NI ELVIS und NI LabVIEW zur Steuerung eines DC-Motors in einem System für automatisierte Greifarme

Author(s):
Alex See, PhD - Monash University Malaysia, School of Engineering

Industry:
Education

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, NI ELVIS

The Challenge:
Vermittlung von Lerninhalten zur Regelung der Drehzahl und Richtung eines DC-Motors sowie die Feststellung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors bei automatisierten Greifarmen

The Solution:
Einsatz von National Instruments LabVIEW, NI ELVIS und der Multifunktions-Datenerfassungskarte NI PCI-6070E zur Entwicklung des Systems mit Funktionen zur Motorensteuerung, Datenerfassung und Signalmessung

Automatisierungssysteme sind für viele Zwecke erforderlich, in der Hauptsache zur Verbesserung der Systemleistung und zur Verringerung des Anteils menschlicher Arbeit bei anstrengenden Betätigungen. Motoren sind für eine Vielzahl von Anwendungen notwendig. Elektronische Geräte wie z. B. automatische Türen, Hebezeuge oder auch CD-Player benötigen Motoren, um zu funktionieren.

Entwicklung eines softwaregesteuerten automatisierten Greifarms unter Einsatz von DC-Motoren

Mechatronikstudenten im zweiten Studienjahr an der Monash University Malaysia müssen ein Kursmodul belegen, das unter der Bezeichnung Project and Practice, GSE2800, bekannt ist. Hierbei wird die Theorie um einen praktischen Ansatz ergänzt. Dieses Modul, das eine einstündige Vorlesung und drei Stunden Laborarbeit pro Woche umfasst, dauert 13 Wochen und ist eine Pflichtveranstaltung im zweiten Semester. 2004 wurden die Studenten in acht Gruppen aufgeteilt. Jede Gruppe wurde angewiesen, die festgelegten Zielsetzungen zu lösen und zu erreichen. Bei einem der Projekte wurde NI ELVIS bei der Geschwindigkeitsregelung von DC-Motoren für einen automatisierten Greifarm eingesetzt.

Systeme für automatisierte Greifarme werden in der Industrie häufig eingesetzt, kommen aber auch außerhalb der Industrie vor. Ein Anwendungsbeispiel für einen automatisierten Greifarm ist eine münzbetriebene, mit Spielzeug gefüllte Maschine. Diese Maschine wird gewöhnlich mithilfe von Joysticks gesteuert, um ein Objekt (beispielsweise eine Puppe) zu greifen. Das Projekt wurde so ausgelegt, dass verschiedene DC-Motoren diesen Greifarm unter Einsatz der Software NI ELVIS und LabVIEW steuern konnten. Ein Prototyp dieses Systems für automatisierte Greifarme wurde entwickelt.

Erstellen eines benutzerfreundlichen, zuverlässigen Systems

Beim hier vorgestellten Projekt setzten die Studenten LabVIEW und NI ELVIS ein. Sie entschieden sich für NI ELVIS, weil hier auf LabVIEW basierende Softwareinstrumente, eine Multifunktions-Datenerfassungskarte sowie eine individuell angepasste Laborplatz-Workstation und Experimentierplatine genutzt werden, um die Funktionalität eines Programmpakets gängiger Laborinstrumente bereitzustellen.

LabVIEW wurde bei dieser Anwendung aus mehreren Gründen gewählt. Zum einen unterscheidet sich LabVIEW von anderer Programmiersoftware, da sie eine grafische und keine textbasierte Programmiersprache ist. Daher lässt sie sich viel einfacher erlernen oder zur Erstellung von Programmen einsetzen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass LabVIEW bei Studenten beliebt ist. Die Einarbeitungszeit in die Programmierung mit LabVIEW ist recht kurz, wenn Studenten bereits über grundlegende Programmierkenntnisse verfügen. Zum anderen nutzt die Software LabVIEW die Datenflussprogrammierung. Hierbei wird durch den Datenfluss die Ausführung bestimmt. Im Gegensatz zur textbasierten Programmierung, wo Befehle oder Programmcode und Anweisungen die Ausführung des Programms bestimmen, beinhaltet LabVIEW eine umfassende Palette an Werkzeugen zur Erfassung, Analyse, Darstellung und Speicherung von Daten sowie Tools zur Fehlerbehebung im Programmcode.Auf LabVIEW basierende Anwendungen verwandeln den PC direkt in ein virtuelles Messgerät, das eine speziell für die Anforderungen von Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelte benutzerfreundliche Umgebung bereitstellt.

