Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế bộ điều khiển nhiều trục dành cho hệ thống nhúng công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

QUANG THINH – TRUONG

DESIGN OF MULTI-AXES MOTION CONTROLLER FOR INDUSTRIAL EMBEDDED SYSTEM

Major: Mechatronics Engineering Number: 8520114

MASTER THESIS

TP.HCM,September 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Ngô Hà Quang Thịnh Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Trương Đình Nhơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Mỹ Hà

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 3 tháng 9 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: PGS TS Nguyễn Quốc Chí

2 Thư ký: TS Đoàn Thế Thảo

3 Phản biện 1: PGS TS Trương Đình Nhơn 4 Phản biện 2: PGS TS Lê Mỹ Hà

5 Ủy viên: TS Lê Thanh Hải

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG QUANG THỊNH MSHV: 1870240 Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1993 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số : 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế bộ điều khiển nhiều trục dành cho hệ thống nhúng công nghiệp

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Khảo sát và tìm hiểu các mạng thời gian thực điều khiển chính xác trong công nghiệp

- Xây dựng phần cứng vật lý để xử lý tín hiệu giao tiếp nội bộ trong mạng công nghiệp

- Thiết kế phần mềm tương tác với giao thức truyền thông trong mạng công nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/06/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Ngô Hà Quang Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ngô Hà Quang Thịnh, người đã tận tình hướng dẫn em phương pháp nghiên cứu cũng như định hướng phát triển cho đề tài trong tương lai Thầy luôn là người theo sát quá trình nghiên cứu hỗ trợ hết mức để đề tài có thể hoàn thành tốt đẹp

Em xin cảm ơn tất cả quý Thầy/Cô trong khoa cơ khí cũng như quý Thầy/Cô ở trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã trang bị những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ Gia đình luôn là nguồn động lực để tác giả cố gắng trong suốt quá trình học tập và trên những con đường tiếp theo trong cuộc sống

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng Lab đã hỗ trợ những lúc gặp khó khăn và trợ giúp trong quá trình nghiên cứu

Tp HCM, ngày tháng năm 2020

Trương Quang Thịnh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong lĩnh vực tự động hóa vấn đề điều khiển đồng bộ nhiều trục động cơ đã được xúc tiến trong nhiều thập kỷ qua Việc đồng bộ giữa các động cơ không chỉ liên quan đến chất lượng sản phẩm đầu ra mà còn là vấn đề an toàn cho con người và tài sản Các hãng sản xuất động cơ đã và đang cung cấp các phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề đồng bộ này, mà đa phân lựa chọn phát triển riêng mạng công nghiệp hoặc sử dụng mạng của bên thứ ba Trong đề tài luận văn này sẽ áp dụng giải pháp mạng công nghiệp của hãng Panasonic – RTEX để giải quyết vấn đề điều khiển đồng bộ giữa các Slave (Motor) Ngoài thiết kế phần Master (Bộ điều khiển), để tài cũng sẽ thiết kế Slave là một nút trong mạng RTEX Luận văn gồm có 6 chương như sau :

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG THỜI GIAN THỰC VÀ CÁC THÀNH PHẦN LIÊN QUAN

CHƯƠNG 3 : PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG THIẾT BỊ MẠNG THỜI GIAN THỰC CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM TƯƠNG THÍCH VỚI GIAO THỨC MẠNG

THỜI GIAN THỰC

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

ABSTRACT

In the field of automation, the problem of multi-motor synchronization has been promoted for decades This is not only related to the quality of the product but also to the safety of labor force and property Motor manufacturers have been providing different methods to solve this synchronization problem, but many choose to develop their own industrial networks or use third-party networks In this thesis, high speed synchronous motion network - RTEX,developed by Panasonic Corporation, will be applied to solve the problem of synchronous control of Slaves (Motors) In addition to designing the Master (Controller) device, the designer will also design Slave as a node in the RTEX network The thesis consists of 6 chapters: Overview of Industrial Network, Structure of realtime network and their related modules, Develop hardware for the realtime network, Develop embedded firmware for the device, Experiment and collecting data, Conclusion

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Hà Quang Thịnh Các số liệu, những kết luận được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực, không sao chép Học viên có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Học viên, Trương Quang Thịnh

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP 1

1.1 Mục tiêu của đề tài: 3

1.2 Kế hoạch phát triển: 3

1.2.1 Tìm hiểu các bộ điều khiển có hỗ trợ mạng công nghiệp 3

1.2.2 Tìm hiểu tài liệu liên quan đến RTEX 3

1.2.3 Thiết kế phần cứng 4

1.2.4 Thiết kế firmware 4

1.2.5 Thí nghiệm và đánh giá 4

1.3 Phạm vi luận văn: 4

1.4 Nhiệm vụ luận văn 4

1.5 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.5.1 Xu hướng phát triển 9

1.6 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG THỜI GIAN THỰC VÀ CÁC THÀNH PHẦN LIÊN QUAN 14

2.1 Giới thiệu về mạng công nghiệp servo 14

2.2 Cấu trúc của mạng thời gian thực RTEX 15

2.3 Giao thức mạng điều khiển thời gian thực RTEX 17

4.1.1 Quy trình giao tiếp vật lý 32

4.1.2 Kiến trúc frame truyền dữ liệu 36

4.2 Slave 38

4.3 Chương trình khởi tạo cho chip Physical layer 38

4.4 Giao thức truyền thông dữ liệu 42

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 44

5.1 Thiết lập thí nghiệm 44

5.1.1 Quy định các mốc thời gián tính sai số 47

5.2 Kết quả thu được 50

5.2.1 Thời gian thực thi lệnh từ Master đến các Salve 50

5.2.2 Sai số đồng bộ giữa Reference Slave và các trục AC Servo 54

5.2.3 Sai số đồng bộ giữa bốn trục AC Servo 58

5.2.4 Profile position control thông qua mạng RTEX 60

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VẢ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

6.1 Kết luận 65

6.2 Hướng phát triển 65

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 74

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Hệ thống điều khiển chuyển động điển hình 2

Hình 1-2 Hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp phức tạp 3

Hình 1-3 Ba kiểu cấu hình của mạng điều khiển Nguồn: [22] 5

Hình 1-4 Setup thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng mạng RTEX Nguồn: [23] 6

Hình 1-5 Sơ đồ khối của thí nghiệm master EtherCAT Nguồn: [25] 6

Hình 1-6 Bộ điều khiển của hãng ARCUS hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp mạng RS485 9

Hình 1-7 Bộ điều khiển Ocean control hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp Ethernet 10Hình 1-8 Một nhánh của mạng Mekatrolink-III hỗ trợ tối đa 16 slave 10

