacho combinatie bestaat uit een servomotor TM 530 van S.E.A. en een impulsgever DG 60 van Stegmann.

De motor verschilt t.o.V. andere motoren wat betreft de

ligging van de wikkelingen. Normaal zijn de wikkelingen

in de lengterichting van de as gewikkeld. Echter bij

deze motor liggen de wikkelingen aan be ide zijden van een ronde "rotorschijf" die loodrecht op de as staat en

tussen de stator draait. Een voordeel van deze relatief

kleine motor is dat er een grote stroom kan lopen,

waardoor dus een groot koppel mogelijk is. Het meest

belangrijke voordeel is dat de motor door de geringe

massa van de rotor bijna geen traagheid heeft, wat

belangrijk is voor de systeemeigenschappen.

De servomotor is gekoppeld met een uit twee kanalen

bestaande optische impulsgever. De koppeling vindt

plaats via een flexibele koppeling (stukje persslang) of

een vaste koppeling. Deze verschillende koppelingen zijn

nodig om te bepalen of de gebruikte koppeling van invloed

(12)

DE OPZET VAN DE REGELING paq. 9

uitvoerig ingegaan op de bepaling van deze eigenschappen.

De optische impulsgever heeft tot taak de

ronddraaiende beweging van de motor om te zetten in een

van het toerental afhankelijke electrische telpuls. Het

aantal pulsen is een maat voor de verdraaiing van de as

van de motor. De optische impulsgever bestaat in grote

lijnen uit een lichtgevende zender, een ontvanger met

lichtgevoelige fototransistor, een schijf met 1000

opgedampte lijnen, een masker en de nodige electronica.

Schematisch kan de impulsgever worden weergegeven als

aangegeven in figuur 3.

I

( 1 \ - J Us \-J

r

-{ _I -~ I ICReg

I

V r " ' ,... 5 V

-

-. Sep

_{, E(]}

_~VI~

itf

1

I

r--

r-21

sCp

, E(]

,. V2[>

-fB:

f-i K K

fig. 3: Schematische weergave van de pulsgever.

Het doorlaten of tegenhouden van het licht wordt

bepaald door de positie van de ronddraaiende schijf (met

1000 opgedampte lijnen) t.o.v. een masker. Dit masker

beslaat niet de breedte van 1 lijnstukje, maar een klein

gedeelte van de schijf omdat anders de intensiteit van

het licht niet genoeg varieert om te worden gedetekteerd

door de fototransistor. Zie figuur 4.

;:;a:FIi'~--BI.nd. ,. ./

JC Sch.,b. b.w.g"ch

fig 4: De schijf met 1000 opgedampte lijnen en het

(13)

DE OPZET VAN DE REGELING pag. 10 kunnen bepalen lS verschoven tweede masker doorlaat het graden) licht Om de draairichting van de motor te

is een tweede signaal dat 90 graden

noodzakelijk. Dit wordt verkregen door een

zo te plaatsen dat als het ene masker licht

andere even later (overeenkomstig met 90

doorlaat.

In bijlage A Zl]n de specificaties en de schema's

van de impulsgever en motor gegeven. Als op de

fototransistor licht valt worden via transistoren,

Schmitt-triggers en buffers de uitgangssignalen K1 en K2

verkregen. Dit zijn blokgolven die onderling 90 graden

verschoven ZlJn, wat gerealiseerd wordt door de

opstelling van de maskers. Verder dient de duty-cycle

precies 50 procent te zijn, want anders ontstaan er

problemen door het wegvallen van pulsen. De afregeling

van de duty-cycle is mogelijk door het regelen van de

potentiometers van 470 ohm. Hierdoor wordt de stroom

door de lichtgevende dioden ingesteld. Met de

potentiometer van 1k ohm is de duty-cycle van beide

uitgangen tegelijkertijd af te regelen.

De impulsgever heeft 1000 opgedampte lijnen, waarmee

360 graden / 1000 pulsen

=

0,36 graad per puls te

realiseren is. Dit is niet voldoende om de gewenste

nauwkeurigheid van 0,1 graad per puls te bereiken. Deze

eis wordt gerealiseerd m.b.v. de vermenigvuldiger.

2.2 De vermenigvuldiger

Om de vereiste nauwkeurigheid van 0,1 graad per puls

te verkrijgen is het nodig de nauwkeurigheid van de

positionering met een factor 4 te vergroten. Door de

signalen K1 en K2 te inverteren ontstaan er in totaal 4

bloksignalen die onderling 90 graden verschoven zijn.

Door op elke neergaande flank van deze signalen een

smalle puls te realiseren is de vergroting van de

nauwkeurigheid mogelijk. Echter er moet ook rekening mee

worden gehouden dat er een omhoogtellende (C-up) en een

omlaagtellende (C-down) telpuls gemaakt moet worden, om

de draairichting van de motor te kunnen detekteren.

De schakeling die wij ontworpen hebben voor het

(14)

van K1,

Kl,

K2 en K2 is getekend in figuur 5.

pag. 1 1

4

40W 120pF

fig. 5: De schakeling rond de exclusive-or poort.

De schakeling rond de exclusive-or poort (HEF-4030)

is net als alle zelfgebouwde electronica in HEF-logica

uitgevoerd. Het voordeel hiervan is het geringe

opgenomen vermogen. Het ingangssignaal van de schakeling

in figuur 5 wordt gebufferd met een HEF-4050 omdat zo

storingen worden voorkomen. Het uitgangssignaal van de

buffer gaat enerzijds naar de integrator en anderzijds

naar een inverter (HEF-4069). In figuur 6 is het verloop

van de signalen m.b.t. de exclusive-or schakeling

aangegeven. Een ander aspect aan het gebruik van deze

buffer is dat deze geschikt is ingangsniveau's te

converteren van maximaal 15 V tot 5 V. Dit Ie was nodig

omdat de pulsgever een voedingsspanning nodig heeft

tussen 9 V en 24 V. Bij de door ons gebruikte

voedingsspanning van 15 V levert de pulsgever

uitgangspulsen van 13,5 V, waardoor de genoemde conversie noodzakelijk is. K1 e~cl·or uilgang • T

..

inv.rter uilgang

fig. 6: Het verloop van de signalen m.b.t. de

(15)

DE OPZET VAN DE REGELING pag. 12

Na de gebufferde neergaande flank van het

ingangssignaal wordt via een inverter een logische "1" op

de exclusive-or geplaatst, terwijl de andere ingang nog

steeds op "0" is gedefinieerd. Door de integrator neemt

de spanning op deze ingang toe. Als het schakelniveau

wordt bereikt (bij HEF-logica 50 procent van de

voedingsspanning) ziet de exclusive-or twee logisch hoge

niveau's. Dit betekent dat de uitgang weer hoog wordt,

na aanvankelijk laag te zijn geweest. De diode is

gebruikt om de integrator aIleen op een neergaande flank

te laten reageren. De tijdsduur van het laag zijn van de

uitgang van de exclusive-or poort is te regelen door de

integratietijd van de integrator te veranderen. Via een

inverter wordt uiteindelijk een smalle positieve puIs met

een breedte, afhankelijk van het toerental van de motor

afgegeven. De pulsbreedte bedraagt 2usec. bij een

toerental van 3000 omw./min.. Op deze wijze is op elke

neergaande flank van ieder ingangssignaal een smalle

telpuls gemaakt.

am de draairichting van de motor te bepalen dienen

de telpulsen te worden vergeleken met de ingangssignalen. In figuur 7 is duidelijk zichtbaar dat het afhangt van de draairichting van de motor of eerst K1 of K2 hoog wordt.

