Workshop 2 - SenGier/SabGier - LPR530AL

Aus HSHL Mechatronik
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Abb. 1: Foto des Gyro LPR530AL

Autor: Marc Ebmeyer

Einleitung

Der LPY530AL ist aus der Serie der LPY5XXAL Analog Gyros der Firma STMicroelectronics er ist ein Micro Electro Mechanical Systems MEMS DUAL Gyro und mist die Winkelgeschwindigkeit entlang der Nick- und Gierachse (x- und z-Achse siehe STMicroelektronik Datenblatt LPY530AL Seite 8 Bild 3). Er ist auf der Adapterplatine in verschiedenen Versionen verbaut (siehe Board Schematic und Layout). Das bedeutet, dass er am Fahrzeug die Drehung um die Hochachse messen kann (Z Achse) und das Kippen nach rechts und links ( X-Achse) . Es gab weitere Modelle mit unterschiedlichen Achsen und Auflösungen, der Chip ist Abgekündigt und nicht mehr Lagernd. Im Wagen 1 ist die Version LPY510AL verbaut, in Wagen zwei und drei jeweils zwei LPY530AL einaml als Sparkfun Modul einmal direkt verlötet.

Technische Übersicht

Technische Daten laut Datenblatt LPY530AL von STMicroelektronics

Tabelle 1: Eigenschaften
Eigenschaft Daten [1]
Spannungsversorgung
 VCC 2,7-3,6 V
Stromaufnahme
 6,8 mA
Messbereich 1x OUT +/-300°/s Dual Axes
Messbereich 4x OUT +/-1200°/s Dual Axes
Empfindlichkeit OUT 3,33mV/°/s
Empfindlichkeit 4x OUT 0,83mV/°/s
Bandweite -3dB bis 140Hz
nicht linearität
+/- 1% FS (Endwertes)
Referenze-, Offset- Spannung
1,23V
Abmessung (l,b,h)
 Land Grid Array Package LGA-16 (5mmx5mmx1.5mm)
Tabelle 2: Pinbelegung
Pin Funktion [1]
1. GND
 0V Versorgungsspannung
2. FILTVDD
 PLL Filter Anschluss pin #2
3. VCONT PLL Filter Anschluss pin #1
4. OUTY nicht verstärkter Ausgang der Y Achse
5. 4xINY
 Eingang des vierfach Verstärkers Y Achse
6. 4xOUTY
 vierfach verstärkter Ausgang der Y Achse
7. Vref Reference Spannung
8. 4xOUTX vierfach verstärkter Ausgang der X Achse
9. 4xINX
 Eingang des vierfach Verstärkers Achse
10. OUTX nicht verstärkter Ausgang der X Achse
11. ST Selbsttest (logic 0: normaler Modus; logic 1: Selbsttest)
12. PD(Power-down)
 IC Abschaltung (logic 0: normaler Modus; logic 1: IC abgeschaltet)
13. HP
 Hochpass Filter Reset (logic 0: normaler Modus;

logic1: external high pass filter is reset)

14. Res Reserviert an VDD anzuschließen
15. Res Reserviert an VDD anzuschließen
16. Vdd
 Spannuungsversorgungsanschluss

Datenblätter

verwendete Boards:

Weitergehende Infos:

Alle wichtigen Datenblätter und Schaltpläne sind im SVN hinterlegt https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Literatur/Datenblätter/Wagen_2_und_3_2023/ hinterlegt.

Anschlussplan

  • Abbildung 2: Blockschaltbild des Gyro Sensors [2]
    Abbildung 2: Blockschaltbild des Gyro Sensors [2]
  • Abbildung 3: Anschlussbelegung des LPY530AL [3]
    Abbildung  3: Anschlussbelegung des LPY530AL [3]

Innere Aufbau des LRP5XXAL

Auf der Abbildung 2 sieht man, dass im inneren des Gyros sich vier kapazitive Drehraten Sensoren befinden nach dem Coriolis Prinzip, welche zwei Achsen messen und jeweils zwei gegensinnig arbeiten. Dieses Signal wird jeweils von einem Ladungsverstärker verarbeitet und verstärkt. Dannach wird es mit den schwingenden Massen Demoduliert, gefiltert und ausgegeben, entweder mit einen externen Hochpass und oder Tiefpass mit einer Verstärkung von 1 oder noch mal zurückgespeist in den Ic in einen internen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 4. An Pin 2 und 3 befindet sich ein Tiefpass für den im Chip verbauten Phasenregelkreis Phasenregelschleife PLL (Phase-Lock-Loop) .

