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Externe Interpolatoreinheit für analoge Positionsmesssysteme

Für die präzise Regelung von hochdynamischen Antriebssystemen ist unter anderem die interpolierte Auswertung von Positionsmesssystemen erforderlich. Dazu werden vielfach inkrementelle Systeme mit analoger Spannungsschnittstelle (Sinus-Cosinus Geber) verwendet, die in einem zyklisch absoluten Verfahren ausgewertet werden (analoge Interpolation). Für eine PC-basierte Regelung des am WZL entwickelten Pick&Place Prüfstands ist eine solche analoge Interpolation erforderlich. Dabei sind neben der hohen Auflösung des Positionssignals auch eine kurze Signallaufzeit (Verzögerung) und vor allem eine möglichst äquidistante Abtastung erforderlich, da aus den Positionswerten auch die Ist-Geschwindigkeiten für den Geschwindigkeitsregler berechnet werden sollen. Die eigentliche Regelung erfolgt als Echtzeitprogramm unter WinNT/RTX. Eingriffe in den Regler sind im Rahmen der Arbeit nicht erforderlich. Es sind lediglich die Positionsmesswerte entsprechend der o.g. Anforderungen zur Verfügung zu stellen. Die bisher für PCs verfügbaren Messsystem-Auswertekarten sind entweder deutlich zu langsam, oder beherrschen nur die digitale Interpolation (Zählerkarten). Diese Zählerkarten werten dabei nur die Vorzeichenwechsel von Sinus-Cosinus Gebern aus. Für den Prüfstand steht eine solche Zählerkarte mit einer Eingangsbandbreite von 10MHz bereits zur Verfügung.

Im Rahmen dieser Studienarbeit soll eine externe Interpolationseinheit auf Basis eines Interpolator-ICs entworfen und umgesetzt werden, um der vorhandenen PC-Zählerkarte ein Signal mit höherer Auflösung zur Verfügung stellen zu können. Die Messsysteme haben eine Strichteilung von 20 usec, angestrebt wird eine Auswertung mit mindestens 50-facher Auflösung. Bei einer maximalen Geschwindigkeit von 3m/s ergibt sich eine Ausgangsfrequenz von 7,5 MHz, bei niedrigeren Geschwindigkeiten wäre auch eine 100-fach Interpolation möglich.

Zur Konfiguration des Interpolator-ICs wird ein 8-bit Mikrocontroller (Atmel AVR-Reihe) über eine synchrone, serielle Schnittstelle (SPI) angeschlossen. Für die Inbetriebnahme und zu Debug-Zwecken kann der Controller über eine weitere serielle Schnittstelle (RS-232) an einen PC angeschlossen werden. Für weitere Arbeiten im Anschluss an diese Arbeit soll auf dem Controller außerdem ein Oversampling der Positionswerte und die Berechnung der momentanen Geschwindigkeit durchgeführt werden, da sich periodische Funktionen auf einem Mikrocontroller deutlich häufiger bei geringerem Jitter ausführen lassen als auf dem PC.

Aufgabenstellung im Rahmen dieser Arbeit

Erstellen eines Testprogramms für den Mikrocontroller (wahlweise in Assembler oder Gnu-C). Das Testprogramm soll das Interpolator-IC mit einer geeigneten Konfiguration laden und im Betrieb auftretende Fehler über eine serielle Verbindung an den PC signalisieren. Darüber hinaus sollen periodisch die Messwerte des Interpolators über die SPI-Schnittstelle eingelesen werden. Die Messungen sind über die letzten 5 Werte zu Mitteln und daraus die aktuelle Geschwindigkeit zu berechnen. Zur Überprüfung der Ergebnisse sollen jede Millisekunde die aktuellen Daten zum PC übertragen und dort in einer ASCII-Datei aufgezeichnet werden.
Testen des Programms und der Schaltung in verschiedenen Konfigurationen. Hierfür kann der Prüfstand definierte Verfahrbewegungen mit verschiedenen Geschwindikeiten und Beschleunigungen abfahren. Zu Testen sind die Ergebnisse mit verschiedenen Interpolationsraten. Die im Mikrocontroller berechneten Geschwindigkeiten sollen (z.B. mit Matlab) mit den Ergebnissen aus dem Lageregler verglichen werden.
Dokumentation der durchgeführten Arbeiten

Betreuer:

Dr. rer. nat. Stefan Lankes

stefan@lfbs.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Thorsten Ostermann

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