Simulatie van een weerstand, een condensator en een spoel met een operationele versterker en een microprocessor

Simulatie van een weerstand, een condensator en een spoel

met een operationele versterker en een microprocessor

Citation for published version (APA):

Tussenbroek, van, D. E. (1983). Simulatie van een weerstand, een condensator en een spoel met een operationele versterker en een microprocessor. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPB0075). 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.

STI1ULATIE VAN EEN WEERSTAND, EEN CONDENSATOR EN EEN SPOEL NET BEN OPERATIONELE VERSTERKER EN EEN fl1ICROPRqJESSOR

Auteur: D.E. V~~ Tussenbroek

VOOR\100RD

Ret voorliggende rapport is een verslag van m~Jn eerste

stage. Deze stage liep van 1 oktober 1983 tot 1 februari 1984 op de Technische Hogeschool te Eindhoven bij de vakgroep Produktietechnologie en Bedrijfsmechanisatie van de afdeling Werktuigbouwkunde. Ik ben daar werkzaam

geweest in het laboratorium voor Fysische Bewerkingen.

Deze naam dekt de werkz eden van het laboratorium

niet meer en wordt waarschijnlijk veranderd in

laboratorium voor Flexibele Automatisering. Op deze

plaats ZQU ik willen bedanken Ir. C.J. Reuvelman voor

zijn deslrundige e.dviezen, Ir P

.c.

l~Iulders die deze stage mogelijk gem8akt heeft, de beheerder van het laboratorium

G.J. Theuws en H van de .8choot voor hun vele praktische

adviezen en idee~n.Daarnaast beda~~ ik aIle bovengenoemde

mensen voor de prettige sanenwerking.

D.E. van Tussenbroek,

De Technische Hogeschool Eindhoven ;"lerkt mee aan een onderzoek programma op het gebied van Flexibele Automa-tisering en Industriele E(obots (FLAIR). Inhet kader van

dit onderzoek maakt i'1 van de Bersselaar als afstudeer

opdracht een Notor-belastings simulator.

Bij flexibele automatisering wordt veel gebruik gemaakt van motoren die digitaal bestuurd worden. Veelal worden deze motoren continu variabel belast. Om de problemen die daardoor ontstaan te ondervangen moet de besturing flexibel zijn. Dat wil zeggen dat de parameters van het regelsysteem snel moeten kunnen worden aangepast. Denk bijvoorbeeld aan een robotarm die iets ver van zich af

optilt en vlak bij zijn draaipunt neerlegt. V~~r

onder-zoek naar het gedrag van de motor met besturing is een continu variabele belasting nodig.

In dit verslag wordt de voor de simulatie benodigde

elektronica behandeld. Deze elektronica bestaat uit een simulatie van een condensator en een spoel met behulp van operationele versterkers. Deze zijn nodig om

respectivelijk een massatraagheid en een torsie te · simuleren. Daar de operationele versterker niet echt

flexibel wordt voor de definitive uitvoering een

microcomputer gebruikt. De periferie van de micro-computer heaft voor di t cloel aIle benodigde haraJvare zodat slechts de software hoeft te worden aangepast in

INHOUDSOPGAVE

1. Inleiding •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1. 1.1. Algemeen •••••••••••••••••••••••••••••••••• 1.

1.2. Realisatie •••••••••••••••••••••••••••••••• 1. 2. Analogie tussen mechanische en elektrische belasting ••• 3.

2.1. Inleiding ••••••••••••••••••••••••••••••••• ,.

2.2. Massatraagheid •••••••••••••••••••••••••••• 4.

2.3. Torsie •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4.

2.4. Wrijving ••••••••••••••••••••••••••••••••••

5.

2.5. Samenvatting •••••••••••••••••••••••••••••• 5. 3. Simulatie van een condensator en een spoel ••••••••••••• 6.

3.1. Inleiding ••••••••••••••••••••••••••••••••• 6. 3.2. De integrator ••••••••••••••••••••••••••••• 6. 3.3. De condensatorsimulatie ••••••••••••••••••• 7. 3.4. De differentiator ••••••••••••••••••••••••• 9. 3.5. De spoelsimulatie ••••••••••••••••••••••••• 9. 4. Versterker in vierkwadrantsbedrijf •••••••••••••••••••• 12. 4.1. ~nleiding •••••••••••••••••••••••••••••••• 12.

4-.2. Verwerking teruggeleverde. energie •••••••• 12. 5. Test en meetopstelling condensator en spoel ••••••••••• 13.

6. 5.1. Test condensator C' •••••••••••••••••••••• 13. 5.2. Test spoel L ••••••••••••••••••••• ~.: ••••• 14. Beschrijving 6.1. 6.2. 6.3.

gebruikte microcomputer en Microsim •••••• 16.

Inleiding ••.•••••••.•••.•••••••••.••••••• 16. De hardware ••••••••••••..•.•.•.•...••••.• 16. De software •••••••••••••••••••••••••••••• 18. 7. Aanpassing EWMC ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 19. 7.1. I/O •••••••••••••.•••••••••••••.•••••••••• 19. 7.2. Interrupt en Timers •••••••••••••••••••••• 19. 8. Interface voor de microcomputer ••••••••••••••••••••••• 21. 8.1. Inleiding •••••••••••••••••••••••••••••••• 21. 8.2. Snelheidsopnemer ••••••••••••••••••••••••• 21. 8.3. Uitgang naar motor ••••••••••••••••••••••• 22. 8.4-. Koppelopnemer •••••••••••••••••••••••••••• 22. 8.5. Analoog digitaal converter ••••••••••••••• 24.

9. Software •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26.

9.1. Inleiding •••••••••••••••••••••••••••••••• 26. 9.2. Initialisatie en stuursignalen interface.27. 9.3. Digitale 'CONDENSATOR ' ••••••••••••••••••• 28.

10.Conclusies •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 32.

Literatuurlijst ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 33.

Bijlagen •••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••

1. Practische uitvoering integrator •••••••••••••• 2. Practische uitvoering differentiator ••••••••••

3. Enige meetwaarden condensator simulatie •••••••

4. Single Board Computer •••••••••••••••••••••••••

5. Memory map EWMC •••••••••••••••••••••••••••••••

6. Datasheet OP5EY •••••••••••••••••••••••••••••••

7.

Datasheet AD570 •••••••••••••••••••••••••••••••

8. Schema's interface voor de EWMC ••••••••••••••• 9. Listing testprogramma interface ••••••••••••••• 10.Listing programma voor de integrator ••••••••••

- 1

-1. ll1LEIDING

1 .1 ALGEI1EEN

Het onderzoek programma Fle::dbele Automatisering en

Industriele 2obots, in het kort FLAIR, waar onder andere

d e ... ec .l.n1.SCl. e fTI b ' h H .I. ogescnoo l'2,1.n_,noven ' I....,· d' b' . b 1.a e rOK.:.cen 1.S, t ' 1 •

heeft tot doel de achterstand die Nederland heeft OD dit gebied in te lopen. Ben onderdeel van dit onderzoek-omvat het onderzoek naar het gedrag van motoren bij flexibele

automatisering. V~~r dit onderzoek Tftlordt een

fvIotor-belastings simulator ontwikkeld. Mijn opdracht was om te onderzoeken of dit met elektronische componenten was te realiseren. De volledige simulator is een

afstudeer-opdracht van H van de Bersselaar bij de afdeling 'derktui

bOUltl.

1.2 REALISATIE

De Hotor-belasting "traar het hier om ge,at is te onderscheiden in massatraagheid, torsie en wrijving. Deze belastingen

zijn te simuleren door een gelijkstroom motor/generator elektrisch te belasten. Door voor die belasting een condensator,een spoel en een weerstand te nemen kunnen de bovengenoemde mechanische belastingen elektrisch gesimuleerd v./orden.smalogie tussen beide 1.'lOrdt in

hoofdstuk 2 behandeld.

Voor simulatie van de massatraagheid is een grote

condensator nodig. De ,vaG.rde van condensator moet

daarnaast ook nog gemakkelijk te varieren zijn. Om de tosie te simuleren wordt een spoel gebruikt. Ook de spoel moet variabel zijn. Dit is allen te realiseren als de condensator en de spoel worden gesimuleerd respectivelijk

met een integrator en een erentiator en met een

versterker. Een analoge uitvoering van de integrator en

de differentiator wordt in hoofdstuk 3 behandeld.

