1 RAPORT ŞTIINŢIFIC PROIECT SIOSTAG - ETAPA 1 1. INTRODUCERE Giroscoapele sunt senzori de mișcare care măsoară viteza unghiulară a unui obiect faţă de un sistem de referinţă inerțial. Termenul de “Giroscop” este atribuit fizicianului francez Leon Foucault care şi-a denumit în acest mod montajul experimental folosit pentru punerea în evidenţă a rotaţiei pământului, prin unirea a două cuvinte greceşti: gyros – rotaţie şi skopeein – a vedea. Giroscopul are capacitatea de a măsura mişcarea absolută a unui obiect fără vreo intervenţie din afară. La sfârşitul secolului al XIX-lea, giroscoapele mecanice au început să fie folosite pe navele maritime iar din 1916 pe avioane. Până la jumătatea secolului al XX-lea au fost aduse continuu îmbunătăţiri giroscoapelor electromecanice, iar după 1960 au apărut primele giroscoape optice prin folosirea radiaţiei laser. Acestea şi-au găsit destul de repede aplicaţii în aeronautică şi în domeniul militar prin folosirea fibrei optice ca mediu de propagare optică. Giroscoapele tip MEMS folosesc efectul Coriolis, bazându-se pe micro-deplasarea unei mase vibrante ca rezultat al rotaţiei. Dacă pe suprafaţa unui obiect care se roteşte cu viteza unghiulară se află o masă inerţială la distanţa r faţă de centrul de rotaţie, viteza tangenţială a masei va fi r. Dacă r se schimbă cu viteza v, vom avea o acceleraţie tangenţială v. Această valoare reprezintă jumătate din acceleraţia Coriolis. Cealaltă jumătate este dată de schimbarea de direcţie a vitezei radiale. În aceste condiții, acceleraţia Coriolis va avea valoarea totală 2v. Dacă masa inerţială are valoarea M, trebuie să acţionăm cu o forţă egală cu -M·2v pentru a obţine acea valoare a acceleraţiei, iar masa răspunde cu o forţă de reacţiune corespunzătoare. Proiectul SIOSTAG îşi propune dezvoltarea unui bloc giroscopic cu giroscoape tip MEMS, a unor driver-e pentru motoare de curent continuu fără perii (BLDC) proiectate astfel încât să integreze giroscoapele MEMS, precum şi a unei întregi platforme de tip pan&tilt cu stabilizare pe 2 axe. Acest produs va putea fi folosit într-o gamă largă de aplicaţii de observare, supraveghere sau achiziţie ţinte pentru utilizare terestră, aeriană sau navală, pe unitatea pan&tilt stabilizată putând să fie instalată o gamă variată de senzori opto-electronici pentru observare şi măsurare distanţe pe timp de zi şi de noapte. În cadrul Etapei 1 s-au pus bazele dezvoltării acestor produse precum şi a testoarelor necesare pentru verificarea blocurilor individuale şi produsului final, prin simularea funcţionării reale în diverse condiţii de mediu. Etapa 1 cuprinde următoarele activităţi: Activitatea 1.1 „Analiza stadiului tehnologic atins de CO şi definire listă de probleme identificate în stadiul tehnologic actual. Achiziţii mijloace de cercetare. Activitatea 1.2 „Analiză soluţii existente şi a ofertei de componente, senzori şi subansamble disponibile”. Activitatea 1.3 ”Intocmire Studiu de fezabiliate” În cadrul firmei CO s-a dezvoltat un bloc giroscopic având la bază giroscopul MEMS tip ADXRS453 de la Analog Devices.
Transcript
1
RAPORT ŞTIINŢIFIC PROIECT SIOSTAG - ETAPA 1
1. INTRODUCERE
Giroscoapele sunt senzori de mișcare care măsoară viteza unghiulară a unui obiect faţă de un sistem de referinţă inerțial. Termenul de “Giroscop” este atribuit fizicianului francez Leon Foucault care şi-a denumit în acest mod montajul experimental folosit pentru punerea în evidenţă a rotaţiei pământului, prin unirea a două cuvinte greceşti: gyros – rotaţie şi skopeein – a vedea.
Giroscopul are capacitatea de a măsura mişcarea absolută a unui obiect fără vreo intervenţie din afară.
La sfârşitul secolului al XIX-lea, giroscoapele mecanice au început să fie folosite pe navele maritime iar din 1916 pe avioane. Până la jumătatea secolului al XX-lea au fost aduse continuu îmbunătăţiri giroscoapelor electromecanice, iar după 1960 au apărut primele giroscoape optice prin folosirea radiaţiei laser. Acestea şi-au găsit destul de repede aplicaţii în aeronautică şi în domeniul militar prin folosirea fibrei optice ca mediu de propagare optică.