Hình 1-9 Mạng SSCNET III mỗi nhánh hỗ trợ tối đa 16 slave 11

Hình 1-10 Mạng RTEX kết nối theo kiểu vòng hỗ trợ 32 slave 11

Hình 1-11 Sơ đồ hệ thống truyền thông kết hợp Zigbee và Ethernet Nguồn: [55] 12Hình 1-12 Sơ đồ kết nối 4 cảm biến với PLC thông qua module Ethernet Nguồn [56] 13

Hình 1-13 Minh họa mạng truyền thông Profibus DP Nguồn: [57] 13

Hình 2-1.Kiến trúc mạng dạng vòng, kết nối lên đến 32 slave 16

Hình 3-4 Sơ đồ kết nối tín hiệu giữa MNM1221 và KSZ8041 (PHY) 29

Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý nguồn KSZ8041 29

Hình 3-6 Sơ đồ kết nối giữa KSZ8041 và thiết bị RMII MAC 29

Hình 3-7 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng của RTEX 30

Hình 3-8 Ảnh thiết kế lấy trực tiếp từ phần mềm Altium Designer 30

Hình 3-9 Layout RTEX J1,J2: cổng RJ45, U1: PHY, U2: MNM1221, *1: PIC24F 31

Hình 4-1 Các trạng thái của Master 32

Hình 4-2 Timing cho chu trình đọc thanh ghi của MNM1221 33

Hình 4-3 Timing cho chu trình ghi vào thanh ghi MNM1221 34

Hình 4-4 Hàm đọc và ghi trong PIC24F 35

Hình 4-5 Cấu trúc bộ nhớ đệm đôi 36

Hình 4-6 Phân vùng địa chỉ các thanh ghi của MNM1221 36

Hình 4-7 Sơ đồ đăng ký MACID và số Block bộ nhớ đệm của Slave 37

Hình 4-8 Block data của AC servo motor A6 38

Hình 4-9 Frame truyền phổ biến của chuẩn Ethernet Type II 38

Hình 4-10 Các trạng thái của Slave 39

Hình 4-11 Chu trình setup KSZ8041 1/2 40

Hình 4-12 Chu trình setup KSZ8041 2/2 41

Hình 4-13 Khung Data ở TX do master gửi đi 43

Hình 4-14 Khung Data ở RX nhận được từ servo 43

Hình 5-1 Sơ đồ kết nối phần cứng, trong đó CH0 đến CH5 là các tín hiệu phản hồi có hai mức thấp và cao 44

Hình 5-2 Sơ đồ khối các quá trình lấy dữ liệu của thí nghiệm 45

Hình 5-3 Các tùy chỉnh I/O của Servo 46

Hình 5-4 Pr4.31, Pr4.32, Pr4.33: các tùy chỉnh cho tính hiệu INP 47

Hình 5-5 M: Master, S0: Reference Slave, S1-4: Slave Servopacks Các tx là thời gian ghi nhận tín hiệu phản hồi 47

Hình 5-6 Biểu đồ định thời lấy mẫu đồng bộ cho thí nghiệm 48

Hình 5-7 Biểu đồ phân bố thời gian thực thi lệnh từ Master đến các Slave: (a) Master đến Reference Slave, (b) Master đến Servo ID1, (c) Master đến Servo ID2, (d) Master đến Servo ID3, (e) Master đến Servo ID4 52

Hình 5-8 Biểu đồ phân bố thời gian thực thi lệnh từ Master đến các Slave sau khi hiệu chỉnh firmware cho RS: (a) Master đến RS, (b) Master đến Servo ID1, (c) Master đến Servo ID2, (d) Master đến Servo ID3, (e) Master đến Servo ID4 53

Hình 5-9 Biểu đồ phân bố độ trễ thời gian từ Reference Slave đến các Servo: (a) RS và Servo ID1, (a) RS và Servo ID2, (a) RS và Servo ID3, (a) RS và Servo ID4 55

Hình 5-10 Biểu đồ phân bố độ trễ thời gian từ Reference Slave đến các Servo: (a) RS và Servo ID1, (a) RS và Servo ID2, (a) RS và Servo ID3, (a) RS và Servo ID4 56Hình 5-11 Giá trị trung bình độ trễ và RMS độ trễ của RS so với các Servo (a) đến (d) trước khi chỉnh sửa firmware RS, (e) đến (h) sau khi chỉnh sửa firmware RS (a)-(e) RS và Servo ID1, (b)-(f) RS và Servo ID2, (c)-(g) RS và Servo ID3, (d)-(h) RS và Servo ID4 57Hình 5-12 Biểu đồ phân bố Jitter giữa bốn AC Servo: (a) Servo ID1 và Servo ID2, (b) Servo ID1 và Servo ID3, (a) Servo ID1 và Servo ID4 59Hình 5-13 Cài đặt giá trị gia tốc tăng, gia tốc giảm 60Hình 5-14 Giá trị vận tốc và vị trí được servopacks trả về 62Hình 5-15 Sai số vị trí tức thời giữa động cơ ID1 so với ba động cơ còn lại: (a) ID1 và ID2, (b) ID1 và ID3, (c) ID1 và ID4 63Hình 5-16 Sai số vận tốc tức thời giữa động cơ ID1 so với ba động cơ còn lại: (a) ID1 và ID2, (b) ID1 và ID3, (c) ID1 và ID4 64

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật mạng Mechatrolink-III 18

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật mạng SSCNETIII 19

Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật mạng RTEX 20

Bảng 2-4 So sánh một vài thông số đặt tính của ba mạng 21

Bảng 3-1 Thông số của họ chip 24FJxxxGB106 23

Bảng 3-2 Chú thích loại chân 24

Bảng 3-3 Miêu tả một số chân quan trọng 25

Bảng 3-4 Danh sách khuyên dùng PHYs IC 27

Bảng 4-1 Các giá trị đinh thời cần lưu ý trong quá trình đọc 33

Bảng 4-2 Các giá trị đinh thời cần lưu ý trong quá trình ghi 34

Bảng 5-1 Công thức tính sai số ứng với từng trường hợp với số servopacks là 4 49

Bảng 5-2.Công thức được dùng khi Master làm chuẩn 50

Bảng 5-3 Các giá trị cần quan tâm trong TX buffer của Master 51

Bảng 5-4 Công thức được dùng khi RS được dùng làm chuẩn 54

Bảng 5-5 Công thức được dùng ứng với Servo ID1 làm chuẩn 58

Bảng 5-6 Các giá trị reference sẽ gửi, đơn vị của vị trí là command unit, vận tốc là command unit/second 60

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

𝑑𝑛𝑠0 : độ sai lệch tín hiệu phản hồi giữa Reference Slave và các AC Servo

𝑑𝑛𝑠1 : độ sai lệch giữa tín hiệu phản hồi In Position giữa trục ID1 và các trục AC Servo còn lại

𝑑𝑛𝑚 : độ trễ từ lúc master truyền lệnh chạy lên TX đến lúc các slave output tín hiệu phản hồi

et al : và một người khác M : Master trong mạng RTEX

𝑡𝑠1→4 : thời gian ghi nhân khi các AC Servo output tin hiệu phản hồi In Position 𝑠1→4(hoàn thành quản đường)

