Begleitende Projekte CPLD Programmierung. 3.Semester. Dokumentation. Servoansteuerung

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1 Fachhochschul-Bachelorstudiengang Automatisierungstechnik Begleitende Projekte CPLD Programmierung 3.Semester Dokumentation Servoansteuerung Erstellt von: Peter Freigassner AT06 Version: 1.0 vom

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Aufgabenstellung LICHT Makro PWM Makro Servomotor Grundlagen Servomotor Funktionsdiagram Servomotor State Machine Diagram (Lichterkennung) Hardware Lichtauswertung Gesamtaufbau Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 2

3 1. Einleitung Für die Lehrveranstaltung Begleitende Projekte ist die Gruppenarbeit Servoansteuerung entstanden. Über CPLD soll ein Servomotor selbstständig eine Lichtquelle finden und diese verfolgen soweit es ihm möglich ist. 2. Aufgabenstellung Eine zum Humer CPLD Board angeschlossene Schaltung soll die Datenaufbereitung sowie die Leistungsverstärkung übernehmen. Am Servomotor wird über einen Arm und eine Klemme ein Fotowiderstand angebracht welcher die Sucher-Funktion übernimmt. Sobald genügend Licht am Fotowiderstand einstrahlt wechselt dieser seinen Ausgangspegel und wird auf das CPLD Board weitergegeben. Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 3

4 5.1 Aufgabenbereiche 3. LICHT Makro Ausgabe des aktuellen Compare Wertes für das PWM Makro über ein Byte (0-255). Solange am Lichtwiderstand keine Änderung der Lichtintensität eintritt wird bis zu einer definierten Grenze hinauf, anschließend wieder auf die untere Grenze herunter gezählt. Im Falle einer Unterbrechung der Zählsequenzen durch den Lichtsensor wird der aktuelle Comparewert nicht verändert und solange ausgegeben bis keine Lichtquelle mehr vorhanden ist. Zur Realisierung der Problematik wird der Xilinx Foundation Manager verwendet. Da es sich bei dem Makro zur Lichtsuche um einen Automatenablauf handelt entschieden wir uns die CPLD Programmierung mit dem eingebetteten State Machine Editor zu lösen. Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 4

5 4. PWM Makro Dieses Makro soll anhand eines Zählvorganges ein PWM Ausgangssignal erzeugen. Hierfür wurde der Systemtakt durch einen Vorteiler soweit herunter getaktet, dass ein sinnvolles Ansteuern des Servos möglich ist. Sobald der Zählwert den von außen eingespeisten Compare Wert erreicht hat wird der Pegel auf Low (0V) gelegt. Dieser bleibt anschließend bis zur Obergrenze des Zählers auf Low und wird anschließend mit der Rücksetzfunktion des Zählers auf High (5V) gesetzt. 5. Servomotor 5.1 Grundlagen Servomotor Im Modell wie auch im Roboterbau werden immer häufiger Servomotoren eingesetzt. Der große Vorteil dieser Aktoren ist der dezentrale Aufbau der Motorsteuerung. Grundlegend gibt es zum Aufbau folgendes zu vermerken: Kompakter und robuster Aufbau Kostengünstig da es sich um ein Serienprodukt handelt Hohe Stellkräfte bzw. Stellmomente Präzise Positionierung Dezentrale Regelung der Servoposition Ansteuerung über Pulsweite Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 5

6 5.1 Funktionsdiagram Servomotor 3. State Machine Diagram (Lichterkennung) Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 6

7 5.1 Eingangsvariablen 4Bit Tastatur CLK Eingangspuffer für den ausgewerteten Lichtwiderstand Referenztakt (wie für restlichen Makros gleich) 5.2 Ausgangsvariablen 8Bit Compare Dient zur Übergabe der Position an das PWM Makro 5.3 Ablauf Gestartet wird indem der Compare-Wert im State 0 (AUF) zu jedem Takteingang inkrementiert wird. Dieser Prozessstatus kann verlassen werden, wenn die obere Zählgrenze (=250) erreicht wird oder sich das Tastatur Nibble auf den Wert 15 einstellt. Im ersten Fall, beim Erreichen der Obergrenze, wird in den State2 (AB) gewechselt und dieser dekrementiert den Compare-Wert mit jedem Taktschlag. Auch aus diesem Status kann nur entsprungen werden wenn entweder der Compare-Wert die Untergrenze erreicht oder am Tastatur Nibble der Wert 15 anliegt. Sollten die Zählsequenzen durch das Tastatur Nibble gestoppt werden springt man entweder in den Aufwärts -Stopp oder in den Abwärts -Stopp Zustand. Hier wird der aktuelle Compare-Wert weder verringert noch erhöht, und somit zu jedem Taktschlag derselbe Wert ausgegeben. Erst wenn der Tastatur Wert 15 kehrt man wieder in den vorherigen Zustand zurück und die Zählsequenzen beginnen erneut. Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 7

8 4. Hardware Lichtauswertung Die Verbindung des CPLD-Boards mit der unten angeführten Schaltung wird über ein Flachbandkabel hergestellt. Hier werden diverse IO Signal und die Referenzspannung des CPLD Boards durchgeschleust. Um die am CPLD Board erzeugten Signale zu entkoppeln werden diese über einen Buffer (74541) an die Steckverbindung der Servos geführt. Ein weiterer Vorteil dieser Entkoppelung ist, dass über die gepufferten Signale wesentlich mehr Leistung entnommen werden kann. Für die Versorgungsspannung der Servomotoren wird eine externe Spannungsquelle über einen Spannungsregler auf 5V geregelt. Dieser Regler ist in der Lage die Stromversorgung von mehreren Motoren aufrecht zu erhalten, auch wenn diese parallel betrieben werden. Um Strom/Spannungspitzen welche durch Einschaltvorgänge der Motoren ausgelöst werden zu unterdrücken werden einige Stützkondensatoren Parallel zur geregelten Spannungsquelle Vcc geschaltet. Zur Signalisierung diverser Spannungszustände wurden Leuchtdioden parallel zur Spannungsquelle geschaltet. Ein Lichtwiderstand in Kombination mit einem Potentiometer als Spannungsteiler dient als Lichtsensor. Der LDR ändert seinen Widerstand mit Änderung der Lichtintensität. Die geteilte Spannung wird dem Schmitt getriggerten Puffer auf TTL Werte (0V, +5V) gebracht. Das Potentiometer dient als Schaltwertsteller und kann zur Einstellung der Umgebungshelligkeit genutzt werden. Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 8

9 Bild 1 : Schaltplan der Hardware gezeichnet mit Eagle Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 9

10 Bild 2 : Hardware eingebaut im Gehäuse Bild 3 : Fertig aufgebaute Hardware im transparenten Gehäuse Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 10

11 5. Gesamtaufbau Der Zusammenbau der einzelnen Komponenten ist recht einfach. Die entwickelte Hardware wird lediglich mit dem CPLD Board über ein Flachbandkabel verbunden. Spannungsversorgung für die Servomotoren wird extern beigestellt und über die Laborstecker mit der Hardware verbunden. Es besteht die Möglichkeit 4Servos anzusteuern. Bild 4 : Gesamtaufbau Erstellt von Freigassner Peter AT06 Seite 11