Dit is het gevolg van de faseverschuiving van 90 graden

t.O.V. elkaar. A B 1--.._...t::L..-4- --IlL--_ _ c fig. 7: De ingangssignalen. vergelijking \

(16)

Het vergelijken wordt gedaan met AND-poorten

(HEF-4081). De totale schakeling met lay-outs is gegeven

in bijlage B. De uiteindelijke telpuls (C-up of C-down)

wordt gerealiseerd door de 4 smalle uitgangspulsen via

een NOR-poort (HEF-4002) samen te voegen. Het gevolg

hiervan is dat als de ene uitgang telt de andere uitgang

op een hoog niveau ligt, wat noodzakelijk is voor de

ingang van de tellers.

De vergelijking voor C-up luidt:

A.K2 + B.K1 + C.K2 + D.K1

=

C-up De vergelijking voor C-down luidt:

A.K2 + B.K1 + C.K2 + D.K1

=

C-down 2.3 De tellers

Via de vermenigvuldiger wordt een C-up en een C-down

verkregen. Deze signalen worden gebruikt om een

positieteller en een snelheidsteller bij te houden. 2.3.1 De positieteller

De positieteller is vrij eenvoudig van opzet omdat

het door ons gebruikte IC (de HEF-40193) aIle gewenste

eigenschappen bezit. Het is mogelijk om met dit IC zowel

up als down te tellen, de teller kan uitgebreid worden

met telkens 4-bit door het in cascade schakelen van deze

IC's en de uitgangen zijn binair. De HEF-40193 heeft de

mogelijkheid om gepreset te worden, maar hiervan hebben

wij in onze schakeling geen gebruik gemaakt.

Voor de positieteller ZlJn 4 HEF-40193 IC's in

cascade geschakeld, waardoor een 16-bit positieteller

ontstaat. De teller is nog uit te breiden tot 17-bit

door de uitgangscarry of -borrow te gebruiken. We hebben

gekozen voor een 16-bit teller om een redelijk groot

meetbereik te realiseren. Met de klokpulsen C-up en

C-down hebben we een oplossend vermogen van 360 graden / 4000 pulsen ; 0,09 graad per puIs gerealiseerd. Voor een 8-bit teller zou dat betekenen dat de teller een maximaal

bereik heeft van 255

*

0,09 ~ 23 graden. Dit is voor

onze toepassing onvoldoende. Met een 16-bit teller is

een bereik mogelijk van 65535

*

0,09 ~ 5900 graden, wat

overeenkomt met ongeveer 16 omwentelingen. Dit is ruim

voldoende voor onze toepassing. Verder verwachten we dat

de huidige 8-bit processor (l8085) te langzaam is,

(17)

worden gebruikt. waardecombinaties verwerken, terwijl mogelijk is.

In deze 16-bit processor zijn de

van de 16-bit teller eenvoudig te

het ook met de huidige 8-bit processor

2.3.2 De snelheidsteller

Het begrip snelheidsteller is verkeerd gebruikt

omdat een snelheid niet te tellen is. In feite wordt de

positieverandering gedurende een bepaalde tijd bekeken.

Het is dus een integrerende positieteller. Bij kleine

sampletijden is een 8-bits teller voor de snelheid

nauwkeurig genoeg. Dit heeft tot gevolg dat er slechts 2

HEF-40193 IC's nodig zijn. In bijlage C is het schema

van zowel de positie- als de snelheidsteller weergegeven.

De 8 binaire uitgangen van de teller worden naar een

latch gevoerd (HEF-4508). De snelheidsteller heeft twee

ingangssignalen nodig, nl een load-signaal voor de latch

en een reset-signaal voor de tellers. Het reset-signaal

zet de tellers op nul en het load-signaal laadt de inhoud

van tellers na een bepaalde sampletijd in de latch, die

deze inhoud gedurende een sampleperiode vasthoudt.

De maximale frequentie van de C-down of C-up puls is

200 kHz. Dit is bepaald door het maximale toerental van

de motor (50 omw./sec.), het aantal opgedampte lijntjes

op de schijf (1000) en de vermenigvuldigingsfactor (4).

De freguentie is dan 50

*

1000

*

4 = 200 kHz. Bij een

8-bit teller voor de snelheid en bij het detekteren van

een positieve en een negatieve snelheid voor de

draairichting van de motor (1 bit) zijn nog 7 bit, dus

128 waardecombinaties mogelijk. Dit geeft een maximale

sampletijd van 128 / 200.000

=

0,64 msec.. We hebben

voor een sampletijd van 0/5 msec. gekozen.

De load- en resetpuls (zie figuur 8) hebben we in

eerste instantie hardwarematig en in een later stadium

softwarematig gemaakt.

load

~ reset

26u 500u

(18)

In eerste instantie hebben we een oscillator rondom

een NAND-Schmitt-trigger gemaakt. De uitgangsfrequentie

is in te stellen via het R.C.-netwerk. De door ons

ingestelde puIs is de al genoemde 200 kHz wat overeenkomt

met een periodetijd van 5 usec.. Om een load-, pauze- en

dan een reset te genereren is gebruik gemaakt van een

100-teller door twee decimale tellers (HEF-4017) in

cascade te schakelen. Via een AND-functie worden zo de

load-, reset- en preset signalen verkregen. Het

presetsignaal is nodig om een two-complement compensatie

van SOH voor de DAC te realiseren. Het schema van deze

schakeling is gegeven in figuur 9.

14t--...-o 4017 8 15 16 4049 3 r. . .t _{2 t - + - - - I} 11 12 loed

--_

1 3 t - - - . . I_... l~nR1

fig 9: De realisatie van de load-,

presetpulsen d.m.v. hardware.

reset- en

Het genereren van het load- en resetsignaal op

bovenstaande manier is een mogelijkheid die we in eerste

instantie prefereerden. Echter we hebben een

microcomputer tot onze beschikking waarmee we een

software-oplossing gerealiseerd hebben. Uiteindelijk is

gebleken dat de software-oplossing eenvoudiger is en

tevens eenvoudig te wijzigen. Het programma voor het

(19)

2.4 De Digitaal Analooq Convertor CD.A.C.)

pag. 16

De digitale uitgangen van de 8-bit snelheidsteller

moeten worden omgezet in een analoge spanning tussen +10

V en -10 V voor het voeden van de motor. Dit is gedaan

d.m.v. de AD DAC-08-E. Het schema met de bijbehorende

lay-outs zijn gegeven in bijlage D.

De belangrijkste eigenschappen van de DAC

gegeven in de volgende tabel:

gebruikstemperatuur: 0 tot +70 graad Celsius

dissipatie: 500 mW

settling time: 85 nsec. bij I-ref

₌

2 mA

I-ref output: 5 mA

logic input level " 1 " ) +2,0 V

logic input level "0"

_<

+0,8 V

voedingsspanning V-cc +4,5 tot +18 V

voedingsspanning V-ee -4,5 tot -18 V

zijn

Het is een vervanger voor de industrieele DAC-08.

