Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Przegląd aktualnych rozwiązań w projektowaniu stopni mocy sterowników napędów bezpośrednich

Mars P., Góra G., Petko M., Karpiel G.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2018

|

Nr 3 (119)

17--22

PL

Napędy bezpośrednie są obecnie stosowane w wielu dziedzinach przemysłu, zwłaszcza w aplikacjach wymagających zapewnienia dużego momentu napędowego przy jednocześnie wysokiej dokładności odwzorowania trajektorii sterowania. Ostatnie lata przedstawiają bardzo silny rozwój coraz to nowszych konstrukcji napędów bezpośrednich oraz ciągłą optymalizację istniejących rozwiązań. Równocześnie przebiega nieustanny proces udoskonalania układów sprzętowych sterowników napędów bezpośrednich oraz rozwój zaawansowanych algorytmów sterowania. Artykuł opisuje istniejące rozwiązania elektronicznych układów stopni mocy stosowanych w sterownikach napędów bezpośrednich małej, średniej oraz dużej mocy. Omówiono budowę podstawowych układów kluczujących z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET oraz IGBT. W treści referatu wymieniono wady i zalety poszczególnych topologii przekształtników energoelektronicznych jedno i wielopoziomowych. Opisano również budowę zintegrowanych modułów mocy oraz inteligentnych modułów mocy tzw. IPM (ang. Intelligent Power Module). W finalnej części artykułu uwydatniono najbardziej obiecujące trendy w projektowaniu stopni mocy sterowników napędów bezpośrednich.

EN

Direct drives are currently used in many fields of industry, especially in applications requiring high torque with high accuracy of control trajectory mapping.Recent years show a very strong development of more and more new designs of direct drives and continuous optimization of existing solutions. At the same time, there is a continuous process of improving the hardware systems of direct drive controllers and the development of advanced control algorithms. The article describes existing solutions of electronic power stage systems used in low, medium and high power direct drives’ controllers.The construction of basic switching circuits using MOSFET and IGBT transistors is discussed. The content of the paper lists the advantages and disadvantages of individual topologies of single and multi-level power converters.The construction of integrated power modules and intelligent power modules so called IPMis also described. The final part of the article highlights the most promising trends in the power stages designing of direct drives' controllers.

2

Analiza mocy obliczeniowej platform sprzętowych dla wieloosiowego sterownika napędów bezpośrednich

Góra G., Mars P., Petko M., Karpiel G.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2018

|

Nr 3 (119)

23--28

PL

Klasyczna architektura układu sterowania urządzeń mechatronicznych składa się z jednego nadrzędnego sterownika oraz sterowników osi, skonfigurowanych do pracy w trybie pozycyjnym, prędkościowym lub momentowym. Wynika to z podziału funkcjonalnego systemu oraz rozłożeniu mocy obliczeniowej i zasobów sprzętowych na kilka niezależnych jednostek. Jednak współczesne platformy sprzętowe dysponujące wysokimi mocami obliczeniowymi oraz posiadające dużą ilość zasobów, w postaci sprzętowych interfejsów, wbudowanych modułów oraz portów ogólnego przeznaczenia, pozwalają na integrację sterownika głównego oraz sterowników osi w jednym układzie scalonym. W artykule przedstawiono porównanie mocy obliczeniowej siedmiu wersji systemów bazujących na układach FPGA oraz mikrokontrolerach z rdzeniem ARMCortex Mx. Testów wydajności dokonano poprzez implementację pętli prądowej sterownika napędu bezpośredniego, składającej się z transformacji Clarka i Parka, regulatora PI, modułu normalizacji jednostek oraz modulatora typu SPWM. Przedstawiono również poziom wykorzystania zasobów sprzętowych układu FPGA w przypadku użycia soft-procesora Nios II wspomaganego sprzętową jednostką zmiennoprzecinkową pojedynczej precyzji FPU oraz dodatkowymi instrukcjami koprocesora do obliczenia funkcji trygonometrycznych.

