Workshop 2 - SenGier/SabGier - 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
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) |
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
- Evaluierungsboard für LPY530AL
- Gyro Breakout Board - LPY530AL Dual 300°/s
-
- Schematik vom Sparkfun Breakout Board
- SVN Schaltplan der Adapterplatine für Wagen 1, 2 & 3
- sparkfun LRP530AL/ SVN Gyro
- Algemeine Funktionsweise der MEMS Gyros nach dem Coriolis Prinzip
- Analyse Gierrate
- Gierrate
- Messkette Gierratensensor
Datei:ST-DualGyro-PR-Breakout-v12.pdf
Anschlussplan
Innere Aufbau des LRP5XXAL
Man sieht das im Innerne 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 über den Phasen Lock Loop Rückführung in einen internen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 4.
exteren Beschaltung des LRP5XXAL
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 audf 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 das Hoch und Tiefpass entfernt und der PLL Regelkreis 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 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). Ein 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:
- Evaluierungsboard für LPY530AL
- Gyro Breakout Board - LPY530AL Dual 300°/s
- Datenblatt LPY530AL
- Schematik vom Sparkfun Breakout Board
- SVN Schaltplan der Adapterplatine für Wagen 1, 2 & 3
- Sparkfun LRP530AL/ SVN Gyro
- Welche Gierrate messen Sie im Stillstand?
- Welche Gierrate messen Sie, wenn das Fahrzeug in 10 Sekunden einen vollen Kreis fährt?
Sensordaten Verarbeitung
Messkette SEN/SAB Online
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des CCF online Modell [4]
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des Sab Blocks im CCF online Modell [5]
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des Sabgier Blockes im Sab Blocke des CCF Online Modells [6]
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des Sen Blockes im CCF Online Modell [7]
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes im Sen Blocke des CCF Online Modells [8]
-
Abbildung 2: Blockschaltbild des SenGier-Gierrate Blockes [9]
Messkette SEN/SAB Offline
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 SVN\SDE\MTR_SDE_Praktikum\Daten\Gierrate\2024_05_07_LPY530AL
Lernzielkontrollfragen
- Wurde der Gyro zu beginn im Stillstand kalibriert und das
- Wurden alle Signale der Verarbeitungskette SEN/SAB für den Gyro aufgezeichnet?
- Wurden die Messdaten in
SVN\Daten\Gierrate\YYMMDD_Beschreibung
abgelegt? - Wurden die Referenzdaten in
SVN\Daten\Gierrate\YYMMDD_Beschreibung
abgelegt? - Wurde die Referenz in
Referenz.txt
abgelegt?
Auswertung Stillstand
Lernzielkontrollfragen
- Ist die Offset-Kalibrierung erfolgreich? ja
- Wie groß ist der Gierraten-Offset vor Kalibrierung im Stillstand?
- Wie groß ist der Gierraten-Offset nach Kalibrierung im Stillstand? 0,02455°/s
- Wie groß ist die Gierraten-Drift nach Kalibrierung im Stillstand?
- Gibt es nach dem Kalibrieren eine Offset-Drift? JA der Gierwinkel Offset driftet mit 0,116°/s
- Wie groß ist das Rauschen der Gierrate?
- 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?
Auswertung Linkskurve
Lenkwinkel | Geschwindigkeit | Zeiten |
---|---|---|
Linkskurve (20) | 0,6 |
|
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? - 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?
Auswertung Rechtskurve
Lenkwinkel | Geschwindigkeit | Zeiten |
---|---|---|
Rechtkurve (-5) | 0.6 |
|
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
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 |
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
Nr. | Maßnahme | Verantwortung | Termin | Status |
---|---|---|---|---|
1 | Marc Ebmeyer |
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
→ zurück zum Hauptartikel: Praktikum SDE | SDE-Team 2024/25 | Lernzielkontrolle 1
- ↑ 1,0 1,1 Sparkfun.: Datenblatt LPY530AL. 2017. URL: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf, 08. Mai 2024
- ↑ https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf
- ↑ https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdf
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/
- ↑ https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/CaroloCupFahrzeug/