Giroscoapele tip MEMS folosesc efectul Coriolis, bazându-se pe micro-deplasarea unei mase vibrante ca rezultat al rotaţiei. Dacă pe suprafaţa unui obiect care se roteşte cu viteza unghiulară se află o masă inerţială la distanţa r faţă de centrul de rotaţie, viteza tangenţială a masei va fi r. Dacă r seschimbă cu viteza v, vom avea o acceleraţie tangenţială v. Această valoare reprezintă jumătate din acceleraţia Coriolis. Cealaltă jumătate este dată de schimbarea de direcţie a vitezei radiale. În aceste condiții, acceleraţia Coriolis va avea valoarea totală 2v. Dacă masa inerţială are valoarea M, trebuie să acţionăm cu o forţă egală cu -M·2v pentru a obţine acea valoare a acceleraţiei, iar masa răspunde cu o forţă de reacţiune corespunzătoare.
Proiectul SIOSTAG îşi propune dezvoltarea unui bloc giroscopic cu giroscoape tip MEMS, a unor driver-e pentru motoare de curent continuu fără perii (BLDC) proiectate astfel încât să integreze giroscoapele MEMS, precum şi a unei întregi platforme de tip pan&tilt cu stabilizare pe 2 axe.
Acest produs va putea fi folosit într-o gamă largă de aplicaţii de observare, supraveghere sau achiziţie ţinte pentru utilizare terestră, aeriană sau navală, pe unitatea pan&tilt stabilizată putând să fie instalată o gamă variată de senzori opto-electronici pentru observare şi măsurare distanţe pe timp de zi şi de noapte.
În cadrul Etapei 1 s-au pus bazele dezvoltării acestor produse precum şi a testoarelor necesare pentru verificarea blocurilor individuale şi produsului final, prin simularea funcţionării reale în diverse condiţii de mediu.
Etapa 1 cuprinde următoarele activităţi:
Activitatea 1.1 „Analiza stadiului tehnologic atins de CO şi definire listă de probleme identificate în stadiul tehnologic actual. Achiziţii mijloace de cercetare. Activitatea 1.2 „Analiză soluţii existente şi a ofertei de componente, senzori şi subansamble disponibile”.
Activitatea 1.3 ”Intocmire Studiu de fezabiliate”
În cadrul firmei CO s-a dezvoltat un bloc giroscopic având la bază giroscopul MEMS tip ADXRS453 de la Analog Devices.
2
Întrucât în varianta veche sistemul pan&tilt integra un giroscop cu fibră optică model DSP3000, la proiectarea blocului giroscopic cu giroscop MEMS s-a urmărit folosirea aceleași interfețe digitale pentru driver-ele de motoare.
Un giroscop MEMS, în mod normal, oferă date în format de viteză unghiulară. Astfel, problema principală cu care CO s-a confruntat a fost obținerea poziției absolute din viteza unghiulară.
Din punct de vedere matematic, operația de conversie este integrarea vitezei unghiulare. În practică, rezultatul este influențat de diverși factori, printre care: offset-ul vitezei față de zero, zgomotul giroscopului, limitările de precizie în conversiile și calculele efectuate de microcontroller-ul care citește datele de la giroscop.
Giroscopul ADXRS453 de la Analog Devices este un giroscop MEMS pentru aplicații industriale și/sau de stabilizare, pentru medii aspre cu șocuri și vibrații puternice, la o analiză inițială părând un giroscop adecvat aplicaţiei proiectului.
Specificațiile giroscopului MEMS ADXRS453, comparativ cu cel cu fibră optică DSP3000, și cu cel de tip “silicon-sensing” DMU10-02/-22, sunt prezentate sunt prezentate în tabelul 1.
Tab. 1 Comparație între diverse tipuri de giroscoape
Denumire ADXRS453 DSP3000 DMU10-02/-22
Viteza unghiulara maxima ±400°/s ±375°/s ±300°/s
Stabilitate / Offset ±1440°/h
±0,4°/s
±20°/h
±0,00556°/s
<10°/h
<0,4°/h 0,05m/s
Densitate de zgomot 54°/h/√Hz
0,015°/s/√Hz
4°/h/√Hz
0,00111°/s/√Hz
4°/h/√Hz
0,10°/s/√Hz
Latime de banda 77,5 Hz 400 Hz 100 Hz
Prin interfața digitală (SPI), giroscopul transmite datele cu o precizie de [0,0125°/s]/bit.
