Nghiên ứu truyền thông dùng mạng can trong hệ điều khiển huyển động

Để các cơ cấu chuyển động chính xác; phối hợp với nhau nhịp nhàng, đồng bộ; tăng tính thời gian thực của hệ thống; giảm nhiễu tác động lên hệ thống … ht ́ người ta phải nghiên cứu để t́m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o - NGUYỄN ANH TÙNG Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN hệ điều khiển chuyển động Chuyên ngành: Tự động hố xí nghiệp cơng nghiệp LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội - 2005 17083300255793fbb170b-1d98-49d6-814a-4ab6adb00dfb 170833002557937bc54b5-f2c6-430e-be90-2297efc8f0e4 1708330025579bfe9218b-472d-4b48-ba0a-12f418b9dae2 -1- MỤC LỤC Trang phụ b́a -Mục lục Danh mục h́nh vẽ - Lời nói đầu - Chương Truyền thông hệ điều khiển chuyển động 11 1.1 Khái quát chung hệ điều khiển chuyển động 11 1.2 Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động 13 1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển động - 13 1.2.2 Phương pháp truyền thông dùng mạng( bus) dùng cho hệ điều khiển chuyển động -15 1.2.3 Một số mạng sử dụng để truyền thông hệ điều khiển chuyển động -17 1.2.3.1 Cấu h́nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ cao( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos, ) 17 1.2.3.2 Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ thấp( CAN, RS 485, ) 19 1.3 Mô h́ nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus 20 1.4 Kết luận 22 Chương Nghiên cứu ảnh hưởng trễ truyền thông nhiễu tới hệ điều khiển, biện pháp khắc phục 23 2.1 Thời gian trễ truyền thông -23 2.1.1 Giới thiệu 23 2.1.2 Các thành phần thời gian trễ 23 2.1.3 Ảnh hưởng trễ truyền thông tới chất lượng hệ thống - 25 2.1.4 Nguyên nhân gây trễ truyền thông biện pháp khắc phục 26 2.2 Nhiễu. 27 2.2.1 Giới thiệu 27 2.2.2 Cơ sở lư thuyết lọc Kalman 27 -2- 2.2.3 Thiết kế lọc Kalman lư thuyết 30 2.3 Kết luận - 36 Chương Nghiên cứu mạng truyền thông thời gian thực dựa CAN 37 3.1 Những vấn đề CAN-bus. - 37 3.1.1 Giới thiệu CAN bus - 37 3.1.2 Lư thuyết sở giao thức CAN 39 3.1.2.1 Một số khái niệm CAN-bus 39 3.1.2.2 Các dạng frame truyền CAN 41 3.1.2.2.1 Dạng frame liệu( Data frame) 42 3.1.2.2.2 Dạng frame yêu cầu liệu ( Remote frame) 43 3.1.2.2.3 Dạng frame lỗi( Error frame) - 44 3.1.2.2.4 Dạng frame tải( Overload frame) - 45 3.1.2.2.5 Khoảng liên kết frame( Interframe space) 46 3.1.3 Các chế phát lỗi sử dụng giao thức CAN - 46 3.1.3.1 Cơ chế phát lỗi Cyclic Redundancy Check (CRC) 46 3.1.3.2 Cơ chế phát lỗi Acknowledge 47 3.1.3.3 Cơ chế kiểm tra frame (Frame Check) 47 3.1.3.4 Cơ chế giám sát bit (bit monitoring) - 48 3.1.3.5 Cơ chế kểm tra bit nhồi (bit stuffing check) 48 3.1.4 Kiểm soát lỗi giao thức CAN 48 3.1.5 Các phiên giao thức CAN - 49 3.1.6 Cơ chế đồng đường bus -50 3.1.6.1 Khái niệm mă Non Return to Zero - 50 3.1.6.2 Khái niệm bit nhồi (stuffing bit) 51 3.1.6.3 Đồng đường bus 51 3.1.7 Kiến trúc bit truyền giao thức CAN 52 3.1.8 Chuẩn kết nối vật lư CAN -57 3.2 Kết luận 59 -3- Chương Xây dựng mô h́nh dùng truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển dộng 4.1 Cấu h́ nh mô h́nh - 60 4.2 Giới