Corso di TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO A.A. 2013/2014, Docente: Ing. Marcello Bonfè SPUNTI PER PROGETTI DI APPROFONDIMENTO (TESINE FACOLTATIVE)

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1 NOTE GENERALI: Corso di TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO A.A. 2013/2014, Docente: Ing. Marcello Bonfè SPUNTI PER PROGETTI DI APPROFONDIMENTO (TESINE FACOLTATIVE) 1. Ogni progetto deve essere PERSONALE, cioè sviluppato e presentato da ciascuno studente in autonomia. 2. I progetti qui descritti sono dei suggerimenti, realizzabili con materiale in dotazione presso il Dipartimento. Altri progetti possono essere proposti direttamente dallo studente su propria iniziativa e inventiva. Qualsiasi progetto di tesina dovrà però contenere almeno: Uno o più sensori per la misura di grandezze fisiche OPPURE uno o più attuatori (es. motore DC, passo passo, termoriscaldatore, ventola ecc.) OPPURE entrambi! Un microcontrollore/dsp, preferibilmente Microchip dspic 3. Per ciascuno dei progetti qui descritti, il materiale didattico fornito dal docente, IN AGGIUNTA ALLE DISPENSE UFFICIALI, è disponibile in formato elettronico presso il Laboratorio di Elettronica, su richiesta specifica al tecnico Feliciano Bignozzi. 4. Il docente è disponibile per fornire suggerimenti più dettagliati (esempi di codice C, schemi elettrici e datasheet dei componenti specifici), su richiesta specifica dello studente interessato ad uno degli esempi qui proposti. 5. PRIMA DI INIZIARE LO SVILUPPO di una tesina, lo studente DOVRA descrivere al docente il proprio proposito di progetto, sia estratto tra quelli qui elencati sia di propria inventiva, sia al fine di valutarne l applicabilità come tesina per il corso (Vedi punto 1 sui contenuti richiesti!) sia al fine di permettere al docente di fornire ulteriori suggerimenti utili (vedi punto 3). 6. IN SEDE D ESAME NON VERRANNO VALUTATE TESINE NON CONCORDATE PRIMA DELL INIZIO DEL PROGETTO STESSO. Inoltre, lo studente che si presenti all esame con un progetto dovrà segnalarlo anche in fase di iscrizione all appello (ammessa solo via web!) tra le note. 7. Il progetto dovrà essere accompagnato da una breve relazione: poche pagine con schema a blocchi o schematico dettagliato, listato programma e commenti personali.

2 1. Regolazione di temperatura Obiettivo: realizzazione del controllo in retroazione di un sistema riscaldabile, tramite microcontrollore (es. dspic) e sensori di temperatura Sensore di temperature: o Termocoppia + amplificatore per termocoppie AD595* o OPPURE Sensore di temperatura LM35 (formato TO-220)* Scheda a microcontrollore (es. Microchip Microstick II*) Scheda di prototipazione (breadboard*) Riscaldatore: o Transistor BJT di potenza* o Lampadina o altro dispositivo per funzione di riscaldamento OPZIONALE: ventola* o altro dispositivo per funzione di raffreddamento Schemi di principio: termocoppia AD 595 A/D dspic Ampli BJT PWM OPPURE: Il controllo può essere fatto con una funzione PID, per modulare il duty cycle di un segnale PWM che comandi l accensione della lampadina (o del dispositivo riscaldatore), oppure con una logica on/off, eventualmente comandando anche una ventola (oltre al riscaldatore) in caso di eccessivo riscaldamento. Completano il progetto la visualizzazione della temperatura via LCD o seriale. Lo