EN

The classic control system architecture of mechatronic devices consists of one master controller and axle controllers configured to work in positional, velocity or torque mode. This is due to the functional system division and the distribution of computing power and hardware resources to several independent units. However, modern hardware platforms with high computing power having a large amount of resources, in the form of hardware interfaces, built-in modules and general purpose ports enable integration of the main controller and axis controllers into a single integrated circuit. The article presents a comparison of the computing power of seven versions of systems based on FPGA chips and microcontrollers with ARM-Cortex Mx core. Performance tests were carried out by the direct drive controller’s current loop implementation consisting of the Clark and Park transforms, the PI controller, the unit normalization module and the SPWM type modulator. The level of the FPGA system hardware resources utilization was also presented in the case of Nios II soft processor usage, supported by the single-precision floating-point FPU hardware unit and additional coprocessor instructions for the trigonometric functions calculation.

3

Elektroniczny dyferencjał w samochodzie elektrycznym

Karpiel G., Prusak D., Góra G.

Napędy i Sterowanie

|

2017

|

R. 19, nr 11

112--116

PL

W artykule przedstawiono projekt elektronicznego dyferencjału przeznaczonego dla samochodu elektrycznego. Konstrukcja pojazdu jest nowa i może być zasilana z akumulatorów lub ogniw wodorowych. W pierwszej części referatu opisano budowę samochodu. Wyjaśniono, dlaczego wymagane jest zastosowanie elektronicznego dyferencjału. Urządzenie zostało przygotowane dla samochodu wyposażonego w cztery silniki typu BLDC. Maksymalna moc dla każdego z napędów wynosi 50 kW. Następnie pokazano algorytm zastosowany w układzie. Algorytm opiera się na wyliczeniach środka ciężkości pojazdu, oszacowaniu kierunku poruszania się i ostatecznie korekty momentu. Dodatkowo w algorytmie zaimplementowano funkcję likwidacji poślizgu. Ostatnia cześć artykułu przedstawia implementację algorytmu. Jako platformę sprzętową wybrano układ FPGA Cyclone IV firmy Altera. Podsumowując, opisano wady i zalety opracowanego urządzenia.

EN

The paper presents the design of electronic differential destined for the electric car. The construction of the vehicle is new and can be powered from batteries or hydrogen fuel. In the first part of the paper the construction of a car is shown. It explains why the electronic differential is required. The device has been prepared for a car with four BLDC motors. Maximum power for each drive is 50kW. Then, the algorithm used in the system is described. The algorithm is based on calculations of the center of gravity of the vehicle, estimating the direction of movement and adjustment of torque. Additionally, the elimination of the slip has been implemented. In the last part of the hardware implementation the algorithm is presented. As a hardware platform FPGA Altera Cyclone IV was used. In the conclusion, the advantages and disadvantages of the system are described.

4

Sprzętowa implementacja transformacji Clarka i Parka

Góra G., Karpiel G., Mars P., Sitek R., Goczał M.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2017

|

Nr 1 (113)

23--28

PL

Wykorzystanie układu FPGA jako platformy sprzętowej pozwala na równoległe przetwarzanie zadań oraz implementację wielu systemów na jednym układzie fizycznym. Te zalety układów reprogramowalnych skłoniły autorów do przedstawienia koncepcji systemu, który pozwala na implementację wielu sterowników dla napędów bezpośrednich małych i średnich mocy na jednym układzie fizycznym. Implementacja transformacji Clarka i Parka jest konieczna, aby proponowany system dawał możliwość zaprojektowania sterowników pracujących w trybie prądowym. Elementami zaprojektowanego modułu sprzętowej transformacji prądów fazowych do współrzędnych (d,q) są: komponent wykorzystujący algorytm CORDIC do wyznaczania wartości funkcji trygonometrycznych kąta wejściowego, zaimplementowany algorytm mnożenia sekwencyjnego oraz maszyna stanu, której zadaniem jest wyznaczenie transformaty przy pomocy wcześniej opisanych komponentów oraz podstawowych operacji arytmetycznych i logicznych. W celu weryfikacji zaimplementowanego modułu sprzętowego przygotowano system bazujący na softprocesorze Nios II umożliwiający: przygotowanie pseudolosowych danych wejściowych, weryfikację poprawności otrzymywanych wyników oraz pomiar czasu wykonywania transformacji przez testowany moduł. W podsumowaniu omówiono otrzymane błędy numeryczne oraz przedstawiono zalety i wady opracowanego modułu.