Deși ADXRS453 este un giroscop MEMS foarte performant, se poate observa că acest giroscop este clar inferior atât celui optic cat si celui de tip DMU10-02/-22.
Au fost realizate doua versiuni succesive de bloc giroscopic folosind ADXRS453. Prima este PBG V3, iar a doua PBG V4 – denumirea versiunii începe de la 3 întrucât au mai existat două variante anterioare folosind alt giroscop MEMS de tip comercial. Denumirea PBG este un acronim pentru "Proiect Bloc Giroscopic".
2. TESTE ŞI MĂSURĂTORI ALE PBG V3
În privința testării, echipa de proiect a fost limitată de echipamentele disponibile. Astfel, nu s-au putut face teste dinamice în care giroscopul să fie deplasat în mod controlat și să se poată măsura răspunsul său.
Majoritatea testelor au fost de natură statică. Giroscopul a fost plasat pe o suprafață plană și s-a testat modul cum diverse ajustări în algoritmul de calcul influențează drift-ul și zgomotul valorii finale a blocului giroscopic.
3
S-au desfășurat și teste climatice, utilizând camera climatică din dotarea CO, pentru a se vedea cum este influențat giroscopul de variația temperaturii.
Exemplu Teste A Printre primele teste efectuate au fost cele pentru măsurarea offset-ului de zero al giroscopului (viteza
unghiulară raportată de giroscop în condițiile în care giroscopul nu este rotit).
În figura 1 se poate observa variația vitezei unghiulare raportate pe un interval de timp de 1000 s. Graficul albastru este viteza citită de la giroscop cu o frecvență de 500 Hz, graficul verde este o medie mobilă a valorii anterioare pe un interval de 50 de citiri, iar graficul roșu este o medie mobilă pe un interval de 500 de citiri.
Fig. 1 Variația vitezei unghiulare funcție de timp pe un interval 1000 s
Exemplu Teste B S-au desfășurat și teste statice pe intervale mari de timp (10 ore sau mai mult). Rezultatul unui astfel
de test se poate vedea în figura 2.
În acest test, giroscopul a fost lăsat să funcționeze peste noapte pe o suprafață plană.
Primul grafic este unghiul absolut raportat de către blocul giroscopic. Al doilea grafic este viteza indicată de către giroscop, iar al treilea grafic este temperatura raportată de către giroscop.
În condițiile date, se poate observa un drift de aproximativ 8,5 grade pe ora.
4
Fig. 2 Teste statice pe intervale mari de timp (50000 s / aprox. 14 h)
Exemplu Teste C S-a desfăşurat un test climatic folosind camera climatică din dotarea CO. Temperatura a fost scăzută
la -20°C, crescută la 70°C și coborâtă la 40°C într-un interval total de timp de aproximativ 6 ore. După aceea, giroscopul a fost lăsat să ruleze în continuare la temperatura camerei timp de 12 ore.
Se poate observa în figura 3 cum variația temperaturii prezintă o influență asupra punctului de zero al giroscopului.
Fig. 3 Influența variației temperaturii asupra punctului de zero al giroscopului
5
3. REALIZAREA BLOCULUI GIROSCOPIC VARIANTA PBG V4
Față de varianta anterioară, PBG V4 are în plus un accelerometru pe trei axe. Microcontroller-ul a fost schimbat cu unul mai performant, ATXMega32E5. De asemenea, a fost adăugată suplimentar o interfață serială pentru debug și configurare. Schema bloc este prezentată în figura 4.
Accelerometrul a fost adăugat din două motive. În primul rând, pentru a facilita detecția mișcării
blocului giroscopic – atunci când blocul nu se mișcă, se poate recalcula valoarea medie de offset față de zero a vitezei unghiulare. În al doilea rând, pentru a testa folosirea unui filtru Kalman sau a unui filtru complementar în scopul anulării derivei pe termen lung a giroscopului.
Microcontroller-ul a fost schimbat cu unul mai performant pentru a putea efectua calculele necesare filtrelor.
Teste și măsurători PBG V4 în condiții statice
În condiții statice, în figura 5 se poate observa cum filtrul complementar elimină problema drift-ului pe termen lung. În graficul superior este reprezentată viteza unghiulară citită la 1 kHz (albastru), respectiv media mobilă a acesteia pe 1000 de citiri (roșu). În grafic inferior este reprezentat unghiul absolut.
6
Fig. 5 Eliminarea drift-ului pe termen lung cu un filtru complementar
În graficele din figura 6 a fost folosit un filtru Kalman pentru eliminarea problemei drift-ului pe termen lung.