Daar een condensator en een spoel zowel energie kunnen

opslaan als afgeven z de gebruikte versterker

vier-k"l,'mdrants bedrijf moeten kunnen werken. Di t gegeven "ltlOrdt in hoofdstuk 4 behandeld.

V~~r de digitale uitvoering van integrator wordt een

microcomputorboard rond de Intel 8085 microprocessor

gebruikt. Het microcomputerboard vlordt in hoofdstuk 5

behandeld. De aanpassing van de microcomputer wordt in hoofdstu1{ 6 behandeld.

2

-De massatraagheid en de torsie kunnen worden berekend uit het kOPgel of het toerental (hoeksnelheid). Om de gemeten signalen geschikt te maken voor de microcomputer is een interface nOdig. Tevens zal de output van de microcomputer geschikt gemaakt moeten \'lorden om een motor te sturen, ook dit is een onderdeel van de interface. De interface wordt in hoofdstuk 7 behandeld.

In hoofdstuk 8 wordt een voorbeeld van een 'digitale ' condensator behandeld. Dit gebeurt met behuln van een integrator. Deze integrator is een deel van de Proportio-nele Integrerende Differerentierende regelaar, de PID 16. De PID 16 is een op de ':ierktuigbouwkundige afdeling

3

-2. ANALOGIE TUSSEN MECHANISCHE EN.ELEKTRISCHE BELASTING

2.1

INLEIDING

V~~r onderzoek naar het gedrag van een motor + besturing

is het nodig deze comb ina tie continu variabel te belasten~

Deze belasting bestaat uit een massatraagheid, een torsie en wrijving. Van deze grootheden zijn vooral de massa-traagheid en de torsia moeilijk met een mechanische con-structie continu variabel te maken.

In plaats van de mechanische oplossing kan ook een gelijk-stroommotor/generator (motor) als belasting worden

gebruikt. De motor moet voor dit doel complex worden be-last. Decomplexe belasting kan uit een condensator, een spoel, een weerstand of uit een combinatie van daze dria bestaan.

De simulatie van de mechanische grootheden is mogelijk om-fiat d~e generator het geleverde koppel ~m omzet in een

stroom Ia en de hoeksnelheidvm in de spanning Ug. In

motorbedrijf worden de stroom Ia en de spanning Ug omgezet in respectivelijk het koppel Tm en de hoeksnelheid Qm. Voor een motor/generator geldt:

fig.

2.1

Schematische voorstelling

van een motor/generator

mechanisch: _Tm = kT • Ia

(2.1)

Pm

₌

Tm • Wm

(2.2)

elektrische: Ug .=

_kE

_{• c.Jm}

_(2.3)

P = Ug _• Ia

(2.4)

Voor het vermogen geldt:

Pm

=

p

(2.5)

De constanten kT en kE zijn in getalswaarde gelijk aan elkaar aIleen de eenheden van beide verschillen.

- 4

-2.2 MASSATRAAGHElD

Bij een massatraagheid wordt energie opgeslagen in de massatraagheid. lets dergelijks gebeurt bij een eapa-eiteit, hier wordt energie opgeslagen in een eondensator.

V~~r de massatraagheid J_{m geldt :}

Om

=

-2-

.jTm

d.

t

(2.6)

J m

Voor de eondensator C geldt:

Ug

=

~

jradt

(2.7)

Vergelijking 2.6 is analoog aan vergelijking 2.7 waarbij

de condensator C is uit te drukken in:

C

=

Jm (2.8)

kT2

fig. 2.2 meehaniseh en elektriseh equivalent

massatraagheid

2.3 TORSIE

Een torsie zal bij een verandering van het koppel dit koppel,door de aanwezige veerconstante, in het begin

tegenwerken. lets dergelijks gebeurt bij een zelfinductie, waar een verandering van de stroom door een spoel zal

worden tegengewerkt. Voor de veereonstante em geldt:

cvm = _1_. dTm (2.9)

em dt

Voor de spoelL geldt: Ug

=

L • d1a

dt

(2.10)

Vergelijking 2.9 is analoog aan vergelijking 2.10

waar-bij de spoel L is uit te drukken in :

L = kT2 (2.11)

5

-L

fig. 2.3 mechanisch en elektrisch equivalent veerconstante

2.~ WRIJVING

Bij een wrijving wordt het aandrijvende koppel omgezet in warmte. lets dergelijks gebeurt bij weerstand, deze

zet een stroom om in warmte. V~~r de wrijvingsconstante

bm geldt: <;)m = Tm b_m V~~r de weerstand R geldt: Ug = Ia • R (2.12)

.

(2.13) Vergelijking 2.12 is analoog aan vergelijking 2.13

waar-bij de weerstand R is uit te drukken in:

R

=

kE2 (2.14)

bm

~l

R

6 - - - &

fig. 2.4 mechanisch en elektrisch equivalent-wrijvingsconstante

2.5

SA~ffiNVATTING

Deze analogie tussen de mecha~ische en elektrische

groot-heden geldt slechts voor een ideale maotor/generator en ideale elektrische component en. In de praktijk zullen bij de gegeven analogiean met meer parameters rekening moeten worden gehouden. Bijvoorbeeld de massatraagheid, torsie en wrijving van de motor/generator en de gebruikte over-brenging. Voor een volledige behandeling van dit onder-werp zie het afstudeerrapport van M. van de Besselaar.

..:;. 6

-3.

SIMULATIE VAN EEN CONDENSATOR EN EEN SPOEL

3.1 INLEIDING

V~~r simulatie van een massatraagheidsmoment is een grote

condensator nodig. Bijvoorbeeld: voor een niet al'te

zware motor, Jm

=

1.10-3 kgm2 en kT

=

5.10-2 Nm/A dan

is een condensator evan 0,4 F nodig (zie § 2.2). Deze

grote waarde is lastig te realiseren met gewone conden-satoren.

Nu is het ook mogelijk een condensator te simuleren met behulp van een integrator en een versterker. Deze inte-grator kan met behulp van een operationele versterker worden gemaakt. Ook de spoel kan op een soortgelijke wijze gesimuleerd worden met behulp van een differen-tiator en een versterker.

3.2 DE INTEGRATOR

De integrator wordt met behulp van ,een operationele

versterker (opamp) gemaakt. V~~r een opamp geldt algemeen:

de ingangsstroom: l.

.

--

_ Uo ,(3.1 )

R1

de uitgangsspanning: Uu

=

-i • R2 (3.2)

Zodat de uitgangsspanning uu te schrijven is ale:

Uu

=

-uo

. -

R2 (3.3)

R1

--fig 3.1 alge~aen schema inverterende opamp

Als R2 nu door een condensator wordt vervangen geldt' voor de uitgangsspanning:

1

Uu = . _ - . uodt (3.4)

7

-Zodat nu de uitgangsspanning Uu afhngt van de ingangs-spanning als: Uu

=

- - .

1 uodt 1<.,

-

-I.

->--"'---g u ...

fig

3.2

principe schema integrator

Daar een integrator zelfs de kleinste spanning Uo zal sommeren, geeft aIleen de offset spanning al voldoende signaal om een maximale output te geven. De voedings-spanning van de opamp zal de maximale output begrenzen, u$ax zal hierdoor bijna gelijk aan de voedingsspanning

z1jn. De tijd die nodig is om tot maximum output te

komen is bij een kleine Uo (de offset) lang. Door nu de condensator te ontladen via een parallelweerstand over

de condensator,waarbij de tijdconstante

=

R.G lang is

tenopzichte van de te integreren tijdconstante, zal de offsetspanning grotendeels geneutraliseerd worden.

3.3

DE OONDENSATORSIMULATIE

Ben condensator kan nu gesimullerd worden door een

versterker te nemen met een integrator als regelaar. De versterker zal hiervoor in vierkwadrants bedrijf moeten kunnen werken (zie hfdst 4). De versterker kan nu aan de

uitgang worden beschouwd als de condensator

at

(fig

3.3).

