PDV Vertiefung Sommersemester 2006 Das Inverse Pendel

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1 PDV Vertiefung Sommersemester 2006 Das Inverse Pendel Mathias Zappey Hüseyin Özballar

2 Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung Versuchsaufbau Motoren und H-Brücke PICDEM2 Plus Demo Board Microchip IDE und C Compiler In Circuit Debugger Algorithmus Aufpendeln Regelung Probleme und Lösungen Quellen...22

3 1. Aufgabenstellung Mit Hilfe eines Mikrocontrollers, der einen motorgetriebenen Druckerschlitten ansteuert, sollte ein an dem Druckerschlitten angebrachtes Pendel in eine senkrechte Position gebracht werden. Hat das Pendel die gewünschte Position erreicht, soll der Mikrocontroller die Steuerung des Druckerschlittens beenden bzw. unterbrechen. Zur Steuerung des Motors wird dabei der Mikrocontroller bzw. PIC (Programable Interrupt Controller) 18F452 der Firma Microchip verwendet. Der PIC wurde mit Hilfe der IDE (Integrated Developement Environment) MPLAB, über einen sogenannten ICD (In Circuit Debugger) programmiert. Eine Platine der Bauart PICDEM2 Demo Board, ebenfalls von der Firma Microchip stellt dabei die Schnittstelle zwischen der Entwicklungsumgebung und dem PIC dar. Durch einen Regelalgorithmus wird der Motor des Druckerschlittens so angesteuert, dass ein Kippen des Pendels nach links oder rechts abgefangen wird und das Pendel auf diese Weise früher oder später im Gleichgewicht bleibt und in einer senkrechten Position zum stehen kommt.

4 2. Versuchsaufbau Das Projekt besteht im wesentlichen aus dem Innenleben eines alten Druckers. Dabei ist auf dem Druckerschlitten, der von einem Motor angetrieben wird ein weiterer Motor angebracht, der jedoch nur zum Auslesen des Pendelwinkels durch die in ihm befindlichen Lichtschranken benutzt wird und den wir nicht ansteuern. Des Weiteren wird zur Ansteuerung des Motors ein Regelalgorithmus verwendet, mit dem ein PIC programmiert ist, der sich auf einer Platine PICDEM2 Plus Demo Board der Firma Microchip befindet. Um die Laufrichtung des Motors beeinflussen zu können wurde zusätzlich eine H-Brücke zwischengeschaltet, die sich auf einer separaten Platine befindet.

5 3. Motoren und H-Brücke Der Motor zum Antrieb des Druckerschlittens wird mit 17 Volt angetrieben. Der Typ des Motors ist nicht näher bekannt. Um die Position des Druckerschlittens zu bestimmen bzw. diesen zu kalibrieren, zählen wir die Interrupts, die durch auslesen der Lichtschranken des Motors bestimmt werden können. Die Kalibrierung des Druckerschlittens erfolgt dabei nach folgendem Schema: - Bei Neustart fährt der Motor an das Ende der Druckerschiene. Um das Ende der Druckerschiene erkennen zu können wird festgestellt ob noch Interrupts gezählt werden oder nicht. Ist dies nicht der Fall, wissen wir, dass das Ende der Schiene erreicht ist. - Ab diesem Punkt lassen wir den Motor in die entgegen gesetzte Richtung laufen und zählen die Interrupts bis der Motor am anderen Ende angekommen ist, was nach der oben bereits erwähnten Methode festgestellt wird. - Anschließend lassen wir den Motor um die Hälfte der Interrupts in die wiederum entgegen gesetzte Richtung laufen und haben somit den Druckerschlitten auf halber Länge der Schiene platziert. Der Druckerschlitten ist somit kalibriert. Codefragment: for(i=0;i<=2;i++) while(1) if(tick>=globalticks) pwmoff(); richtung^=1; pwmon(300); break; tick=globalticks; Delay1KTCYx(0); if(i==1) count=globalticks; if(i==2) count=globalticks-count; globalticks = 0; while(globalticks<=(count/2); pwmoff(); richtung^=1;