EN

The FPGA chip utilization as a hardware platform enables the parallel processing of tasks and multiple systems on a single chip implementation. These advantages of the reprogrammable chips led authors to present the concept of the system, which allows the implementation of multiple controllers for the small and medium power direct drives on a single physical system. The Clarke and Park transformations implementation is essential to gives the possibility to design the working in current mode controllers for the proposed system. The designed module elements for hardware transformation of phase currents to the (d,q) coordinates are: component utilizing CORDIC algorithm for the calculation of trigonometric functions values of the input angle, the implemented sequential multiplication algorithm as well as the state machine which aims to determine the transform using the previously described components and basic arithmetic and logic operations. In order to verify the implemented hardware module, the system based on soft-processor Nios II was prepared which enables: preparation of pseudo-random input data, verification of the correctness of the obtained results, and the transformation execution time measurement of the tested module. In the conclusion, the obtained numerical errors were discussed as well as advantages and disadvantages of the developed module was presented.

5

Aproksymacja funkcji trygonometrycznych w algorytmach komutacji elektronicznej napędów bezpośrednich

Góra Grzegorz, Karpiel G., Mars P., Sitek R., Goczał M.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2017

|

Nr 1 (113)

15--21

PL

W przypadku funkcji trygonometrycznych, które są wykorzystywane w algorytmach komutacji elektronicznej napędów bezpośrednich już aproksymacja wielomianem stopnia drugiego pozwala na uzyskanie dobrego przybliżenia, a powstałe różnice nie muszą w niekorzystny sposób wpływać na pracę napędu. W celu przeanalizowania rezultatów aproksymacji, zaimplementowano trzy moduły sprzętowe SPWM, w których do obliczania wartości funkcji trygonometrycznych wykorzystano następujące algorytmy: CORDIC z dokładnością 16-bitową i 12-bitową oraz proponowaną aproksymację wielomianem kwadratowym. Badanie wpływu zastosowanych algorytmów na pracę silnika przeprowadzono na trzech wersjach sterownika pozycyjnego, bazujących na regulatorze typu PI, wykorzystujących wcześniej zaprojektowane bloki sprzętowe elektronicznej komutacji SPWM. Jako platformę sprzętową do budowy sterownika pozycyjnego wykorzystano układ FPGA Cyclone IV firmy Altera oraz prototyp stopnia mocy oparty na tranzystorach typu Power MOSFET. Eksperyment przeprowadzono wykorzystując trajektorię, która dobrze testuje zarówno stany statyczne jak i przejściowe o zmiennej dynamice. W podsumowaniu omówiono otrzymane różnice w rezultatach oraz przedstawiono zalety i wady zastosowania aproksymacji wielomianem kwadratowym w module elektronicznej komutacji.

EN

In the case of trigonometric functions which are utilized in the direct drives’ electronic commutation algorithms, the using of quadratic polynomial approximation allows obtaining a good approximation, and the arising differences do not adversely affect the drive operation. In order to analyze the results of approximation, the three SPWM hardware modules were implemented inside which the calculation of trigonometric functions is realized by the following algorithms: CORDIC with the accuracy of 16-bit and 12-bit, as well as the proposed quadratic polynomial. The study of the utilized algorithms impact on the drive operation was carried out on the three different positional controllers which are based on PI regulators, using pre-designed SPWM electronic commutation hardware blocks. As a hardware platform for the positional controller building, the Altera’s Cyclone IV FPGA chip and the power stage prototype based on the Power MOSFET transistors were utilized. The experiment was performed using the trajectory that tests well both static and transient with variable dynamics states. In the conclusion, the obtained differences from results were discussed as well as advantages and disadvantages of the quadratic polynomial approximation application in the electric commutation module were presented.