Stel op t:;:O dat de spanning over de condensator A' nul volt is dan zal er een stroom ic gaan lopen. Om ic te

kunne~ meten is Rm aangebracht. ,Be stroom ic zal een spann1ngsval over Rm uRm veroorzaken. Deze spanning uRm

is de ingangsspanning. voor de integrator. V~~r d~

schijn-bare condensator 0' geldt:

ue

=--.

1 icdt en

(3.6)

Cf

ic

=--

Uc C~.7)

Rm

Uit vergelijking

3.6

en

3.7

voIgt:

Uc

=

1 "

.

ucdt (3.8)

8

-Voor de integrator geIdt: 1

Uo

=

- -

en

R1 0

URm

=

- ic •

Rm=

.... uc

Uit de vergeIijking 3.9 en 3.10 voIgt: Uo

=

- .

-1 ucdt

R10

Voor de versterking van de vermogensversterker

U_c

=

A • U_o

Uit vergeIijking 3.8 en 3.12 voIgt:

1 Uo = - - - - .ucdt A.Rm.O' (3.9) (3.10) (3.11) geIdt: (3.12) (3.13)

Uit vergeIijking 3.11en 3.13 volgt.dat voor Of geIdt:

0' = R1 • 0 (3.14) A.Rm I.e.

-u~r

..;..C' , I I , .1

-.

- -- __ ~"';':;'-""l 1.1 ~ ... R\

--fig 3.3 versterker met regelsysteem voor condensatorsimulatie

In fig. 3.3 moet de waerstand R2 geIijk zijn aan R1 om de beide ingangen van de opamp zo geIijk mogelijk aan elkaar te maken. De weerstand Rs'die nodig is om de

con-desator 0 te ontladen zorgt er weI voor dat Of een

9

-zo klein mogelijk te maken moet de tijdconstante

71

=

Rs • C

vele malen groter zijn dan de ti;idconstante1:"2 = R1 • C.

V~~r een practische uitvoering rie bijlage 1.

3.4

DE DlFFERENTIATOR

Als R1 nu door een condensator wordt vervangen (zie §

3.3

en

fig. 3.1) geldt voor de ingangsstroom i :

i

=

C

. -

duo dt

Zodat nn de uitgangsspanning afbangt van de ingangsspanning U_o als:

Uu

= -

R2 • C • dUg

dt

(3.16)

De condensator zal voor hoge frequenties een kortsluiting zijn waardoor de versterking van de opamp voor hoge frequen-ties bijna gelijk zal zijn aan de openloop versterking. De interne en bedradings capiciteit van de opamp zullen voor hoge frequenties een fase verschuiving veroorzaken. aan de uitgang, dus ook in de terugkoppeling. Deze fase verschuiving en de hoge versterking kunnen voor

instabili-teit zorg~n. Door nu in serie met de condensator C een

weer-stand R3 te zetten wordt de versterking voor hoge frequenties beperkt. De maximale versterking wordt dan:

Amax

=

uu ' =

l!2..

(3.17)

Uo

R3

-

-I.

-fig. 3.4 principe schema differentiator

3.5

DE SPOELSI~ITITATIE

Een spoel kan nu worden gesimuleerd door een versterker te nemen met een differentiator als regelaar. Ook bij

deze toepassing moet de versterker in vierkwadrants bedrijf kunnen werken. De versterker kan nu aan de uitgang als een spoel L worden beschouwd. De ingangsspanning voor de

10

-differentiator

spoel L geIdt: is uRm (zie § 3.3). V~~r de schijnbare

uL

=

L • diL

dt en

iL

=

uL Rm

Uit vergelijking 3.18 en 3.19 voIgt: U -_{L -}

_--.--=-

L dUL Rm dt V~~r de differentiator geIdt: uo= - R1 • C • dURm en dt

URm

= -

iL • Rm

= -

uL

Uit vergeIijking 3.21 en 3.22 voIgt:

U _{0 = 1} R . C • dUL dt (3.18) (3.19) (3.20) (3.21 ) (3.23) Voor de versterking van de vermogensversterker geldt:

(3.24) Uit vergeIijking 3.20 en 3.24 voIgt:

L dUL

U_o

=

._...;;;;;..

A.Rm dt

Uit vergelijking 3.23 en 3.25 voIgt datvoor L ge~dt:

L = A • Rm • C

fig 3.5 versterker met regelsysteem spoelsimulatie

--(3.26)

r

--L

11

-De weerstand R3 moet gelijk zijn aan R1 om de beide

ingangen (fig

3.5)

zo gelijk mogelijk aan elkaar te maken.

De weerstand R2 moet zo worden gekozen dat de maximale

versterking (voor hoge frequenties) 10

a

100 maal is.

12

-4. VERSTERKER IN VIERKWADRA.NTSBEDRIJF

4! 1 INLEIDmG

De versterker die nodig is voar het simuleren van een condesator en een spoel moet aan de uigang niet alleen energie kunnen leveren,maar ook energie op kunnen nemen. Dat.wil zeggen dat de versterker energie moet kunnen terug leveren aan de voeding. Dit heet in vierkwadrants bedrijf werken. Versterkers die in vierkwadrantsbedrijf werken waren in het laboratorium niet aanwezig. Daarom moest worden onderzocht of de aanwezige servoversterkers hiervoor geschikt waren.

De servoversterkers in het laboratorium werken niet echt .in vierkwadrantenbedrijf,maar kunnen wel de energie die

aan de uitgang geleverd wordt omzetten in warmte. Dit

ver-eist wel een goede koeling van de versterker.

4.2 VERWERKING TERUGGELEVERDE ENERGIE

De servoversterker kan op twee manieren de teruggeleverde energie verwerken.Deze twee verwerkingswijzen treden

gelijktijdig OPe

Eerste manier: (zie fig. 4.1)

Als er op de uitgang (tussen punt 2 en 3) een positive spanning gezet wordt zullen, omdat de basis van T1 laag

is , T1

en

T2 in geleiding gaan. Daardoor worden de

col-lectors hoog en komt er op de basis van T3 ••• T? een positieve spanning en zullen in geleiding gaan. Hierbij wordt de geleverde energie door T3 ••• T7 in warmte om-gezet. Een analoog verhaal geldt voor een negatieve spanning op de uitgang, alleen dan voar T8 en T9 en zul-len T10 ••• T15 in geleiding gaan.

Tweede manier: (zie fig. 4.1)

De ingang van de versterker is een verschilversterker rond T16 en T17, waarbij de inverterende igang voor de terugkoppeling gebruikt wordt. Als nu de ingang nul volt gemaakt wordt, zal bij een externe spanning op de uit-gang de terukkoppelling die spanning ook op de inver-terende ingang zetten. De verschilversterker zal nU.duB een spanning tegengesteld aan de externe spanning uit-sturen, waardoor bij positieve externe spanning T3 ••• T7 in geleiding gaan en bij een negatieve ext erne spanning T10 ••• T15. Verder analoog aan het eerste geval.

"".

~¥LGII . . . UII . . .

~:.: ~

. . 1 . . . •· AIIIHGIN 'IlAI N _ )41 1'tl0llCTll IIINAMNG TEKE.KMAtHn't&

AM

SERVO VERSTe:'U\ER )C .... 30 AI'\PS t1A)

SCHMC. DATU" TIKININGt& 0 So" ; 1.. .

~---~~~

caT+:8wj Spin l.&oolt.

A4

LIJ

~ ~s(KOOl EINDHOVEN

-t-

GIlOEJl: W T £

.... 13

-5. TEST EN MEETOPSTELLmG CONDENSATOR EN SPOEL

5.1 TEST CONDENSATOR C t

V~~r het controleren van de condensator simulatie Cr _en

het bepalen van de capaciteit van Of wordt een blokgolf

gebruikt. ~---____________ ~ kan~~1 f o$ci lIoscoop R

t---!iT

kt'tn(wl 1.

..L

Tc'

--fig. 5.1 testopstelling voor de condensator

V~~r een spa~~ing over een condensator geldt:

1

Uc - - .

1:'

(5.1 )

De spanning U1 is op het interval t (fig 5.1 en

5.2)

constant, dit geintegreerd over t (vergelijking 5.1)

geeft voor de spanning over de condensator

nc: ,

Uc

=

u1 • t ~

Dit is een rampvormig signaal.