𝑡𝑠0 : thời gian ghi nhận khi Reference Slave output tín hiệu phản hồi 𝑠0 𝑡𝑚 : thời gian ghi nhận trước khi master truyền data vào TX

RTEX : Realtime Express RS : Reference Slave

𝑠0 : biến chứa bit EX-OUT1 trong frame truyền của TX của master 𝑠0 → 4 : Slave 0 đến Slave 4, trong đó 𝑠0 là RS, còn lại là các AC servo

𝑣𝑛𝑑(𝑘1): vận tốc reference được truyền cho AC servo có ID n, truyền ở lần thứ k1 𝑥𝑛𝑑(𝑘1) : vị trí tuyệt đối reference cho AC servo có ID n, truyền ở lần thứ k1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP

Trong thời kỳ đầu phát triển các phương tiện máy móc, việc kiểm soát vị trí và vận tốc được thực hiện bằng các giải pháp phức tạp, tốn kém và tốn thời gian như một loạt các máy sử dụng cơ cấu cam [1, 2], bánh răng [3, 4], con thoi và những thứ tương tự Thông thường, các thiết bị khác như xi lanh thủy lực và khí nén [5, 6], solenoids điện [7], pistons và tay gắp được thêm vào các hệ thống này Một số ví dụ về các giải pháp này bao gồm máy móc dệt may thô sơ, sản xuất cuộn dây và thiết bị quấn dây

Các ngành công nghiệp ô tô và máy công cụ [8] nằm trong số những lĩnh vực xem việc điều khiển chuyển động là phương tiện cung cấp các biên dạng phức tạp và tích hợp các hoạt động đa năng Có thể di chuyển các vật liệu nặng, xử lý chúng theo cách lặp đi lặp lại và liên tục, làm gia tăng giá trị và tăng năng suất hoạt động của hệ thống Mặc dù điều này mang lại lợi ích lớn đối với các hoạt động liên tục lặp lại và không có thay đổi, nhưng đây không phải là giải pháp tối ưu cho các bộ phận có hành trình ngắn cho bất kỳ mức độ đa dạng hoặc tùy chỉnh nào Tất nhiên, điều này là do các hệ thống tự động ban đầu rất chuyên dụng và đòi hỏi phải thiết lập lại công cụ, và thiết lập khi các sản phẩm hoặc quy trình khác nhau được yêu cầu

Với sự xuất hiện của máy tính và công nghệ vi xử lý [9], các ý tưởng thiết kế khác đã trở nên khả thi Trong các hệ thống dựa trên nền tảng điện tử tự động hóa, người ta có thể chọn nhiều thông số khác nhau bằng cách chỉ thay đổi phần mềm trong hệ thống Điều này khiến cho công việc ít thiết lập hơn và hiệu quả nhiều hơn Ví dụ, để thay đổi tốc độ một hoạt động của bộ phận nào đó, một hệ thống cơ học có thể yêu cầu trao đổi một thiết bị hiện có với một thiết bị lớn hơn hoặc nhỏ hơn Trong lĩnh vực điều khiển chuyển động hiện đại, điều này có thể được thực hiện bằng cách nhập một vài dòng mã hoặc chọn một cấu hình vận tốc khác từ bộ nhớ của hệ thống Hệ thống điều khiển chuyển động được định nghĩa là ứng dụng của phần cứng và phần mềm có thể lập trình (kết hợp với các thiết bị cảm biến, bộ truyền động và các thiết bị hồi tiếp khác) để điều khiển một hoặc nhiều chuyển động tuyến tính [10] hoặc chuyển động quay [11] Mở rộng định nghĩa này trong các khái niệm ngày nay

về các thiết bị được sử dụng để điều khiển chuyển động, bộ điều khiển chuyển động thường có dạng hệ thống dựa trên bộ vi xử lý [12] Hệ thống sẽ bao gồm các thành phần cơ bản sau: bộ điều khiển, bộ khuếch đại, bộ truyền động và thiết bị hồi tiếp Sơ đồ khối đơn giản hóa của hệ thống điều khiển chuyển động lập trình được mô tả trong Hình 1-1

Bộ điều khiển sẽ bao gồm một thiết bị để nhập một tập lệnh hoặc mã vào bộ nhớ của nó, sau đó được dịch thành một chuỗi các xung điện hoặc tín hiệu tương tự và xuất ra bộ khuếch đại để điều khiển một số loại bộ truyền động Bộ khuếch đại nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và tăng hoặc khuếch đại chúng đến các mức thích hợp cho bộ truyền động Bộ chấp hành cung cấp chuyển động vật lý thực tế và sẽ được kết hợp chặt chẽ với các đặc điểm thiết kế của bộ khuếch đại Bộ khuếch đại hay bộ truyền động có thể là một trong một số chủng loại thiết kế khác nhau Thông thường, các bộ phận này sẽ có dạng bộ khuếch đại điện tử và động cơ điện Các bộ chấp hành chuyển động phổ biến khác là bộ truyền động khí nén hoặc thủy lực Yếu tố cuối cùng của hệ thống là thiết bị hồi tiếp Ngày nay có rất nhiều thiết bị hồi tiếp thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động nhằm cung cấp thông tin về chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay

Nhìn chung, một hệ thống điều khiển chuyển động sẽ căn cứ và điều chỉnh các chức năng của nó dựa trên đầu vào của bất kỳ một hoặc kết hợp các thiết bị khác nhau Nhiều hệ thống điều khiển chuyển động có thể được tích hợp vào một hệ thống lớn hơn Các thiết bị dựa trên máy tính khác nhau, chẳng hạn như bộ điều khiển lập trình [13], PC [14], máy tính công nghiệp độc lập [15] hoặc máy tính chủ hoạt động từ xa để liên kết và phối hợp chức năng điều khiển chuyển động với các chức năng khác Ngoài ra, giao diện vận hành có khả năng nhận logic điều khiển đầu vào, thay đổi

Hình 1-1 Hệ thống điều khiển chuyển động điển hình

chương trình hiện có hoặc cung cấp sửa đổi theo thời gian thực, chẳng hạn như bật hay tắt hệ thống, hoặc thay đổi lịch trình Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động được tích hợp hơn được trình bày trong Hình 1-2

1.1 Mục tiêu của đề tài:

Khảo sát và đánh giá tầm quan trọng của mạng thời gian thực trong việc điều khiển hệ thống servo công nghiệp

Đề xuất thiết kế phần cứng vật lý để truyền truyền nhận tín hiệu giữa local side và network side

Thiết lập sơ đồ giao tiếp dữ liệu và tính toán thời gian thực truyền thông tương thích với giao thức mạng

Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống servo và slave để đánh giá kết quả đề xuất