Einsatz von DC-Motoren und Sensoren zur Umsetzung des Systems

In diesem System wurden vier DC-Motoren verwendet: zwei davon für die Bewegung in y-Richtung, einen für die Bewegung in x-Richtung und einen weiteren für die z-Richtung. Die Hauptzielsetzung bestand darin, die Geschwindigkeit wie auch die Richtung der vier Motoren zu steuern. Die Studenten erfassten und berechneten die Drehzahl der Motoren unter Verwendung von fotoelektrischen Sensoren mit Strahlunterbrechung. Sie verbanden alle Geräte mit der Hauptkarte mit NI ELVIS und überwachten und steuerten das gesamte System über einen PC, auf dem LabVIEW ausgeführt wurde.

Bei dieser Arbeit konnten die Studenten NI ELVIS für die Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals für die Steuerung der Motordrehzahl einsetzen. Bei dieser Pulsweitenmodulationstechnik wird eine Rechteckspannung mit variablem Tastverhältnis verwendet.Die Studenten konnten das Tastverhältnis anpassen, um die Geschwindigkeit entsprechend zu erhöhen oder zu verringern. Ihnen standen etliche Methoden zur Verfügung, mit denen die Rechtecksignale von NI ELVIS erzeugt werden konnten – Analogausgangs-, Digital- oder Zählerkanäle mithilfe der Experimentierplattform NI ELVIS. Das System benötigte drei Kanäle, da es zwei Motoren gab, die mit derselben Geschwindigkeit liefen (Bewegung in y-Richtung) und einen Kanal teilten, indem sie parallel geschaltet wurden. Dazu wurden Zählerausgänge benutzt, da Counter sich am schnellsten an Veränderungen anpassen. Ein Counter hat im Vergleich mit einem Analogausgang die kürzeste Verzögerungszeit. Es gab allerdings nur zwei Zählerkanäle an der NI-ELVIS-Karte. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Signalformen bestand darin, einen Analogausgang zu verwenden.

Zur Erkennung der Drehzahl eines Motors setzten die Studenten fotoelektrische Sensoren mit Strahlunterbrechung ein, die als Tachometer fungierten. Um den Abtastmechanismus zu vervollständigen, befestigten die Studenten eine Scheibe von ca. 2 cm Durchmesser mit einer Kerbe von ca. 0,5 cm Breite und einer Tiefe von 1 cm an der Welle des Motors. Die Scheibe bestand aus festem, abgeschrägtem Aluminiummaterial. Während des Betriebs erzeugte jede Umdrehung des Motors einen Puls. Die Studenten konnten den Puls durch Einsatz der Analogeingangskanäle an der Experimentierplatine NI ELVIS entdecken. Zur Steuerung der Motorrichtung verwendeten die Studenten eine H-Brücke des Typs IC 293D.

NI ELVIS und LabVIEW ermöglichen praktische Erfahrung in Mechatronikkursen

Bei diesem Projekt lernten die Studenten virtuelle Messgeräte mit realer Anwendung in der Mechatronik kennen. Durch den Einsatz von NI ELVIS und LabVIEW wurden die Studenten mit den Grundlagen der Plusweitenmodulation bei der Geschwindigkeitsregelung und Datenerfassung eines DC-Motors vertraut gemacht. Es ist eindeutig, dass sich durch den Einsatz von LabVIEW im Grundstudium enorme Vorteile ergeben. Dieser Lernansatz sowie das Verständnis von Pulsweitenmodulationstechniken und Grundlagen der Datenerfassung wurden durch den Einsatz von NI-Produkten vereinfacht. 

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Alex See, PhD

Monash University Malaysia, School of Engineering

No. 2 Jalan Kolej, Bandar Sunway, 46150, PJ

Selangor Darul Ehsan

Malaysia

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Fax: (+60) 03 5632 9314

E-Mail: andri_811_lavi@hotmail.com, alex.see@engsci.monash.edu.my

 

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