Op vrij eenvoudige manier kan men de volgende spanningen

uit de DAC verkrij~en met stappen van 80 mY.

schaal b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 bO u-uit

pos. volle schaal 1 1 1 1 1 1 1 1 +10,00 V

pos. volle schaal-lsb1 1 1 1 1 1 1 0 +9,92 V

nul schaal +lsb 1

o

0 0 0 0 0 1 +0, 16 V

nul schaal 1

o

0 0 0 0 0 0 +0,08 V

nul schaal -lsb 0 1 1 1 1 1 1 1 0,00 V

neg. volle schaal+lsbO

o

0 0 0 0 0 1 -9,84 V

neg. volle schaal 0

o

0 0 0 0 0 0 -9,92 V

De uitgang van de DAC heeft een hoge impedantie en

moet gebufferd worden met een versterker, geschakeld als

spanningsvolger. Dit is gedaan met de AM-452. De

gewenste uitgangsspanning van +10 V tot -10 V kan worden

ingesteld m.b.v. de terugkoppelweerstand. De offset

wordt ingesteld door aIle digitale ingangen logisch "0" te maken (0,0 tot +0,8 V) en daarna de offset te regelen

tot negatieve volle schaaluitslag. Voor de gain

instelling moeten aIle digitale ingangen "1" worden

gemaakt (+2,0 tot +5,5 V) en daarna de gain ingesteld

(20)

2.5 De voedinq

Ret schema van de voeding is gegeven in bijlage E.

De voeding is voorzien van een reset- en

noodstopschakeling voor de beveiliging. De ventilator is

toegepast om de versterkers geforceerd te kunnen koelen.

De voeding bestaat uit twee in driehoek-ster

geschakelde transformatoren van 380 V naar 10,7 V. Het

schijnbaar vermogen bedraagt 460 VA. In ons geval zijn

twee transformatoren noodzakelijk omdat de versterkers

een positieve en een negatieve spanning van 24 V nodig

hebben. De driehoek-ster transformatie heeft in ons

geval verder geen functie. De wisselspanningen van de

transformatoren worden gelijkgericht via een tweetal

driefasendiodebruggen die dubbelzijdig afvlakken. De

gebruikte diodes zijn de BDY 22 en BDY 23. Ret verschil

tussen deze diodes is de bevestiging op de koelplaat wat

met de anode of de kathode van de diode kan gebeuren. Er

ontstaat dan een gemeenschappelijke anode- of kathode

schakeling. Na afvlakking d.m.v. condensatoren ontstaat

een gelijkspanning met een kleine rimpel (0,25 V) die

niet van invloed is op de uitgang van de versterker. 2.6 De versterkers

Voor de aansturing van

vermogensversterkers gebruikt eigenschappen: de met servomotor zijn de volgende Voedingsspanningen: + en - 24 V Closed loop gain: ~ 1,3 x (spanning) Maximale uitgangsspanning: + en - 17 V Maximale uitgangsstroom: + en - 30 A Bandbreedte klein signaal: 120 kHz Bandbreedte vol vermogen: 75 kHz

Dynamisch gedrag: nagenoeg eerste orde systeem

Ingang: semi differentiaal

Rejectie factor bij 50 Hz:

>

100

(21)

DE OPZET VAN DE REGELING pag. 18 een X- en Omdat vallen ze aansturing voor verwezenlijken. aanwezig waren, verslag.

een Y- richting te kunnen

de vermogensversterkers reeds

(22)

DE MICROCOMPUTER

3. DE MICROCOMPUTER

paq. 19

Voor de besturing is gebruik gemaakt van een ter

beschikking staande 8-bit microcomputer. Het schema is

gegeven in 3 figuren in bijlage F, te weten:

fig. 1 : Schematic block diagram

fig. 2a: C.P.U.

fig. 2b: Memory

fig. 2c: Serial I/O, timer, interrupt controller

fig. 2d: Parallel I/O

fig. 2e: Keyboard/display

fig. 3 : Keyboard/display board

3.1 De microcomputer-print

De gebruikte microcomputer-print is een op

INTEL-componenten gebaseerde single board computer

(S.B.C.) die op de THE is ontwikkeld. Dit is gedaan

door de afdeling Electrotechniek in opdracht van, en in

samenwerking met de afdeling Werktuigbouwkunde. De

afkorting die op de THE gebruikt wordt voor deze

microcomputer is E.W.M.C. wat staat voor Electrotechniek

Werktuigbouwkunde Microcomputer. De S.B.C. gegeven door

figuur 1 in bijlage F bestaat uit de volgende

belangrijkste onderdelen:

8085-microprocessor (C.P.U.)

geheugen IC's 2716 of 2732 (EPROM)

geheugen IC's 8185 (RAM)

serial I/O interface, twee maal 8251

(23)

DE MICROCOMPUTER

programmeerbare timer 8253

programmeerbare interrupt controller 8259

keyboard/display controller 8279

pag. 20

De INTEL B085-microprocessor is een 8-bit C.P.D ..

De instructieset is bijna volledig (de BOB5 bezit extra

RIM en SIM instructies) uitwisselbaar met de

BOBO-microprocessor. Het voordeel van de 8085 t.o.v. de

80BO is de hogere systeemsnelheid. De 80B5 heeft 5

interrupt ingangen: INTR, RST5.5, RST6.5, RST7.5, en

TRAP. De laatste vier zijn via jumpers op de interrupt

matrix verbonden. De INTR-ingang is een interrupt

afkomstig van de interrupt controller (8259). De

adreslijnen worden gebruikt voor de selectie van een

geheugenplaats of I/O interface, die memory-mapped is

georganiseerd. Bij deze processor is een standaard

kristal-oscillator met een frequentie van 6,144 MHz als

klok gebruikt.

Het geheugen van de microcomputer bestaat uit RAM en

ROM. Het RAM-gedeelte heeft een capaciteit van 8k-bytes

en is opgebouwd uit acht 8185-IC's. Het ROM-gedeelte

bevat twee 2716 (in totaal 4k-bytes) of twee 2732-IC's

(in totaal 8k-bytes). De verschillende capaciteiten zijn

beschikbaar door een aantal jumpers op het board te

veranderen. De selectie van zowel het RAM- als

ROM-gedeelte vindt plaats door Chip-Select lijnen (CS) en Read/Write lijnen (R/W).

Om het RAM-, ROM- en I/O-gedeelte op de juiste manier te

selecteren worden bit A14 en A13 van het adres gebruikt. Het selecteren gebeurt dan als voIgt:

A14

o

1 1 A13

o

1

o

1 groep-selectie ROM RAM Input-Output niet gebruikt

Binnen de ROM-adresruimte wordt bit A12 gebruikt om

een van de twee 2732 IC's te selecteren, terwijl bit A11 gebruikt wordt om een van de twee 2716 IC's te selecteren

waarbij CSO en CS1 op nul actief zijn. De 8 RAM IC's van

elk 1k geheugen (8185) worden geselecteerd met bit A12,

A11 en A10 die tesamen acht mogelijkheden vormen.