thiệu thiết bị dùng để xây dựng mô h́ nh -62 4.2.1 Giới thiệu Servo Drive IDM640 62 4.2.1.1 Tổng quan chức - 63 4.2.1.1.1 Sơ đồ khối -63 4.2.1.1.2 Các cấu h́nh cho ứng dụng điều khiển chuyển động - 63 4.2.1.1.3 Sensors 64 4.2.1.1.4 Tần số PWM tốc độ lấy mẫu -65 4.2.1.1.5 Các chế độ chuyển động -66 4.2.1.1.6 Các mode hoạt động 67 4.2.1.2 Cấu h́ nh phần cứng 67 4.2.2 Giới thiệu IPM Motion Studio ngôn ngữ bậc cao TML 68 4.2.2.1 Tổng quan IPM Motion Studio 68 4.2.2.1.1 Các bước tạo ứng dụng điều khiển IMP Motion Studio 69 4.2.2.1.1.1.Đấu nối 69 4.2.2.1.1.2 Tạo project 72 4.2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ bậc cao TML( Technosoft Motion Language) 74 4.2.2.2.1 Tổng quan. 74 4.2.2.2.2 Môi trường TML 75 4.2.2.2.3.Thực chương tnh 76 4.2.2.2.4.Cấu trúc chương tnh TML 76 4.2.2.2.5.Mă lệnh TML - 77 4.2.2.2.6.Dữ liệu TML 78 4.2.2.2.7 Công cụ phát triển TML 78 -4- 4.2.2.2.8.TechnoCAN ( CAN Communication Protocol for Technosoft Intelligent Drives) - 78 4.2.2.2.8.1 Khái niệm Relay Axis 79 4.2.2.2.8.2 ID trục mạng nhiều trục 80 4.2.2.2.8.3 Các kiểu CAN Message 82 4.2.2.2.8.4 Giao thức truyền thông CAN –bus cấu trúc diễn tả - 82 4.2.3.Giới thiệu DS1103 PPC Controller Board - 83 4.2.4 Giới thiệu phần mềm dSpace Software 85 4.2.4.1 Giới thiệu Controldesk 85 4.2.4.2 Giới thiệu RTI Block set 90 4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm kết - 100 4.3.1 Mục đích thực nghiệm 100 4.3.2 Đặt cấu h́ nh cho thiết bị dùng thực nghiệm - 101 4.3.3 Xây dựng sơ đồ Simulink cho truyền thông DS1103 Servo Drive 105 4.3.3.1 Soạn tin nhắn gửi tốc độ đặt xuống drive 105 4.3.3.2 Soạn tin nhắn hỏi giá trị thực vị trí động 107 4.3.4 Kết thực nghiệm - 111 4.3.4.1 Đồ thị mô tả trễ truyền thông 111 4.3.4.2 Giá trị đánh giá sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn tích phân - 112 4.3.4.2 Tính tồn vẹn tin nhắn 113 4.4 Kết luận 114 Kết luận 115 Tài liệu tham khảo 116 Phụ lục 117 -5- Danh mục h́nh vẽ H́nh 1.1.1 Các phần tử tiêu biển hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.2 Cấu h́nh hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.3 Các kiểu khác hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông hệ điều khiển chuyển động truyền thống H́nh 1.2.2.1 Cấu h́nh mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.2.3.1.1 Cấu h́nh mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) H́nh 1.2.3.1.2 Thông số kỹ thuật số loại bus H́nh 1.2.3.2.1 Cấu h́nh mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp) H́nh 1.3.1 Cấu h́nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 2.1.2.1 Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ H́nh 2.1.2.2 Lược đồ thời gian mô tả trễ hệ thống điều khiển H́nh 2.2.2.1 Thuật toán lọc Kalman H́nh 2.2.3.1 Mô h́ nh dùng lọc Kalman để lọc nhiễu cho hệ điều khiển chuyển động gồm có trục, sử dụng truyền thơng CAN-bus H́nh 2.2.3.2 Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính H́nh 2.2.3.3 Mô h́ nh Simulink mô lọc Kalman cho tín hiệu vị trí H́nh 2.2.3.4.a Đồ thị giá trị đo có nhiễu giá trị đầu lọc Kalman H́nh 2.2.3.4.b Đồ thị giá trị đo có nhiễu giá trị đầu lọc