1.2 Kế hoạch phát triển:

Chia làm năm giai đoạn: tìm hiểu các bộ điều khiển có hỗ trợ mạng công nghiệp, tìm hiểu tài liệu liên quan đến RTEX, thiết kế phần cứng, thiết kế firmware, thí nghiệm và đánh giá

1.2.1 Tìm hiểu các bộ điều khiển có hỗ trợ mạng công nghiệp

Tại giai đoạn này sẽ tập trung vào các nghiên cứu trong và ngoài nước (phần 1.5 và 1.6), phần này sẽ giúp hiểu cơ bản về tình hình phát triển trong lĩnh vực này

1.2.2 Tìm hiểu tài liệu liên quan đến RTEX

Tài liệu bên Panasonic bao gồm: datasheet MNM1221, manual servo A6, RTEX technical references và một số tài liệu chuyên môn khác của hãng Ngoài ra bên phía

Operator

Interface Host Controller Amplifier Actuator Feedback

Hình 1-2 Hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp phức tạp

Panasonic cũng sẽ hỗ trợ về mặt kỹ thuật khi gửi các chuyên gia trong lĩnh vực qua giúp đỡ

Ngoài tài liệu liên quan trực tiếp tới mạng RTEX, cần xem thêm datasheet của PIC24FJ256GB106, datasheet của physical layer chip KSZ8041

1.2.3 Thiết kế phần cứng

Sơ đồ nguyên lý sẽ được dựa vào tài liệu tìm được ở phần 1.2.2, ngoài ra để đi mạch PCB đúng quy chuẩn sẽ tham khảo thêm các tài liệu liên quan Mạch sẽ đặt gia công tại nhà máy do một số line đồng sẽ có kích thước nhỏ (0.2 mm)

1.2.4 Thiết kế firmware

Sau khi phần cứng của RTEX hoàn thành, việc lập trình gồm các nhóm chương trinh như: chương trình kết nối USB to serial, chương trình đọc ghi các thanh ghi MNM1221, chương trình liên quan đến chu trình kết nối RTEX, chương trình ra lệnh cho Slave trong hệ thống Lập trình bằng ngôn ngữ C trên Pic C compiler

1.2.5 Thí nghiệm và đánh giá

Sau khi khi phần cứng và phần mềm chạy ổn định, tiến hành thí nghiệm với hệ bao gồm các trường hợp: 4 servo motor A6 (4 Slave), 4 servo motor A6 và 1 slave tự thiết kế Kết quả đồng bộ sẽ đo bằng oscilloscope tại tín hiệu I/O của 4 hoặc 5 slaves

Đánh giá độ sai lệch tín hiệu đồng bộ bằng cách plot và so sánh data

1.3 Phạm vi luận văn:

Luận văn được thực hiện trong phạm vi hệ thống điều khiển nhiều động cơ AC và các digital I/O sao cho bảo đảm thời gian thực để xử lý dữ liệu truyền thông nội bộ mạng, khử loại nhiễu trên đường truyền và cung cấp các tính năng điều khiển chuyển động nâng cao

1.4 Nhiệm vụ luận văn

-Tìm hiểu tổng quan về hệ thống mạng công nghiệp điều khiển servo

-Thiết kế bộ điều khiển nhiều trục dành cho động cơ AC servo sử dụng công nghệ RTEX theo thời gian thực

-Xây dựng chương trình điều khiển tương thích với bộ điều khiển đề xuất

1.5 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các hệ thống điều khiển có kết nối mạng (Networked control systems - NCSs) là một trong những nghiên cứu chính tập trung vào học thuật cũng như ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ và đã trở thành một lĩnh vực đa ngành [21] Nhìn chung có 3 kiểu mạng được áp dụng cho bộ điều khiển bao gồm: cấu hình tập trung, cấu hình phi tập trung và cấu hình phân tán [22] (Hình 1-3)

Hình 1-3 Ba kiểu cấu hình của mạng điều khiển Nguồn: [22]

Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, hệ thống nhúng, truyền thông không dây và các chiến lượt điều khiển mới, mạng điều khiển phân tán (Hình 6.c) đã và đang tăng tính quan trọng của bản thân trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như dân dụng [22]

Các tác giả [22] đã chỉ ra các thách thức cần giải quyết trong cấu hình phân táng bao gồm: độ trễ do mạng, mất dữ liệu trong quá trình truyền (dropouts), cấp dữ liệu sai thứ tự, lỗi do quá trình rời rạc hóa – số hóa dữ liệu, cấu trúc mạng khác nhau ảnh hưởng đến thời gian đồng bộ, v v… Loại bỏ hay làm giảm những vấn đề do những thách thức này gây ra là mục tiêu của các bộ điều khiển mạng công nghiệp

Một số chuẩn mạng được dùng vào bộ điều khiển bao gồm mạng RTEX (cùng cấu trúc mạng với đề tài), Mechatrolink, EtherCAT và Profibus

Mạng RTEX với tính thời gian thực và ổn định cao, phù hợp với yêu cầu thiết kế bộ điều khiển hệ thống nhúng, các tác giả [23] đã thành công xây dựng bộ motion control mà ở đó RTEX là cầu nối giữa các servo Panasonic và các thiết bị ngoại vi khác có hỗ trợ RTEX (Hình 1-4) Ngoài ra trong [24] các tác giả đã áp dụng thành công mạng RTEX để đồng bộ 6 động cơ vào bộ điều khiển của hệ XY Gantry

Hình 1-4 Setup thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng mạng RTEX Nguồn: [23]

EtherCAT được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển do ưu điểm phản hồi nhanh, sử dụng ít CPU và tính đồng bộ tốt [25], [26] Mạng này hỗ trợ các kiểu đồng bộ khác nhau, một vài trong số đó ít được sử dụng nên đã được [25], [26] đưa vào thí nghiệm và so sánh hiệu suất (Hình 1-5)

Hình 1-5 Sơ đồ khối của thí nghiệm master EtherCAT Nguồn: [25]

Trong số những giao thức fieldbus được sử dụng rộng rãi, có thể dễ dang tìm thấy giao thức Profibus, như Profibus PA, Profibus DP và PROFINET Mặc cho rất nhiều ưu điểm, loại mạng này vẫn rất dễ xảy ra lỗi liên quan đến cài đặt phần cứng

Thấy được tính cấp thiết của một giải pháp phân tích mạng Profibus, các tác giả [27] đã thí nghiệm và so sánh các chế độ phân tích bằng Fuzzy, ANN và Expert System để trợ giúp người dùng phát hiện sớm các lỗi và đưa ra khắc phục kịp thời