exteren Beschaltung des LRP5XXAL

Auf er Adapterplatine sind zwei LRP530AL verbaut das Hauptmodul ist momentan nicht einsatzfähig, da es neu aufgelötet werden muss. Dieses bietet den Vorteil, das man mit regulären 0805 Bauteilen das externe Filter bestücken kann und einfacher messen kann. Desweiteren hat es eine eigene Stabilisierte 3,3V Spannungsquelle siehe Schaltplan Adapterplatine.

An den Ausgängen Out (1x Verstärkung) Pin 4 und Pin 10 befinden sich jeweils Möglichkeiten ein Hoch und ein Tiefpass anzuschließen. Dieses ist sowohl bei der Sparkfun Platine gegeben, welche zusätzlich auf der Adapterplatine verbaut ist, dort in SMD 0402 ausgeführt, als auch in direkt auf der Adapterplatine, dort in der Bauform 0805 ausgeführt. Am Wagen zwei ist momentan an der Z Achse des Sparkfunmoduls das externe Hoch und Tiefpass entfernt und die Weiterleitung an den vierfach Verstärker kurzgeschlossen siehe Figure 3. Deseiteren stehen zwei separate Ausgänge für jede Achse zur Verfügung je 1x und 4x (Pin 6 & 8) verstärkt.

Primärsensor

Das verbaute Zwei-Achsen-Gyroskop LPY530AL ist ein zweiachsiger Mikrokreisel mit geringem Stromverbrauch, das die Winkelgeschwindigkeit entlang der Nick- und Gier-Achse messen kann. Es bietet hervorragende Temperaturstabilität und hohe Auflösung über einen erweiterten Betriebstemperatur Temperaturbereich (-40°C bis +85°C). Der LPY530AL hat einen Skalenendwert von ±300 °/s und ist ist in der Lage, Geschwindigkeiten mit einer Bandbreite von -3 dB bis zu 140 Hz. Das Gyroskop ist die Kombination aus einem Aktor und einem Beschleunigungssensor, die in einer einzigen mikromechanischen Struktur. Es umfasst ein Sensorelement, das aus einer einzigen Antriebsmasse besteht, die in einer kontinuierlichen oszillierenden Bewegung gehalten wird und in der Lage ist, auf eine Winkelgeschwindigkeit zu reagieren auf der Grundlage des Coriolis-Prinzips (siehe dazu Artikel eines vergleichbaren MEMS von Analog Devices MEMS Gyroscope Provides Precision Inertial Sensing in Harsh, High Temperature Environments/ Theory of Operation von Jeff Watson 2016 Analog Devices). Der CMOS-IC liefert die gemessene Winkelgeschwindigkeit über eine analoge Ausgangsspannung an die Außenwelt. Verbaut ist der Sensor auf der Adapterplatine siehe Abbildung 1.

Die Schaltpläne dazufinden sich unter:


  • Welche Gierrate messen Sie im Stillstand?
  • Welche Gierrate messen Sie, wenn das Fahrzeug in 10 Sekunden einen vollen Kreis fährt?

Sensordaten Verarbeitung

Abbildung 4: Verarbeitung der Daten vom Gyrosensor


Messkette SEN/SAB Online

  • Abbildung 5: Blockschaltbild des CCF online Modell [4]
    Abbildung 5: Blockschaltbild des CCF online Modell [4]
  • Abbildung 6: Blockschaltbild des Sab Blocks im CCF online Modell [5]
    Abbildung 6: Blockschaltbild des Sab Blocks im CCF online Modell [5]
  • Abbildung 7: Blockschaltbild des Sabgier Blockes im Sab Blocke des CCF Online Modells [6]
    Abbildung 7: Blockschaltbild des Sabgier Blockes im Sab Blocke des CCF Online Modells [6]
  • Abbildung 8: Blockschaltbild des Sen Blockes im CCF Online Modell [7]
    Abbildung 8: Blockschaltbild des Sen Blockes im CCF Online Modell [7]
  • Abbildung 9: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes im Sen Blocke des CCF Online Modells [8]
    Abbildung 9: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes im Sen Blocke des CCF Online Modells [8]
  • Abbildung 10: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes [9]
    Abbildung 10: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes [9]

Messkette SEN/SAB Offline

Abbildung 11: Sensoreingang Offline Modell Gierrate

Im offline Modell werden die Daten der simulierten Gierrate direkt auf den Bus gelegt und dann in dem Funktionsblock Sensoraufbereitung weiterverarbeitet, in diesem finden dann dieselben Schritte wie im Online Modell statt.