I I I ! t

---.'

t

j haMuc/! I

7

"'"'--kano:al 1

--

t

b

fig

5.2

signaalvorm bron (a) en van Uc (b)

14

-Uit deze twee signalen (zichtbaar op een gecalibreerde oscilloseoop) kan de waarde van de condensator 0' worden bepaald:

0'

=

~

=

111 • t

(5.3)

R 11e. R

De condensator Of zal grote waardes hebben bij deze

op-stelling

(>

0;1 F), waardoor detijd t lang moet zijn.

Dit zal tussen 0,1 en 5 Hz moeten liggen. V~~r het

vast-stell en van de werkink kan een functiegenerator worden

gebruikt, in dit geval moet R tussen de 50 en 100 ohm

liggen. Om grote vermogens te testen (de gebruikte servo

versterker is ongveer 1000 watt) zal een voedingsbron gebruikt moeten worden, waarbij met de hand geschakeld wordt om een blok te verkrijgen. In dit geval moet de

weerstand R rond de 10 ohm liggen. Zie fig.

5.3.

1

lOA

-s

fig

5.3

testopstelling voor groot vermogen

Er moet op worden gelet dat UB1 en UB2 de

voedings-spanning van de gebruikte vermogensversterker niet

over-schrijdt~en dat de stroom I begrensd wordt.

2.2

TEST SPOEL L

Voor het testen van de spoel simulatie en het bepalen van de inductie van de spoel wordt een blokgolf gebruikt met een instelbare flankstijlheid.

,....---9)

kanacd f

oS(. i II0J '(;>"1'

....---fi'J k ClI'\C." I l.

'U.,

-

15

-Voor de spanning over de spoel geldt: di

uL = L . _

dt

Voer de spanning u1 op het interval t geldt (fig 5.4 en

5.5) :

U1

=

a • t

waarbij a de helling van de ramp bepaald.

Dit gedifferentieerd over t (vergelijking

5.4)

geeft

voor uL: -'

uL

=..!..

=

U1 (5.5)

1:"'

t.rr

Dit geeft een naald of blokvormige respensie,afhankelijk van de flankstij2heid.

Uit deze twee signalen kan de waarde van de spoel L worden bepaald:

L

=

R • d1

(5.6)

t • dL

De benodigde functiegenerator zal een instelbare flank

moeten hebben. De weerstand R moet tussen de 50 en 100

ohm liggen.

In bijlage 3 kunt U voer de condensator enige testwaardes

vinden van de proefopstelling.

u,f

kOMela I I Ct..

-

t

,

r--'

-t

-

karWd /1.

b

I I I I _I

-

...-t,

16

-6. BESCHRIJVING GEBRUIKTE MICROCOMPUTER EN MICROSIM 6.1 INLEIDING

De gebruikte microcomputer is een single board computer

rond de Intel 8085. Dit board is op de THE zelf

ontwik-keld voor laboratorium toepassingen. Het board is een samenwerking van de afdelingen elektrotechniek en werk-tuigbouw en heet daarom Elektro-Werkwerk-tuigbouw Microcom-puter (EWMO). De belangrijkste onderdelen waaruit het boartt is opgebouwd:zijn:

-central processing unit (CPU):

-Geheugens EPROM:

RAM: -Parallelle I/O interface

-Seri~le I/O interface

-Programmable interval timer : -Programmable interrupt controler: -Keyboard/display controler 6.2 DE HARDWARE 8085AH 2716/2732 (4/8 kbyte) 8185 (max. 8 x 1kbyte) 8255 (2 x 24 lijnen) 8251 (2 x 1 lijn) 8253 (3 in 1 IO) 8259 (8 interrupt lijnen) 8279

In daze paragraaf zullen in het kort de belangrijkste

anmponenten worden behandeld. CPU

De Intel 8085AH is een 8 bit microprocessor. Deze bevat een Aritmetic and Logic Unit (ALU), een 8 bit accumulator (A register), zes hulpregisters van 8 bit (B,C,D,E,H en L), twee 16 bit registers voor de stackpointer SP en de pro-gramcounter PC en als laatste vijf flag flip/flops (carry, auxilIary, zero,sign en parity). De CPU heeft drie maskeer-bare ingangen en een niet maskeermaskeer-bare TRAP interrupt ingang. Ook is er een general purpose interrupt ingang INTR waarop de INT uitgang van de interrupt controler wordt aangesloten. GEHEUGENS

Er kan een 4 of 8 kilobyte EPROM respectivelijk de 2716 of de 2732 in de EWMC gebruikt worden. Daarnaast is het

mogelijk om maximaal acht 1 kilobyte grote RAMxs,~de

8185,op het board te zetten. Er is dus maximaal 16

kilo-byte aan geheugenruimte, waarvan 8 kilokilo-byte vrij

progra-meerbaar is.

PARALLELLE I/O INTERFACE

Er zijn twee ~rogrammable Peripheral InterfaeeS(PPI), de

8255,aanwezig. Elk van deze kan 24 I/O lijnen aansturen. Deze lijnen kunnen in twee groepen van 12 lijnen gepro-grameerd worden. De meest gebruikte mode is die waarin sets van 4 of 8 lijnen als ingang of uitgang naar keuze kunnen worden geprogrameerd (mode 0).

SERIELE I/O INTERFACE

17

-de 8251, aanwezig. Deze Universal Synchrnous!Asynchronous

Receiver/Transmitter (USART) kan seri~le data naar

para-lelle data of omgekeerd omzetten. Een PCI wordt gebruikt voor communicatie met een hostcomputer (de Prime) en de tweede voor communicatie met een terminal.

PROGRAMMABLE INTERVAL TDlER

De 8253 is een programeerbare interval timer die drie onafhankelijke 16 bit conters bevat. Deze counters ieder in drie verschillende modes geprogrameerd worden. De

meestgebruikte is mode

3,

waarin ze als

blokgolfgene-rat~r werken. De counters genereren dah een blokgolf

met-een periodetijd die gelijk is aan d~geprogrameerde

in-houd van het counter register (maximaal FFFF hexadecimaal) maal de clockfrequentie (bij de EWMC 1,536 MHz).

PROGRAMMABLE INTERRUPT CONTROLLER

De 8259 is een programeerbare interrupt controler me~

acht interrupt ingangen en een uitgang (INT). Elk van de

acht ingangen

kan

onafhankelijk van de andere

geprogra-meerd en gemaskerd worden. De ingangen zijn van 0 ••• 7

genummerd, bij gelijktijdige interrupt heeft de ingang met het laagst nummer de hooggte prioriteit. Komt er een interrupt dan zal deze na erkenning worden doorgelaten

naar de CPU~ Na bevestiging van de CPU doormiddel_v~n het

INTA signaal zal de interruptcontroler een adres op bus zetten dat correspondeert met het nummer van de bewuste ingang. De PC springt dan naar di t adres, waar een jump instructie naar het begin van de interrupt service

routine voor die interrupt moet staan. KEYBOARD/DISPLAY CONTROLLER

De keyboard diplay controller wordt niet gebruikt in de

toepassing als simulator. Op de plaats van dit IC komt

een tweede programmable interval timer. Deze wordt ver-der aangeduid als de 8253-1. De oorsponkelijke timer,

de 8253-0, wordt aIleen gebruikt voor de sri~le

communi-catie en voor single-step.

De verbindingen tussen de verschillende onderdelen van de EWMC wordt door een 8 bit databus en een 16 bit

adres-bus verzorgd~ Verder zijn er nog de nodige controle

lijnen, zoals read/write en Chip-select.

V~~r een uitvoerige documentatie van de componenten wordt

verwezeri naar de Component Data Catalog van Intel (lit. 2).

V~~r informatie over de opbouw en de werking van "de EWMC

18

-6.3 DE SOFTWARE

De 8085 heeft een instructieset in machinetaal voor het programmeran. Dit gebeurt door dit binair in het geheugen

te schrijven. V~~r het beter overzien van de lastige

bi-naire getallen worden deze haxadecimaal weergegeven. Deze

wijze van programmeren is zeer tijdrovend. Op de afdeling

Werktuigbouw is een monitorprogramma ontwikkeld die het programmeren in machinetaal aanzienlijk vereenvoudigd.

