Descrizione ambiente di sviluppo
2.1 Introduzione
Si riporta, nei paragrafi a seguire di questo capitolo, una descrizione dell'hardware utilizzato (Fig. 2.1), per le misure sperimentali, lo sviluppo del software e dell'algoritmo di controllo del sistema.
Fig. 2.1 – Banco Prova.
Le motivazioni che hanno condotto alla scelta della particolare configurazione illustrata, sono da imputare a lavori di ricerca e di tesi antecedenti
il presente, per cui, in questa sede, si riporta unicamente una descrizione del sistema utilizzato, atta a facilitare la comprensione del lavoro su di esso effettuato.
2.2 Banco prova
Il sistema complessivo (Fig. 2.1), detto banco prova, è stato implementato per simulare il comportamento, sotto opportune ipotesi, della sospensione posteriore di un motoveicolo nel settaggio del precarico statico della sospensione stessa (per ipotesi e funzionamento del banco prova si faccia riferimento al cap.3).
Il sistema è costituito da:
• una coppia di sospensioni;
• un banco con piattaforma mobile; • un sensore di elongazione;
• una unità di controllo;
• una unità di comunicazione bluetooth.
2.2.1 Banco e sospensioni
Il banco con piattaforma mobile (Fig. 2.2) è costituito da tre piani orizzontali e quattro guide verticali con steli scorrevoli, il piano superiore, che funge da piano di carico, è ancorato elasticamente, tramite una coppia di sospensioni, agli altri due piani ed è in grado di scorrere verticalmente.
Le sospensioni in dotazione sono una coppia di sospensioni Paioli per maxiscooter, coppia dotata di meccanismo elettroattuato per la regolazione idraulica del precarico (Fig. 2.3).
Fig. 2.3 – Sospensioni Paioli per maxiscooter.
L'attuatore è costituito da un motore DC a magnete permanente Valeo serie 0320, di cui in Fig. 2.5 sono riportati i dati caratteristici forniti dal costruttore. Tale attuatore agisce su una vite senza fine che a sua volta interviene su uno dei due pistoni di una pressa idrostatica, il cui moto determina lo spostamento dei supporti molla, con conseguente variazione del precarico [21].
2.2.2 Sensore di elongazione
Per monitorare la corsa della sospensione, il banco è stato dotato di un sensore potenziometrico lineare montato fra i due estremi della sospensione.
In questa fase di sviluppo, che come detto ha per obiettivo finale la realizzazione di un controllo sensorless per la regolazione del precarico, si reputa comunque opportuno poter disporre di questo tipo di sensore per mezzo del quale ottenere misure utili come parametro di confronto per verificare l'algoritmo di controllo.
Fig. 2.5 – Motore in corrente continua Valeo: dati caratteristici.
nota e costante, ai capi di un binario resistivo con un terzo contatto scorrevole, fornisce una tensione, fra il terzo contatto e uno degli estremi del binario, in diretta proporzionalità con l'elongazione del sensore stesso. Nel caso specifico si è utilizzato il sensore SLS130 della Penny & Giles (Fig. 2.4), sensore specifico per applicazioni motoristiche, con una corsa di 150 mm, sufficienti a monitorare la sospensione che ha una corsa di 100 mm [26].
2.2.3 Unità di controllo
L'unità di controllo, di cui la rappresentazione schematica è riportata in Fig. 2.6, si compone essenzialmente di due elementi:
• un microcontrollore; • un driver per l'attuatore.
Il microcontrollore è l'AT89C51CC03 della ATMEL, appartenente alla famiglia di microcontrollori a 8bit basati su architettura 80C51, dedicato ad applicazioni con rete CAN.