UiteindeIijk ontstaat dan voor het geheugengedeelte

(24)

DE MICROCOMPUTER pag. 21 adres 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 0000 1000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0001 0000 0000 0000 0001 1111 1111 1111 0010 0000 0000 0000 0010 0011 1111 1111 0010 0100 0000 0000 0010 0111 1111 1111 0010 1000 0000 0000 0010 1011 1111 1111 0010 1101 0000 0000 00 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0000 07FF 0800 OFFF 0000 OFFF 1000 1FFF 2000 23FF 2400 27FF 2800 2BFF 2COO 3FFF geheugen 2716-0 2716-1 2732-0 2732-1 8185-0 8185-1 8185-2 8185-3 tot 7

Voor de communicatie met terminal en PR1ME wordt

gebruik gemaakt van twee seriele I/O-poorten (8251). Met

jumpers is het mogelijk om de gewenste

transmissiesnelheid te kiezen. Deze frequentie is

afgeleid van de timer (8253) die drie programmeerbare

uitgangen heeft. Een snelle manier om gegevens uit te

wisselen is mogelijk door parallelle I/O toe te passen,

wat mogelijk is via twee parallelle I/O-poorten (8255).

De interrupt-controller (8259) zorgt voor het

oplossen van prioriteitsproblemen van interrupts en biedt

aan de microcomputer het adres van de interrupt routine

aan. Bij ontvangst van een interrupt onderbreekt de

processor zijn programma en werkt de betreffende

interrupt routine af. Hierna keert de processor weer

terug naar de plaats in het programma waar hij werd

onderbroken.

De keyboard-display controller geeft de mogelijkheid

tot het verbinden van het keyboard/display board. Dit

board zorgt dat met simpele commando's en data's de

computer getest kan worden op zijn resultaten.

(25)

DE MICROCOMPUTER pag. 22

De volledige adressen van de genoemde delen zijn nu als

volgt: 4000 -Data 4001 -Status, Control 4010 -Data 4011 -Status, Control 4020 -Poort A ( 1 ) 4021 -Poort B (2 ) 4022 -Poort C ( 3 ) 4023 -Control word 4030 -Poort A (4) 4031 -Poort B (5) 4032 -Poort C (6) 4033 -Control word 4040 4041 4050 -Counter 0 4051 -Counter 1 4052 -Counter 2 4053 -Mode 8251 - 0 8251 - 1 8255 - 0 8255 - 1 8259 8253 4060 -Data 8279 4061 -Command, Status

Door de Centraal Technische Dienst (C.T.D.) is een

printje ontwikkeld met 6 DIP-schwitches, dat op

eenvoudige wijze op de E.W.M.C.-print gemonteerd kan

worden. Dit is een bootstrap schakeling die zorgt voor

het opstarten van de microprocessor. De schakelaars

hebben de volgende betekenis:

schakelaar open: bit=O

schakelaar dicht: bit=1

b5 b4 b3 b2 b1 bO initialisatie baud rate

0 0 0 0 0 0 monitor KO=K1 extern

0 0 0 0 0 1 user 1 KO=K1 extern

0 0 0 0 1 0 user 2 KO=K1 extern

0 0 0 1 user 2 KO=4*K1 extern

0 0 1 9600 0 1 0 4800 0 1 1 2400 1 0 0 1200 1 0 1 600 1 1 0 300 1 1 1 110

(26)

DE MICROCOMPUTER pag. 23

De verhouding 4:1 ~s noodzakelijk om te communiceren met

de PR1ME.

3.2 Het werken met de microcomputer

Het geheugen heeft maximaal 8k-bytes in EPROM en ook

8k-bytes in RAM. Het is mogelijk om in EPROM het gehele

regelprogramma op te nemen en de variabelen in RAM te

plaatsen. Hierdoor kan de machine zonder lange opstart

procedures gebruikt worden. Tijdens de testfase bevatten

de EPROM's cen "monitor"-programma, dat eenvoudige

communicatie met de microcomputer mogelijk maakt. Met

deze "monitor" kan de inhoud van geheugenplaatsen gelezen

en gewijzigd worden, kunnen programma's ingelezen en

gestart worden.

De twee seriele communicatie-kanalen worden gebruikt

voor het aansluiten van een gebruikers terminal

(beeldscherm met toetsenbord) en voor communicatie met de

PR1ME. De PR1ME is de minicomputer van de afdeling

Werktuigbouwkunde van de THE. Op deze minicomputer staat

een programma ter beschikking voor het ontwikkelen van

machinetaal programma's en voor het simuleren van de

ontwikkelde software (8085 Assembler en Simulator). De

met dit programma (MICROSIM) ontwikkelde software wordt

dan in RAM geladen via het tweede seriele

communicatie-kanaal.

Indien de aldus ontwikkelde en

geteste software voldoet, kan deze

worden en staat altijd ter beschikking

Hiervoor wordt een INTEL MDS 236

gebruikt.

in de praktijk

in EPROM geplaatst van de gebruiker.

(27)

4. DE SOFTWARE

DE SOFTWARE paq. 24

Met de microcomputer is het mogelijk om op vrij

eenvoudige W1]Ze een programma te maken voor het

genereren van de load- en resetsignalen die nodig zijn

voor de bepaling van de snelheid van de motor.

Voorafgaand aan de generering van de pulsen is een

initialisatie van de verschillende onderdelen van de

microcomputer nodig. De pulsen zijn gegeven in figuur 8

op pagina14. Het initialiseren van de timer, poorten en

interrupt controller wordt gedaan in het programma TIM.

In de timer (8253) wordt gebruik gemaakt van counter Odie geinitialiseerd moet worden in mode 3, waardoor een

blokvormig signaal ontstaat. De initialisatie wordt

gerealiseerd door het hexadecimale getal 36 te sturen

naar TIMCNT.IOSEG

+

3, wat gelijk is aan adres 4053. De

periodetijd die geprogrammeerd moet worden is 26 usec.

groter dan de gekozen 500 usec., omdat het genereren van

de load- en resetpuls 26 usec. duurt (t set-up). De

timer heeft een frequentie van 1,536 MHz, wat een kwart

is van de frequentie van de microprocessor. Om een

periodetijd van 526 usec. te maken is het nodig om de

klokfrequentie te delen door het decimale getal 808. Dit

getal is als voIgt berekend:

1,536 EE+6

*

526 EE-6

=

808.

In totaal moeten er 6 poorten geinitialiseerd

worden. Dit Z1]n de poorten 1 tim 6 van de twee 8255

IC's. Van IC 8255-0 worden poort 1 en poort2 als uitgang

geprogrammeerd en poort 3 als uitgang voor bit 4 tim 7 en

als ingang voor bit 0 tim 3. Dit wordt gedaan door het

hexadecimale getal 81. IC 8255-1 wordt helemaal als

ingang geprogrammeerd door het hexadecimale getal 9B. Op

de poorten komen nu de volgende signalen.

Poort 1 bit 0

-

7 snelheid uit

Poort 2 bit 0

-

7 vrij

Poort 3 bit 0

-

3 carry _I borrow

Poort 3 bit 4

-

7 _{load / reset}

Poort 4 bit 0

-

7 snelheid in

Poort 5 bit 0

-

7 positie in

(28)

pE SOFTWARE pag. 25

De poorten die als uitgangen zijn

geinitialiseerd moeten worden gebufferd door een 74LS08,

terwijl de poorten die als ingang z~Jn geinitialiseerd

van een pull-up weerstand moeten worden voorzien. Dit

moet gebeuren op de plaatsen A26 tim A37 van figuur 2d in

bijlage F. De pull-up weerstanden zorgen ervoor dat de

ingangen altijd gedefinieerd blijven.