Met di t moni torprogramma is hetmogelijkam' programma I s

die in het Ram geheugen staan, eenvoudig te veranderen (Substitute en Insert), op te starten (Go) en te single-steppen (Next).-Voor een uitgebreide besdlrijving van de

monitor instructies zie Monitor beschri~ving veor de

EWMC microcomputer, P van den Hombergh (lit. 4). Er is ook een bibliotheek van standaard routines in de monitor, die door een gebruikersprogramma aangeroepen kunnen worden. , De monitor is permanent aanwezig in een van de beide

EPROM's van de EWMC.

Voor het maken van nieuwe programma's is in de afdelings

computer de Prime het programmapakkBt Mic~osim aanwezig.

Microsim is een assembler en simulatie programma voor microcomputers. I n Microsim kan in assemblertaal een programma ontwikkeld worden en via een simulatie worden getest. Vanuit de Prime kan Microsim de assembler' omzetten in binaire code en dit 'Downloaden' in de EWMC. Voor dit doel zit in de Monitor het commande Read. Het programmeren in assemblertaal gaat het gemakkelijKst als het programma opgedeeld wordt in modules, welke binnen Microsim Segmenten genoemd worden. Elk segment krijgt een naam waarnaar ook de spronginstructies kunnen verwijzen. Binnen de Microsim omgeving zijn ook een aantal standaard segmenten, te weten STACK, IOSEG en LINK1 tim LINK4. In de LINK segmenten

staan de beginadressen van de bibliotheek routines van de Monitor gedefinieerd. Binnen IOSEG worden de adressen in het RAM geheugen gedefinieerd via welke de Timers,

Inter-ruptcontroller, Parallelle- en Seri~le I/O worden

gepro-grammeerd.

In

bijlage 5 staan deze adressen vermeld.

Voor een volledige beschrijving van Microsim zie

litera-tuur (lit.:

5).

Een instructieset voor de assembler voor

19

-7.

AANPASS ING EWMC

7.1 I/O

De EWMC heett zes 8 bit par~llelle I/O poorten (zie § 6.2)

die per ~ bit als in- of uitgang gedefinieerd kunnen

wor-den. Deze I/O poorten zijn aangesloten op de connectors J1 en J2. De poorten zijn TTL compatable. Bij initialisering van een (halve) poort als ingang moet per bit een pull up;

weerstand van ~.7 kohm naar +5 V gezet worden. Dit om bij

een niet gebruikte bit er voor te zorgen dat deze hoor is. Bij initialisering als uitgang moet er een TTL butfer

tus-sen, de 7~LS08, dit om de 8255 te beschermen. Zowel de

pull up weerstanden als de 7~LS08 maeten per ~ bit in de

IC voetjes A26 tim A37.

Bij de opstelling als lastsimulator zijn twee 8 bit in-gangen nodig voor het inlezen van het torental en het koppel. Verder is er een uitgang nodig voor het sturen

van de motor via sen servoversterker.,en een ~.bit ulltgang

voor stuursignalen voor de interface. De resterende poor~!

ten worden als ingang geinitialiseerd. De benodigde soft-ware voor de initialisatie wordt in hfdst 9 behandeld. De adressen waar de data wordt ontvangen of weggezonden

zijn: - .

POORT AnNES DOEL CONNECTOR

1402GB 8 bit uitgang naar DAC (motor) 31 48 •• 3~

2 ~021H 8 bit ingang van ADO (koppel) J1 16 _•• 02

3 ~022H 8 bit uitgang sturin~ interface J1 32 _•• 18

(~ bit maar gebruikt

4 ~03GB 8 bit ingang van pulsteller J2 ~8 _•• 3~

5

~031H 8 bit ingang (niet gebruikt) J2 16 _•• 02

6 4032H 8 bit ingang (niet gebruikt) J2 32 _•• 18

2.

2 INTERRUPT EN TIMERS

De interruptcontroler 8259 is via een interruptmatrix aan te sluiten, waardoor het ook mogelijk is externe interrupts te geven. Ook de TRAP en de RST7.5, RST6.5 en RST5.5 zijn op-deze matrix aangesloten:(zie voor deze vectoren lit. 3). Tevens zijn twee uitgangen van de timer 8253-0 hierop aan-gesloten.

V~~r de single step mogelijkheid moet uitgang 01 van timer 8253-0 met RST7.5 (108 - 95 op matrix) worden verbonden. Uitgang 00 van deze timer (110) wordt niet gebruikt.

Uit-gang 02 van deze timer wordt'voor de seriAle I/O gebruikt. De initialisatie van de mode voor deze timer zit in de op-start routine van de monitor.

20

-Voor de interrupts die met een vaste tijdsinterval gegeven moeten worden is een tweede timer 8253-1 op het board aange-bracht. De uitgangen van deze timer worden als voIgt met de interruptcontroller verbonden:

TIMER ruT. :MATRIX

00

Io

101 01 I1 103 02 I2 105 interrupt ingang 0 interrupt ingang 1 interrupt ingang 2 ADRES 3FECH 3FE4H 3FEBH

RST6.5 wordt via een inverter (97 - 125) naar connector J1 50 verbonden met een schakelaar op het trontpaneel voor een ext erne interrupt. De resterende ingangen I3 •• I7,RST5.5 en TRAP worden aan aarde gelegd om storingen te voorkomen

(93 - 99 - 105 - :107 - 109 - 111 - 113 -' 115 -aarde).

Bij het opstarten wordt door de Monitor de interruptcon-troller in de juiste mode gezet en worden aIle ingangen gemaskeerd. De initialisatie van de tweede timer 8253-1 moet softwarematig in het gebruikersprogramma worden ge-geven. De externe interrupt werkt aIleen als de interrupts in het programma disenabled zijn.

Er is ook nog een RESET die wordt gegeven door op J5 41 een 10' te zetten. RESET heeft op aIle functie de hoogste prioriteit. RESET zal de microcomputer oonieuw opstarten, waarbij de inhoud van de RAM's bewaard blijft.

De benodigde voedingsspanningen zijn

t

12 V en +

5

v.

Mocht er geen Monitorprogramma aanwezig zijn kan men voor initialisatie literatuur (lit. 7) raadplegen.

21

-8. INTERFACE VOOR DE MICRCCOMPUTER 8.1 INLEIDING

In de definitieve opstelling van de simulator wordt niet

meer de stroom aan de uitgang van de versterlter gemeten, maar het koppel en eventueel het toerental. Om het koppel te meten wordt een brug van 4 actieve rekstrookjes gebruikt. De snelheid wordt met een inerementele pulsgever gemeten. Als basis voor de interface wordt de Peik 2 print gebruikt. Deze print is>me-c- zijn connectors en zijn formaat aangepast

aan de EWMC print. Op de Peik 2 zijn een 8 bit snelheids~·

teller, een 16 bit positieteller en een mogelijkheid om een digitaal signaal van de EWMC om te zetten in een analoog signaal. Ook is er op de Peik 2 print ruimte opengelaten

om iet$bij bouwen. V~~r een volledige beschrijving van de

Peik 2 print zie literatuur (lit. 8).

8.2 SNEmEIDsoPNEMER

De gebruikte pulsgever op de motoras heeft schijf met-1000 pulsen/omwenteling. Van dsze schijf worden met twee opnemers signalen opgenomen die 90 in fase ten opzichte van elkaar

verschoven zijn. (zie fig. 8.1). . .

II II II

Cl

c

fig 8.1 si~alen van:de pulsgever (a), na omzetting

(b) en na de pulsteller (c)

Deze signalen worden in de pulsgever op de motor omgezet

in twee blokgolven die eveneens 900 _{in fase verschoven zijn.}

Als nu op elke flank van de blokgolven een puIs wordt gege~

ven zal het uiteindelijke signaal 4000 pulsen/omwenteling bevatten. Door te kijken welke van de twee blokgolven voor

i~lt kan de draairichting worden bepaald. AI.naar gelang de draairichting is er dan een count-up of een count-down signaal te generen. Deze signalen worden per tijdseenheid (softwarematig te bepalen) geteld. Elk geteld blok wordt in een latch opgeslagen en daarna door de EWMC uitgelezen. De flank/puIs omzetting, richting bepalen, de teller en de latch zijn te vinden op de Peik 2 print.

