Entwicklung und Aufbau einer Mikrocontrollerregelung für die Stabilisierung eines magnetischen Schwebesystems

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 2 Anforderungen an die Hardwarekomponenten
  • 2.1 Magnetisches Schwebesystem
• 3 Hardwareentwicklung
  • 3.1 Einplatinenrechner
    • 3.1.1 Beschreibung AVR32UC3B0256
  • 3.2 Leistungselektronik
    • 3.2.1 Beschreibung des Vollbrückentreibers L6203
    • 3.2.2 Beschreibung der iCoupler von Analog Devices
    • 3.2.3 Layout der Leistungselektronik
  • 3.3 Wegsensor
• 4 Software
  • 4.1 Verwendete Tools
  • 4.2 Verwendete Hardware
  • 4.3 Quelldateien
    • 4.3.1 Funktion von crt0.S
    • 4.3.2 Funktion von exception.S
    • 4.3.3 Funktion von main.c
    • 4.3.4 Funktion von uart.c
    • 4.3.5 Funktion von comhandler.c
    • 4.3.6 Funktion von adctask.c
    • 4.3.7 Funktion von pwmconfig.c
    • 4.3.8 Funktion von regulator.c
    • 4.3.9 Funktion von timer.c
    • 4.3.10 Funktion von defines.h
    • 4.3.11 Funktion link_uc3b0256.lds
    • 4.3.12 Funktion von config.mk
    • 4.3.13 Funktion von Makefile und starten eines Buildprozesses
• 5 Testergebniss Elektromagnet
  • 5.1 Modellbildung
  • 5.2 Praxis Test
• 6 Inbetriebnahme der Schwebebahn
  • 6.1 Versuchsaufbau Differenzenregelung
  • 6.2 Versuchsaufbau getrennte Regelung aller Spulen
  • 6.3 Thermische Untersuchung der Elektronik und des Fahrzeugs
• 7 Zusammenfassung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung einer Mikrocontrollerregelung zur Stabilisierung eines magnetischen Schwebesystems. Ziel ist die Entwicklung und Implementierung einer robusten Regelung, die ein magnetisches Schwebefahrzeug stabil in einer definierten Position hält. Die Arbeit umfasst die Hardwareentwicklung (Einplatinenrechner, Leistungselektronik, Wegsensor), die Softwareentwicklung (Regelung, Kommunikation, Hardware-Treiber) und die experimentelle Validierung des Systems an einem Elektromagneten und dem kompletten Schwebesystem.

• Entwicklung eines Einplatinenrechners mit Mikrocontroller
• Design und Implementierung einer Leistungselektronik
• Entwicklung und Implementierung einer robusten Regelungsstrategie
• Experimentelle Validierung der Regelung am Elektromagneten
• Inbetriebnahme und Test am kompletten Schwebesystem

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Die Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Mikrocontrollerregelung für ein Magnetschwebesystem, wobei die Konstruktion und Simulation des Systems parallel in einer anderen Masterarbeit bearbeitet wurde. Die zu entwickelnde Elektronik besteht aus einem Einplatinenrechner und einer Leistungselektronik, die den Anforderungen des Systems (Abschnitt 2) genügen muss. Die Entwicklung wurde mit einem GNU-Compiler realisiert und an einem Elektromagneten getestet bevor die Inbetriebnahme am Magnetschwebesystem erfolgte.

2 Anforderungen an die Hardwarekomponenten: Dieses Kapitel definiert die Anforderungen an die Hardware basierend auf den Konstruktionsplänen des Magnetschwebesystems. Das System besteht aus einem Fahrzeug und einem Fahrweg, wobei das Fahrzeug durch Magnetkräfte schwebt und seine Stabilität durch den Kanteneffekt und elektronische Regelung mittels Abstandssensoren sichergestellt wird. Die Anforderungen beinhalten die Anzahl der anzusteuernden Spulenpaare (vier), die Notwendigkeit von vier analogen Abstandssensoren und einen Mikrocontroller mit mindestens vier PWM-Kanälen.

3 Hardwareentwicklung: Dieses Kapitel präsentiert die entwickelte Hardware, bestehend aus dem Einplatinenrechner und der Leistungselektronik. Der Einplatinenrechner basiert auf einem Atmel AVR32 Mikrocontroller, inklusive 12 MHz Oszillator, PLL, Referenzspannungsquelle und weiterer Peripherie. Die Leistungselektronik besteht aus vier Vollbrücken (L6203) für die unabhängige Ansteuerung der Spulen, galvanisch getrennt vom Rechnersystem mittels Analog Devices iCoupler (ADUM5400 und ADUM1400). Der verwendete Wegsensor (ipf-electronic IB120006) misst den Abstand des Fahrzeugs zum Fahrweg.

4 Software: Dieses Kapitel beschreibt die Softwareentwicklung, die ausschließlich frei verfügbare Tools verwendet. Es werden die verwendeten Tools (AVR32 GNU Toolchain, AVR32 Studio), Hardware-Treiber und die wichtigsten Quellcodedateien (crt0.S, exception.S, main.c, uart.c, comhandler.c, adctask.c, pwmconfig.c, regulator.c, timer.c, defines.h, link_uc3b0256.lds, config.mk, Makefile) erläutert. Die Software beinhaltet eine Echtzeit-Steuerung mit einem Timerinterrupt und die Implementierung eines PID-Reglers für die Stabilisierung des Schwebesystems.

