TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP
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
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
Interface Host Controller Amplifier Actuator Feedback
Hình 1-2 Hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp phức tạp
4 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
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)
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.
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.
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
5 -Xây dựng chương trình điều khiển tương thích với bộ điều khiển đề xuất
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
6 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
7 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
8 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
9 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
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
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.
CẤU TRÚC MẠNG THỜI GIAN THỰC VÀ CÁC THÀNH PHẦN LIÊN QUAN
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
15 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.
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
16 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
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.
Các thông số kỹ thuật
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
(Different data sizes can be used in the same network)
Topology Cascade, Star or Point-to-Point
Communications Cyclic and event-driven communications supported
Retry function Max 62 stations(n time per 1 station)
Transmission Cycle Time 31.25μsec ～64msec
Multi Slave Yes source: https://www.mechatrolink.org/
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
Optical Fiber Cable Standard Cord for Inside Panel
Communication Cycle 0.44ms : 8 axes/system Communication Cycle 0.88ms : 16 axes/system
Maximum 50m between Stations Maximum Overall Distance 800m
Noise Resistance High resitance against noise because of Optical Fiber Cable
Source: http://www.koningenhartman.nl/
Viết tắt cho Realtime Express, là mạng chuyên dụng cho hệ chuyển động đồng bộ Mặc dù tốc độ cao lên đến 100Mbs nhưng chi phí hệ thống có thể được giữ ở mức thấp bằng cách sử dụng cáp LAN có sẵn trên thị trường (Bảng 2-3)
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
Physical Layer 100BASE-TX Full-duplex by IEEE 802.3u
Cable Shielded Twisted Pair by TIA/EIA-568B CAT5e
Isolation Pulse Transformer with common-mode choke
Connector 8-pin RJ45 by IEC 60603-7
Cable Length Inter-node: Max 100 m, Total: Max 200 m
Noise Immunity 2.5 kV over, IEC 61000-4-4 Level4 compliant
Number of Axes * Up to 32
Motion Interface * Profile Position, Cyclic Position / Velocity / Torque
*Depending on host controller specification
Source: https://www3.panasonic.biz/
PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG THIẾT BỊ MẠNG THỜI GIAN THỰC
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
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
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
23 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
- Kết nối với chip PHY qua MII (Media Independent Interface) chuẩn IEEE 802.3u
- Dùng cho cả hai chế độ master và slave
- 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
Hình 3-1 Sơ đồ khối MNM1221
Danh sách các chân quan trọng của MNM1221:
Bảng 3-2 Chú thích loại chân
IPD Input với trở kéo xuống
IPU Input với trở kéo lên
Bảng 3-3 Miêu tả một số chân quan trọng
Tên Pin# Loại Chức năng
Chọn chế giữa độ Master và Slave
5T Chọn băng thông giao tiếp CPU Giao tiếp CPU
5T Chip Select, tích cực mức thấp
5T Cho phép đọc data, tích cực mức thấp
5T Cho phép ghi data, tích cực mức thấp
XWAIT 91 O Báo đợi data ổn định, tích cực mức thấp
XSYNC 93 O Output khi bắt đầu truyền frame data
XINTRX 92 O Báo nhận frame truyền thành công
XRST 80 I Reset input, tích cực mức thấp
I Xung clock output và input cho MII
IVPD 57 I kết nối thẳng xuống GND, để bảo vệ MNM1221
Tham khảo Hình 3-2 đế biết vị trí vật lý các chân của MNM1221
Hình 3-2 Sơ đồ chân MNM1221
KSZ8041NL là bộ thu phát lớp vật lý 10BASE-T / 100BASE-TX, cung cấp giao thức MII / RMII để truyền và nhận dữ liệu Với thiết kế tín hiệu hỗn hợp giúp mở rộng khoảng cách tín hiệu trong khi giảm mức tiêu thụ điện năng (theo datasheet KSZ8041) Để có thể hoạt động với MNM1221, KSZ8041 cần được setup ở các tùy chọn sau: Fixed Full-Duplex, Disable Auto-Negotiation, Force 100BASE-TX mode và Disable Auto-MDIX (theo datasheet MNM1221)
Ngoài KSZ8041 ra còn có một số IC PHYs phù hợp (Bảng 3-4):
Bảng 3-4 Danh sách khuyên dùng PHYs IC
Nhà sản xuất Mã linh kiện Package Nhiệt độ hoạt động
Broadcom BCM5221KPTG QFP64pins -40 đến +85
NS DP83848IVV QFP48pins -40 đến +85
Micrel KSZ8041MLLI QFP48pins -40 đến +85
