Studio e sviluppo di una architettura di rete per il controllo distribuito di azionamenti elettrici

The thesis deals with the study and development of a distributed control system applied to a DC-powered electric motor with a commutator. The decision to implement a distributed system was based on the desire to make the system scalable and fault-tolerant. This choice also involves some critical issues, such as communication latency between the various connected devices, which plays a crucial role in achieving the desired results, especially for hard real-time systems, where, if not managed efficiently, it can lead to irreversible damage. The architecture consists of two Raspberry Pi boards running Linux, on which a communication socket using the TCP protocol has been implemented. One board acts as the “master,” or the brain of the operations that has integrated the controller, while the other acts as the “slave,” or the executor of the operations that interacts with the motor. An expansion module for digital-to-analog conversion was also used, which uses the SPI protocol for communication, in order to interface the board with the motor. To overcome the fact that Linux is a non-deterministic operating system, the C programming language was used entirely, known for its speed and support for specific libraries that manage the POSIX timers of the operating system itself. These choices, combined with the implementation of an IIR filter to reduce noise from the ADC readings, have yielded satisfactory results, demonstrating that the system is effective in accurately tracking sinusoidal and ramp signals. The work provides an excellent starting point for future improvements, such as increasing the accuracy of digital-to-analog conversion and implementing advanced network synchronization protocols such as the Precision Time Protocol (PTP).

La tesi tratta lo studio e lo sviluppo di un sistema di controllo distribuito applicato ad un motore elettrico a collettore, alimentato in corrente continua. La scelta di implementare un sistema distribuito risiede nel poter rendere scalabile e tollerante ai guasti il sistema stesso. Questa scelta comporta anche alcune criticità, come il fenomeno della latenza di comunicazione tra i vari dispositivi connessi, la quale gioca un ruolo cruciale nel raggiungimento dei risultati preposti, specialmente per sistemi hard-real time, dove se non gestita efficientemente può portare ad eventuali danni irreversibili. L’architettura realizzata consiste nell’utilizzo di due schede Raspberry Pi con sistema operativo Linux, nelle quali si è implementato un socket di comunicazione utilizzando il protocollo TCP, dove una funge da “master”, ovvero il cervello delle operazioni che ha integrato il controllore, mentre l’altra funge da “slave”, ovvero l’esecutore delle operazioni che interagisce con il motore. Si è utilizzato inoltre un modulo di espansione per la conversione Digitale-Analogico, il quale utilizza il protocollo SPI per la comunicazione, per poter interfacciare la scheda al motore. Per superare il fatto che Linux è un sistema operativo non-deterministico, si è utilizzato interamente il Linguaggio di programmazione C, noto per la sua velocità e per il supporto di alcune librerie specifiche che gestiscono i timer POSIX del sistema operativo stesso. Queste scelte, combinate all’implementazione di un filtro IIR per ridurre il rumore proveniente dalle letture del ADC, hanno portato risultati soddisfacenti, dimostrando che il sistema è efficace nel seguire fedelmente segnali sinusoidali e a rampa. Il lavoro costituisce un ottimo punto di partenza per futuri miglioramenti, come l'aumento della precisione della conversione digitale-analogica e l'implementazione di protocolli di sincronizzazione di rete avanzati come il Precision Time Protocol (PTP).