Cùng với sự phát triển của NCSs các nghiên cứu về giải thuật điều khiển phù hợp với các kiểu mạng và cấu hình khác nhau cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm Nếu bộ điều khiển chuyển động là thành phần quan trọng nhất của hệ thống điều khiển chuyển động, thì giải thuật điều khiển là kỹ thuật chính trong sơ đồ chuyển động Nhìn chung, hệ thống điều khiển chuyển động công nghiệp phải giải quyết hai vấn đề chính Vấn đề đầu tiên liên quan đến mệnh lệnh tham chiếu mong muốn Trong hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp, bộ tạo chuyển động, được xác định trước bởi các tham số đầu vào, được tạo như một quỹ đạo tham chiếu Do đó, bộ điều khiển chuyển động đánh giá hiệu suất của vị trí thực tế tuân theo những gì được xác định trước Các giải thuật truyền thống sử dụng thuật toán đạo hàm tích phân tỷ lệ (PID), được áp dụng trong các hệ thống sản xuất khác nhau Các tác giả [36] đã triển khai bộ điều khiển PID trong hệ thống điều khiển đa trục có thể lập trình để điều khiển động cơ AC servo Tuy nhiên, với thiết kế này, dựa trên quá trình hiệu chỉnh phức tạp, phụ thuộc vào thiết bị điều khiển cụ thể Xiao và Wang [37] đã giới thiệu một thuật toán ước lượng tham số bình phương nhỏ nhất cho điều khiển PID, giúp chuyển động mượt mà hơn Tuy nhiên, thuật toán ước tính tham số làm tăng thời gian tính toán và giảm tốc độ giao tiếp nối tiếp, không đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cao trong công nghiệp Trong công trình [38], các tác giả trình bày sơ đồ PID theo thứ tự phân đoạn liên tục làm thay đổi tần số đáp ứng của hệ thống Phương pháp này không đơn giản để thực hiện trong sử dụng thực tế và không đảm bảo tốc độ giao tiếp thỏa đáng Vấn đề thứ hai là giải quyết các đặc tính loại bỏ nhiễu của hệ thống Trên trục động cơ, nhiễu mô-men xoắn là phổ biến trong môi trường sản xuất Vì vậy, cần phải thiết kế một bộ điều khiển để bù cho những vấn đề này Các nhà nghiên cứu trong bài báo [39] đã nghiên cứu điều khiển chuyển động điện tử trên hệ thống giám sát máy bay tập trung, giới thiệu bộ điều khiển vận tốc PID tự động điều chỉnh để khắc phục những yếu tố phi tuyến tác động lên hệ Lợi ích nhận được từ bộ điều khiển này là được cập

nhật liên tục để đảm bảo tính nhất quán của hiệu năng hệ thống trong các điều kiện làm việc khác nhau Tuy nhiên, bộ điều khiển này chỉ phụ thuộc vào một hệ thống chuyển động cụ thể và không thể được thực hiện rộng rãi Một số phương pháp điều khiển bổ sung đã được nghiên cứu, chẳng hạn như điều khiển tối ưu [40], điều khiển thích ứng [41], mạng thần kinh nhân tạo thích nghi [42, 43], điều khiển chế độ trượt [44] và điều khiển bậc hai tuyến tính [45] Tuy nhiên, những giải pháp này không kết hợp kiến thức hiện có của chuyên gia vào thuật toán Do sự phức tạp của hệ thống, bao gồm tính phi tuyến và thành phấn không dự báo được, khó có được hiệu suất tốt trong nhiều loại máy sản xuất dựa trên các mô hình toán học chính xác

Chiến lược điều khiển thông minh có tích hợp trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển mờ, có thể khắc phục những khó khăn mà các phương pháp thông thường không giải quyết được Đây là một bộ điều khiển dựa trên tri thức tập trung vào cơ chế lý luận thay vì tập trung duy nhất vào mô hình của hệ thống Trong nghiên cứu [46], Uddin et al đã nghiên cứu một sơ đồ điều khiển để điều khiển tốc độ cao của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong bằng cách tính điểm vận hành Sau đó, trong bộ điều khiển logic mờ, các giá trị này là đầu vào và các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh bằng thuật toán di truyền Tuy nhiên, phương pháp này chỉ trình bày lý thuyết phân tích và phát triển, thiếu thực hiện thực tế trong điều kiện sản xuất công nghiệp Các nhà nghiên cứu khác [47] đã thiết kế bộ điều khiển logic mờ tuyến tính chuẩn hóa hai đầu vào được kết hợp với bộ điều khiển đạo hàm truyền thống để điều khiển cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến Mặt khác, bộ điều khiển này vẫn không phù hợp với hầu hết các máy sản xuất vì khối lượng tính toán cao và sử dụng phức tạp Các tác giả trong công trình [48] đã mô tả một cơ chế chuyển đổi giữa các bộ điều khiển dựa trên giải thuật PID truyền thống và thuật toán mờ dựa trên sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa các giá trị tỷ lệ Tuy nhiên, kết quả chỉ thu được trong môi trường phòng thí nghiệm, không có ngôn ngữ điều khiển và lập trình thực tế để kiểm chứng

Trong môi trường sản xuất công nghiệp hiện đại, sơ đồ điều khiển feed-forward hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất giám sát Cheng và Tsai [49] đã chỉ ra một bộ bù chuyển

tiếp hoàn toàn trong máy tính điều khiển số Cấu trúc của điều khiển feed-forward cũng có thể được áp dụng trong thuật toán tạo biên dạng chuyển động, Đối với các vấn đề thực thi khác, các tác giả [50, 51] đã đề xuất một chiến lược hoạch định feed-forward theo hệ bậc cao dẫn đến cải thiện hiệu suất đáng kể Các chi tiết của thuật toán hoạch định quỹ đạo đã chứng minh một kết quả thực tế, đáng tin cậy và chính xác Trong nghiên cứu [52, 53], phương pháp thiết kế ổn định của bộ điều khiển chuyển động khi có xuất hiện nhiễu và các thành phần phi tuyến được thảo luận bằng cách sử dụng bộ bù tự động cho vòng lặp bên trong Thiết kế này cung cấp một cách tiếp cận có hệ thống cho vấn đề ổn định, tự động và hiệu suất mong muốn khi có các thành phần phi tuyến và nhiễu

1.5.1 Xu hướng phát triển

Hiện các bộ điều khiển công nghiệp đang chuyển từ vận hành độc lập sang hỗ trợ mạng công nghiệp trong việc đồng bộ hóa các thiết bị Việc đồng bộ này cải thiện đáng kể chất lượng của sản phẩm cũng như tính an toàn của thiết bị cần điều khiển

Các bộ điều khiển phát xung nội suy nhiều trục lựa chọn phương án kết nối mạng từ các chuẩn phổ biến như RS485, Ethernet để tăng khả năng tương thích đa dạng các thiết bị điều khiển trung tâm khác nhau Như bộ điều khiển Ocean control hỗ trợ 4 trục và nhận lệnh qua Ethernet, bộ điều khiển PMX-4EX-SA của Arcus Technology hỗ trợ RS485 để giao tiếp (Hình 1-6 và Hình 1-7)

Hình 1-6 Bộ điều khiển của hãng ARCUS hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp mạng RS485

