Realisierung einer prototypischen Hardwarelösung für ein inverses Pendel: FPGA-only based control for a very compact inverted pendulum

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GRIN Verlag, 2010 - 98 pages
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Diplomarbeit aus dem Jahr 2004 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,3, Technische Universitat Chemnitz (Informationstechnik), Sprache: Deutsch, Anmerkungen: Dies ist die einzige mir bekannte Realisierung einer Regelung des Inversen Pendels ohne Nutzung von Mikroprozessoren bzw. Software. Durch die reine Hardwareimplementierung von Regelung und Kalman-Filters sind schnelle Reaktionen und damit eine kurze Pendellange moglich. Der Demonstrator zu dieser Diplomarbeit lauft seit Anfang 2005 ununterbrochen (d.h. seit uber 5 Jahren) im Schaukasten der Professur "Schaltkreis- und Systementwurf" an der TU-Chemnitz und kann per Knopfdruck fur einige Minuten gestartet werden. Adresse: Weinholdbau 4. OG, Reichenhainer Str. 70, 09126 Chemnitz., Abstract: Schlagworte: Inverses Pendel, Hardware-Regelung, Kalman-Filter, FPGA, LQR, LQG keywords: inverted pendulum, hardware closed loop control, kalman filter, FPGA, LQR, LQG Kurzreferat Ziel der Arbeit ist die anschauliche Demonstration der Leistungsfahigkeit von Hardware- Systemen zur Regelung instabiler Systeme am Beispiel des Inversen Pendels. Dabei handelt es sich um das Balancieren eines Stabes, einem Standard-Problem der Regelungstechnik. Es wird die Konzeption und Implementierung einer Hardware-Regelung in einem FPGA-Prototypenboard zur Realisierung dieser Aufgabe beschrieben. Die Regelung basiert mit LQR-Entwurf und Kalman-Filter auf klassischen Methoden der Regelungstechnik. Zur Demonstration der Regelung wurde ein mechanischer Aufbau vorgenommen, an dem die Funktionsfahigkeit des Inversen Pendels praktisch gezeigt wurde. Motivation Regelungen findet man heute auf vielen technischen und nichttechnischen Gebieten. Angefangen von Regelungen in Haushaltsgeraten uber geregelte Fahrzeugsysteme (z.B. Klimaanlage, Stabilitatskontrolle) bis hin zu Prozessregelungen industrieller Grossanlagen oder Lageregelung von Satelliten besteht ein grosser Bedarf an Regelungssystemen. Wahrend einfache Regelungsaufgaben rein mechanis
 

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Contents

Einleitung
11
Inverse Pendel im Vergleich
33
Elektromechanischer Aufbau
41
Modellbildung
48
Reglerentwurf
56
Implementierung
65
Schluss
80
A Details zum Projekt
87
Copyright

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Common terms and phrases

A/D-Wandler abgeleitet Abtastrate anhand Ansteuerung Antrieb Arbeitspunkt Aufbau aufgrund Aufschwingvorgang Automat Balance des Pendels Beobachtbarkeit Berechnung Beschleunigung beschrieben bestimmt Bild dargestellt Demonstrators detektiert digitale Dimension Drehmoment Dynamik Eigenwerte eingesetzt entsprechenden Entwurf Festkommaformat Filter FPGA Funktionsprinzip und Spulenströme Gabellichtschranke geregelten Systems Geschwindigkeit Gleichung Größen Halbschritt Halbschrittmodus Hall-Sensoren Hardware-Regelung hohen implementiert Inkrementalgeber Inversen Pendels Kalman Kalman-Filter Kalman-Verstärkungsmatrix Kapitel Komponenten Konstante Konvertierung Kovarianzmatrix Leiterplatte linear Linearführung linearisiert Linearmotoren Lösung LQ-Regler Matlab Matrix maximale mechanischer Messrauschen Messung Messwerte Modellierung Modells Modelsim möglich Motors muss nclk nichtlineare Pendellänge Pendelwinkel Phasenstromregelung Polvorgabe Position Positionszählers Potentiometer PT1-Glied Realisierung Referenzspannung Regelstrecke Regelung Regelungsaufgaben Regelungstechnik Regler Reglerentwurf rotatorischen Ruhelage Schaltkreis Scheitelpunkt Schritt Schrittfrequenz Schrittmotor Schrittmotortreiber Sensoren Signal Signalflussplan Simulation Simulink soll Speicher Stabes Stabilisierung start_k Stellgröße Steuersignalen Steuerung swingdist System Systemmatrix Teilsystem Verfahren Verfahrweg verwendet VHDL VHDL-AMS vollständig steuerbar Wagengeschwindigkeit Wagenposition Wagens Wert Wicklungen Winkel Winkelgeschwindigkeit Winkelmessung zusätzlich Zustand Zustandsgrößen Zustandsraummodell Zustandsrückführung Zustandsschätzung Zustandsvektor zwei

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