6 Die H-Brücke ist auf einer seperaten Platine angebracht und regelt die Laufrichtung des Motors. Sie ist mit den Ports RC1 bzw. RC2 der PICDEM2 Plus Platine verbunden. Die H-Brücke besitzt drei Steuereingänge: PWM, DIRECTION und BRAKE. Von den Steuereingängen benutzen wir jedoch lediglich den für die PWM und den für DIRECTION. Das Anhalten des Motors wird über eine Richtungsänderung mit anschliessendem Ausschalten der PWM realisiert. Die Richtung wird dabei über PORT RC1 der PICDEM2 Plus Platine angesprochen. Soll sie geändert werden wird das erste Bit an PORT RC1 lediglich getoggelt. #define richtung richtung^=1; PORTCbits.RC1 // ändern der Laufrichtung Die PWM hingegen ist an PORT RC2 der Platine angeschlossen und wird über die Funktionen pwmon(int pwm) bzw. pwmoff() angesprochen. Somit können wir pwmon einen Wert übergeben, der die Pulsweite festlegt. Um die Pulsweite voll auszuschöpfen müssen wir pwmon den Wert 1000 übergeben. Bei 0 ist das Minimum der Pulsweite erreicht. Um die Ansteuerung des Motors ganz abzuschalten rufen wir einfach die Funktion pwmoff() auf. #define PWM void pwmon(int x) // PWM erzeugen OpenPWM1(0xff); SetDCPWM1(x); void pwmoff(void) // PWM löschen ClosePWM1(); PORTCbits.RC2 Der PIC18F452 Microcontroller bietet zwei unabhängige PWM-Kanäle an. Der eine ist fest auf RC2 geschaltet (PWM1), der andere kann über ein Configuration-Bit auf RB3 oder RC1 gelegt werden (PWM2). Mit OpenPWMx() bzw. ClosePWMx() kann die Pulsweitenmodulation en-/disabled werden. OpenPWMx() wird noch die Periodendauer als Parameter übergeben.setdcpwmx() stellt den eigentlichen PWM-Wert ein. Hierfür kann ein Int- Wert übergeben werden. Der Wertebereich liegt bei 2 10 also zwischen 0 und 1023.

7 SetOutputPWMx() wird von unserem Prozessor nicht unterstützt.x steht jeweils für 1 oder 2 also den jeweiligen PWM-Kanal.PWM setzt das öffnen von Timer2 voraus.zu inkludierendes Header File: pwm.h H-Brücke:

8 4. PICDEM2 PLUS Demo Board Das PICDEM2 Plus Demo Board ist eine Platine, die sich für PIC16- bzw. PIC18- Prozessoren eignet. Der Prozessor wird über die Platine mit der Peripherie verbunden. Die Platine an sich besitzt eine Schnittstelle, die es dem Anwender ermöglicht den Prozessor zu programmieren , 28 und 40-Pin DIP Sockel (nur ein Sockel darf jeweils besetzt sein) 2. On-board +5V Wandler für 9V, 100 ma AC/DC Netzteil, 5V DC Eingang, Steckplatz für 9V Batterie 3. RS-232 Schnittstelle 4. In-Circuit Debugger (ICD) Buchse 5. 5 KiloOhm Potentiometer für analogen Input 6. 3 Schalter (2 frei belegbar, 1 Reset-Schalter) 7. Grünes PowerON LED 8. Vier Rote LEDs (über PORTB steuerbar) 9. Jumper J6 um LEDs zu deaktivieren MHz Quarz Oszillator

9 11. Freier Platz für Quarz Anschluss khz Quarz für Timer1 Clock 13. Jumper J7 um on-board RC Oszillator zu aktivieren (ca. 2 MHz) K x 8 Serial EEPROM. 15. LCD Display. 16. Buzzer. 17. Platz für Benutzer Hardware 18. Microchip TC74 Thermometer PIC 18F452: In unserem Fall befindet sich ein PIC (Programmable Interrupt Controller) der Bauart 18F452 auf der Platine, der zur Ansteuerung des Motors und zum verarbeiten der unterschiedlichen Signale programmiert werden kann. Der PIC18F452 ist ein Microcontroller der Firma Microchip. Es handelt sich um einen RISC-Prozessor mit folgendem Speicheraufbau: Eine Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher ist also vorgesehen, auch wenn es möglich ist Daten im Programmspeicher abzulegen. Der Data EEPROM Speicher ist optimiert für schnellen Datenzugriff und häufige Datenänderungen. Er kann über vier spezielle Register angesprochen werden: EECON1 EECON2 EEDATA