3 schema generale di collegamento di transistor di potenza, per pilotare lampade o ventole, può essere il seguente: Tensione Lampada Output dspic R limit Transistor BJT 2. Controllo di servomeccanismo miniaturizzato Obiettivo: azionare un motore DC mantenendo il controllo sulla posizione del motore, tramite il conteggio dei passi di un encoder incrementale. Scheda a microcontrollore Microchip Microstick II + PICDEM Mechatronics* Servomeccanismo con encoder incrementale, kit già assemblato* Il kit in figura è costituito da un motore DC con riduttore ad ingranaggi ed un encoder incrementale a contatto meccanico. Il riduttore ha un coefficiente di 256:1, il che significa che l albero lento, sul quale è cablato l encoder, gira al massimo a 36 RPM (0,6 giri al secondo). L encoder genera 24 variazioni di segnale per giro, con il canale A sfalsato di 54 rispetto al canale B in senso orario. In altre parole, la forma d onda tipica in uscita dall encoder è la seguente:

4 A B se l encoder ruota in senso orario, mentre è la seguente: A B se l encoder ruota in senso anti-orario. Pertanto, per acquisire correttamente il segnale, potrebbe essere sufficiente impostare il canale A come ingresso su un pin di interrupt del dspic (funzione Change Notification, pin marcati con CNx). In corrispondenza di questo evento, se il segnale B è alto, il senso di rotazione è orario perciò il conteggio passi va incrementato, mentre se il segnale B è basso, il conteggio va decrementato. Il progetto potrebbe prevedere il controllo del motore per il posizionamento su quote prefissate (corrispondenti ad un determinato numero di passi encoder totali) o determinate in base ai potenziometri sulla scheda o ancora in base a comandi ricevuti via seriale. 3. Controllo microstepping di un motore passo-passo Obiettivo: azionare un motore passo-passo con la modalità di movimento più fine realizzabile con hardware convenzionale, definita microstepping. Scheda a microcontrollore Microchip Microstick II + PICDEM Mechatronics* Il programma del microcontrollore deve permettere il movimento orario/antiorario del motore stepper in dotazione, connettendo opportunamente il dspic ai seguenti dispositivi installati sulla PICDEM Mechatronics: POT1 (J4), riferimento velocità motore SW2 (J4), pulsante per richiesta di rotazione oraria SW3 (J4), pulsante per richiesta di rotazione antioraria. P1 (J1), comando transistor del convertitore di potenza

5 P2 (J1), comando transistor del convertitore di potenza P3 (J1), comando transistor del convertitore di potenza P4 (J1), comando transistor del convertitore di potenza PWM1 (J1), modulazione di una coppia di transistor del convertitore di potenza PWM2 (J1), modulazione di una coppia di transistor del convertitore di potenza Grazie alla modulazione PWM, è possibile regolare l andamento della corrente nelle fasi del motore in modo sinusoidale, anzichè ad onda quadra come effettuato per il pilotaggio in modalità mezzopasso o passo intero. In questo modo, si può ottenere un movimento molto fluido del motore, poco rumoroso e stabile, in quanto vengono evitate le problematiche di risonanza elettromeccanica tipiche del movimento standard dei motori stepper, come illustrato dalla seguente figura (in blu, sequenza di attivazione fase passo intero, in rosso, corrente reale di fase, in nero, corrente ottenibile con la modulazione PWM sinusoidale): Per ottenere la corrente sinusoidale, è necessario introdurre, in aggiunta all esecuzione della sequenza di attivazione dei pin di comando P1 P2 P3 P4, una sequenza che faccia variare il duty cycle del PWM, ovviamente in modo sincrono alla sequenza delle fasi. Tale sequenza può essere ottenuta definendo un vettore di valori che descrivano un quarto di periodo di una sinusoide, ad esempio con 8 bit di risoluzione del PWM: {0, 57, 111, 159, 199, 230, 249, 255} nella fase crescente, o {255, 249, 230, 199, 159, 111, 57, 0} nella fase decrescente. Per una descrizione completa della logica di pilotaggio, si faccia sempre riferimento alle tabelle disponibili sul web: oltre che ai suggerimenti specifici del docente per la corretta configurazione d uso della scheda PICDEM Mechatronics con l adattatore per Microchip Microstick II. I passi completi effettuati dal motore dovranno essere visualizzati su LCD e RS Misura di velocità di motore in corrente continua tramite BEMF Obiettivo: sfruttare la capacità di un motore DC di generare forza controelettromotrice (Back ElectroMotive Force, BEMF) per misurarne la velocità di rotazione. Scheda a microcontrollore Microchip Microstick II + PICDEM Mechatronics*