Hình 1-7 Bộ điều khiển Ocean control hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp Ethernet

Đối với các dòng AC servo đa số đều hỗ trợ một chuẩn truyền mạng công nghiệp riêng của hãng như Mechatrolink (Yaskawa) (Hình 1-8), SSCNET III (Mishubisi Electronic) (Hình 1-9), RTEX (Panasonic) (Hình 1-10) Mục tiêu chính của mạng công nghiệp này là tăng tính đồng bộ cho các động cơ của hãng khi phải phối hợp làm việc cùng nhau Ngoài ra do tính chất đáp ứng nhanh, mạng cũng được dùng vào việc mở rộng các thiết bị ngoại vi như module I/O, module cảm biến

Hình 1-8 Một nhánh của mạng Mekatrolink-III hỗ trợ tối đa 16 slave

Hình 1-9 Mạng SSCNET III mỗi nhánh hỗ trợ tối đa 16 slave

Hình 1-10 Mạng RTEX kết nối theo kiểu vòng hỗ trợ 32 slave

1.6 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam các nghiên cứu hệ thống điều khiển ứng dụng mạng công nghiệp tập trung chủ yếu vào các chuẩn mạng được PLC có mặt trên thị trường hỗ trợ, cụ thể trong [54], [55], [56], [57] các tác giả tập trung lần lượt vào chuẩn Modbus, Ethernet và Profibus Đa số tập trung vào việc thu thập hay truyền nhận dữ liệu cho nhiều thiết

bị cùng lúc, chưa nêu ra yêu cầu cụ thể trong thời gian đồng bộ giữa các nút trong mạng, một số kết quả có được từ môi trường thí nghiệm chưa đem ứng dụng vào thiết bị công nghiệp Tác giả bài báo [54] đã truyền dẫn dữ liệu thành công trong môi trường thí nghiệm, tuy nhiên vẫn chưa chạy thử với thiết bị công nghiệp có trên thị trường và mã nguồn vẫn chưa tối ưu thời gian

Với việc kết hợp giữa hai chuẩn truyền Zigbee (không dây) và Ethernet các tác giả [55] đã thành công trong việc xây dựng một mô hình điều khiển của nhiều slave cùng lúc Mô hình này đặt biệt phù hợp với bài toán của bài báo nêu ra là quản lý nhà máy điện năng lượng mặt trời (Hình 1-11) Thí nghiệm được tiến hành với một slave và một master nên chưa đưa ra đánh giá về độ trễ khi điều khiển nhiều slave cùng lúc

Hình 1-11 Sơ đồ hệ thống truyền thông kết hợp Zigbee và Ethernet Nguồn: [55]

Các tác giả [56] hướng đến ứng dụng module Ethernet có trong PLC nhằm mở rộng khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vị Trong phần thí nghiệm đã đọc tín hiệu thành công 4 cảm biến cùng lúc (Hình 1-12), trong đó arduino đọc giá trị của 3 cảm biến và một module RFID độc lập Tuy nhiên tác giả chưa nêu ra được độ trễ tín hiệu giữa Slave và Master, cũng như chưa thí nghiệm trên các thiết bị ngoại vi công nghiệp

Profibus DP là một trong những chuẩn truyền được ứng dụng nhiều trong điều khiển các thiết bị phân tán Tốc độ đáp ứng vào khoản 0.25 ms cho 10 trạm có 32 I/O Một hệ thống có thể có tối 32 slave [57] Trong trường hợp ứng dụng của [57] tác giả kết nối thành công 5 trạm bao gồm 1 master và 4 slave (Hình 1-13), dữ liệu điều khiển được thao tác qua phần mềm trên máy tính

Hình 1-12 Sơ đồ kết nối 4 cảm biến với PLC thông qua module Ethernet Nguồn [56]

Hình 1-13 Minh họa mạng truyền thông Profibus DP Nguồn: [57]

Nhìn chung các nghiên cứu trong nước tập trung vào việc quản lý nhiều thiết bị ngoại vi cùng lúc mà chưa có sự quan tâm đến tính thực thi đồng bộ giữa các slave (hay các nút) Điều này cho thấy tính cấp thiết của một bộ điều khiển hỗ trợ mạng công nghiệp trong nước, mà ở đó các cơ cấu chấp hành có thể phối hợp đồng bộ với nhau nhằm tăng cao độ chính xác kèm theo đó là tính an toàn cũng như chất lượng của sản phẩm đầu ra tăng theo

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG THỜI GIAN THỰC VÀ CÁC THÀNH PHẦN LIÊN QUAN

2.1 Giới thiệu về mạng công nghiệp servo

Đối với nhu cầu về độ tin cậy cao và sản xuất thời gian thực cao, các hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại đang phát triển theo hướng tốc độ cao, độ chính xác cao, đa chức năng và mở cần kỹ thuật nhúng và kết nối mạng Hệ thống điều khiển chuyển động nối mạng là hệ thống điều khiển nối mạng đặc biệt bao gồm bộ điều khiển và trình điều khiển động cơ đa trục, có thể đảm bảo đồng bộ hóa thời gian thực của trật tự điều khiển chuyển động và truyền trạng thái chuyển động

Các hệ thống điều khiển tự động chủ yếu hoạt động dựa trên hai chế độ, đó là PC/IPC kết hợp với thiết bị điều khiển chuyển động thông qua các chuẩn giao tiếp [16] hay bộ điều khiển chuyển động dành cho hệ thống nhúng [17] Trong cả hai chế độ thì kỹ thuật PC/IPC kết hợp với thiết bị ngoại vi thường được sử dụng nhiều nhất Mặc dù có sự gia tăng đáng kể về mặt nhu cầu thiết bị điều khiển công nghiệp, mô hình PC/IPC kết hợp không đạt được yêu cầu do giới hạn về độ mở, giá thành tương đối cao, khả năng xử lý thời gian thực thấp Trong khi đó, hệ thống điều khiển dựa trên phần mềm và phần cứng nhúng được tích hợp vào robot nhằm giảm giá thành Ngược lại, bộ điều khiển nhúng có độ mở tốt, giao tiếp giữa người sử dụng và máy tính điều khiển được cải thiện, độ ổn định được bảo đảm, độ linh hoạt cao

Dựa vào các phân tích trên, kế thừa các đặc điểm của cấu trúc hệ thống nhúng và yêu cầu đòi hỏi mạng thông tin liên lạc thời gian thực, độ tin cậy cao, một đề xuất về thế hệ mạng mới được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn Các mạng này đều có đặc điểm chung là yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian, cấu trúc mạng linh hoạt, thực thi được đa tác vụ Trong bài báo [18], một kỹ thuật có tên gọi phần-mềm-trong-silicon được phát triển bằng cách tích hợp một vài tính năng vào trong phần cứng vi điều khiển Bằng cách sắp xếp các tác vụ thời gian thực theo cách tiến hóa giống như mạng neuron hay thuật toán di truyền, hệ thống điều khiển tự động cho kết quả tốt hơn rất nhiều so với trước đây Tuy nhiên, trong nghiên cứu này không đề cập đến kết quả của hệ thống trong trường hợp có tối đa 32 động cơ được điều khiển đồng bộ

