Precise Angular Velocity and Acceleration Measurement Using an Incremental Encoder

Diplomová práce se zabývá možnostmi přesného měření rychlosti a zrychlení rotačního pohybu na základě signálu z inkrementálního snímače. Řešení tohoto problému používaná v současné průmyslové praxi neposkytují požadovanou přesnost měření, což neumožňuje uspokojit stále vyšší požadavky na kvalitu regulace. V této práci je navržena a otestována komplexní metoda zpracování signálu z levných inkrementálních snímačů, kterými jsou průmyslové pohony standardně vybaveny. Navržená metoda využívá předzpracování signálu na programovatelném hradlovém poli FPGA a výpočetní algoritmus běžící na výkonném průmyslovém počítači. Tyto technologie se v poslední době staly cenově dostupnými i pro běžné aplikace. Výpočet rychlosti a zrychlení je realizován na bázi Kalmanova filtru pro optimální odhad stavu vhodně definovaného modelu měřeného signálu.Katedra kybernetikyObhájenoThe diploma thesis analyses possibilities of precise angular velocity and acceleration measurement using an incremental encoder. Solutions of this problem available in today's industrial systems provide poor accurancy which is not sufficient for high demands on quality of regulation. The thesis provides design and test results of a complex measurement method for signal processing from a cheap incremental encoders which is a standard equipment of motor actuators. Proposed method uses signal preprocessing on the Field Programable Gate Array (FPGA) and computational algorithm running on high performance industrial computer. These technologies are now available at reasonable price for intended applications. Computation of velocity and acceleration is based on the Kalman filter for optimal estimation of feasible measured signal model

Modulární jednotka pro zpracování signálů v aplikacích řízení pohybu založená na System-on-Chip a FPGA

Článek se zabývá průmyslovými systémy řízení pohybu (Motion Control), které jsou implementovány implementace distribuovaným způsobem, tj. kde je více vstupních/výstupních zařízení propojeno s nadřazeným řídicím systémem pomocí rychlé digitální komunikace. Tento článek představuje návrh řešení modulární jednotky pro připojení více vstupních a výstupních signálů z více snímačů a aktuátorů do průmyslové komunikační sítě s protokolem EtherCAT. Do této řídicí jednotky je možné vložit uživatelem definované algoritmy pro předzpracování signálů, fúzi více vstupních signálů nebo uzavření velmi rychlé lokální regulační smyčky. Tato skutečnost je hlavním přínosem ve srovnání s obdobnými běžně dostupnými řešeními. Efektivní návrh hardwarového řešení je založen na jediném hlavním čipu (SoC), který integruje část programovatelného hradlového pole (FPGA) a několik standardních výpočetních CPU jader s ARM architekturou. Zpracování dat může být realizováno kompletně v FPGA, čímž lze dosáhnout velmi nízkého zpoždění signálů. Zároveň může být využito výkonných CPU jader pro složitější algoritmy, které na FPGA nelze realizovat, a využít přitom těsné vazby FPGA a CPU části.Motion control systems with distributed architecture where multiple input/output devices are connected to the upper layer controller by fast digital communication (fieldbus) became an industrial standard. This paper presents design of a modular input/output device which can process signals from multiple sensors, drive multiple actuators and act as a Slave or Master node in EtherCAT fieldbus network. User-defined algorithms can be easily implemented to preprocess input signals, combine multiple signals or close local control loops with extremely high sampling rates which makes the difference to standard off-the-shelf solutions. To meet these requirements and simplify hardware design, our device is based on System-on-Chip with both programmable logic (FPGA) and classic processor (CPU) ARM cores. Data processing including user algorithms can be done entirely in FPGA which provides very low latency and no jitter, and also on CPU for more complex computations with advantage of tight integration between FPGA and CPU. In this paper we provide description of hardware design, system architecture and typical applications

Inertial measurements processing for sway angle estimation in overhead crane control applications

The main scope of this paper is to propose data fusion algorithms suitable for estimation of gantry crane hook tilt angles based on the MEMS accelerometer and gyroscope readings. Such methods should merge useful information from both these sensors into a better estimate than those based on the measurement from the single device. In the first place, these algorithms should deal with the typical measurement noise which the MEMS readings are known to suffer from. Besides these errors, also the impact of the angular acceleration caused by the crane hook motion and translational acceleration due to cart motion distorting the gravitational vector sensing should be taken into account when designing the data fusion algorithm. The presented methods will be compared by means of experimental tests using a wireless inertial measurement unit developed at our workplace

RETIS - Bezdrátové komunikační řešení pro rychlé průmyslové aplikace reálného času

Vysoce spolehlivé komunikace s nízkou latencí (Ultra-Reliable Low Latency Communications, URLLC) byly vždy důležitou součástí mnoha průmyslových aplikací. Článek představuje nové bezdrátové řešení URLLC s názvem RETIS, které je vhodné pro aplikace průmyslové automatizace a řízení rychlých procesů, kde je nutná vysoká rychlost výměny dat, nízká latence a vysoká pravidelnost vzorkování a doručení dat (low jitter). V článku je popsán komunikační protokol a hardwarová struktura síťových uzlů použitých pro implementaci popsané funkcionality. V představeném řešení je použito mnoho principů umožňujících rychlé a spolehlivé bezdrátové přenosy - krátký časový interval přenosu (TTI), časově dělený vícenásobný přístup (TDMA), MIMO, volitelný duplikovaný přenos dat, dopředná korekce chyb (FEC), potvrzovací mechanismus (ACK). Předběžné testy ukazují, že lze dosáhnout spolehlivé end-to-end latence až 350 µs a frekvence výměny paketů až 4 kHz (při použití čtyřnásobného MIMO a standardu IEEE 802.15.4 PHY při 250 kbit / s).Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) has been always a vital component of many industrial applications. The paper proposes a new wireless URLLC solution called RETIS, which is suitable for factory automation and fast process control applications, where low latency, low jitter, and high data exchange rates are mandatory. In the paper, we describe the communication protocol as well as the hardware structure of the network nodes for implementing the required functionality. Many techniques enabling fast, reliable wireless transmissions are used – short Transmission Time Interval (TTI), Time-Division Multiple Access (TDMA), MIMO, optional duplicated data transfer, Forward Error Correction (FEC), ACK mechanism. Preliminary tests show that reliable end-to-end latency down to 350 µs and packet exchange rate up to 4 kHz can be reached (using quadruple MIMO and standard IEEE 802.15.4 PHY at 250 kbit/s)

An autotuning procedure for motion control of oscillatory mechatronic systems

In this paper an automatic tuning procedure for a cascade position control architecture of general mechatronic systems is presented. The proposed procedure firstly estimates the transfer function of the system by analysing its open-loop response to a signal specifically designed in order to satisfy the system position, velocity and torque constraints. Then, if present, oscillatory behaviours are detected by finding the (anti)resonances of the frequency response. Parametric tuning rules are eventually defined for the PID controllers and for the biquadratic filters. Results obtained by implementing the procedure on a Hardware In the Loop setup demonstrate the effectiveness of the method