Als laatste dient de interrupt-controller nog

geinitialiseerd te worden. Dit wordt gedaan door het

hexadecimale getal FE te sturen naar de

interrupt-controller. Van de interrupt-controller wordt

zo aIleen interrupt 0 toegelaten. In het programma wordt

dit getal geschreven als OFEH omdat voor de computer een

hexadecimaal getal nooit met een letter mag beginnen.

Uiteindelijk komt het programma in een loop waar wordt

gewacht op deze interrupt. Het programma TIM wordt

gegeven op pagina 26.

Wordt nu een interrupt ontvangen, dan kan worden

begonnen aan de subroutine INT die is weergegeven op

pagina 27. Het sprongadres van deze subroutine is 3C2A.

Op de stack wordt nu de programmatellerstand bewaard. De

load- en resetpulsen worden gegenereerd op poort 3 van de

8255-0. De loadpuls komt op pin 24 en de resetpuls op

pin 22 van connector

o.

Een load wordt gemaakt door bit

4 een te maken en een resetpuls door bit 5 een te maken.

Op deze manier wordt een load en reset gemaakt door de

hexadecimale getallen 10 en 20.

Om de snelheid geschikt te maken om aan de DAC te

worden toegevoerd moet er softwarematig 80H bij de

ingangssnelheid opgeteld worden. Zodoende veranderen de

ingangswaardecombinaties van 0 tot 255 in -128 tot +127,

wat het gewenste spanningsbereik voor de motor oplevert.

De oorspronkelijke digitale ingangswaarden worden omgezet

in een zevental combinaties voor de snelheid en een bit

(bit 8) voor de draairichting van de motor te bepalen.

De uitgangssnelheid komt uit poort 1 van connector O.

Deze poort heeft adres 4020.

Op dit adres kan men via de monitor nu een snelheid

substitueren met het commando >S 4020 FF om de motor met

50 omw/sec. te laten draaien. Met het commando >S 4020

00 kan men de motor met de zelfde snelheid de andere

richting op laten draaien. Met het hexadecimale getal 80

zal de motor tot stilstand komen.

Deze twee programma's moeten nu tesamen met de

(29)

DE SOFTWARE pag. 26

RAM geladen worden. Het laden gebeurt met het commando

*BIN TIM,INT, (STACK), (IOSEG). Na het laden van het

programma kan deze gestart worden door >G 3COO, het

startadres van ons programma.

In een later stadium zullen deze programma's

ingebouwd kunnen worden in de software van de regelaar.

Met dit programma en de gebouwde electronica kunnen nu de

systeemeigenschappen van de open lus bestaande uit

versterker, DAC, motor-tacho combinatie, tellers en

vermenigvuldiger worden bepaald.

i INITIALISATIE POORTEN 0

; INITIALISATIE POORTEN 1

iPERIODETI.JD VAN 526 uSEe.

iSPRONGADRES VOOR INTERRUPT 0

i STARTADRES

iCOUNTER 0 VAN 8253 IN MODE 3

NOP .JMP LOOP RET LOOP: J

* *.Jt*****

*iHS

**** * *********************

• FUNCTION: TIM • INPUT: NONE i OUTPUT: NONE iDESTROYS: NOTHING iCALLS: NOTHING

iDESCRIPTION: TIM INITIALIZES THE TIMER. I/O PORTS

AND INTERRUPT CONTROLLER

i*****************************************************

CONTRO EGU 81H

CONTRl EGU 9BH

ORG 3COOH

MVI A.36H

STA TIMCNT. IOSEG+3

LXI H.80a

MOV A.L

STA TIMCNT. IOSEG

MOV A.B

STA TIMCNT. IOSEG

MVI A.CONTRO

STA PARCOC. IOSEG

MVI A.CONTRl

STA PARCIC. IOSEQ

LXI H. INT. INT

SHLD IOAD.STACK+l

LX!- -. H. INTCON. ICEEG+l

MVI ~.OFEH i INTERRUPT 0 WORDT GEBRUIKT

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100

(30)

DE SOFTWARE pag. 27

iSNELHEID IN OP POORT lA iSNELHEID UIT OP POORT OA

iLOAD SIGN OP PIN 24 VAN POORT OC

.

iRESET SIGN OP PIN 22 VAN POORT OC

i******************************************************

****

i FUNCTION: INT iINPUT: SPEED IN iOUTPUT: SPEED OUT iCALLS: NOTHING iDESTROYS: NOTHING

iDESCRIPTION: THIS PROGRAM GENERAlES LOAD AND RESET PULSES

i******************************************************

****

LOAD EGU lOB

PAUSE EGU OOH

RESET EGU 20H

EOI EGU 20H

INT: MVI A,LOAD

STA PARC02. IOSEG

MVI A,PAUSE

STA PARC02. IOSEG

!"tV I A,RESET

STA PARC02. IOSEG

MVI A,PAUSE

STA PARC02 IOSEG

LDA PARC10. IOSEG

ADI 80H

STA PARCOO. IOSEG

!"tV I A,EOI

STA .INTCON. IOSEG

EI REl 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

(31)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR

5. HET BEPALEN VAN DE SYSTEEMEIGENSCHAPPEN

REGELAAR

5.1 Het bepalen van de systeemeigenschappen

pag.

EN

28

DE

Om de eigenschappen van het totale systeem met zowel

een flexibele als starre koppeling te bepalen is het

belangrijk van te voren iets te weten over de

eigenschappen van de motor.

5.1.1 Het gedrag van de motor

De eigenschappen van de motor z~Jn gegeven in

bijlage A. Voor het afgegeven koppel van de motor geldt

de volgende vergelijking:

T

=

M.Is.Ir

=

k.Ir

Hierin is: Ir

=

rotorstroom, Is

=

statorstroom en M

= het draaimoment. Tevens geldt voor de motor de

volgende spanningsvergelijking:

w.Is.M = w.k = Ua - Ir.R

Dit kan geschreven worden als:

T

=

(Ua.k)/R - (w.k~)/R

Deze formule geeft de statische motorvergelijking

die bepaald kan worden uit figuur 10. Tevens is de

grafische voorstelling van deze formule gegeven.

T

w

fig. 10: De schematische voorstelling van de motor

en de grafische voorstelling van de statische

(32)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 29

Het dynamische gedrag van de

worden door het afgegeven koppel

traagheid J. De vergelijking luidt:

•

T

=

J.w

motor kan bekeken

T te leveren aan een

Dit ingevuld in de statische vergelijking geeft:

•

w.k + {w.J.R)/k = Ua

Deze lineaire differentiaalvergelijking van de

eerste orde is eenvoudig op te lossen. De oplossing van

de gereduceerde D.V. luidt:

w

=

wO exp[

-tit]

waarbij[= (J.R)/k

Als Ua een sprongfunctie is, dan wordt de algemene

oplossing:

w = Ua/k ( 1 - exp[

-tit])

uit: Het vervangingsschema van de motor ziet er als voigt

J fig. To' Ua.k R 11:

I-I...---.J.--...l----il

Het vervangingsschema van de motor.

We kunnen uit dit alles concluderen dat de motor te

beschouwen is als een eerste-orde systeem.