10 EEADR Normale Variablen werden im On-Chip RAM abgelegt. Der Prozessor arbeitet mit einer Taktfrequenz von 40 MHz. Der PIC18F452 verfügt über eine Reihe von I/O-Pins (RA-Port:RE-Port). Diese haben konfigurierbare Zusatzfunktionen. Beispielsweise kann ein bestimmter Pin wahlweise als Digitaler Ein-/Ausgang oder als Interrupt-Eingang dienen.

11 Schaltbild:

12 Die Portbelegung des 18F452 wird im Folgenden genauer dargestellt. Für unser Projekt waren vor allem Port C für die Pulsweitenmodulation sowie Port A für das Interrupt-Handling von bedeutung.

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16 Da einige Ports des PICDEM2 Plus Boards bereits vorbelegt sind,beispielsweise mit den LEDs oder dem Buzzer muss man sich also überlegen, welche Teile der Peripherie man benötigt undauf welche man verzichten kann.

17 5. Microchip IDE und C Compiler Micochip bietet zu den eigenen Prozessoren (PICmicro MCUs) die MPLAB IDE an. Diese Windows basierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment) verwenden wir in der Version Sie beinhaltet die beiden sogenannten LanguageTools MPASM und MPLINK: Assembler und Linker. Die entsprechenden Programme können auch als Command Line-Tools gestartet werden. Die IDE bietet darüber hinaus folgende Features: - Quelltexteditor - Kompilieren, Assemblieren und Linken - Programmieren des Controllers - Debuggen mit Breakpoints und Einzelschrittmodus - Auslesen und Speichern der aktuellen Prozessorprogrammierung als Binärfile - Anzeigen der Speicherinhalte - Anzeigen/Überwachen von Registern - Setzen von Konfigurationsbits - Verwalten von sog. Projekten/Workspace

18 6. In Circuit Debugger Für Debugging und Programmierung ist der sogenannte In-Circuit-Debugger von Nöten. Dieser wird mittels USB zwischen Platine und PC geschaltet. Mit der Microchip Entwicklungsumgebung kann nun der Prozessor programmiert bzw. die Software gedebuggt werden. Zum Debuggen muss man zunächst den Prozessor Programmieren. Danach kann man das Programm im Debug-Modus starten. Hierbei muss die Platine ständig mit dem ICD verbunden bleiben.

19 7. Algorithmus Der Algorithmus zur Steuerung des Motors und der damit verbundenen Stabilisierung des Pendels besteht im wesentlichen aus drei Teilen: 1. Kalibrierung des Druckerschlittens (s. oben) 2. Aufschwung des Pendels 3. Regelung des Pendelausschlags Da die Kalibrierung des Druckerschlittens bereits oben erwähnt und geschildert wurde, wird an dieser Stelle nicht nochmals darauf eingegangen werden. Im Folgenden wird nun die Aufschwungphase und die Regelung des Algorithmus näher beleuchtet. 7.1 Aufschwung des Pendels Die Aufschwungphase des Pendels ist durch eine rhythmische Hin- und Herbewegung gekennzeichnet, die das Pendel auf ein Niveau bringt, bei dem anschließend der Regelalgorithmus einsetzt und das Pendel stabilisiert, bis es letztlich eine Position einnimmt, in der es sich im Gleichgewicht befindet und die Motorsteuerung des Druckerschlittens abgeschaltet wird. Während der Aufschwungphase bricht das Pendel also jeweils in die eine oder andere Richtung aus wobei es beim Durchlauf des Nullpunktes (Punkt, an dem das Pendel senkrecht nach unten hängt) mittels der PWM einen Impuls bekommt, der es stärker in die entgegen gesetzte Richtung treibt. Hat das Pendel eine gewisse Höhe erreicht setzt der Regelalgorithmus ein. while(1) degree = globaldeg % 1008; if(degree < 0) degree += 1008; if((degree > 1000) (degree < 8)) pwmon(420); globalticks=0; while(1) if(globalticks >= 400) pwmoff();