De data van de snelheidsteller is two complement. De latch kan via een Digitaal Analoog Converter (DAC) op de Peik 2 analoog uitgelezen worden (max. positieve draarichting ?FH is 10 V en max. negatieve draairichting 80H is -10 V).

22

-8.3 UITGANG NAAR MOTOR

Voor sturing van de motor wordt een servoveraterker gebruikt. Deze versterker moet analoog aangestuurd word.en. Hiervoor

moet het uitgangssignaal van de EWMC omgezet worden van

digitaal naar analoog. Het digitale signaal van de EWMC is in two complement •. Op de Peik 2 i5 de DAC die voor dit

doel aanwezig is echter in sign magnitude (max. positief is

FFH en max. negatief OOH). Als nu van het two complement

aignaal de most significant bit wordt geinverteerd gaat dit

over in sign magnitude. V~~r de afregeling van de beide

DAC's zie literatuur (lit.

7).

8.4 KOFPELOPNEMER

V~~r het meten van het koppel worden vier actieve rekstrook"';'"

jes gebruikt in brugschakeling. In de proefopstelling van de

lastsimulator waarin deze brug gebruikt wordt zal de maxima1e

rek O~1

%

bedragen. V~~r een reksrookje geldt:

dR

=

k • dl (8.1)

Ro 10

Waarin k de rekstrookgevoe1igheidsfactor is. V~~r de

ge-bruikte rekstrookjes is die:

k :; 2.05 (8.2)

Zodat nu voor de maxima1e weerstandsverandering van 8en rekstrookje geldt:

dR = Ro • 2,05. 0, 001

Ro

=

120 ohm

u/

-

-fig. 8.2 schema van een meet~rug

(8.3)

23

-Voor een brug geldt (zie fig. 8.2):

U1 ~ U2

=

R2R4-R1R; • UB

(R1+R4) (R2+R3)

Waardoor het maximale verschil

U1 - U2

=

2,05. 1_{0-3 • UB} UB

=

10 V (U1 - U2)max.

=

2'0,5 mV is:

(8.5)

(8.6)

(8.7)

(8.8)

De inganngsspanning van de benodigde Analoog Digitaal

Converter (ADC) is echter ~

5

V. Zodat de

uitgangsspan-ning van de brug versterkt moet worden. Daar de voeding

van de brug (UB~ aan een zijde aan aarde ligt en de

richting ook bepaald moet worden van het koppel, zal de voor de versterking een verschilversterker moeten worden gebruikt. Voor dit doel is voor de stabiliteit een opamp met een hoge Commen Mode Rejection Ratio (CMRR) en een

minimale drift- en ofrsetspanning gekozen, de OP5EY (zie

datasheet bijlage

6).

In figuur 8.3 is het schema van de difrerentiaalver~ter-.

ker weergegeven. De eis in deze opstelling was dat het nulpunt van de brug, vanwege de tolerantie van de

rek-strookjes~ instelbaar is en dat vanwege onderdeel

tole-ranties ook de CMRR ± 2

%

instelbaar is. Daarnaast heeft

de OP5EY ook een mogelijkheid om de offsetspanning af te

regelen.

fig.

8.3

de differenti~ versterker

V~~r de uitgangsspanning Uo geldt:

R2

Uo

=

.-

(P1

=

0,02.R2 en heeft dus

24

-Zodat voor de versterking geldt:

A:: Uo • R2 . _(8.10)

u1-u_{2 R1}

Om de brug niet te zwaar te belasten wordt voor R1 12,5

maal de uitgangsweerstand van de brug (120 ohm) genomen. De benodigde versterking voIgt uit:

A ::: uin ADO ::: 244 x

uui t max. brug

R1 ::: 1,5 kohm

R2 ::: 366 kohm (praktijk 390 kohm)

V~~r de instelmogelijkheden worden: CMRR: P1 :: 0,04 • 390 kohm ::: 15,6 kohm (praktijk 20 kohm) (8.11 ) (8.12) (8.13)

Nulpunt: om de brug niet te belasten mOMen

R4

en R5

groot zijn1 P;;;: moet ± 1 96 regelbaar zijn

R4 ::: R5 ::: 33 kohm (als de tolerantie van de

rekstrookjes erg groot is kan

R4

of R5

aan-gepast worden)

P? ::: 0,02 • 33 kohm

=

660 ohm (8.14)

(praktijk 1 kohm)

V~~r een grote nauwkeurigheid en stabiliteit op langere

termijn kan het beste metaR.lfilm weerstanden genomen

worden •. ,Op plaatsen waar de inductie van de meitaalfilm

weerstanden een verstoring kan veroo~zaken moeten zo

nauwkeurig mogelijke koolstof weerstanden gebruikt worden. Voor de potentiometers zijn 20 slagen Cermet potentio-meters gebruikt.

8.5 ANALOOG DIGITAAL CONVERTER

De uitgangsspanning van de verschilversterker wordt door een ADC omgezet in een digitaal signaal. De gebruikte __ ADC is de' AD570 van Analog Divices (zie datasheet bijlage

7).

.

Het uitgangssingaal zal van - 5 V tot + 5 V kunnen

vari-eren. Dit zal een 8 bit uitgangssignaal van de ADC geven van OOH tim FFH. Dit is weer in sign magnitude zodat de most significant bit geinverteerd zal moeten worden. De

ADC krijgt zowel positief als negatief signaal i aangebodel'l,

dit betekend dat de ADO biEo1air moet werken. Hiervoor

moet pin 15 hoog zijn. De ata Ready (~) uitgang wordt

niet gebruikt. In plaats daarvan wordt de Blank and

~onvert (BIT) ingang gebruikt om op vaste tIjdintervallen conversie te krijgen. Tussen twee conversies moet

minstens de maximale conversietijd van de ADC (40jUsec.) zitten. Dit wordt softwarematig bepaald.

25

-Door de Analoog Commen (pen 14) van de ADC met een weer-stand van 10 ohm aan massa te leggen ontstaat een offset van -1/2 bit. Hierdoor kan de ingangsspanning enkele milivolts vari!ren zonder dat de uitgangswaarde combina-tie verandert. Dit zal over het algemeen een nauwkeuriger conversie geven.

Een volledig schemaoverzicht van de interface is te vin-den in bijlage 8.

26

-9.

SOFTWARE

9.1 INLEIDING

Het testen van de interface kan het gemakkelijkst gebeuren met behulp van de microcomputer zelf. De microcomputer geeft de nodige stuursignalen en kan de data die op de poorten staat uitlezen en naar een monitir sturen.

V~~r de snelheidsteller zijn de volgende stuursignalen

nodig:

- Count enable (hoog): stop met het tellen van de pulsen.

- Load (hoog): Zet de inhoud van de teller op een

latch.

. - Reset (hoog): Zet de tellers op nul •

- Couat enable (laag): Begin opni~uw met tellen.

De juiste volgorde van de signalen wordt in fig. 9.1 ge-geven.

L

c.ount ,nahla

____

~r--l~

________ __

_load

__________

~r__l~

__ __

fig. 9.1 stuursignalen snelheidsteller

De tijd tussen twee count enable pulsen wordt bepaald door: .

- Het aantal pulsen dat de teller maximaal kan bevatten = Pmax

- Het aantal pulsen dat per omwenteling wordt afgegeven = Pom

- Het maximale toerental van de motor in omwentelingen per

seconde

=

Omw

De tijd tussen twee count enable pulsen wordt nu als voIgt bepaald: Tce = _....;;Pm;...;;.;;;.;;ax~_ Pom • Omw In de testopstelling: (9.1 ) Tce = 635 ;Usec

V~~r meer informatie kan literatuur (lit.

7)

worden

27

-V~~r de ADC is alleen een Blank en Convert signaal nodig.

Hiervoor kan de load of reset puIs-van de snelheidsteller

worden gebruikt. Na het BC signaal moet er nog 40 f-s .

gewacht worden, de conversietijd, met het uitlezen van de ADO.

Het ingangssignaal om de snelheidsteller te testeri komt van een pulsgever op de motor in de testopstelling. Als ingangssignaal voor de ADO kan een gelijkspanningsbron

gebruikt worden, zie fig.