5.1.2 Bepaling van de tiidconstante van de open Ius

met een flexibele en een starre koppeling

De bepaling van deze tijdconstanten is noodzakelijk

om in een later stadium een bekende 't' in het

regelprogramma in te kunnen voeren, zodat de

karakteristiek van de motor-tacho combinatie wordt

verbeterd. De koppeling tussen de motor en de pulsgever

is van groot belang voor een juiste en snelle verwerking

van de snelheid en positie van de as, waardoor een

(33)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR paq. 30

De versterker heeft een grote bandbreedte, waardoor

de tijdconstante van dit nagenoeg eerste orde systeem

geen invloed heeft. Het element dat nog enige invloed

heeft op de tijdconstante is de pulsgever, die door de

massa-traagheid van de as de totale tijdconstante zal

vergroten. We verwachten dat de tijdconstante van de

combinatie met starre koppeling kleiner zal zijn dan die

van de combinatie met flexibele koppeling, omdat de

eerstgenoemde een kleinere massa aan de as heeft en dus

sneller op toeren zal zijn. Uit dit alles mogen we

aannemen dat de totale tijdconstante van de open Ius de

tijdconstante van de motor-tacho combinatie is.

De totale tijdconstante van de open Ius (dus van de

ingang van de versterker tot en met uitgang van de DAC)

wordt bepaald door een blokspanning op de ingang van de

versterker te zetten en de responsie van deze

blokspanning op de uitgang van de DAC te meten met een

oscilloscoop. De frequentie van de blokspanning is

kleiner dan 5 Hz. omdat anders de motor niet zijn

maximale toerental bereikt, waardoor de uitgangsspanning

van DAC niet de maximale waarde van de blokspanning kan

bereiken. Het spanningsniveau van de blokgolf moet zich

tussen 0 en +10 V bevinden, omdat deze waarden

overeenkomen met het aan laten lopen van de motor naar

het maximale toerental van 3000 omw./min ..

Tijdens het onderzoek is de schijf met 1000

opgedampte lijnen van de combinatie met starre koppeling

defect geraakt en vervangen door een nieuwe schijf.

Echter de kwaliteit van deze nieuwe schijf is wat minder

dan de oorspronkelijke schijf. Bij eventueel optredende

gebreken in een later stadium van het project moet men

dan ook rekening houden met de kwaliteit van deze schijf.

De tijdconstante is bepaaid door een raaklijn te

trekken langs de kromme en bij het snijpunt van deze

raaklijn met de stapfunctie de tijd af te lezen. Op deze

manier is voor de combinatie met starre koppeling een

tijdconstante gevonden van 26 msec. en voor de

combinatie met flexibele koppeling van 23 msec.

gevonden. Uit deze metingen blijkt dat het verwachte

verschil tussen de flexibele en starre koppeling niet

aanwezig is. Kortom een tegenstelling tussen wat blijkt

(34)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 31 T1JD (msec)

-30 20 10 o SPRONG 10 V - - - -1-- ; r - - - -/ ~ t / 1/ I flexibel / ) , / ,/ I I / /

,

"

/ / / /

"

/ /

"

" :% /.

fig. 12: De tijdconstante van de combinatie met

flexibele en starre koppeling.

'Het blijkt zelfs dat de combinatie met de flexibele

~ppeling een kleinere tijdconstante heeft dan de

,/combinatie met de starre koppeling. De verklaring

hiervoor is te vinden in het feit dat bij het aanlopen

van de combinatie met flexibele koppeling het stukje

persslang kan torderen. Dit heeft tot gevolg dat de

aanloop van de combinatie in het begin iets langzamer is, maar met een steilere flank zal toenemen.

5.2 De invloed

tijdconstante van het traagheismoment

op de

Om een verandering van het traagheidsmoment te

realiseren is een massa in de vorm van een schijf op de

as aangebracht. De traagheid van de motor is opgegeven

als 260 gr.cm2. Als experiment willen we de totale

massatraagheid een factor 4 vergroten. De traagheid van

een schijf is gegeven door de formule: Jschijf

=

O,5.m.r~

(35)

waarbij m

=

de massa van de schijf en r

=

de straal

van de schijf. Door een schijf van messing

Cp= 8,5

gr./cm3) te maken volgens de afmetingen van figuur 13

ontstaat de gewenste massatraagheid. De flens op de

schijf is noodzakelijk om de schijf via een spie op de as te monteren. 1

l_60

~J

3 +-1---+-MATEN IN MM

60

~ D_a

fig. 13: De afmetingen van de schijf.

De berekening van de massatraagheid loopt nu als

voIgt: Jschijf

=

Ja + Jb -Jc waarbij: 2-m.

=

1(. •r a mb

=

~

.

r'o2. me

= '\\. .

_re2. .d1·f

=

.d2.~

=

.d3.p

=

168,2 gram 24,0 gram 6,8 gram Hieruit voIgt dat:

Jschijf

=

768,5 gr.cm2

Als nu de tijdconstante van de motor en schijf op

eenzelfde manier als in de voorgaande paragraaf wordt

bepaaId, dan bIijkt deze voor de starre koppeling 77

msec. te bedragen en voor de flexibele koppeling 50

(36)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR paq. 33

aannemelijk, omdat de

tijdconstanten en de

Zl]n. Uit dit alles

oscilloscoop betrouwbaar

Deze tijdconstanten zijn

verhoudingen van de gevonden

massatraagheden ongeveer gelijk

blijkt dat de metingen met de

zijn. TIJD (msec,) 80 60 40 20 o SPRONG 10 V - - - -:1' - - - -;;;(- - - -~-:.-::-;:-~...-_--/

""

/ / : Ilexibel' "" I

/

",/

I

/ / ,"" I / /. I ~

,

# I I I I I I I fig. 14: flexibele en massatraagheid. De tijdconstante van starre koppeling de combinatie met en verhoogde

5.3 Het bepalen van de dynamische overdracht m.b.v. Fourier Transform

Fast

Naast het meten van de bestaat ook de mogelijkheid systeem te bepalen m.b.v. gebaseerde analyser.

responsie met de oscilloscoop

om de overdracht van het

een op Fast Fourier Transform

In onze toepassing wordt de analyser gebruikt om de

overdracht van de vaste en flexibele koppeling in de open

Ius te bepalen. Hiervoor wordt aan de ingang van de

versterker een gedefinieerd ruissignaal van 4 Vtt

gesuperponeerd op een gelijkspanning van resp. +5, 0 en

-5 V. Dit wordt gerealiseerd d.m.v. een optelschakeling

m.b.v. een opamp. De gelijkspanning met de daarop

gesuperponeerde rUlS is nodig om eventuele

borstelweerstand van de motor te elimineren. Het signaal doorloopt de totale open Ius van versterker tot en met de DAC, waarna het wordt toegevoerd aan de ingang van een op

(37)

Het voert te ver am aIle metingen en procedures te

behandelen die nodig zijn am de uiteindelijke

bodediagrammen te verkrijgen. Met deze metingen kunnen

we de door ons gevonden resultaten vergelijken.

De bodediagrammen zijn gegeven op volgende pagina's. Ze zijn als voIgt genummerd:

nummer aard koppeling U=

R#s 4 flexibel zander J 0 V R#s 5 _" _" 0 V R#s 6 " " +5 V R#s 7 _" " +5 V R#s 8 " " -5 V R#s 9 _" _" -5 V R#s 10 flexibel met J -5 V R#s 1 1 " " +5 V R#s 12 _" _" 0 V R#s 13 star zander J 0 V R#s 14 _"

_"

+5 V R#s 15 _" " -5 V R#s 16 star met J 0 V R#s 17 _" II ₊₅ V R#s 18 _" -5 V

(38)

TRANS _R'. 4 _'A. 100 EXPAND

0.0

-~---

-

. -_"

--

_..._"... LGMAG

-08

--40.000 I _I _I 100. 00 III LG HZ 10. 000 TRANS _R'. 4 IA. 100

lae.