20 richtung^=1; break; if((degree > 480) && (degree < 520)) break; 7.2 Regelung Zuerst wird der Winkel des Pendels bestimmt. Danach wird die Pulsweite eingestellt. In unserem fall haben wird dazu eine einfache Geradengleichung genommen.: PWM = m * alpha + b Dabei ist m die Steigung und b die Verschiebung der Geraden. Alpha gibt den Winkel des Pendels an. Anschließend stellen wir fest, ob das Pendel sich im regelbaren Bereich befindet. Mit Hilfe einer definierten toten Zone (Bereich, in welchem die Pulsweitenmodulation ausgeschaltet wird) ist der Endzustand, nämlich das Pendel in aufrechter Position im labilen Gleichgewicht erreicht. Um diesen Zustand zu bekommen gehen wir folgendermaßen vor: - Fällt das Pendel von rechts kommend nach links wird die Drehrichtung des Motors erst dann gewechselt, wenn das Pendel ein Grad über den Nullpunkt hinweg fällt. - Das Selbe geschieht in umgekehrter Richtung. while(1) // Auslesen des Winkels degree = globaldeg % 1008; if(degree < 0) degree = 1008+degree; // Einstellen der PWM pwm = 3 * degree - 600; // Überprüfung ob regelbarer Zustand if(degree > 498 && degree < 510) pwmoff(); richtung^=1; continue; // überprüfen ob Pendel von links oder rechts kommend if(degree > 400 && degree < 600) if(degree > 404) flag = 1; if(degree < 504)

21 else flag = 2; flag = 0; // Richtungswechsel des Motors if((degree > 504) && (flag ==1)) pwmon(pwm); richtung &= 0; continue; // Richtungswechsel des Motors if((degree < 504) && (flag ==0)) pwmon(pwm); richtung = 1; continue; if(flag == 2) pwmoff(); richtung^=1;

22 8. Probleme und Lösungen Im Laufe der Programmierung des Regelalgorithmus traten diverse Probleme auf, die nicht ganz trivial zu lösen waren. Zum Einen gab es ein Flattern, das immer dann auftrat, wenn das Pendel bzw. der Versuchsaufbau durch z.b. wackeln am Tisch oder Vibrationen beeinflusst wurde, zum Anderen gingen uns anfangs immer wieder Interrupts verloren, d.h sie wurden nicht gezählt. Flattern : Zum auslesen der Interrupts wurden zwei Rechtecksignale ausgelesen, die 90 zueinander versetzt waren: Dabei wurde mit dem oberen Signal die Interrupts ausgelöst und anhand des unteren Signals festgestellt in welche Richtung sich das Pendel bewegte. Flattern beschreibt die Situation, in der sich das Pendel zwischen den zwei Linien bewegt. Es ensteht somit der Eindruck, dass sich das Pendel kontinuirlich weiter dreht, es in Wirklichkeit jedoch an der selben Stelle hin und her zittert. Gelöst wurde dieses Problem dadurch, dass im INTCON2 Register das Bit INTEDG1 bei jedem Interrupt getoggelt wurde. Durch das Toggeln wurde sicher gestellt, dass erst die

23 nächste abfallende Flanke gezählt wurde und es somit nicht mehr möglich war zwei aufsteigende Flanken hintereinander zu zählen. Verlorene Interrupts: Durch Messungen ergab sich, dass das Eingangssignal einer Lichtschranke nicht sauber schaltete. Die Messung ergab eine Kurve, typisch für das Aufladen eines Kondensators. Nach Analyse des Schaltplans stellten wir fest, dass en Kondensator zum Entprellen eines Schalters parallel an unserem Interrupt-Port hing. Durch abklemmen des Widerstandes R19, der in Reihe mit dem Kondensator geschaltet war es fortab möglich das Signal sauber auszulesen.

24 9.Quellen Microchip PIC18FXX2 Data Sheet Microchip MPLAB IDE v.7 Quick Start Guide Microchip MPLAB C18 C Compiler User s Guide Microchip MPLAB C18 C Compiler Libraries Microchip PICDEM2 Plus User s Guide Microchip MPLAB ICD 2 In Circuit Debugger User s Guide