Problem
Aufgrund umweltbewusstem und zukunftsorientiertem Denken, sowie erhöhter Treibstoffkosten möchte ein Schiffsbau-Unternehmen ein Elektroboot auf den Markt bringen, das kraftstofffrei mit Hilfe von Solarzellen mit Energie versorgt wird. Während die Konstruktion bereits an dem Design des Bootes arbeitet, soll von der Elektroabteilung parallel die Steuerung entwickelt werden. Hierbei hat man sich entschlossen, die Ansteuerung der Schiffsschraube mit Hilfe eines Mikrocontrollers zu realisieren. Man hat sich für die Hilfe des Mikrocontrollers entschieden, da ein digitales Reglermodul oder gar eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zu hoch in den Kosten wäre. Zur Präsentation des fertigen Programms vor der Geschäftsführung soll ein kleines dimensioniertes Modell (5 V Gleichstrommotor) entwickelt werden.

Ziel
Ein Gleichstrommotor (5 V) soll mit Hilfe eines Mikrocontrollers über das LPC900-Experimentierboard angesteuert werden. Er soll sowohl im Rechts- als auch im Linkslauf betrieben werden können. Die Drehrichtungsumschaltung darf erst bei Stillstand des Rotors erfolgen. Die Drehzahlüberwachung versuchen wir mit Hilfe einer Lochscheibe und einer Gabellichtschranke zu realisieren. Die Werte der Drehzahlüberwachung können dann im LPC900-Experimentierboard weiter verarbeitet werden. Dadurch kann z. B. eine konstante Drehzahl auch unter Last erreicht werden.

Anforderungen
- Links- und Rechtslauf
- Reversieren über „Stopp“
- Zustandserkennung über eine Drehzahlüberwachung
- Verriegelung Hardware/ Software
 

Lösungsvorschläge
- Links- und Rechtslauf
- Reversieren über „Stopp“
- Drehzahlmessung
- Drehzahlregelung
- Drehzahlanpassung (PWM)
- Drehzahlausgabe an Display (optional)
- Fernsteuerung über Internet

 

Die vier Anforderungen der Problemformulierung können wie folgt angegangen werden:

Links- und Rechtslauf:
Links- und Rechtslauf werden über separate Taster angewählt (alle Taster sollten über eine Entprellung verfügen). Wird der Taster "Linkslauf" gleichzeitig mit der Taste "Motor stopp", bzw. der Taster "Rechtslauf" gleichzeitig mit der Taste "Motor stopp" betätigt, so wird der Motor angehalten, um keine Personen zu gefährden (vorrangiges Ausschalten). Wird während des Linkslaufs die Taste "Rechtslauf" betätigt, bleibt der Motor im Linkslaufbetrieb. Das gleiche gilt auch für den umgekehrten Fall. 

Reversieren über Stopp:
 Um den Motor abzuschalten, ist wiederum ein Taster notwendig. Eine Drehrichtungsumkehr wird nur ermöglicht, wenn der Motor zuvor ausgeschaltet und der Stillstand des Motors festgestellt wurde. Dies geschieht aufgrund des erhöhten Sicherheitsaspektes, um keine Personen zu gefährden. 

Zustandserkennung über einen Gabellichtschranke:
 Die Bewegung des Motors wird über einen Gabellichtschranke erkannt und ausgewertet. Zur Erkennung der Drehzahl ist eine Lochscheibe an der Schwungmasse des Motors befestigt. Über diese Lochscheibe erkennt die Gabellichtschranke, ob sich der Motor dreht oder im Stillstand befindet. Diese Messwerte können dann im Mikrocontroller weiter verarbeitet werden. Das heißt: Gibt die Gabellichtschranke keine Impulse mehr ab erkennt unser Programm, dass sich der Motor im Stillstand befindet und es kann eine Drehrichtung über einen Taster ausgewählt werden.

Verriegelung Hardware / Software:
Wegen der zu hohen Stromaufnahme des Motors kann dieser über einen Optokoppler mit dahinter geschalteten Transistoren (vom Board aus gesehen) mit dem Board verbunden werden. Der Optokoppler hat auch den Vorteil, dass er galvanisch zwischen Board und Motor trennt. Da der Motor außerhalb des Boards mit einer H-Brücke angesteuert wird, die zur Steuerung ihrer Transistoren drei Anschlüsse benötigt, bietet es sich in diesem Fall an, einen Vierfach-Optokoppler anzuwenden, so dass noch ein Optokoppler zum Anschluss des Aus-Tasters zur Verfügung steht.

Inhalte:

    - Projektplanung

    - Projektstrukturpläne

    - Projektstrukturplan Motorregelung mit PI-Regler

    - Ressourcenplanung Motorregelung mit PI-Regler

    - Gründe für Terminverschiebungen

Aufbau einer Regelungsstrecke vorerst mit Operationsverstärkern (analog)

Inhalte:

- Begriffsdefinitionen

- Reglerschaltungen in OP-Technik

          - P-Regler, I-Regler, PI-Regler

          - I-Regelstrecke, PI-Regelstrecke

- Kennlinien der Reglerschaltungen

Zum Öffnen der Ausarbeitung auf die Grafik klicken!

Drehzahlmessung

von Christoph Willems; 20.01.2006

Inhalte:

- Anbindung der Gabellichtschranke

- Funktion der Capture-Compare-Unit (CCU)

- Umsetzung der Drehzahlmessung mittels Interrupt

Pulsweitenmodulation

- Funktion und Effizienz der Pulsweitenmodulation

- Berechnung von PWM-Signalen

- Ausarbeitung des Quellcodes und Erläuterungen

Vorlaeufiger Programmablaufplan und Quellcode - Test der Hardware

Programmablaufplan der Motorregelung

Ausarbeitung von Rene Mueller und Marco Sonne 

Algorithmen für digitale Regelungen - Informationsquellen im Internet

Neubelegung der Ports des 89LPC93x

Zum öffnen auf das Bild kicken.

 

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- Schaltskizzen als StarOffice-Datei (.sxd)

13.
	Realisierung Der H-Brücke

Kausalketten

Low-Pegel am Mikrocontroller

Port 2^0 ▼ => Ausgang Treiber 541 (non-inverting) ▼ => LED leuchtet (liegt an 5 V)  =>
Eingang Treiber 540 (inverting) ▼ => Ausgang ▲ => LED-Optokoppler ▲(leuchtet nicht) =>
Transistor-Optokoppler ist nicht durchgeschaltet => Spannung UCE≈ 5 V ▲ => Port H-Brücke ▲


High-Pegel am Mikrocontroller

Port 2^0 ▲ => Ausgang Treiber 541 (non-inverting) ▲ => LED leuchtet nicht (liegt an 5 V) =>
Eingang Treiber 540 (inverting) ▲ => Ausgang ▼ => LED-Optokoppler ▼(leuchtet) =>
Transistor-Optokoppler ist durchgeschaltet => Spannung UCE≈ 0,2 V ▼ => Port H-Brücke ▼