Voimanmittausjärjestelmän automatisointi ja jatkokehitys
Kunnari, Toni (2023)
2023
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023122239009
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023122239009
Tiivistelmä
Projektissa lähdettiin jatkokehittämään magneettivoimaa mittaavaa mittausjärjestelmää, jolla mitataan PS Audio Design Oy:n kehittämää aktuaattoriteknologiaa. Mittausjärjestelmästä haluttiin automatisoinnin avulla nopeampi ja helpompi käyttää.
Mittausprosessin tuloksena haluttiin tarkkaa mittadataa PSAD-aktuaattorin magneettien välisestä voimasta asetetun ilmavälin suhteen. Vaatimukset mittausprosessin suhteen ohjasivat komponenttivalintoja ja mittausprosessin rakennetta. Mittaus lähdettiin toteuttamaan voimasensorin ja laseretäisyys-sensorin avulla.
Laitteiston komponentit valittiin teknisiin tietoihin ja vaatimuksiin pohjautuen ja laser- ja voimasensorin suhteen kiinnitettiin erityistä huomiota tarkkuusvaatimuksiin. Laitteiston liike, ilmavälin asettamiseksi, toteutettiin suljetun kierron askelmoottorin ja lineaariyksikön avulla. Valittujen komponenttien tarkkuuslaskennan perusteella laitteisto on teoriassa vähintään yhtä tarkka, kuin edellinen mittausjärjestelmä. Laitteiston pohjana toimii Raspberry Pi 4 yhden piirilevyn tietokone.
Ohjelmisto lähdettiin toteuttamaan C-kielen ja LVGL-grafiikkakirjaston avulla Raspberry Pi OS käyttöjärjestelmän päälle. Ohjelmisto kommunikoi sensoreiden kanssa RS422-sarjayhteyden ja I²C protokollan avulla ja moottorin askeltaminen tapahtuu 1:1 kanttiaallon avulla. Mittausprosessin automaatiosta tehtiin kaksi eri toimintamallia, mittausautomatiikka ja täysiautomatiikka. Täydessä automatiikassa ilmavälin nollakohta etsitään automaattisesti, kun mittausautomatiikalla ainoastaan mittaustapahtuma on automaattinen. Ohjelmistoon kehitettiin ominaisuus prosessien rinnakkain ajolle ja kontrolli- ja hätäpysäytysjärjestelmä automaation tueksi.
Laitteiston ohjaus toteutettiin kosketusnäytölle piirrettävän käyttöliittymän avulla, joka rakennettiin LVGL-grafiikkakirjastoa hyödyntäen. Käyttöliittymä rakennettiin grafiikkakirjaston sisältämien pienoisohjelmien avulla ja käyttöliittymän suunnittelussa otettiin huomioon käytettävyys ja ominaisuuksien looginen järjestely alavalikoihin.
Kehityksen lopputuloksena syntyi testimittausten perusteella vähintään yhtä tarkka, mutta nopeampi ja helppokäyttöisempi mittausjärjestelmä, kuin laitteen edellinen versio. Mittausten toistettavuus saatiin paremmaksi, jolloin laitteen luotettavuus kasvoi myös. Mittalaitteen jatkokehityksen kannalta PSAD-aktuaattoreiden dynaaminen mittaus, moottorin ajosignaalin parantaminen ja ohjelmiston optimointi.
Mittausprosessin tuloksena haluttiin tarkkaa mittadataa PSAD-aktuaattorin magneettien välisestä voimasta asetetun ilmavälin suhteen. Vaatimukset mittausprosessin suhteen ohjasivat komponenttivalintoja ja mittausprosessin rakennetta. Mittaus lähdettiin toteuttamaan voimasensorin ja laseretäisyys-sensorin avulla.
Laitteiston komponentit valittiin teknisiin tietoihin ja vaatimuksiin pohjautuen ja laser- ja voimasensorin suhteen kiinnitettiin erityistä huomiota tarkkuusvaatimuksiin. Laitteiston liike, ilmavälin asettamiseksi, toteutettiin suljetun kierron askelmoottorin ja lineaariyksikön avulla. Valittujen komponenttien tarkkuuslaskennan perusteella laitteisto on teoriassa vähintään yhtä tarkka, kuin edellinen mittausjärjestelmä. Laitteiston pohjana toimii Raspberry Pi 4 yhden piirilevyn tietokone.
Ohjelmisto lähdettiin toteuttamaan C-kielen ja LVGL-grafiikkakirjaston avulla Raspberry Pi OS käyttöjärjestelmän päälle. Ohjelmisto kommunikoi sensoreiden kanssa RS422-sarjayhteyden ja I²C protokollan avulla ja moottorin askeltaminen tapahtuu 1:1 kanttiaallon avulla. Mittausprosessin automaatiosta tehtiin kaksi eri toimintamallia, mittausautomatiikka ja täysiautomatiikka. Täydessä automatiikassa ilmavälin nollakohta etsitään automaattisesti, kun mittausautomatiikalla ainoastaan mittaustapahtuma on automaattinen. Ohjelmistoon kehitettiin ominaisuus prosessien rinnakkain ajolle ja kontrolli- ja hätäpysäytysjärjestelmä automaation tueksi.
Laitteiston ohjaus toteutettiin kosketusnäytölle piirrettävän käyttöliittymän avulla, joka rakennettiin LVGL-grafiikkakirjastoa hyödyntäen. Käyttöliittymä rakennettiin grafiikkakirjaston sisältämien pienoisohjelmien avulla ja käyttöliittymän suunnittelussa otettiin huomioon käytettävyys ja ominaisuuksien looginen järjestely alavalikoihin.
Kehityksen lopputuloksena syntyi testimittausten perusteella vähintään yhtä tarkka, mutta nopeampi ja helppokäyttöisempi mittausjärjestelmä, kuin laitteen edellinen versio. Mittausten toistettavuus saatiin paremmaksi, jolloin laitteen luotettavuus kasvoi myös. Mittalaitteen jatkokehityksen kannalta PSAD-aktuaattoreiden dynaaminen mittaus, moottorin ajosignaalin parantaminen ja ohjelmiston optimointi.