5 Testergebniss Elektromagnet: Dieses Kapitel beschreibt die Tests der entwickelten Hardware und Software an einem Elektromagneten. Es wird ein mechanisches Modell des Systems erstellt und mit MATLAB/Simulink simuliert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Regler den drehbar gelagerten Zuganker des Elektromagneten stabil in einem Schwebezustand halten kann.

6 Inbetriebnahme der Schwebebahn: Dieses Kapitel beschreibt die Inbetriebnahme des kompletten Magnetschwebesystems. Zunächst werden Versuche mit einer Differenzenregelung durchgeführt, die jedoch instabil sind. Anschließend wird eine getrennte Regelung aller acht Spulen implementiert, die zu einem stabilen Schwebezustand des Fahrzeugs (zumindest an der Vorderseite) führt. Eine thermische Analyse der Elektronik und des Fahrzeugs zeigt, dass die Komponenten innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben werden.

Schlüsselwörter

Magnetschwebesystem, Mikrocontrollerregelung, AVR32, Leistungselektronik, Vollbrückentreiber, PID-Regler, Abstandssensor, MATLAB/Simulink, Modellbildung, Softwareentwicklung, Echtzeitregelung, galvanische Trennung.

Masterarbeit: Mikrocontrollerregelung zur Stabilisierung eines magnetischen Schwebesystems - FAQs

Was ist das Thema dieser Masterarbeit?

Die Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer Mikrocontrollerregelung zur Stabilisierung eines magnetischen Schwebesystems. Ziel ist es, ein magnetisches Schwebefahrzeug stabil in einer definierten Position zu halten.

Welche Hardware wurde entwickelt?

Die entwickelte Hardware umfasst einen Einplatinenrechner basierend auf einem Atmel AVR32 Mikrocontroller (AVR32UC3B0256), eine Leistungselektronik mit vier Vollbrückentreibern (L6203) zur unabhängigen Ansteuerung der Spulen, galvanisch getrennt durch Analog Devices iCoupler (ADUM5400 und ADUM1400), und einen Wegsensor (ipf-electronic IB120006) zur Abstandsmessung.

Welche Software wurde verwendet und entwickelt?

Die Softwareentwicklung erfolgte mit frei verfügbaren Tools (AVR32 GNU Toolchain, AVR32 Studio). Die Implementierung beinhaltet Echtzeit-Steuerung mittels Timerinterrupt und einen PID-Regler zur Stabilisierung. Wichtige Quellcodedateien umfassen crt0.S, exception.S, main.c, uart.c, comhandler.c, adctask.c, pwmconfig.c, regulator.c, timer.c, defines.h, link_uc3b0256.lds, config.mk und ein Makefile.

Wie wurde das System getestet?

Das System wurde zunächst an einem Elektromagneten getestet, wobei ein mechanisches Modell erstellt und mit MATLAB/Simulink simuliert wurde. Anschließend erfolgte die Inbetriebnahme am kompletten Magnetschwebesystem, zuerst mit einer Differenzenregelung und dann mit einer getrennten Regelung aller acht Spulen. Eine thermische Analyse der Elektronik und des Fahrzeugs wurde durchgeführt.

Welche Ergebnisse wurden erzielt?

Die entwickelte Regelung konnte den drehbar gelagerten Zuganker des Elektromagneten stabil schweben lassen. Die getrennte Regelung aller acht Spulen des kompletten Schwebesystems führte zu einem stabilen Schwebezustand (zumindest an der Vorderseite). Die thermische Analyse zeigte, dass die Komponenten innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben werden.

Welche Anforderungen wurden an die Hardware gestellt?

Die Anforderungen basierten auf den Konstruktionsplänen des Magnetschwebesystems. Es wurden vier anzusteuernde Spulenpaare, vier analoge Abstandssensoren und ein Mikrocontroller mit mindestens vier PWM-Kanälen benötigt.

Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?

Magnetschwebesystem, Mikrocontrollerregelung, AVR32, Leistungselektronik, Vollbrückentreiber, PID-Regler, Abstandssensor, MATLAB/Simulink, Modellbildung, Softwareentwicklung, Echtzeitregelung, galvanische Trennung.

Welche Kapitel enthält die Arbeit?

Die Arbeit gliedert sich in folgende Kapitel: Einleitung, Anforderungen an die Hardwarekomponenten, Hardwareentwicklung, Software, Testergebnisse Elektromagnet, Inbetriebnahme der Schwebebahn und Zusammenfassung.

Welche Zielsetzung verfolgte die Arbeit?

Die Zielsetzung war die Entwicklung und Implementierung einer robusten Regelung, die ein magnetisches Schwebefahrzeug stabil in einer definierten Position hält. Dies umfasste die Hardwareentwicklung, die Softwareentwicklung und die experimentelle Validierung.