Kalman H́nh 2.2.3.5.a Đồ thị giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khơng có qua lọcKalman H́nh 2.2.3.5.b Đồ thị giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khơng có qua lọc Kalman H́nh 3.1.1.1 Phương thức kết nối điểm-điểm H́nh 3.1.1.2 Phương thức kết nối bus H́nh 3.1.2.1.1 Kết nối node CAN lên Bus H́nh 3.1.2.1.2 H́nh 3.1.2.1.3 Bảng logic Wired_End Thể hai trạng thái đường truyền CAN H́nh 3.1.2.1.4 Ví dụ chế chiếm đường truyền H́nh 3.1.2.2.1.1 Dạng frame liệu H́nh 3.1.2.2.2.1 Dạng frame yêu cầu từ xa -6H́nh 3.1.2.2.3.1 Dạng frame lỗi H́nh 3.1.2.2.4.1 Dạng frame tải H́nh 3.1.2.2.5.1 Khoảng liên kết frame H́nh 3.1.3.1.1 Cơ chế phát lỗi CRC H́nh 3.1.3.2.1 Cơ chế phát lỗi Acknowledge H́nh 3.1.3.3.1 Cơ chế phát lỗi kiểm tra frame, giám sát bit kiểm tra bit nhồi H́nh 3.1.4.1 Các trạng thái lỗi bên node CAN H́nh 3.1.5.1 Các phiên giao thức CAN H́nh 3.1.6.1.1 Cơ chế mă hóa NRZ H́nh 3.1.6.2.1 Cơ chế sử dụng bít nhồi H́nh 3.1.6.3.1 Các chế đồng bus H́nh 3.1.7.1 Phân chia thời gian bit truyền CAN H́nh 3.1.7.2 Phân đoạn đồng nhận H́nh 3.1.7.3 Phân đoạn thời gian truyền CAN H́nh 3.1.7.4 Phân đoạn Phase buffer segment H́nh 3.1.7.5 Phân đoạn Phase buffer segment H́nh 3.1.7.6 Cơ chế kéo dài phân đoạn phase buffer segment H́nh 3.1.7.7 Cơ chế rút ngắn phân đoạn phase buffer segment H́nh 3.1.7.8 Một cách phân chia thời gian bit khác hay sử dụng H́nh 3.1.7.9 Điểm lấy mẫu bit truyền sớm H́nh 3.1.7.10 Điểm lấy mẫu bit truyền muộn H́nh 3.1.7.11 Biểu đồ quan hệ tốc động truyền độ dài đường truyền H́nh 3.1.7.12 Biểu đồ phân lớp giao thức CAN H́nh 3.1.8.1 Chuẩn kết nối vật lư CAN H́nh 3.1.8.2 Cơ chế truyền hai dây có khả chống nhiễu tốt H́nh 3.1.8.3 Cấu trúc kết nối đường truyền CAN theo chuẩn ISO-IS11898 H́nh 3.1.8.4 Chuẩn mức tín hiệu đuờng truyền CAN H́nh 3.1.8.5 Chuẩn kết nối connector CAN H́nh 4.1.1 Cấu h́nh hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus H́nh 4.1.2 Cấu h́ nh hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông mạng CAN-bus -7H́nh 4.2.1.1.1.1 Sơ đồ khối IDM640 H́nh 4.2.1.1.2 Các cấu h́nh chuyển động với động đồng bộ( PMSM) H́nh 4.2.1.1.3 Các loại sensor dùng cho IDM640 H́nh 4.2.1.1.4 Giá trị tiêu biểu cho tần số PWM tần số lấy mẫu H́nh 4.2.1.1.5 Các Mode chuyển động H́nh 4.2.1.2.1 Cấu h́nh phần cứng IDM640-8EI H́nh 4.2.2.1.1 Cửa sổ giao diện IPM Motion Studio H́nh 4.2.2.1.1.1.1 Sơ đồ đấu nối H́nh 4.2.2.1.1.1.2 Sơ đồ cấp nguồn cho động H́nh 4.2.2.1.1.1.3 Sơ đồ đấu nối cho Hall Sensor H́nh 4.2.2.1.1.1.4 Sơ đồ đấu nối cho Encoder H́nh 4.2.2.1.1.1.5 Sơ đồ đấu nối từ Drive đến cổng RS232 máy tính H́nh 4.2.2.1.1.1.6 Sơ đồ cấp nguồn cho Drive H́nh 4.2.2.1.1.2.1 Chọn loại Drive loại động H́nh 4.2.2.1.1.2.2 Project vừa tạo H́nh 4.2.2.2.4.1 Cấu trúc tiêu biểu chương tnh TML H́nh 4.2.2 2.5.1 Mă lệnh TML H́nh 4.2.2.2.8.1.1 Khái niệm Relay Axis H́nh 4.2.2.2.8.2.1 Định nghĩa nhóm H́nh 4.2.2.2.8.2.1 Cấu trúc tin nhắn H́nh 4.2.2.2.8.2.2 Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus với host nối qua cổng RS232 H́nh 4.2.2.2.8.2.3 Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus có host nối trực tiếp