6

Elektroniczny dyferencjał w samochodzie elektrycznym

Wiślański M., Karpiel G., Prusak D., Góra G.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2016

|

Nr 2 (110)

117--122

PL

W artykule przedstawiono projekt elektronicznego dyferencjału przeznaczonego dla samochodu elektrycznego. Konstrukcja pojazdu jest nowa i może być zasilana z akumulatorów lub ogniw wodorowych. W pierwszej części referatu opisano budowę samochodu. Wyjaśniono, dlaczego wymagane jest zastosowanie elektronicznego dyferencjału. Urządzenie zostało przygotowane dla samochodu wyposażonego w cztery silniki typu BLDC. Maksymalna moc dla każdego z napędów wynosi 50kW. Następnie pokazano algorytm zastosowany w układzie. Algorytm opiera się na wyliczeniach środka ciężkości pojazdu, oszacowaniu kierunku poruszania i ostatecznie korekty momentu. Dodatkowo w algorytmie zaimplementowano funkcję likwidacji poślizgu. Ostatnia cześć artykułu przedstawia implementację algorytmu. Jako platformę sprzętową wybrano układ FPGA Cyclone IV firmy Altera. Podsumowując opisano wady i zalety opracowanego urządzenia.

EN

The paper presents the design of electronic differential destined for the electric car. The construction of the vehicle is new and can be powered from batteries or hydrogen fuel. In the first part of the paper the construction of a car is shown. It explains why the electronic differential is required. The device has been prepared for a car with four BLDC motors. Maximum power for each drive is 50kW. Then, the algorithm used in the system is described. The algorithm is based on calculations of the center of gravity of the vehicle, estimating the direction of movement and adjustment of torque. Additionally, the elimination of the slip has been implemented. In the last part of the hardware implementation the algorithm is presented. As a hardware platform FPGA Altera Cyclone IV was used. In the conclusion the advantages and disadvantages of the system are described.

7

Robot do wspomagania zabiegów chirurgicznych w obrębie miednicy mniejszej

Petko M., Stangel-Wójcikiewicz K., Karpiel G.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2014

|

z. 194, t. 2

413--422

PL

W referacie opisano koncepcję robota do wspomagania zabiegów chirurgicznych wykonywanych przez naturalne otwory ciała w obrębie miednicy mniejszej oraz wstępne badania zmierzające do opracowania konstrukcji i sterowania. Pierwszym zastosowaniem robota będzie wstrzykiwanie zawiesiny komórek macierzystych do zwieracza cewki moczowej w leczeniu wysiłkowego nietrzymania moczu u kobiet. Do lokalizowania właściwego miejsca podania zawiesiny wykorzystane zostanie obrazowanie multimodalne, integrujące dane z systemu wizyjnego, ultrasonografii oraz profilometrii cewkowej. Zastosowanie robota zwiększy dokładność podawania zawiesiny komórkowej, poprawiając skuteczność zabiegu i skracając czas jego trwania. Przy opracowywaniu robota wykorzystane zostanie w szerokim stopniu wirtualne prototypowanie, uwzględniające modele otoczenia (miednicy mniejszej) oraz systemów obrazowania (systemu wizyjnego i profilometrii cewkowej).

EN

The paper describes the concept of a robot for assisting in surgical procedures performed through pelvic natural orifices, and preliminary research to develop robot construction and control. The first application of the robot will be injection of stem cells suspension into urethral sphincter in the treatment of stress urinary incontinence in women. To locate the proper injection place, multimodal imaging, integrating data from vision system, ultrasound and urethral profilometry, will be used. Use of the robot will increase the accuracy of the administration of the cell : suspension, improving the effectiveness of treatment and shortening its duration. In the robot development, virtual prototyping will be widely used, taking into account models of the environment (pelvic) and imaging systems (vision system and urethral profilometry).

8

Operative procedures supported with robotics systems and available endoscope procedures in operative gynecology

Stangel-Wójcikiewicz K., Basta A., Piwowar M., Petko M., Karpiel G., Panek D., Ludwin I., Jach R.