Fig. 6 Eliminarea drift-ului pe termen lung cu un filtru Kalman
În figura 7 este reprezentat unghiul în condiții statice, calculat în paralel prin 4 metode: roșu –
giroscop, verde – accelerometru, albastru – filtru Kalman, magenta – filtru complementar. Astfel, din
7
figură, se poate observa cum unghiul calculat folosind doar giroscopul are un drift în timp, pe când celelalte trei valori de unghi în condiții statice variază nesemnificativ în jurul valorii de zero.
Fig. 7 Calculul unghiului în condiții statice prin 4 metode (roșu – giroscop, verde – accelerometru,
albastru – filtru Kalman, magenta – filtru complementar) Teste și măsurători PBG V4 în condiții dinamice
Un test dinamic simplu este mișcarea blocului giroscopic în plan orizontal. Astfel, se poate observa în figura 8 efectul accelerațiilor liniare asupra metodelor de calcul ce folosesc accelerometrul.
În graficele următoare, blocul giroscopic a fost deplasat în plan orizontal, înainte și înapoi, mai întâi de-a lungul unei axe perpendiculare pe axa de rotație și apoi de-a lungul axei de rotație. Culorile graficelor au tot semnificația din figura 7: roșu – giroscop, verde – accelerometru, albastru – filtru Kalman, magenta – filtru complementar.
În cazul accelerațiilor liniare pe aceeași direcție cu axa de rotație, efectul negativ al acestora este mai puțin pronunțat.
8
Fig. 8 Efectul accelerațiilor liniare asupra metodelor de calcul
În urma testelor s-a observat cum filtrele Kalman și complementar sunt influențate negativ de
accelerații liniare tranzitorii ce perturbă unghiul calculat folosind accelerometrul. Deși acestea pot fi reduse prin ajustarea coeficienților filtrelor, “costul plătit” este timpul de răspuns mai mare al blocului giroscopic. Deocamdată, echipa de proiect nu a ajuns la un compromis acceptabil și a optat pentru varianta de calcul în care unghiul final este calculat folosind doar giroscopul MEMS. Accelerometrul, în acest caz, este utilizat doar pentru a asista în determinarea momentelor în care se poate recalcula offset-ul de zero.
4. CONCLUZII
În figura 9a este prezentată realizarea blocului giroscopic pe care s-a implementat PBG V4, iar in figura 9b modulul “silicon-sensing” DMU10-02/-22.
a)
9
b)
Fig. 9 a) blocul giroscopic pe care s-a implementat PBG V4; b) modulul “silicon-sensing” DMU10-02/-22
După ce s-a implementat versiunea a treia a algoritmului pentru PBG V4 și după ce s-au ajustat filtrele, rezultatul a fost cel din figura 10.
Fig. 10 Rezultatele obținute (viteză unghiulară și unghi) după implementarea versiunii a treia a
algoritmului pentru PBG V4
Graficul ilustrează viteza unghiulară și unghiul absolut în condiții statice. În primul grafic, cu albastru este reprezentată viteza unghiulară citită conform protocolului DSP3000 la o frecvență de 1000 Hz, iar cu roșu este media mobilă a acesteia la 1000 de citiri.
Deși graficele finale par asemănătoare cu cele ale giroscopului DSP3000, pe un interval de zece secunde diferențele devin clare (figura 11).
10
Fig. 11 Diferențe în dependența unghiului funcție de timp (pe un interval de 10 s) în cazul PBG V4 (sus)
și DSP3000 (jos) Primul grafic este cel al blocului giroscopic PBG V4, iar al doilea este cel al DSP3000. Se poate
observa cum PBG V4 este mult mai zgomotos.
În practică, după ce s-a înlocuit blocul DSP3000 cu PBG V4 și s-au ajustat parametrii driver-ului, PBG V4 a dus, din cauza zgomotului, la apariția unor mici vibrații în imagine pe câmpul de vizualizare cel mai îngust al camerei. Blocul este capabil să stabilizeze mișcări ample ale platformei, dar în condiții statice, face exact opusul.
Pentru a îmbunătăți performanțele de stabilizare, echipa de proiect are la dispoziție două opțiuni ce pot fi selectate individual sau împreună.
În primul rând, se poate încerca un giroscop MEMS mai performant, cum ar fi ADIS16137 de la Analog Devices. O comparație a specificațiilor de performanță ale ADIS16137 și cele ale celorlalte giroscoape este prezentată în tabelul 2.