tới mạng CAN H́nh 4.2.2.2.8.3.1 Nội dung tin nhắn “ Give Me Data” H́nh 4.2.2.2.8.3.2 Nội dung tin nhắn “ Take Data” H́nh 4.2.2.2.8.4.1 Cấu trúc tin nhắn CAN H́nh 4.2.3.1 Cấu h́nh Board DS1103-07 sử dụng PowerPC 640e Hnh 4.2.3.2 ́ H́nh 4.2.4.1.1 H́nh 4.2.4.1.2 Các thông số CAN-bus DS1103 Board H́nh 4.2.4.1.3 Các công cụ Tool window H́nh 4.2.4.1.4 Xây dựng kết nối đến plotter H́nh 4.2.4.2.1 Các khối thư viện RTI Blockset DS1103 Cửa sổ giao diện Controldesk Bốn công cụ Navigator -8H́nh 4.2.4.2.2 Các khối thư viện RTICAN Blockset DS1103 H́nh 4.2.4.2.3 Khối RTICAN CONTROLLER SETUP H́nh 4.2.4.2.4 Cấu trúc liệu tin nhắn tín hiệu H́nh 4.2.4.2.5 Khối RTICAN Transmit (TX) H́nh 4.2.4.2.6 Khối RTICAN Receive(RX) H́nh 4.3.2.1 Cấu h́nh thí nghiệm H́nh 4.3.2.2 Thông số động Sensor H́nh 4.3.2.3 Các mạch ng điều chỉnh Drive thông số điều khiển mạch ng tương ứng H́nh 4.3.2.4 Chọn mode tham chiếu cho chuyển động H́nh 4.3.2.5 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn H́nh 4.3.2.6 SW1-DIP Switch H́nh 4.3.2.7 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn H́nh 4.3.2.1 Mô h́ nh Simulink cho mô truyền thông DS1103 trục H́nh 4.3.4.1 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 10ms H́nh 4.3.4.2 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 3ms H́nh 4.3.4.2.1 Kết thí nghiệm đánh giá sai lệch vị trí H́nh 4.3.4.2.2 Đồ thị vẽ ước lượng thể mối liên hệ tích phân b́nh phương sai lệch vị trí với chu kỳ trích mẫu Ts -9- LỜI NĨI DẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hố, đại hố đất nước vấn đề tự động hố sản xuất có vai t đặc biệt quan trọng Nếu trước để tạo sản phẩm công nghiệp th́ tác động người suốt tnh từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc tnh sản xuất, nhờ có phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đă tạo dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC), Rôbốt, … làm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Trong dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC – Computer Numeric Control) hay Rôbốt th́ chuyển động cấu đóng vai t quan trọng Để cấu chuyển động xác; phối hợp với nhịp nhàng, đồng bộ; tăng tính thời gian thực hệ thống; giảm nhiễu tác động lên hệ thống … th́ người ta phải nghiên cứu để t́m cấu h́ nh, phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ điều khiển chuyển động Một yếu tố quan định đến chất lượng hệ điều khiển chuyển động truyền thông hệ điều khiển chuyển động Việc chuyển từ h́ nh thức truyền thơng tín hiệu analog (dùng dây dẫn) sang truyền thơng tín hiệu số (dùng bus) để truyền thơng cho hệ điều khiển chuyển động đă tạo nhiều hệ chuyển động phức tạp với tính vượt trội như: độ xác cao, cấu h́nh đơn giản, dễ thiết kế, dễ vận hành, giảm giá thành…Nhưng muốn khai thác tối đa lợi ích sử dụng mạng truyền thơng th́ việc hiểu rơ đặc tính loại mạng điều cần thiết CAN-bus loại bus trường sử dụng rộng răi xe hơi, xe gắn máy, tự động hố tồ nhà, hệ điều khiển chuyển động, nhờ ưu điểm trội so với loại bus khác Dựa vào phân tích trên, đồ án đă chọn đề tài: “Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN hệ điều khiển chuyển động”