ESERCIZI - SERIE N. 4 EMISSIONE DI SEGNALI ANALOGICI Problema: convertire il risultato da formato binario, ottenuto dall'algoritmo di controllo ed elaborato dall'unità di governo realizzata con tecnologia a funzionalità programmata, a segnale analogico. Si ha, così, la possibilità di modulare con continuità la potenza fornita ad un attuatore al fine di controllarne il comportamento. Punti essenziali da tenere presente per un corretto interfacciamento: 1. Tecnica di conversione digitale-analogica e ricostruzione del segnale 1.1. Convertitore DAC 1.2. Risoluzione dei convertitori 1.3. Disturbi impulsivi al variare del codice: glitch 1.4. PWM (Pulse Wave Modulation) 1.5. PFM (Pulse Frequency Modulation) 1.6. Filtri di ricostruzione del segnale 2. Strutture di sistemi di distribuzione multicanali 2.1. Multiplexer analogico o digitale 2.2. Memorizzazione dell'uscita in forma digitale o analogica 2.3. Finale di potenza per il comando degli attuatori 2.4. Indirizzamento dei dispositivi fisici della catena di distribuzione 4. Ritardo complessivo H/S introdotto dalla catena di distribuzione 4.1. Ritardo Hardware dovuto a: selezione del canale, conversione del segnale, filtro passa basso 4.2. Ritardo Software: tempo di emissione dei dati per ciascun canale Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 1-8
Esercizi 1) L'avviamento di un motore in c.c. deve avvenire con un profilo di velocità lineare per ridurre gli strappi meccanici legati a effetti inerziali. L'operatore predispone la velocità desiderata a regime e fornisce il comando di START per l'avviamento del motore. Il profilo di tensione emesso dall'unità di elaborazione, da cui dipende la velocità di rotazione del motore, è lineare e deve avere una pendenza Pend = 10 V/s. Si utilizza un convertitore DAC con risoluzione 8 bit e fondo scala V FS = 5 ±0,5LSB V a cui corrisponde una velocità massima V Max = 2000 giri/m. Proporre una soluzione d'interfaccia con l'uscita dell'unità di elaborazione. Sviluppare un programma di simulazione che riceve da tastiera la velocità in unità ingegneristiche espressa in [giri/min], calcola il quanto temporale con cui deve essere scandita l'emissione dei dati, crea la tabella dei valori da emettere sul DAC, emette i dati sul DAC. Visualizzare il profilo di velocità su monitor gestito in modalità grafica oppure salvare i dati calcolati su file e visualizzare la funzione con excel. Progetto - Costante di conversione velocità-tensione: K vt = Vel Max / V FS = 2000 / 5000 = 0,4 giri/min / mv - Costante di conversione tensione-quanto: K tq = V FS / 2 N = 5000 / 2 8 = 19,5 mv / divisione - Costante di conversione velocità-quanto: K vd = K vt K tq = 0,4*19,5 = 7,8 giri/min / divisione - Valore numerico della velocità introdotta: Vel Num = Vel Letta / K vd = - Calcolo della tabella di dati da emettere sul DAC: dati[0] = 0; for(i = 1; i <= Vel Num ; i++) dati[i] = dati[i-1] + K vd ; - Intervallo temporale di emissione della tabella per il fondo scala: t emis-fs = V FS *60 / P end = 5*60 / 10 = 30 s - Periodo con cui devono essere emessi i dati: T emis = t emis-fs / 2 N = 30 / 2 8 = 117 ms Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 2-8
Schema a blocchi di una generica catena di distribuzione dati Modulatore di potenza con funzionamento lineare Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 3-8
Acquisizione e ricostruzione di un segnale sinusoidale Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 4-8
2) Il modulatore di potenza del motore in c.c. dell'esercizio N.1 è realizzato con un ponte a BJT di commutazione, interamente controllato, e comandato con tecnica impulsiva in cui il sottosistema PWM è implementato a software. Proporre una soluzione d'interfaccia tra l'uscita dell'unità d'elaborazione e il ponte a BJT. Sviluppare un programma di simulazione che riceve da tastiera il Duty-Cycle%, calcola il t ON e il t OFF su un periodo di ciclo T ciclo = 1ms, genera i treni d'impulsi che comandano una coppia di BJT per un verso di rotazione e l'altra coppia per avere la rotazione in verso opposto. Visualizzare le forme d'onda d'uscita su monitor gestito in modalità grafica oppure salvare i dati emessi su file e visualizzare i segnali impulsivi con excel. - Il Duty-Cycle% è dato dalla seguente relazione: DC% = t ON 100 / T ciclo Da cui si calcola il t ON e successivamente il t OFF = T ciclo - t ON - La relazione tra la tensione media sul carico e il Duty-Cycle è lineare: V media-carico = t ON V max-impulso / T ciclo = DC*V max-impulso Modulatore di potenza con tecnica impulsiva PWM Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 5-8
Forme d'onda di un modulatore PWM realizzato ad Hardware Schema elettrico di controllo di motore in c.c. su quattro quadranti Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 6-8
3) Quattro tabelle contengono dati strutturati, in formato 16 bit e in ordine per indirizzi crescenti, ricavati da una precedente elaborazione. Utilizzando un solo DAC, con 12 bit di risoluzione e uscita bipolare nel range ±5 V, si devono ricostruire i quattro segnali che devono essere disponibili su quattro linee differenti. Si chiede lo schema a blocchi del sistema e un programma di simulazione in cui si ipotizza di caricare le quattro tabelle per emettere i seguenti segnali: triangolare, dente di sega, rettangolare e sinusoidale. Il periodo (T = 1 s) e l'ampiezza (V picco-picco = 10 V con V offset = 0) sono uguali per i quattro segnali, i segnali devono essere visualizzati su monitor o salvati su file ed elaborati con excel. Progetto - Quanto numerico della tensione: Q NV = V picco-picco / 2 N = 10 / 2 12 = 2,44 mv - Periodo con cui devono essere emessi i dati: T emis = T segnale / 2 N = 1 / 2 12 = 244 µs - Calcolo delle tabelle di dati da emettere sul DAC: for(i = 0; i <= 4095 ; i++) { - calcola i valori di ciascuna funzione ad ogni istante e assegnali ai rispetivi array: triang[i]; sega[i]; rettang[i]; sin[i]; } - Calcolo del tempo massimo di emissione del dato t MAX-emis = T emis / 4 = 244 / 4 = 61 µs Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 7-8
Primo schema di sistema di distribuzione analogico multicanale Secondo schema di sistema di distribuzione analogico multicanale Esercizi serie N. 4 - Uscite analogiche - Informatica Industriale N. O. - G. Rigano 8-8