Tab. 2 Comparație între giroscopul MEMS ADIS16137 și giroscoapele prezentate anterior
Alegerea unui giroscop cu performanțe mai apropiate de DSP3000 ar putea rezolva mișcările eratice ce perturbă imaginea camerei în câmpul îngust de vizualizare.
Cea de-a doua opțiune este reproiectarea driver-elor. Driver-ele folosite momentan sunt configurate hardware pentru a fi interfațate cu un giroscop DSP3000. În plus, pentru ajustări majore în algoritmii de control, trebuie să se apeleze la specialiști, din afara firmei CO, ce sunt familiarizați cu funcționarea internă a driver-elor. Acest fapt complică procesul de reglare a driver-elor.
Proiectarea unor driver-e adaptate pentru performanțele giroscopului ales ar rezolva problema stabilizării. De asemenea, mai există câteva avantaje:
se poate facilita interfațarea cu restul sistemului; configurarea și/sau calibrarea driver-elor proprii ar fi mai ușoară decât în cazul unor driver-e
produse de o companie străină, ale căror principii de funcționare internă sunt necunoscute; costurile de producție ar putea fi adaptate la necesitățile de performanță ale aplicației; driver-ele ar putea fi mai ușor adaptate și refolosite în alte proiecte.
Pentru a putea face o analiză a soluţiilor existente privind metodele de stabilizare este necesară o comparaţie a caracteristicilor tehnice ale tipurilor de giroscoape existente.
Principalele caracteristici ale giroscoapelor care permit selectarea în funcţie de aplicaţie sunt următoarele:
Domeniul de măsură este definit ca setul tuturor valorilor de ieşire posibile. Pentru unaccelerometru, el este domeniul de acceleraţii care pot fi măsurate cu acest senzor cu o anumităprecizie/acuratețe;
Precizia/acurateţea este definită ca gradul de apropiere a valorii măsurate de valoarea reală.Aceasta variază de la un senzor la altul datorită drift-ului sau zgomotului şi este inversproporţională cu eroarea maximă a senzorului;
Rezoluţia corespunde valorii minime de semnal de intrare măsurat. În mod normal, un semnal nupoate fi măsurat când raportul semnal/zgomot se apropie de 1;
Lărgimea de bandă a unui senzor în termeni legaţi de procesarea de semnale se referă la gama defrecvenţe care poate fi măsurată (de obicei este dată în Hz sau rad/s);
Sensibilitatea/sensitivitatea unui sistem este definită ca raportul dintre semnalul de ieşire şi celde intrare. Cu cât sensibilitatea este mai mare, cu atât mai uşor poate fi măsurată modificarea unuisemnal de intrare. Cu toate acestea creşterea sensibilitatea unui sistem duce la reducerea precizieideoarece erorile cresc şi ele;
Selectivitatea unui senzor este capacitatea acestuia de a diferenţia un semnal dorit de un altsemnal prezent în sistem. Poate fi definită ca raportul sensibilității pentru două semnale diferite;
Neliniaritatea unui senzor este variaţia maximă de semnal pentru o sensibilitate constantă întimp, pentru tot domeniul de măsură;
Stabilitatea/instabilitatea erorilor poate fi definită ca fiind capacitatea unui senzor de a îşi păstradomeniul de eroare pentru o anumită perioadă de timp. Acest parametru este foarte importantpentru senzorii inerţiali întrucât integrările necesare în procesarea de semnale pot duce la oinstabilitate ridicată a erorilor;
Repetabilitatea este capacitatea unui senzor să răspundă în mod identic la acelaşi semnal deintrare apărut în aceleaşi condiţii;
12
Clasificarea pe grade a senzorilor inerţiali se face în funcţie de performanţele acestora. Gradelealocate sunt corespunzătoare unor posibile aplicaţii în funcţie de performanţele senzorilor.
În tabelul 3 se prezintă clasificarea pe grade a senzorilor inerţiali în funcţie de erorile acestora.
Tab. 3 Clasificarea pe grade a senzorilor inerţiali
În concluzie, se poate spune că pentru a realiza un bloc de stabilizare cu caracteristici suficient de bune pentru a fi implementat în majoritatea platformelor terestre, navale şi aeriene va trebui să să se utilizeze cel puţin un dispozitiv MEMS de nivel tactic.
Un astfel de produs este modelul ADIS16136 realizat de Analog Devices și prezentat în figura 12.