9.2.

+ 1.2.0 5V _Ik m(OCr sll<~c.n If---rlf lA, _ 10 ... v. .. ... JO .-t1 v'

sV

'---,..lr---,'9f t( 2. 2.2.0 k

fig.

9.2

bron om ADO te testen

9.2

INITIALISATIE EN STUURSIGNALEN INTERFACE

De EWMC zal in elke opstelling waarin deze gebruikt wordt een aangepaste initialisering moeten krijgen. Bij de ini-tialisering voor de lastsimulator zijn twee ingangspoorten en twee uitgangspoorten nodig, zie hiervoor hfdst 8. Er is een interrupt ingang nodig, hiervoor wordt Io gedemaskeerd. Deze interrupt wordt gebruikt voor de tijd tussen twee count

enable signalen vast te leggen. Tevens moet hiervoor een timer worden gebruikt en moet een sprongadres voor de

inter-ruptroutin'e worden gegeven. V~~r de ini tialisa tie worden

twee segmenten gebruikt, INIT1 en ICOUNT. In ICOUNT zit

te-vens de wachtloop voor interrupt. Zie fig.

9.3,

een listing

van deze twee segmenten kan men in bijlage 9 vinden.

De stuursingalen die nodig zijn worden door de interrupt-routine TELLER verzorgd .. In dit segment worden de signalen voor de snelheidsteller gegenereerd, da conversietijd voor de ADC gegeven en worden de latch van de teller en de ADO

uitgelezen. Om de uitlezing wat gemakkelijker te laten

verlopen wordt er maar om de 256 uitgelezen, dit is als

Tce = 635 sec,om de 162 msec. De uitgelezen waardes worden

door segment READ omgezet van hexadecimaal naar binair en in twee kolommen van 8 bit op een beeldscherm gezet. Een kolom is voor het uitlezen van de snelheidsteller, de andere voor het uitlezen van de ADC. Hierbij wordt van twee sub-routines, BINOUT en CROUT gebruik gemaakt, voor een

fig.

9.3

flowchart INIT1 en ICOUNT 28

-9.3

DIGITALE 'CONDENSATOR' START Jnii:.iaiisatie - Poorte.n -Time-I" ] n i bOoJ is a.

tie.

~ ] n I:. tl-'" up t

Wa.c."'!

op

1

[(aUNT lntc.t"t"u.pt

Tot besluit wordt als voorbeeld een condensator

gesimu-leerd met behulp vande microcomputer. V~~r deze

simula-tie is een integrator nodig. Hiervoor wordthet integre-rende deel van een Proportioneel Integreintegre-rende

Differen-ti~rende (PID) regelaar, de PID16 gebruikt, zie litera-tuur (lit. 8 en

9).

De PID16 is een programma van een PID regelaar speciaal

ge~nt op de 8 bit EWMC. De rekenroutines die in de PID16

gebruikt worden zijn echter in 16 bit. De PID16 is een regelaar, daar er aIleen een integrator nodig is zal het regelende deel (segment REGEL) aangepast moeten worden.

Daarbij zullen ook de differenti~rende en proportionele

actie weggelaten moeten worden. Toen deze opstell'ing getest werd waren de rekenroutines van de PID16 nog in one complement zodat de input en output van het programma hieraan aangepast moeten worden daar alles in two

comple-ment is. De initialisatie uit §

9.2

moet aangepast worden

daar aIleen de koppelopnemer als ingangssignaal gebruikt

wordt. Zie fig.

9.5,

een listing van de gebruikte

segmen-ten INIT1, ICOUNT, REGEL en INTEGR kan men in bijlage 10 vinden. De output van de integrator is 16 bit. De gebruikte DAC maar 8 bit. Daar het een integrerende actie is zullen

de lagere bits snel ~vol' zijn, daarom wordt voor de

out-put naar de versterker aIleen de 8 most significant bits gebruikt.

START

5 b.lu.rs igno.al sne.lhaidshller e.n

Aue

29

-,

Conve.nie..i ~d

AUe

_TELLER

Lees ttllet' e.n A

DC.

I.l;t

se..s'

R£ffD Re

t

u.rn naCtl' Welt ht}oop fig. 9.4 flowchart t-estprogramma

( START

~eef

Be

Do.tCL ADC r1aCl.t- laic.h 2* T~ -Jnge.le2tn do.ict. 2. et>mpl_ I cO/npl. • Re;e.p

~f-aa.n

S4.fj. I NTEqR

Z e.f. res U/tUCLt

I cc>mpl-.:>2 compl.

StUUI'" aiL

u,'t

Reb.u-n naCLr WCLC.ltttLDO P [NIT 1 ICOUNT RE~EL I fig.

9.5

flowchart integrator

30

-In de testopstelling voar de digitale condensator wordt in plaats van de rekstroakbrug een meetweerstand in de

uitgang van de versterker gebruikt

(zie

§ 3.3).

Hierbij

moet een van de ingangen van de brugversterker aan aarde gelegd worden.

-

-P~ik

--_j""'"_---I

E 'W M C.

c

Rm

fig.

9.5

schema digitale condensator

Voor het testen van een condensator z~e hfdst

5.

In f,ig.

9.5

geldt voor Rm:

Rm

=

1.1 ohm bij gebruik van een functiegeneratar,

Rm = 0,1 ohm bij gebruik van groat vermogen sturing.

In fig.

9.6

en

9.7

is een voorbeeld van de candensator

simulatie met behulp van een microcomputer te vinden functiegeneratar: Wavetek

130

Rm

=

1,1 ohm

R

~ 47 ohm (zie §

5.1)

Ti

=

1 (zie bijlage

10)

Ts

=

1 (idem) Interrupttijd 4 ms"ec. (idem) Oscilloscoop :

Tektronix geheugen oscillos-coop_

31 -signaalbron: 2 X HF 6237 B +10 V en -10 V Rm

=

0,1 ohm (zie § 5.1) R = 10 ohm (zie § 5.1) Ti

=

4 (zie bijlage 10' Ts

=

1 (idem) Interrupttijd 4 msee. (idem) Oscilloseoop:

Tektronix geheugen oseillos-coop_

32

-10. CONCLUSIES

De simulatie van een spoel en een condensator met behulp van een analoge integrator en'differentiator werkte

rede-lijk, maar bleek weinig flexibel. De uitvoering met de microcomputer was uitermate flexibel, men hoefde maar een paar constanten te veranderen in het programma voor de integrator. Deze constanten cunnen zelfs continu regel-baar gemaakt worden door ze extern (via een poort) in te geven. In dit geval moet het programma steeds kijken of de constanten niet veranderd zijn. Ook is het mogelijk de constanten een in de tijd veranderende waarde te geven. Het gebruikte programma voor de integrator moest nog een

one- naar twocomplement conversie maken. Dit werkte niet

helemaal 100

%.

Daarbij kost dit extra rekentijd die bij

kleine condensatorsimulaties problemen zou kunnen geven. Bij de eerste proeven in de opsuelling als lastsimultor

is het programma dan ook in twocomplement herschreven. De lastsimulator waar de microcomputer in gebruikt wordt bestaat uit een schijfankermotor en een harmonic drive. Een harmonic drive is een vertragings/versnellings'bak' die zeer grote vertragingen/versnellingen kan halen en

toch zeer weinig ruimte nodig heeft. De harmonic dri~e

zorgt er voor dat de grootheid die met de motor en de microcomputer gesimuleerd word , .. ,een grote vermenigvuldi-gens factor meekrijgt. Als ingangssignaal voor de micro-.computer werd bij de eerste proeven de koppelopnemer

gebruikt (zie § 8.4). Als eerste werd de massatraagheid

gesimuleerd. Hierbij bleek de kleine motor, die zelf maar een kleine massatraagheid heeft zich te gedragen als een grote zware schijf. Een volledige beschrijving van de lastsimulator is te vinden in het verslag van M van de Besselaar (lit.1).

33

-LlTERATUURLIJST

1 Lastsimulator voor servomotoren, M van de Bersaelaar, WPB-rapport 0055.

2 -Intel, Component Data Catalog

3 Description and Implementation of a single board computer

for industrial control, J. Piecha, EUT-rapport 81-E-120,

juni 1981.