00

I

li·--v...

\I

·,~~ PHASE

\

I

\I

I iII II

I

Ii

\

1

"

_II

\

i '! I -180. 00

lee.

00 III LG HZ 10.000 EXPAND IA. 100

5 R'.

LGMAG DB -40.000 5. 0000 LG HZ 100. 00

TRANS RI. 5 IA. 100

180.00

._----'""'~ PHASE "',,\j~_"",

_....

\ .

".

-180.1210 5.0000 LG HZ 100.1210 TRANS 0.0

(39)

EXPAND

'A_ 100

7 R'.

TRANS

1m. _

--,.0:;:---,

LGMAG

DB

-ss. -

-Ir---~--~---__,--~---I 1m.000

LG HZ

'A_

109

100.90

m

TRANS

RI.

7

180. 00 .,-

'""""'==============__---,

-PHASE

-180. 00

...Ir---...

--...---r--~---I ' I ' I

100. 00

m

LG HZ

1m.000

EXPAND

'A.

100

6 R'.

LGMAG

DB

-ss.

000 ...----.,..----r---~--~----.-..~

TRANS

1m. 000 --..:::: ...,

LG HZ

'A.

190

6 S.0000

TRANS

R'.

180.09~---___,

PHASE

-180. mJ ...

----.,..----r---r---~---I

s.

0000

LG HZ

(40)

EXPAND

ilAi 100

9 Ria

LGMAG

DB

TRANS 18. 800

- - . o l : ' - - - ,

EXPAND ilAa 100 8 Rila

LGMAG

DB

-30.

000 ~---r---_._---___,r__-_'"T-.L..o.'~~~ TRANS 18.

- - - r o : : : : - - - ,

100. 00

LG HZ

ilAa 100 8 5.0000 TRANS Rila 180. 00 --,... ~ PHASE / / -188. 00 --'---r----.---___,r__-_'"T---~

LG HZ

100. 00

(41)

EXPAND

'Aa

IBB

Ria

1S

TRANS

1 " - 0 8 8 _ - - - ,

LGMAG

DB

-3L088

1BB. m1

1ft

LG HZ

ULBBB

TRANS

Ria

lS

'A,

Im1

188. BB

:V

-

_~M;~1li

PHASE

--lea.

m1

I • I 108. BB ..

LG HZ

10. m1B

EXPAND

'A,

lm1

Ria

11 LGMAG

DB

TRANS

10. 880....,...;:

---,

(42)

EXPAND

IA. 168

RI.

12 LGMAG

DB

-4ra. 088 - ' r - - - r - - - . . , . - - - . , r - - - r - - - I

TRANS

8.0 18.

eee

LG HZ

'A,

180

PHASE

um.

S8 III

TRANS

RI.

12

188.

Be

....,---i"'==::;---=-r-....,...~'.l:::::;-""=t-~~:-:.""':v.:::~::=-:-

..rv-""-."..,,-....- - - ,

\

/1

\

I

\i

-. \ J I 1 I

\

I

I i

\

/

.

\I \

i

\\\

II

II•

I

j

Ii

1/ ! I ill -188. 88 -ir-_ _... .,..-I.-.l.-_-r-'=L~J_ - - . . il! ...,-_ _.,..-_ _- - - - '

UJ8.. 80

II

LG HZ

18. 080

(43)

EXPAND

f#AI

108 LGHZ

Y.-12.852

Ria 4

lE. 00

III

LGMAG

DB

-40. 800 O - + - - - r - - - . . . - - - , - - - , . - - " - - -...

XI 17.285

TRANS

8.0 EXPAND

f#A.

100 LG HZ

_I

Y:-22.847

Rft 12

LGMAG

DB

-40. 000

o-+---p----..,.---,---r--....l-...

X.18.222

TRANS

8.8

(44)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 41 EXPAND Y:-1.7866 R#t

7 LGMAG

DB

-30. _

- + - - .,--_--...- --r-...L.-_...--_ _- - - ' XI6. 5450

TRANS

18. _ _- - - . . . , - - - . . ,

1&80

III

LG HZ

EXPAND fl.A. 100 YI-2. 8384

RII

11 LGMAG

DB

-30. 008

...l,---..--_ ___.--...

- - - - . - - - r - - - , - - - - J XI 1.9111

TRANS

18. 0 8 8 - - r - - - -...- - - .

108. 00 III

LG HZ

(45)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 42 EXPAND fJlu

1.

Y,-2. 2844 RIt 9

-31. _

-lr---r---..,...---.-~___r---...I X, 6. 8129 TRANS

18.

fJ80

....-,r---r---.

100.08 •

LG HZ

18.808 EXPAND

flu 100 Y.-3.5978

LGMAG

DB

-38.

S00 -+---....,.---~--....l---.--__r---1 X:2. 1484 TRANS

1L08S-r-

,.--

---,

LG HZ

(46)

TRANS

Rill 13

,,...

1al

EXPAND

18.000

-LGMAG

:V

~ ...

DB

--38. 800 I I 188. 00 III

LG HZ

18.8a1

TRANS

Rill 13

fl.A.

188

180. 00

PHASE

-180. 08 -+---.,.---,r---~--_r_---I

(47)

EXPAND

R#t

14 TRANS

UL_...,.;:"

---,

EXPAND

*A.

100 R#t

15 TRANS

US. 80Z --..::

---,

LGMAG

DB

-30.

mm

-+---~-___.---__r_--_.___---I

UL008

LG HZ

*A.

1821

1. . 00 at

TRANS

R#t

15

180.00~---__r

PHASE

//---\---188.

88

- + - - - y - - - - , - - - , , - - - r - - - '

188.88

at

LG HZ

18.

800

(48)

EXPAND

RIa

16

TRANS

11.

mm....,..

---.

LGMAG

DB

-30._

108. 88

lit

LG HZ

18. 80S

TRANS

RIJ

16

fAa

188

180.

III

-PHASE

--:---

...

--188. III

_,

I

,

I

(49)

EXPAND

RIa

17

-3Lmm

100. 80 II

LG HZ

la.mm

TRANS

Ria

17

'A,

um

188. 8B

PHASE

.~

--un

08 I _I • _I 188. 80 II

LGHZ

HLSOO

TRANS

18. 808...,...

~ EXPAND lA, 180 Ria 18

LGMAG

DB

TRANS

1a._~---~

LG HZ

,At

100 I I _I

LG HZ

18.000

(50)

EXPAND

Y: -12. 101 Ria 13

-30.

8mJ -Ir---....---....---.,----r-...J.---l X: 13.240

TRANS

10. iJ00--r---r---,

100- 00

II

LG HZ

EXPAND

"A.

100

Y: -14.166 Ria 16

LGMAG

DB

-30. 000

- + - - - . , . . . - - - . , . . . - - - + - - - , - - - 1 X: 5.1758

TRANS

10. mm

----r---r---,

um.00

1ft

LG HZ

10.003

(51)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 48 EXPAND

flAa

1BB

Y:-2.727~ Ria 14 X.6.~~16

TRANS

is.. -

~---..,..-oooo:---"---r

LGMAG

DB

-31.

moo

-+---.,.---,r---,--'----r---um.BB •

LG HZ

EXPAND

Y:-2.7371

Ria 17

L~

-38.

mm

~---r--~r__-...I-.---__r_--~---J

x.