Acest giroscop are o stabilitate bună, asigurând o deviaţie unghiulară aleatoare comparabilă cu cea a giroscoapelor cu fibră optică, o liniaritate de două ori mai bună, un timp de iniţializare de 30 de ori mai mic şi o putere consumată de 5 ori mai mică. Dimensiunea mult mai mică comparativ cu giroscoapele cu fibră optică şi masa de 25 g îi permit o integrare mecanică facilă în orice tip de platformă.
Fig. 12 Giroscopul MEMS ADIS16137
Principalele caracteristici ale giroscopului MEMS ADIS16136 sunt următoarele:
Domeniul de măsură: ±450°/s Zgomotul: 0,0036 o/s/√Hz rms Eroarea în funcţionare: 3,5°/h Deviaţia unghiulară: 0,16 o/√hr Coeficientul de eroare cu temperatura: ±0,00125 o/s/oC Coeficientul de sensibilitate cu temperatura: +/- 35 ppm/oC Lărgimea de bandă: 380 Hz Timpul de pornire: 180 ms Timpul de revenire din modul “sleep”: 2,5 ms
Analizând rezultatele obţinute după testarea giroscopului ADXRS453, se poate trage concluzia că toate neajunsurile evidenţiate pe parcursul investigațiilor vor fi eliminate prin înlocuirea lui cu modelul mult mai performant ADIS16136.
Astfel, pe parcursul Etapei 2, giroscopul MEMS ADIS16136 va fi implementat în blocul giroscopic urmând ca testele ulterioare să confirme dacă acesta satisface cerinţele de stabilizare cerute de platformele pan&tilt profesionale.
Pentru a putea dezvolta toate blocurile şi modulele/componentele propuse pentru finalizarea
proiectului SIOSTAG, s-a evidenţiat necesitatea realizării unor testoare specializate care vor fi folosite la testarea blocurilor individuale precum şi a produsului final „Platformă pan&tilt cu stabilizare pe 2 axe”.
Aceste testoare se vor realiza pe parcursul Etapei 2 şi vor fi utilizate atât pentru investigația funcţională a blocurilor giroscopice şi a driver-urilor de motoare, cât şi pe parcursul realizării testării mecano-climatice a acestor produse. De asemenea, testorul de platformă pan&tilt va asigura testarea funcţională a produsului final, adică a platformei în care s-au integrat atât blocul de stabilizare cât şi driver-urile pentru cele 2 motoare BLDC.
Aceste testoare vor asigura testarea platformei pan&tilt în condiţii care vor simula funcţionarea în condiţii reale, în toată gama de mişcări de translaţie, rotaţie, şocuri și vibraţii generate de mijloacele terestre, aeriene şi navale.
Pentru aceasta este necesară realizarea următoarelor testoare: testor bloc giroscopic; testor driver motor; testor platformă pan&tilt.
Testorul blocului giroscopic este format din următoarele componente: bloc testor giroscop,
calculator PC portabil tip laptop, software testor şi cabluri de legătură. Blocul testor giroscop asigură alimentarea produsului şi conectarea pe o legătură de date de tip serial
cu un calculator PC tip laptop. Pe acest calculator este instalat un program software pe a cărui interfaţă grafică se va monitoriza
răspunsul giroscopului la acţiunea diferiţilor factori de intrare, precum mişcări unghiulare şi de translaţie pe diferite axe, şocuri, vibraţii, diverse temperaturi de lucru, etc.
Blocul testor giroscop va consta dintr-un sistem electronic ce va asigura atât alimentarea blocului giroscopic cât şi conversia de la interfața de date de tip RS-232 generată de blocul giroscopic la o interfață de tip USB pentru conectarea cu calculatorul.
Schema bloc a acestui testor este dată în figura 13.
Fig. 13 Schema bloc a testorului blocului giroscopic
Testorul driver-ului de motor este format din următoarele componente: bloc testor drive, calculator PC tip laptop portabil, software testor şi cabluri de legătură.
Blocul Testor Driver asigură alimentarea drive-ului şi conectarea acestuia pe o interfață de date de tip serial cu un calculator PC tip laptop.
BLOC GIROSCOPIC
BLOC TESTOR
GIROSCOP
SURSĂ ALIMENTARE
14
Pe acest calculator este instalat un program software pe a cărui interfaţă grafică se va monitoriza răspunsul drive-ului la modificări ale parametrilor de intrare, precum şi toate reglajele necesare pentru buna funcţionare a motoarelor BLDC.
Fig. 14 Schema bloc a testorului driver-ului de motor
Testorul platformă pan&tilt este un testor al produsului final şi va consta într-o platformă de mişcare pe 6 axe de libertate (3 de translaţie şi 3 de rotaţie) de tip hexapod, care va asigura toată gama de mişcări posibile care apar la platformele de tip terestru, aerian sau naval.