Bio-Algorithms and Med-Systems

|

2014

|

Vol. 10, no. 3

139--149

EN

Minimally invasive surgery revolutionized operative procedures in the last 20 years. Much of the progress in minimally invasive surgery can be attributed to the development of robot-based systems. The most apparent changes are found in laparoscopy procedures. Procedures in which only small skin incisions are made have revolutionized operating theaters. The learning curve, although long in itself, allows for the development of procedures with reduced perioperative risk (i.e., bleeding, pain) or shorter postoperative period. Convalescence after endoscopy procedures is significantly shorter compared with classic laparotomy. However, certain limitations apply to laparoscopy. Apart from the long learning curve, movements executed with long and rigid tools cannot strictly translate the precision of an operator’s hand. The body position of the surgeon is often forced by the reach of the endoscope instrument. It is related to a significant physical load of personnel, especially during long operating procedures. For this reason, some therapeutic procedures are still executed using the laparotomy approach.

9

2-dof piezoelectric actuator controller based on FPGA

Prusak D., Karpiel G., Gac K.

Mechanics and Control

|

2013

|

Vol. 32, no. 1

30--36

EN

This article presents the method for controlling the piezolegs motor with the application of the FPGA (Field-programmable gate array) system and presents the results of conducted tests of the motor slider displacement, with various steering signal configurations. It includes also the review of piezoelectric motors solutions and characteristics of systems, based on FPGA systems. Suggested steering solution can be used for subsequent tests on piezolegs drives and can constitute positioning system element.

PL

Artykuł przedstawia metodę sterowania silnikiem liniowym piezoelektrycznym typu piezolegs za pomocą układu FPGA oraz wyniki przeprowadzonych pomiarów przemieszczenia końca biegnika silnika, przy różnych konfiguracjach sygnałów sterujących. Dokonano również przeglądu rozwiązań silników piezoelektrycznych oraz określono cechy systemów opartych na układach FPGA. Sugerowane rozwiązanie sterowania może być wykorzystane do dalszych badań nad napędami typu piezolegs i może stanowić element systemu pozycjonowania.

10

FPGA based hardware accelerator for parallel robot kinematic calculations

Karpiel G., Gac K., Petko M.

Automatyka / Automatics

|

2013

|

Vol. 17, no. 2

187--196

EN

This paper presents an application of FPGA to support the calculation of the inverse kinematics problem of a parallel robot. The presented robot is designed for milling by moving the spindle along a desired trajectory generated in Cartesian space. This means that for each point of the trajectory solution of the inverse kinematics problem is needed. The resulting sequence of data creates the joint space trajectory. The trajectory in joint space must be calculated in real time. Required high frequency and complex equations makes the problem of the calculation time crucial. The paper shows how to increase the computing power for inverse kinematics problem solving, preserving required calculation accuracy, by augmenting the arithmetic coprocessor with custom instructions. The paper shows hardware implementation of the accelerator and presents results of calculations performed on Altera FPGA chip.

PL

W artykule przedstawiono wykorzystanie układu FPGA do wspomagania obliczeń zadania odwrotnego kinematyki robota równoległego. Zaprezentowany robot przeznaczony jest do frezowania przez prowadzenie wrzeciona wzdłuż zadanej trajektorii generowanej w przestrzeni kartezjańskiej. Oznacza to, że dla każdego punktu trajektorii należy rozwiązać zadanie odwrotne kinematyki. Uzyskany ciąg danych tworzy trajektorię w przestrzeni złączowej. Trajektorię w przestrzeni złączowej należy obliczać w czasie rzeczywistym, co przy dużej częstotliwości i złożonych równaniach powoduje, że problem czasu obliczeń staje się istotny. W artykule pokazano, jak za pomocą rozbudowy koprocesora arytmetycznego o własne instrukcje można zwiększyć moc obliczeniową do rozwiązania zadania odwrotnego kinematyki, utrzymując zadaną dokładność obliczeń. Pokazano opracowaną implementację akceleratora obliczeń oraz przedstawiono wyniki otrzymane na układzie firmy Altera.

11

Mechatronic approach towards flight flutter testing

Karpiel G., Petko M., Uhl T.

Diagnostyka

|

2007

|

nr 4(44)

99-104

EN

The paper presents an idea of identification of the flutter phenomena during a flight. The proposed flutter detection algorithm is based on the identification of natural frequencies and modal damping ratio for an airplane structure based on in-flight vibration measurements. The procedure can be realized during a flight using measured actual vibration. The algorithm is based on recursive identification of model parameters and wavelets based signal filtering. The real-time realization is implemented in hardware and tested during a flight. FPGA technology is used for the hardware design. The results of a test of the hardware system prototype are presented.