4 Monitor beschrijving voor EWMC microcomputer, P van den Hombergh, januari 1982.

5 Microsim, Program Development System Intel 8080/8085, Reference Manual for PRIME Host Computers.

6 Oriijntatie Pr~ductietechniek A en B, deel 5 inleiding

Microcomputers, Ir C.J. Heuvelman, dictaatnr. 4.513.

7

Elektrotechnische Werkzaamheden in een

Werktuigbouw-kundig Laboratorium, F. Zijderveld, november 1983 •. 8 De P.I.D. -Regelaar, A.T. Bertens, WPT-rapport- 0528,

januari 1982.

9 De digitale P.I.D. -Regelaar, H.M.M.G. Cordewener, WPB-rapport 0044, november 1983.

TERMENLIJST Meenanisehe: Tm J_m em bm wm kT .. Elektrische E U I R C L

k:E

~ Algemeen: t P Pmax Pom Omw Tee 34 -koppel traagheidsmoment veerstijf'heid wrijvingseo@ff'ieiijnt hoeksnelheid meehanische motor constante (Nm) Ckgm2) (N/m) (Ns/m) (rad/s) (Nm/A) elektromotorisehe potentiaalversehil stroom kraeht (V) (A) (V) weerstand condensator spoel elektrische motor constante tijd vermogen

en)

(F) (H) (Vs/rad)

maximaal aantal pulsen dat in een teller kan

aantal pulsen/omwenteling maximum aantal omwentelingen per seeonde

tijd tussen twee eount enable pulsen

~ kT en kE zijn in getalswaarde gelijk aan elkaar, aIleen

Bijlage 1 Practische uitvoering integrator

Bij deze uitvoering van de integrator is gebruik gemaakt de instrumentatie versterker de OP5EY (zie bijlage 6),

die een zeer lage offset spanning heeft en weinig tempe~

ratuur drift. V~~r de vermogensversterker wordt de

ver-sterker uit hfdst. 4 gebruikt.

De gesimuleerde condensator zal een waarde moeten hebben tussen de 0,1 F en 2 F.

De versterking van de vermogensversterker is 1,3 maal. Daar er grote stromen kunnen lopen moet de meetweerstand

Rm klein zijn. Om de ingang van de opamp niet te zwaar

te belasten mogen de weerstanden R1 en R2 niet te klein zijn. I.e

-u.l

u.1

I R1 R2

=

12,7 kohm

:;:c'

=

I Rm 0,1 ohm •

₌

I

-.

-

.'

.'

Rs

₌

4,9 Mohm 'lJA...

R,

P

₌

22 kohm .slagen

fig.1 versterker met regelsysteem voor condensator simulatie

inee'r

Uit de bovenstaande waardes (fig.1) voIgt voor de

conden-s~tor C dat deze tussen de 1-en 20)JF moet liggen.

V~~r enige meetresultaten zie bijlage 3.

Met de instelpotentiometer P moet eerst de offset OP nul

geregeld worden, hiervoor moet de ingang kortgesloten worden.

Bijlage 2 Practische uitvoering differentiator Bij deze uitvoering van de differentiator is gebruik gemaakt van de instrumentatie versterker OP5EY (zie bijlage 6), die een zeer lage offset spanning heeft en

weinig temperatuur drift. V~~r de vermogensversterker

wordt de versterker uit hfdst. 4 gebruikt.

De gesimuleerde spoel zal rond de 1 mH moeten liggen.

De versterking van de vermogensversterker is 1,3 maal. Daar er grote stromen kunnen lopen moet de meetweerstand Rm klein zijn. Daar de OP5EY erg stabiel is hoeft de

versterking voor hoge frequenties niet al te sterk beperkt te worden. •

-

~I

--

-I.L.

-L R1

₌

R3

=

10 kohm Rm

=

0,1 ohm R2

₌

100 ohm p

₌

_{22 kohm}

fig.1 versterker met regelsysteem voor spoel simulatie

Uit bovenstaande waardes (fig.1) voIgt voor de condensa-tor C een waarde van 1f!F.

Met instelpotentiometer P moet eerst de offset op nul geregeld worden, hiervoor moet de ingang kortgesloten worden.

Er moet op worden gelet dat door de grote terugkoppeling de vermogensversterker niet instabiel wordt.

Bijlage

3

Enige meetwaarden condensator simulatie

R == 4-7 ohm

fig. 1 testopstelling voor de condensator

Uit de gemeten waardes is de grootte van C I te bepalen

(zie vergelijking 5.3) C in F Of berekend . Of gemeten 0' in F 1 0,098 0,098 2 0,196 0,196 3 0,293 0,306 lJ. 0,'391 0,408 5

°

,

₄₈₈ . 0,515 6 0,5e6 0,612 7 0,684- 0,699 8 0,782 0,851 9 0,876 0,932 10

_0,977

1,03 20 1,95 1,96

BijIage

4-- 1

-Single Board Computer Jan P1echa

s.

Taole 1 Addreea Assignments

Meaor,r,Intertace Address Space

, EPRa. 2716 - 0 0000 071F 2716 - , 080 0 OFFF EPR(J( 2732 - 0 0000 OF F F 2732 - , 100 0 1 F F I' BAH 818; - 0 2000 231'F 818; - 1 2400 27F1' 818; - 2 280 0 2BFF 818; - 3 2 COO ; 2FFF 818; - 4 to7 3000 3FFF 82;1 - 0

_.

400x - 1 401 x 82;; - 0 402x - 1 403x 8259 40 4 x. 82;3 40;% 8279 406x n.c. 407x

S1ngle Board Ccaputer

where:

eso

=

A14v A,,," A11 - lover 2X

es_{1• A14} v ~"v A~ 1 ... higher 2K

c) RAM address space

~2A'1A10 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 d)

I/o

space ~ AS A4 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 as - 8185

o

1 2 3 4 5 6 7 es for interface 8251 - 0 8251 - 1 8255 - 0 8255 - 1 8259 8253 8279 Jan P1ecba 6.

each chip 11:

bite

("9+

.ta)

Full address ot interface device is 8upplea8Qted b1

!a

lA

1 address line va~

lues, where: 8251 - 0 is addressed: 4000 - Data 4001 - Statue, Control 8251 - 1 4010 - Data 4011 - Status, Control 8255 - 0 4020 - Port A (1) 4021 - Port B (2) 4022 - Port

a

(3) 8255 - 1 4030 - " (4) 8259 8253 4031 _ I t (5) 4032 - It (6) 4040 4041 '. 40,0 - Counter 0 4051 - 1 4052 - 2 4053 - Mode

S.1ngle Board Computer Jan Piecba

8279 is addressed 4060 - Data

4061 - Command/Status

These section blocks bave been. built on OR gates (chip A9) and de-multiplexers 8205 (chips A15 and A16) and are lIlentioned on sheet No.2

ot F1g.2 • The cOllplete schematic diagram or the cOlllputer is presented on tive sheets or J1g.2 and 1ucludes:

- Central Processor Unit, - HaaorJ and Chip Select,

- Serial Interface, Timer and Interrupt Controller,

- Para.Uel Inter:f'aae,

- Keyb~Diapla1 Controller.

Sixth sheet contains scilla. ot external board. - Keyboard/Display Unit ( Fi, • .3 ).

Grid reterences to each part ot d1agram consist ot tour

alphanuae-ric cbaractera. For exaaple 2ZB1 a1gnitiea sheet 2 zone 81. 2 • .3 Components specification

All the cOlllponents used in the computer are listed in Tables: 2, .3, ••• , 7 aen.tioned belove

Table 2 Parts l1at tor CPU block (sheet 1)

Chip Ass1pm.en.t FUnction Type No. or

COllpon.

1 2 .3 4

AO . IIl1croprocessor 8 85 1 A 7 address bus latch 8282 1 A 8 systea clock driv. 7474 1

A39 driver 71J)4 _4/6

A 47 driver 71J)8 , _'.3/4

A 48 data bus driver 8286 1

-

cnatal 6.144 1

-

capacitor 4.7 uF/SOV 1

-

If _{20 pF/25V 2}

-

resistor 2.2k/0.1W 4

-

"

470 ohlll/ 1/4 11 1 7.