1.836~ TRANS lO'_'"""T"" ...- ----,

100.00

IIf

LG HZ

(52)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag . 49

EXPAND

f.1u

um

. YI ':'2. 6067

RIt

15 LGMo1f

XIS.7012

TRANS

10. -

- - r - - - , - - - ,

. -30.

mm

-lr---.,...--...---..,...J---r---l

lim. 88

II

LG HZ

EXPAND

IA.

108

Ya -3.0193

RIt

18 LGMAG

DB

-3S.

080 -+---,.----....,---J,---r----r---I XI2. 0642

TRANS

18. mm

--r---r---,

lim. 00

II

LG HZ

UL300

(53)

Uit de bodediagrammen op pagina 40, 41 , 42 en 47,

48, 49 is direct de tijdconstante van de verschillende

koppelingen met de verschillende massatraagheden te

bepalen. Ze zien er als volgt uit:

pag. aard koppeling freq. 3dB-punt t = 1/2.'1(. f

40 flexibel zonder J 17,285 Hz 9,21 msec.

40 flexibel met J 18,222 Hz 8,73 msec.

41 flexibel met J 1,9111 Hz 83,3 msec.

42 flexibel met J 2,1484 Hz 74, 1 msec.

47 star zonder J 13,240 Hz 12,0 msec.

47 star met J 5,1758 Hz 30, 1 msec.

48 star met J 1,8360 Hz 86,7 msec.

49 star met J 2,0642 Hz 77, 1 msec.

Opgemerkt kan worden dat uit de metingen op pagina 40 en

47 vrij moeilijk een tijdconstante bepaald kan worden.

De waarden die bij deze pagina's staan zijn dan ook vrij

onbetrouwbaar. Uit de gegevens blijkt geen

noemenswaardig verschil met de door ons gemeten

tijdconstanten. Met deze gevonden waarden kennen we de

overdracht van de open lus met de verschillende

koppelingen en massatraagheden. We kunnen de open lus

benaderen als zijnde een eerste-orde systeem met

bovengenoemde tijdconstanten.

5.4 Het sluiten van de regellus

Nu kan de regellus gesloten worden en kan er een

regelaar ingevoerd worden. Zo ontstaat de binnenste lus

van de regelkring gegeven door figuur 2 op pagina 8.

Hierin moet Hrb een PD-regelaar worden. Om de regellus

te kunnen testen is een tweede DAC gebouwd. Het testen

wordt uitgevoerd volgens het blokschema in figuur 15.

De regellus kan getest worden door het aanbieden van een stap op de eerste DAC en de responsie van het systeem te meten op de tweede DAC.

(54)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR pag. 51 uCOMP DAC DAC SNELH. TELLER U~t fig. regelaar.

15: De regellus voor het testen van de

We verwachten dat onder invloed van de PD-regelaar

de nu bekende karakteristiek van de motor-tacho

combinatie een beter verloop zal verkrijgen. Dit moet

dan vooral bij het aanlopen en afremmen van de motor

gebeuren. Helaas was het door tijdgebrek niet meer

mogelijk om de resultaten van dit onderdeel van het

onderzoek in het verslag op te nemen. In de laatste

paragraaf van dit hoofdstuk zal nog enige aandacht worden

geschonken aan het programma van de te gebruiken

(55)

5.5 De P.I.D.-regelaar

Voor het realiseren van een geregeld proces dient

een element te worden aangebracht, dat de geregelde

grootheid meet. Een ander element dient verder dusdanig

op het systeem in te grijpen dat de gewenste waarde zo

goed mogelijk wordt gehandhaafd. Men noemt dat element

de regelaar. Het meetprobleem is in feite steeds direct

gekoppeld aan het regelprobleem, vandaar ook de veel

gebruikte vakaanduiding meet- en regeltecniek. Het

vergelijken van de gewenste waarde met de gemeten waarde

van het proces wordt terugkoppelen genoemd, de weg

waarlangs dit geschiedt, zie figuur 16, terugkoppeling.

Door de terugkoppeling wordt een zogenaamde automatische

regelkring gevormd. Is een terugkoppeling aanwezig dan

spreekt men van regelen, zonder terugkoppeling is er

sprake van sturen.

GEWENSTE

WAARDE _c

I----~REGELAAR t---:;lI PROCES

GEREGElOE 1---,----::::-- GROOTHEIO

TERUGKOPPEllNG

fig. 16 : Een automatische regelkring.

Het regelen kan discreet gebeuren door de regelaar

om een bepaalde tijd (de sampletijd) de geregelde

grootheid te laten meten. Deze berekent dan een

correctie die in het proces kan worden ingevoerd of aan

de operator kan worden medegedeeld. Omdat het

uitgangssignaal gedigitaliseerd kan worden, kan het

berekenen van de correctie gebeuren door een

microcomputer. + td.(dY/dt)t=T T + 1/tijY(t).dt o yeT) C

=

K .

Er is een programma beschikbaar dat in eerste

instantie is gemaakt door A. Bertens en dat door B.

Cordewener toepasbaar is gemaakt voor onze opdracht, dat

deze correctie kan berekenen. Dit programma is een

P.I.D.-regelaar waaruit verschillende regelaars te

combineren zijn. De uit te rekenen correctie is als

voIgt te schrijven:

(56)

BEPALEN SYST. EIGENSCH. EN REGELAAR paq. 53 V' C

=

K. Y(nT) + 1/tiltS.(Y(jT)+Y(jT-T»/2 +

i-'

td.(Y(nT)-Y(nT-T»/2 hierin is: K

=

proportionele regelconstante, ti

=

integratietijd, td

=

differentiatietijd, ts

=

sampletijd,

n

=

aantal stappen dat genomen is.

Ret programma berekent C, waarbij K,ti, td en ts

door de gebruiker worden bepaald. Rierbij dient te

worden opgemerkt dat ts ~1/10.t is, waarbij t de meest

dominante tijdconstante van het proces is. Ret programma

dat de naam Regel heeft, benodigd een aantal subroutines. Dit zijn:

CMPBD Vergelijkt de registers B en C met D en E. Als B,C

=

D,E dan wordt de zero-flag geset, als B,C

<

D,E wordt de carry-flag geset.

WISSBD Verwisselt registers B en C met D en E.

vaak nodig bij het aftrekken van twee getallen.

Dit is

SET Zet carry op adres adr.-set als dij ADDBD een carry

is opgetereden.

ADDBD Telt registers B en C op bij D en E. Als bij de

optelling een carry optreedt komt die op adres adr.-set.

SUBBO Trekt de registers D en E af van B en C. Ret

resultaat komt in B,C. Voorwaarde is dat B,C

>=

O,E.

AOOEC Telt registers B en C op bij 0 en E volgens de

1-complement methode. Ret resultaat komt in registers 0

en E. Als een carry optreedt staat die op adres

adr.-set.

SUBBEC Trekt registers D en E af van B en C. Ret

resultaat komt in 0 en E en de werking geschiedt volgens de 1-complement methode.

VERM Vermenigvuldigd registers Ben C met 0 en E. Ret

reslltaat komt in D en E. Als het resultaat te groat

De opzet van een digitale motorbesturing