Pentru a putea fi folosit pe întreaga gamă de platforme pan&tilt stabilizate, acest testor va trebui să suporte mase de testare de până la 200 kg.
În figura 15 este prezentată schema bloc a acestui testor.
Fig. 15 Testorul de driver
Blocul de stabilizare s-a montat pe axa de mişcare în plan vertical a unei platforme pan&tilt, aranjamentul experimental fiind prezentat în Figura 16.
BLOC DRIVE
MOTOR
BLOC TESTOR DRIVE
SURSĂ ALIMENTARE
15
Fig. 16 Blocul de stabilizare montat pe axa de mişcare în plan vertical a unei platforme pan&tilt
Acţionarea mişcării în plan vertical se face cu un motor de curent continuu fără perii (BLDC) fabricat de ICPE şi cu un driver de motor ce urmează a fi cercetat și realizat special pentru acest produs (figura 17). Blocul Testor Drive asigură alimentarea driver-ului şi conectarea acestuia pe o interfață de date de tip serial cu un laptop.
16
Fig. 17 Motor de curent continuu fără perii (BLDC) comandat de un driver de motor specializat
Electronica de comandă pentru ansamblul de mişcare tip hexapod va fi montată într-un sistem
electronic care va conţine drive-urile actuatoarelor hexapodului, sursele de alimentare şi interfeţele de comunicaţie cu un calculator PC tip laptop pe care va fi instalat software-ul specializat pentru controlul mişcării pe cele 6 axe de libertate.
Driver-ul pentru motoare de curent continuu BRUSHLESS (BLDC): Platforma trebuie deplasata pe cele 3 axe (figura 18). Controlul se face cu motoare acționate de la o sursa de curent continuu, iar motoarele trebuie sa aibă un cuplu practic constant la orice turație. Aceasta se obține cu ajutorul motoarelor tip BLDC prin intermediul unui controller cu drivere corespunzătoare . Motoarele de acest tip sunt motoare trifazate comandate prin PWM, comandate în curent continuu pe fiecare fază în parte (figura 16).
Fig. 18 Driver pentru motoare BLDC
În figura 19 sunt prezentate cele trei faze și unghiurile corespunzătoare funcționării lor.
17
Fig. 19 Cele trei faze și unghiurile corespunzătoare funcționării lor (faza A – graficul superior, faza B –
graficul din mijloc, faza C – graficul inferior) Sincronizarea se face culegând informația de poziție de la senzori. Din poziția determinata, controller-
ul selectează perechea corespunzătoare de tranzistoare (Q1 … Q6) care trebuie să fie comandată. Reglarea curentului la un unghi fix de 60° de referință poate fi realizată în oricare dintre cele două moduri.
Modulația impulsurilor în durată (PWM): Tensiunea de alimentare este chopp-ată la o frecvență fixă, pe un ciclu de funcționare, în funcție de
eroarea curentă. Prin urmare, atât curentul cat și viteza de variație a curentului pot fi controlate. Durata de alimentare este limitată de cele două unghiuri de comutație. Avantajul principal al PWM este că frecvența de chopping este un parametru fix; prin urmare, zgomotele acustice și electromagnetice sunt relativ ușor de filtrat.
În această tehnică ambele tranzistoare sunt comandate de același semnal, fiind saturate și blocate în același timp. Blocul electronic de putere este, în aceste condiții, mai ușor de proiectat și este, de asemenea, mai ieftin. Un dezavantaj este faptul că semnalul de curent crește în comparație cu alte tipuri de chopping. Ca o concluzie, aceasta abordare permite nu numai un control al curentului și al vitezei de variație a curentului, ci și o minimizare a riplului de curent. Caracteristicile unui asemenea driver compatibil cu motorul ICPE sunt date in tabelul 4 și figura 20.
Tab. 3 Driver compatibil cu motorul ICPE
Model
Dom temp. (ºC)
Dom. tens. (V)
I vârf (A)
I con (A)
Senzor Hall
60º/120º
PWM f(kHz)
Timp
(s)
Dom. SV (V)
PG
Radiator
BLSD2450DC-2Q-X
-10 ～
+50
-40 ～
+85
17 ～ 32
25 ～ 50
12,5～ 25
√
15
0,1 ～ 10
0 ～ 5
24p@ 8-poli
√
18
Fig. 20 Driver compatibil cu motorul ICPE
Acest driver are 2 moduri de lucru: A. modul de modulație a impulsurilor în durată (PWM), a se vedea pagina anterioară; B. modul histerezis.