Lernzielkontrollfragen

  • Wie werden die Gierraten-Rohsignale verarbeitet Online/Offline?
  • Welche Signale sind für die Fahrzeugregelung und das Parken erforderlich?

Vergleich Offline/Online

Lernzielkontrollfragen

  • Was ist das Ergebnis des Vergleichs bezogen auf SEN/SAB der Gierrate?

Aufgezeichnete Messdaten

SVN Links zu den .mat Dateien

Auswertung Stillstand

Abbildung 12: Gierrate über die gesamte Zeit
  • An den Messungen sieht man, dass der Gierwinkel beim betätigen der Reset Taste zurückgesetzt wird.
  • Es findet ein zweiter Reset statfindet bei etwa 12s statt, welcher aber nicht im Reset Signal zu finden ist.

In dieser Zeit ist das Rauschen auch deutlich geringer (9-12s) (siehe Bild Gierrate um den Kalibrierpunkt).

Abbildung 13: Gierwinkel und Gierrate vorm dem Kalibrieren


Abbildung 14: Gierwinkel und Gierrate nach dem Kalibrieren


  • Der Gierraten Offset vor der Kalibrierung beträgt 0,127°/s, nach der Kalibrierung beträgt er 0,002°/s.
  • Die Gierraten-Drift beträgt nach der Kalibrierung im Stillstand etwa 0,0000176°/s?.
  • Der Gierwinkel Offset driftet vor dem Kalibrieren mit 0,7242°/s, nach dem Kalibrieren mit 0,1151°/s.
  • Die Gierrate Rauscht zwischen 0,00659- 0,01055 °/s.
  • Die Standartabweichung beträgt vorm dem Kalibrieren 0,0089°/s, nach dem Kalibrieren 0,0086°/s.

Auswertung Linkskurve

Tabelle xx: Referenz für die Linkskurve
Lenkwinkel Geschwindigkeit Zeiten
Linkskurve (20) 0,6
  • 14,02s
  • 13,72s
  • 14,46s
  • 13,74s
  • 13,59s
Abbildung 12: Gierrate Linkskurvenfahrt 5 Runden
Abbildung 12: Gierwinkel Linkskurvenfahrt 5 Runden

Offset beträgt vorm kalibrieren 754,5° und steigt mit 0,037°/s an.

Open-Loop

In der Open Loop Simulation sieht man das der Winkel auf 1970,3° steigt.

Lernzielkontrollfragen

  • Ist die Offset-Kalibrierung erfolgreich?
  • Wie groß ist der Gierraten-Offset vor Kalibrierung im Stillstand?
  • Wie groß ist der Gierraten-Offset nach Kalibrierung im Stillstand?
  • Wie groß ist die Gierraten-Drift nach Kalibrierung im Stillstand?
  • Gibt es nach dem eine Offset-Drift?
  • Wurde der Offset-Kalibrierzeitpunkt markiert SenTast_Reset_bit?
  • Wurde SabGier_psi_filt_K_deg_f64 in ° dargestellt?
  • Wurde die Referenzmessunge in ° dargestellt?
  • Wurde SabGier_psip_unfilt_K_f64 in °/s dargestellt?
  • Wurde SabGier_psip_filt_K_f64 in °/s dargestellt?

Auswertung Rechtskurve

Tabelle yy: Referenz für die Rechtskurve
Lenkwinkel Geschwindigkeit Zeiten
Rechtkurve (-5) 0.6
  • 13,55s
  • 14,19s
  • 14,13s
  • 14,34s
  • 14,24s
Abbildung 12: Gierrate Rechtskurvenfahrt 5 Runden
Abbildung 12: Gierwinkel Rechtsskurvenfahrt 5 Runden



Open-Loop

In der Open-Loop Simulation sieht man das der Winkel auf -1922,2° fällt.