PL

W artykule przedstawiono implementację algorytmu identyfikacji flatteru podczas lotu. Przedstawiony algorytm bazuje na identyfikacji częstotliwości własnych oraz współczynnika tłumienia poprzez pomiar drgań struktury samolotu. Zaprezentowana procedura może być realizowana podczas lotu wykorzystując dostępne sygnały z czujników drgań. Algorytm wykorzystuje transformatę falkową jako filtr częstotliwościowo-czasowy dla izolacji pojedynczych postaci drgań o parametrach zmiennych w czasie. Realizację w czasie rzeczywistym wykonaną w postaci sprzętowej sprawdzono podczas testowego lotu. Do zaprojektowania struktury sprzętowej użyto technologii FPGA. Przedstawiono rezultat działania prototypowego urządzenia.

12

Automatic balancing of rotating systems: control algorithm's implementation on FPGA systems

Mańka M., Karpiel G., Uhl T.

Archives of Control Sciences

|

2007

|

Vol. 17, no. 3

329-342

EN

The paper deals with automatic balancing of rotating systems during operation. After discussion of techniques' principles, balancing mechanisms designed on `AGH' University of Science and Technology are presented. After introduction into active balancing control algorithms, test results obtained during experiments are presented. The paper presents comparison between implementation process and results of experiments taken with two different control algorithms' implementation platforms: dSPACE rapid prototyping system and ALTERA FPGA system. The paper ends some conclusions about taken experiments and further works directions are presented.

13

Implementacja algorytmów sterowania w układach FPGA na przykładzie robota równoległego

Petko M., Karpiel G., Uhl T.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2006

|

R. 52, nr 5

27-30

PL

W artykule przedstawiono problemy związane z implementacją algoryt-mów sterowania w układach FPGA. Zaproponowane rozwiązanie oparte jest na architekturze "System-on-Programmable-Chip" z wprogramowa-nym mikroprocesorem, która pozwala na mieszaną, sprzętowo-programową implementację i badanie możliwych realizacji algorytmu. Jako przykład zastosowania przedstawiono sterowanie neuronowe robotem do frezowania o trzech stopniach swobody. Sterownik jest oparty na neu-ronowym modelu dynamiki odwrotnej manipulatora, uczonym na danych zebranych z użyciem stabilizującego sterownika wykorzystującego strukturalny model analityczny manipulatora. Dla porównania obydwa sterowniki zostały zaimplementowana w systemie o tej samej architekturze.

EN

The paper presents problems related to implementation of control algorithms in FPGA. Proposed solution is based on System-on-Programmable-Chip architecture with soft-processor that allows for mixed, hardware/software implementation and exploration of possible control algorithm realizations. The case study is a neural controller for 3-DOF parallel robot for milling. The controller is based on neural model of the inverse dynamics of the manipulator, trained on data collected with the use of a computed torque stabilizing controller. For comparison, both controllers were implemented in a system of the same architecture.

14

Kinematyka nowego typu manipulatora równoległego o trzech stopniach swobody

Petko M., Karpiel G., Prusak D., Martowicz A.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2004

|

R. 50, nr 5

25-28

PL

W artykule przedstawiono kinematykę nowego typu manipulatora trójramiennego o trzech stopniach swobody, zbudowanego w Katedrze Robotyki i Dynamiki Maszyn AGH. Wprowadzono analityczne rozwiązanie zadania kinematyki odwrotnej oraz zaproponowano i zbadano metodę szybkiego i dokładnego numerycznego rozwiązywania zadania kinematyki prostej. Podano także sposób przybliżonego rozwiązania analitycznego tego problemu.

EN

In the paper, kinematics of a new type of threelimbs, 3-DOF manipulator, built in the Department of Robotics and Machine Dynamics, AGH is presented. The symbolic, closed form of inverse kinematics is derived. A method of fast and accurate numerical solutions of the forward kinematic problem is proposed and investigated. The way for an approximate, analytic solving of this problem is given.