În regulatorul tip histerezis, tranzistoarele de putere sunt blocate în funcție de referință. Eroarea este utilizată în mod direct pentru a controla stările tranzistoarelor de putere. Regulatorul histerezis este folosit pentru a limita curentul de fază într-un domeniu de histerezis prestabilit.
Deoarece tensiunea de alimentare este fixă, rezultatul este că frecvența de comutație variază în funcție de eroarea curentă. Prin urmare, operațiunea curentă de chopping nu este o tehnică de chopping PWM. Această metodă este frecvent implementată în sistemele în care turația motorului și sarcina nu variază prea mult, astfel încât variația de frecvență de comutație să fie mică.
Deoarece valoarea toleranței este un parametru de proiectare, acest mod permite un control precis al curentului, dar zgomotele acustice și electromagnetice sunt dificil de filtrat din cauza frecvenței de comutație variabile.
Ethernet
PHY
PMIC
MCU Industrial
PROT
ePWM
SPI CPU
MCU/ MPU
Senzor optic
UART
CAN
Filtru dig.
VREF
Interfață
(opt.)
Convertoare DC/DC & LDOs
IGBT
485 PHY
CAN PHY
24V 280–680 V
Safety (Optional)
DC/DC Izol opt. DC/DC
Control
Bloc putere Buclă de control
MCU/MPU
Driver-e IGBT
ISO
Comunicație(opt.) ISO
Temp Sense
Acc. Feedback curent
/ tensiune P
ADC
int. ISO
AMP
ISO SDM
Amp
etc.
SAR ADC
Encoder MCU
RS-485 PHY
19
Referință de viteză
Fig. 21 Driver de motor BLDC
O caracteristică a driver-ului BLDC este de a avea un singur curent la un moment dat în motor (două faze ON). Prin urmare, nu este necesar a pune un senzor de curent pe fiecare fază a motorului, iar un unic senzor plasat pe linia de intrare în invertor face posibil controlul curentul fiecărei faze. Mai mult decât atât, folosind acest senzor pe linie la „masă”, nu sunt necesare izolații suplimentare și poate fi utilizata o rezistență de valoare scăzută. Această valoare este stabilită astfel încât activarea ei la supracurent sa blocheze curentul maxim permis de blocul de alimentare al sistemului.
În figura 21 se poate observa că la intrare este blocul controller PI. După comparația de curent urmează blocul controller PID. Ieșirea controller-ului PID reprezintă intrarea blocului de sincronizare și control PWM, iar ieșirea acestui bloc comandă invertorul trifazat care acționează motoarele BLDC. Buclele de reacție din figură permit ca sistemul electronic să aibă o funcționare stabilă.
În concluzie, se poate spune că pe parcursul Etapei 1, Coordonatorul proiectului (CO), firma Electro Optic Components SRL, cât şi Partenerul Universitatea “Politehnica” din Bucureşti (P1) au desfăşurat cu succes activităţile care au pus bazele cercetărilor care vor fi realizate în cadrul proiectului şi au clarificat direcţiile de lucru pentru activităţile din cadrul Etapei 2.
Astfel, s-a realizat analiza stadiului tehnologic atins de CO şi s-au identificat problemele stadiului tehnologic actual prin desfăşurarea de teste funcţionale în diverse condiţii de laborator şi reale, prin montarea blocului giroscopic pe o platformă pan&tilt existentă.
S-au pus în evidenţă componentele care au limitat performanţele produsului şi s-au identificat acele componente cu care acestea vor fi înlocuite pe parcursul Etapei 2.
S-au identificat şi analizat soluţiile existente în momentul de faţă pentru reducerea erorilor giroscoapele MEMS şi s-au implementat pe baza acestora mai multe variante de algoritmi şi soluţii de filtrare digitală.
De asemenea, pe parcursul Etapei 1 s-au realizat şi activităţile de achiziţie de mijloace de cercetare, tehnică de calcul şi software, în concordanță cu specificațiile din cadrul proiectului.
Au fost puse în evidenţă testoarele necesare care vor fi realizate de cei doi parteneri pe parcursul Etapei 2 şi care vor permite testarea subansamblelor principale şi produsului final (“Platforma pan&tilt girostabilizată pe 2 axe”).
Etapa 1 s-a finalizat cu trei documente tehnico-științifice care conţin rezultatele activităţilor de cercetare:
1 raport de analiză a stadiului tehnologic; 1 raport de analiză soluţii existente, ofertă componente, senzori, subansamble; 1 studiu de fezabilitate.