Lernzielkontrollfragen

  • Ist die Offset-Kalibrierung erfolgreich?
  • Wie groß ist der Gierraten-Offset nach Kalibrierung im Stillstand?
  • Wie groß ist die Gierraten-Drift nach Kalibrierung im Stillstand?
  • Gibt es nach dem eine Offset-Drift?
  • Wurde der Offset-Kalibrierzeitpunkt markiert?
  • Wurde SabGier_psi_filt_K_deg_f64 in ° dargestellt?
  • Wurde die Referenzmessunge in ° dargestellt?
  • Wurde SabGier_psip_unfilt_K_f64 in °/s dargestellt?
  • Wurde SabGier_psip_filt_K_f64 in °/s dargestellt?
  • Wurden die Referenzmessungen in °/s dargestellt?
  • Wurden die Runden markiert?
  • Ist eine aussagekräftige Legende vorhanden?
  • Wurden die Achsen beschriftet?
  • Bezeichnet der Titel die zugrundeliegende Messdatei?

Analyse der Messergebnisse

Tabelle 3: Problembeschreibung
Beschreibung Das Problem ist.. Das Problem ist nicht...
Was genau ist das Problem?
Wo tritt das Problem auf? Beispiel Beispiel
Wie zeigt sich das Problem? Beispiel Beispiel
Wann tritt das Problem auf? Beispiel Beispiel
Warum ist es ein Problem? Beispiel Beispiel
Tabelle 4: Ursachenanalyse
Nr. Beschreibung
1 Warum?

Lernzielkontrollfragen

  • Wurden die Messergebnisse in Bezug auf die Referenz analysiert?
  • Wurden Offset, Rauschen und Drift korrekt bestimmt?
  • Zu welchem Ergebnis kommen Sie?
  • Wurden die Analyseergebnisse tabellarisch aufgestellt?
  • Welchen Zustand hat der Gierratensensor?

Wirksamkeit der Maßnahmen

Grundproblem bei allen Sensoren ist momentan noch das starke Rauschen der spannungsversorgung am Wagen zwei welches vom Schaltnetzteil der PC versogung herrührt. Dort sieht man ein Grundrauschen von 100MHz mit Peaks alle 2,7us(500mV Spitze-Spitze) und alle 27us (2,5V Spitze-Spitze). Dieses müsste gefiltert werden, da man das Rauschen direkt am ausgang des Gyros messen kann.

Hier müssen noch langzeit messung im DC bereich gemacht werden um die Drift zu zeigen des Gyros unter idealen Bedingungen. Deseitern müssen Vergleichsessungen Messungen gemacht werden, welche den Gyro versorgt durch den Wagen und einmal Versorgt durch die Batterie zeigen.

Als einfachste Maßnahme müssen dann Ferritkerne in die Stromversorgung vom PC und von der Adapterplatine eingebracht werden um die Störungen gegeneinander (PC <-> Adapterplatine), Netzteil <-> PC(Dspace dS1104 Karte) und Netzteil <-> Adapterplatine zu reduzieren. Dazu muss getestet werden ob nur Gegentakt Störungen vorliegen oder auch Gleichtakt Störungen und dann passende Gegentaktdrosseln / Gleichtaktdrosseln installiert werden, zusammen mit der Frequenz angepasten auswahl an Kondensatoren.

Tabelle 5: Maßnahmen zur Beseitigung der identifizierten Ursache(n)
Nr. Maßnahme Verantwortung Termin Status
1 Marc Ebmeyer


Tabelle 5b: Möglicher Status
Status Bedeutung
Maßnahme wurde nicht beschrieben
Maßnahme vollständig beschrieben mit Termin und Verantwortlichem
Maßnahme in Umsetzung
Maßnahme umgesetzt
Wirksamkeit der Maßnahme nachgewiesen

Lernzielkontrollfragen

  • Wurden die Problemursachen analysiert und dokumentiert?
  • Sind Maßnahmen erforderlich?
  • Wurden Maßnahmen tabellarisch aufgeführt?
  • Wurden Maßnahmen systematisch umgesetzt.
  • Wurden die Wirkungsamkeit mittels Open-Loop-Simulation welegt?
  • Welchen Zustand hat der Gierratensensor nach Umsetzung Ihrer Maßnahmen?

Zusammenfassung

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  1. ↑ 1,0 1,1 Sparkfun.: Datenblatt LPY530AL. 2017. URL: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf, 08. Mai 2024
  2. ↑ https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf
  3. ↑ https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf
  4. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
  5. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
  6. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
  7. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
  8. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
  9. ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
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