Một báo cáo [19] đề cập đến mạng công nghiệp Mechatrolink do Yaskawa phát triển Chúng có tính chất và đặc điểm gần giống với các mạng khác, chỉ khác nhau ở cách đấu nối và dây cáp truyền dẫn Ngoài ra, một ưu thế của hệ thống mạng này là nhu cầu động cơ servo của Yaskawa rất lớn do độ bền bỉ cao, độ chính xác lặp lại lớn và nhiều tính năng nâng cao Khuyết điểm của hệ thống này là giá thành cao, bắt buộc phải sử dụng đồng bộ các thiết bị cùng hãng sản xuất Trong thời gian gần đây, công ty Beckhoff đã cho ra đời một chuẩn mạng truyền thông công nghiệp mới có tên gọi EtherCAT [20] Điểm ưu việt của chúng là thời gian truyền rất nhỏ, số lượng I/O mở rộng khá lớn, độ ổn định cao, cho phép hiệu chỉnh hay sửa đổi liên tục theo thời gian Ngược lại, quá trình phát triển đòi hỏi nghiêm ngặt, đầu tư thiết bị khá tốn kém và giá thành sản phẩm cao là một trong những trở ngại của chuẩn EtherCAT

2.2 Cấu trúc của mạng thời gian thực RTEX

Trong luận văn này sẽ tập trung vào mạng công nghiệp RTEX do Panasonic phát triển nhằm đạt được yêu cầu cao trong điều khiển hệ thống servo thời gian thực Tốc độ 100Mbps chế độ full duplex, khung thời gian giao tiếp lớn nhất là 0.083ms bảo đảm điều khiển đồng thời nhiều trục cùng một lúc Thông qua việc kết nối bằng cấu trúc mạng vòng (Hình 2-1), số lượng đầu kết nối và dây truyền dẫn liên lạc được rút gọn và tăng độ linh hoạt tối đa Nếu so sánh với các chế độ điều khiển bằng xung khác thì điều khiển dạng mạng công nghiệp mang lại nhiều ưu điểm hơn Ngoài ra, các kết nối tương thích hơn, giao tiếp bền vững hơn và lọc nhiễu tốt hơn Mạng thời gian thực này có kiến trúc vật lý tương tự như mạng Ethernet nhưng nếu so sánh như Hình 2-2, thì mạng Ethernet có cấu trúc cồng kềnh, khung dữ liệu nhiều tầng nên mạng RTEX phù hợp hơn cho điều khiển servo thời gian thực

Trung tâm của mạng RTEX là chip MNM1221 Linh kiện này là bộ điều khiển giao diện nối tiếp ASIC cho phép thiết lập các hệ thống giao tiếp thời gian thực, "Realtime Express (RTEX)" dựa trên cách giao tiếp master-slaves với cấu trúc liên kết vòng MNM1221 yêu cầu phải được sử dụng với PHY (PHYsical layer chip), biến áp xung và cáp mạng tiêu chuẩn cho hệ thống 100BASE-TX (IEEE 802.3u) Nói cách khác, MNM1221 là một MAC (Media Access Controller) đặc biệt nhằm điều chỉnh

100BASE-TX cho phù hợp với hệ thống liên lạc thời gian thực cho điều khiển nhiều servo

Hình 2-1.Kiến trúc mạng dạng vòng, kết nối lên đến 32 slave

Hình 2-2 So sánh kiến trúc mạng

Hệ thống giao diện nối tiếp MNM1221 bao gồm một Master và một số Slaves, trao đổi dữ liệu lệnh từ Master và dữ liệu phản hồi từ Slave theo chu kỳ Do đó, MNM1221 có bộ nhớ đôi (buffer) cho mỗi lần truyền và nhận, với tính năng này cho phép CPU hoạt động hiệu quả

2.3 Giao thức mạng điều khiển thời gian thực RTEX

Là giao thức dựa trên lớp vật lý 100BASE-TX Full-duplex by IEEE 802.3u, với liên kết vòng lên đến 32 slave

Bộ nhớ đệm truyền (TX) và bộ nhớ đệm nhận (RX) tương ứng gồm 2 banks Để tránh xung đột truy cập dữ liệu, một bank dành riêng cho CPU ngoại vi và bank khác dành riêng cho mô-đun giao tiếp nội bộ Và sự phân công như vậy của 2 bank được chuyển đổi luân phiên

Vì đặt điểm bộ nhớ đệm đôi nên khi thao tác với bộ nhớ đệm sẽ cần lệnh Switch sau khi ghi đối với TX và Hold trước khi đọc đối với RX

Mặc dù bộ nhớ đệm switch luân phiên nhưng địa chỉ giữa hai bộ nhớ đệm vẫn như nhau trong cùng một cụm TX hoặc RX Các slave có thể set MACID không theo thứ tự và đăng ký nhiều hơn một Block bộ nhớ điều này dẫn đến việc quét vị trí của bộ nhớ đệm ứng với từng MACID là bắt buộc trong lập trình firmware

Thông thường một Slave sẽ đăng ký một Block với 16 bytes sẽ đủ các thông tin cần truyền, ví dụ như frame truyền của servo A6 của Panasonic được đăng ký trong hệ thống mạng RTEX, với 16 bytes data sẽ được quy định đầy đủ các chức năng

2.4 Các thông số kỹ thuật 2.4.1 Mạng mechatrolink-III

MECHATROLINK được đặt ở vị trí là một field network Field network là mạng điều khiển các thành phần điều khiển của hệ thống điều khiển như I / O và cơ cấu chấp hành, cho phép các thiết bị cho thông tin điều khiển đầu vào được kết nối

Điểm nổi bật của Mechatrolink-III là kết nối lên đến 64 slave, nhiều kiểu cấu trúc liên kết Tuy nhiên do Physical layer dựa trên Ethernet nên frame truyền có header rất lớn lên đến 62 byte không tối ưu cho điều khiển thời gian thực (Bảng 2-1)

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật mạng Mechatrolink-III

Item MECHATROLINK-Ⅲ Baud Rate 100Mbps Physical Layer Ethernet

Data Size 8/16/32/48/64bytes

(Different data sizes can be used in the same network) Topology Cascade, Star or Point-to-Point

Minimum Distance

between Stations 0.2m Maximum Transmission

Distance 100m between stations 0.5m Cyclic/Event-driven

Communications Cyclic and event-driven communications supported Retry function Max 62 stations(n time per 1 station) Transmission Cycle Time 31.25μsec ～64msec