L' AT89C51CC03, di cui è riportato il diagramma a blocchi in Fig. 2.7, dispone di:
• 256 Byte di memoria RAM;
• cinque porte per un totale di trentasette linee I/O (quattro porte a otto
linee e una a cinque linee);
• un 16 bit PCA (Programmable Counter Array) con cinque canali; • una porta I/O seriale che opera come Universal Asynchronous
Receiver and Transmitter (UART);
• un convertitore analogico-digitale (ADC) con risoluzione fino a 10 bit
ed otto ingressi multiplexati;
• 64 kByte di memoria Flash che supporta ISP (In-System
Programming);
• 2048 Byte di memoria ERAM (Expanded RAM); • tre timer/contatori a 16 bit;
• controller CAN completo;
• 2048 Byte di memoria EEPROM.
In modalità X2, inoltre, tale microcontrollore richiede soli sei periodi di clock per ogni ciclo macchina, con una frequebza massima di 20 MHz, mentre in modalità standard i periodi di clock necessari per un ciclo macchina divengono dodici. La modalità di funzionamento, come anche la configurazione delle singole periferiche del microcontrollore, si seleziona attraverso il settaggio opportuno di alcuni registri dedicati, gli SFR (Special Function Register).
Per alcune delle periferiche, tra cui i Timer 0, 1 e 2, UART, PCA e CAN, è possibile commutare in modalità X2 solo se viene settato il corrispondente bit dell'opportuno SFR (Fig. 2.8).
Fig. 2.8 – Ripartizione del clock in modalità X2 o standard.
La memoria dati interna è organizzata in tre segmenti distinti. Il primo segmento è costituito dai 128 Byte inferiori della RAM, accessibili con indirizzamento sia diretto che indiretto, di questi i 32 Byte più bassi sono raggruppati in quattro banchi di otto registri (da R0 a R7), per consentire un uso
più efficiente dello spazio di codice. I 16 Byte successivi ai quattro banchi di registri, costituiscono un blocco di memoria indirizzabile bit a bit, tramite una serie di istruzioni specificamente pensate incluse nel C51.
Il secondo segmento costituito dai 128 Byte superiori della RAM, sono accessibili esclusivamente tramite indirizzamento indiretto.
Il terzo segmento è costituito da 2048 Byte della ERAM, è accessibile ancora tramite indirizzamento indiretto, la sua dimensione è configurabile tramite opportuno SFR, infine è indirizzabile alternativamente a una memoria dati esterna (XRAM).
Fig. 2.9 – Timer2 in modalità contatore up/down.
Dei tre contatori/timer, identificati come Timer0, Timer1 e Timer2, i primi due assolvono alle stesse funzionalità e possono essere configurati, indipendentemente, in varie modalità sia nel funzionamento da timer che in quello da contatore di eventi. Nel funzionamento da timer, trascorso il tempo programmato,viene generata una richiesta di interruzione, mentre nel funzionamento da contatore, questa viene generata dopo un numero di conteggi
prefissato dall'utente. Il Timer2 opera in maniera analoga ai Timer0 e Timer1, ma consente in più, in modalità autoreload, il conteggio in salita o in discesa, e di operare come generatore di clock programmabile (Fig. 2.9).
Il PCA migliora le capacità di timing dei contatori/timer standard, con un intervento meno invasivo della CPU.
(a)
(b)
Il PCA consiste in un contatore/timer dedicato, che funge da base temporale comune per un array di cinque moduli capture/compare, il cui clock input può essere programmato per contare diversi segnali (Fig. 2.10a):
• il segnale a frequenza 1/6 di quella del clock del PCA (segnale
generato internamente);
• il segnale a frequenza 1/2 di quella del clock del PCA; • l'overflow del Timer0;
• un clock esterno (disponibile su P1.2).
Ogni modulo supporta sei diverse modalità di funzionamento:
• 16 bit capture, positive edge-triggered; • 16 bit capture, negative edge-triggered;
• 16 bit capture, entrambi positive e negative edge-triggered; • 16 bit software timer;
• 16 bit high-speed output; • 8 bit pulse width modulator.