6 La scheda PICDEM Mechatronics è dotata di una circuiteria per la misura della BEMF sul motore DC installato. La tensione BEMF viene indotta in caso di movimento del motore ed è proporzionale alla velocità del motore stesso. Per potersi muovere, il motore deve essere alimentato tramite gli opportuni driver e segnali PWM del microcontrollore, ma la BEMF deve essere misurata solo quando il motore è in movimento ma non è alimentato. Per poter acquisire correttamente la BEMF, è pertanto necessario sincronizzare l acquisizione del convertitore A/D con una pausa (di durata il più breve possibile) nell attivazione del segnale PWM di comando del motore. Per tale applicazione, il duty cycle per il PWM può essere fissato tramite un potenziometro installato sulla scheda, oppure tramite una regolazione PID della velocità del motore (se la misura BEMF risulta essere sufficientemente affidabile ). 5. Messa in scala fixed-point del regolatore PID per il controllo motore DC Obiettivo: misurare riportare all uso di numeri interi (int) la funzione PID proposta a lezione, per la quale vengono sfruttati invece numeri reali (float). Scheda a microcontrollore PICDEM Mechatronics* Il software di controllo in anello chiuso con PID del motore in corrente continua dovrà essere modificato in modo tale che tutte le variabili siano di tipo intero. Particolare cura dovrà essere dedicata alla scelta delle costanti di messa in scala al fine di evitare la saturazione dei numeri interi (v. Paragrafo B delle dispense). Tali costanti di messa in scala dovranno essere definite in base ad opportune ipotesi sul range ammissibile di valori delle variabili in gioco (es. RPM tra 0 e 2047, Duty Cycle tra 0 e 4095, ecc.), possibilmente verificando queste scelte tramite una approfondita campagna sperimentale, prima con il software basato su numeri reali proposto a lezione e poi con il software opportunamente modificato in aritmetica intera. 6. Autovelox in scala Obiettivo: misurare la velocità di movimento lineare di piccolo veicolo (es. automobile giocattolo). Scheda a microcontrollore Microchip Microstick II* Emettitori ad Infarossi* Ricevitori ad Infrarossi* Scheda di prototipazione (breadboard*) Veicolo in miniatura... Due coppie emettitore/ricevitore ad infrarossi saranno disposti distanza nota lungo un percorso rettilineo, in modo da funzionare come fotocellule per il rilevamento del passaggio di veicoli.

7 L attivazione di uno dei due ricevitori farà scattare una misura del tempo trascorso fino all attivazione del secondo ricevitore (tramite funzionalità Input Capture), al fine di rilevare la velocità di movimento del veicolo che interrompe le due fotocellule. 7. Inertial Measurement Unit Obiettivo: stimare l orientamento a 3 gradi di libertà (angoli di assetto Roll-Pitch-Yaw) di un corpo rigido nello spazio. Scheda a microcontrollore Microchip Microstick II* Accelerometro a 3 assi* Giroscopio a 3 assi* Magnetometro (bussola) a 3 assi* Scheda di prototipazione (breadboard*) L obiettivo è quello di implementare uno schema con osservatore dinamico (o filtro di Kalman) per la stima degli angoli di assetto di una piattaforma inerziale, secondo lo schema mostrato sulle dispense in Figura A.2.59 ed il relativo modello matematico descritto nel testo. Si noti che tale schema è valido, per un sistema a 3 gradi di libertà, per i due angoli (Roll e Pitch) rispetto ai quali gli accelerometri sono sensibili all accelerazione gravitazionale. Per stimare l angolo di Yaw (rotazione rispetto all asse verticale), è necessario sostituire la stima indiretta tramite operazione trigonometrica di arcotangente del rapporto tra componenti dell accelerazione con l identica operazione, svolta rispetto alle componenti dell indicatore di campo magnetico (bussola)..