Message Communications Available

Number of Slaves 62 max

Multi Slave Yes

source: https://www.mechatrolink.org/

2.4.2 Mạng SSCNETIII

Viết tắt cho Servo System Controller Network (SSCN), là chuẩn mạng truyền thông dành cho hệ thống servo do Mitsubishi phát minh Đây là chuẩn mạng nguyên gốc không dựa trên physical layer đã tồn tại

Điểm nổi bật nhất của SSCNETIII là truyền thông bằng cáp quang, làm giảm nhiễu một cách rõ rệt và tổng chiều dài của cáp giữa các trạm có thể lên đến 800m Tuy nhiên do kết nối dạng serial nên tốc độ truyền tối đa ở mức 50Mbs, hỗ trợ tối đa chỉ 16 trục (Bảng 2-2)

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật mạng SSCNETIII

Communication

Communication Medium

Optical Fiber Cable Standard Cord for Inside Panel

Standard Cable for Outside Panel

Long-Distance Cable

Communication

Cycle 0.44ms/0.88ms Maximum Control

Axes per System

Communication Cycle 0.44ms : 8 axes/system Communication Cycle 0.88ms : 16 axes/system

Transmission Distance

Maximum 20m between Stations

Maximum Overall Distance 320m

Cũng vì lý do trên, các ngành công nghiệp như bán dẫn, thiết bị tinh thể lỏng, bộ phần điện tử, v.v… trong đó yêu cầu sự cân bằng giữa tốc độ cao và chi phí thấp đã áp dụng sản phẩm này ngày càng nhiều

Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật mạng RTEX

Motion Interface * Profile Position, Cyclic Position / Velocity / Torque *Depending on host controller specification

Source: https://www3.panasonic.biz/

2.5 So sánh thông số

Trong phần này sẽ so sánh một số thông số giữa RTEX với mạng III và SSCNETIII (Bảng 2-4) Mỗi mạng đều thể hiện những thế mạnh khác nhau, như Mekatronlink-III hỗ trợ lên đến 62 Slaves, SSCNETIII chống nhiễu rất tốt với đường truyền cáp quang

Mekatronlink-Tuy nhiên có thể thấy RTEX thể hiện những thế mạnh đồng đều trong các thông số như hỗ trợ lên đến 32 trục đồng bộ, tổng đường truyền xa lên đến 200m, chu kỳ truyền nhanh 0.062ms

Bảng 2-4 So sánh một vài thông số đặt tính của ba mạng

Item RTEX MECHATROLINK-Ⅲ SSCNETIII Speed 100 Mbps 100Mbps 50 Mbps

Physical Layer

100BASE-TX Full-duplex by IEEE 802.3u

Ethernet High-speed serial communication

Topology Ring Cascade, Star or

Point-to-Point Line

Transmission Distance

Inter-node: Max 100 m, Total:

Max 200 m

Max 100m between stations 0.5m

Maximum 20m between Stations Maximum

Overall Distance

320m (20m x 16

axes)

Maximum 50m between Stations Maximum

Overall Distance

800m (50m x 16

axes)

Com Period 2 to 0.0625 ms 31.25μsec ～64msec

Communication Cycle 0.44ms : 8 axes/system Communication Cycle 0.88ms : 16 axes/system

Number of

Slaves Up to 32 (Axes) Up to 62 (Slaves) Up to 16 (Axes)

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG THIẾT BỊ MẠNG THỜI GIAN THỰC

Bao gồm mạch nguyên lý và routing bo đồng Đối với sơ đồ nguyên lý mạch dựa trên mạch nguyên lý được khuyến nghị của các hãng linh kiện Phần routing phải đảm bảo đúng nguyên tắt đi mạch cao tầng áp dụng cho 2 lớp [58]

3.1 Giới thiệu các linh kiện quan trọng

Trong một module master cho mạng RTEX có ba linh kiện quan trọng bao gồm: MCU, RTEX communicate IC/MCU, physical layer IC Với mục đích thí nghiệm và lựa chọn các linh kiện dễ tìm trên trường thì ba mục trên lần lượt lựa chọn là: pic 24FJ256GB106, MNM1221 do hãng Panasonic cung cấp và KSZ8041

3.1.1 PIC24FJ256GB106

Là vi điều khiển 16bit của hãng Microchip, hỗ trợ module giao tiếp USB, xung nhịp lên đến 20MHz Đây là MCU phù hợp để vận hành MNM1221 ở chế độ băng thông 16bit kể cả mode Master hay Slave Tuy nhiên ở chế độ Master sẽ vẫn chưa khai thác được hết tốc độ của RTEX mang lại vì MNM1221 có thể chạy ở băng thông 32bit (Bảng 3-1)

PIC24FJ256GB106 đóng vai trò cầu nối giữa người dùng và chuẩn mạng RTEX, tại đây nó sẽ được lập trình để giao tiếp với MNM1221 Việc có module USB là một lợi thế vì là một trong những chuẩn giao tiếp với máy tính phổ biến nhất, thông qua module này có thể viết giao diện người dùng Trong thí nghiệm, lệnh sẽ được gửi qua terminal của USB to-serial cũng như in data nhận được từ mạng RTEX lên terminal

3.1.2 MNM1221

MNM1221 là hạt nhân của truyền thông RTEX Để có thể giao tiếp với MNM1221 cần một vi xử lý làm đúng theo quy trình Đọc – Ghi của nó, ngoài ra phải xác định trước băng thông 16bit hay 32bit điều này không chỉ ảnh hưởng đến mạch nguyên lý mà còn vấn đề lập trình nhúng

Ngoài ra MNM1221 có thể chạy đọc lập không cần CPU với vài trò là bộ mở rộng I/O cho mạng RTEX Khi ở chế độ này phần cứng có thể loại bỏ hầu hết các thành phần liên quan đến CPU Bộ mở rộng có thể cung cấp lên đến 32 I/O cho mạng

Bảng 3-1 Thông số của họ chip 24FJxxxGB106

Thông số kỹ thuật:

- Kết nối với chip PHY qua MII (Media Independent Interface) chuẩn IEEE 802.3u

- Kết nối kiểu vòng - 100Mbps Full-Duplex

- Dùng cho cả hai chế độ master và slave - Tối đa 32 slaves

- Bộ nhớ đệm kép, mỗi bank có 512 bytes cho riêng RX và TX

- Băng thông giao tiếp CPU: o Master: 32-bit hoặc 16-bit o Slave: 16-bit hoặc 8-bit

- Phát hiện lỗi dựa trên CRC-CCITT(16bits CRC) - Xung nhịp 25MHz như chip PHY

- Điện áp vận hành 3.3V và một phần chân chịu được 5V cho giao tiếp CPU - Nhiệt độ môi trường vận hành từ -40 đến 85 độ C

- 100 chân, đóng gói nhựa dạng LQFP không có chì

Tham khảo thêm Hình 3-1 để có thêm thông tin tổng quang các khối chức năng có trong MNM1221