Il modulo quattro dispone dell'ulteriore funzionalità di WatchDog timer. Quando un modulo è programmato in modalità capture (Fig. 2.10b), software timer o high-speed output, è possibile generare un interrupt all'esecuzione della particolare funzione.
Il convertitore analogico digitale (ADC) dispone di otto canali, per il campionamento delle sorgenti esterne AN0-AN7, selezionati tramite un multiplexer analogico, come tensione di ingresso del convertitore ADC (Fig. 2.11).
Il convertitore supporta una conversione standard (a 8 bit), e una conversione di precisione (a 10 bit). In conversione di precisione il sistema funziona in una modalità pseudo-idle, cioè con CPU in stand-by e le periferiche funzionanti, quindi se, durante la conversione di precisione, viene inoltrata una richiesta di interruzione, diversa da quella di fine conversione che “risveglia” il dispositivo, verrà trattata solo al termine della conversione.
Fig. 2.11 – Convertitore ADC.
Tipicamente il convertitore ADC ha un periodo di conversione di 16 µs, dispone infine della selezione del clock [3].
Il driver dell'attuatore è il VNH2SP30-E della STMicroelectronics, un driver motore completamente integrato con ponte ad H di NMOSFET, pensato per applicazioni automotive, di cui in Fig. 2.12 è riportato il diagramma a blocchi.
Il dispositivo integra uno switch driver duale monolitico sul lato alto e due switch sul lato basso. Lo switch driver sul lato alto è progettato usando una tecnologia propria STMicroelectronics, tecnologia che consente l'integrazione efficiente sulla stessa die di un vero MOSFET di potenza con un circuito intelligente di segnale/protezione. I due switch sul lato basso (LSA, LSB), sono
MOSFET verticali costruiti usando un processo proprio STMicroelectronics. Le tre die sono assemblate nel package MultiPowerSO-30 su leadframe elettricamente isolati, grazie ai pad delle die esposti consente migliori performance termiche (Fig. 2.13).
I segnali di ingresso INA e INB, possono essere interfacciati direttamente al microcontrollore per selezionare la direzione del motore e la condizione di frenatura.
Fig. 2.13 – Configurazione del package MultiPowerSO-30.
Gli ingressi DIAGA/ENA o DIAGB/ENB, quando connessi a una resistenza
esterna di pull-up, abilitano un ramo del ponte e permettono una diagnostica digitale del dispositivo.
La condizione di normale funzionamento è esplicata in tab. 2.1.
La corrente, che scorre nel motore, può essere monitorata tramite il pin CS che eroga una corrente proporzionale a quella del motore stesso.
Il driver consente il controllo anche della velocità di rotazione del motore, in tutte le possibili condizioni, tramite PWM fino a 20 kHz, comunque in ogni caso, un livello basso sul PWM pin, spegne entrambi gli switch LSA e LSB, mentre
PWM sul livello alto comporta il funzionamento di LSA e LSB in funzione dello
stato dei soli pin di ingresso [31].
Tab. 2.1 – Condizione di normale funzionamento.
2.2.4 Unità di comunicazione Bluetooth
L'unità di comunicazione Bluetooth, di cui è stato dotato il sistema, è una Promi-ESD 02 (Fig. 2.14). L'unità in questione, è stata introdotta per far fronte all'esigenza di un rapido interfacciamento e monitoraggio del sistema, senza l'utilizzo di cavi per la comunicazione seriale con il PC.
L'unità è dotata di antenna on-board e comunica con il microcontrollore tramite interfaccia UART, di cui entrambi i dispositivi sono dotati.
Il modulo Promi-ESD 02 lavora con tensione di alimentazione compresa fra 3 V e 3,3 V, con corrente minima assorbita pari a 150 mA, appartenente alla classe di potenza 2, consente una distanza operativa nominale di 30 m, supporta infine un baud-rate che va dai 1200 bps ai 230 kbps [30].