THIẾT KẾ PHẦN MỀM TƯƠNG THÍCH VỚI GIAO THỨC MẠNG THỜI GIAN THỰC
Kiến trúc phần mềm Master
Mục tiêu đầu tiên của firmware Master là đưa Master vào được trạng thái Running (Hình 4-1) Tại mỗi sate cần phải đọc và ghi một số thanh ghi cụ thể để tiến được state tiếp theo Ví dụ như M_INIT_DONE = 1 sau khi Initial sate xong
Hình 4-1 Các trạng thái của Master
Sau khi vào được Running state, Master truyền các data điều khiển cho Slave thông qua chương trình ngắt với tín hiệu ngắt ngoài nhận từ MNM1221 chân XSYNC
4.1.1 Quy trình giao tiếp vật lý
Hàm đọc thanh ghi của PIC được viết theo yêu cầu timing của MNM1221 (Hình 4-2 và Bảng 4-1)
Hình 4-2 Timing cho chu trình đọc thanh ghi của MNM1221
Bảng 4-1 Các giá trị đinh thời cần lưu ý trong quá trình đọc
Unit Min Typ Max t RC Read cycle time 240 ns t CS Chip select setup time is the delay from stable addresses and stable XCS to valid data at the output pins
180 ns t RDH Read pulse hold time 45 ns t RPH Read pulse width high 45 ns t OE Output enable time is the delay from the falling edge of XRD to valid data at the output pins (Assuming the addresses have been stable for at least tRC-tCS time)
180 ns t WAER Wait enable time is the delay from the falling edge of
XRD to valid XWAIT at the read mode
25 ns t WAPHR Wait pulse width high at the read mode 140 200 ns
Vì tốc độ của một cycle của PIC hiện đang dùng là 200ns nên sẽ không gặp vấn đề trong việc đợi các giá trị bên MNM1221 được set
34 Tương tự, sử dụng yêu cầu timing cho quy trình ghi để viết hàm ghi (Hình 4-3 và Bảng 4-2)
Hình 4-3 Timing cho chu trình ghi vào thanh ghi MNM1221
Bảng 4-2 Các giá trị đinh thời cần lưu ý trong quá trình ghi
Min Typ Max t WC Write cycle time 120 ns t AS Address setup time 0 ns t CS Chip select setup time 0 ns t AH Address hold time 120 ns t CH Chip select hold time 0 ns t WP Write pulse width 120 ns t WRH Write pulse hold time 45 ns t WPH Write pulse width high 45 ns t DS Data setup time 45 ns t DH Data hold time 0 ns t WAEW Wait enable time is the delay from the falling edge of
XWR to valid XWAIT at the write mode 25 ns t WAPHW Wait pulse width high at the write mode 60 120 ns
35 Để làm rõ quá trình làm việc của hai hàm quan trọng này lưu đồ giải thuật được trình bài ở Hình 4-4
Hình 4-4 Hàm đọc và ghi trong PIC24F
4.1.2 Kiến trúc frame truyền dữ liệu
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 (Hình 4-5)
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 (Hình 4-6) Các slave có thể set MACID không theo thứ tự và đăng ký nhiều hơn một Block bộ nhớ (Hình 4-7), điều này dẫn đến việc quét vị trí của bộ nhớ đệm ứng với từng MACID là bắt buộc trong lập trình firmware
Hình 4-5 Cấu trúc bộ nhớ đệm đôi Hình 4-6 Phân vùng địa chỉ các thanh ghi của MNM1221
Thông thường một Slave sẽ đăng ký một Block với 16 bytes sẽ đủ các thông tin cần truyền, ví dụ như Hình 4-8 là một frame truyền của servo A6 của Panasonic được đăng ký trong hệ thống mạng RTEX, với 16 bytes data sẽ được quy định chức năng như trong hình
So với frame truyền của Ethernet Type II (Hình 4-9) ta thấy RTEX chỉ tập trung vào data cần truyền nhận, không phải xử lý các header address, type Ở Hình 4-8 từ byte0 đến byte3 thực tế vẫn là data nhưng được servo quy định, chứ không phải là header của mạng RTEX Khi truyền cho một Slave thuần, toàn bộ các byte đều có thể đọc ghi tùy theo nhu cầu người điều khiển
Hình 4-7 Sơ đồ đăng ký MACID và số Block bộ nhớ đệm của Slave
Hình 4-8 Block data của AC servo motor A6
Hình 4-9 Frame truyền phổ biến của chuẩn Ethernet Type II.
Slave
Chu trình đọc và ghi thanh ghi của Slave giống với Master Về cơ bản chương trình của Slave sẽ bị động cho đến khi vào Cycle Run của RTEX (Hình 4-10), lúc bấy giờ Slave sẽ chủ động tiếp nhận và xử lý data có được từ Master, tiếp đó có thể: ON/OFF cổng I/O, truyền data qua I2C, hiển thị data lên terminal qua cổng USB.
Chương trình khởi tạo cho chip Physical layer
Là chương trình chung bắt buộc của cả Master và Slaver, để setup KSZ8041 cho phù hợp với mạng RTEX, việc này được làm gián tiếp từ PIC24F setup MNM1221, sau đó MNM1221 setup KSZ8041 Tham khảo Hình 4-11 và Hình 4-12 để thấy rõ hơn quá trình
Hình 4-10 Các trạng thái của Slave
Hình 4-11 Chu trình setup KSZ8041 1/2
Hình 4-12 Chu trình setup KSZ8041 2/2
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Thiết lập thí nghiệm
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
- Thiết lập mạng RTEX giữa Master và 5 Slave
- Master nhận lệnh từ máy tính và bắt đầu gửi lệnh cho 5 slave
- Thử nghiệm tính đồng bộ: data logger ghi thời điểm phản hồi của 5 slave
Từ đó có thể tính: độ trễ phản hồi lệnh, sai số đồng bộ và jitter
- Thử nghiệm gửi lệnh Profile position control qua mạng RTEX, lấy dữ liệu phản hồi về từ chính mạng này (vận tốc, vị trí)
ID của AC servo: từ 1 đến 4, riêng Reference Slave setup trên firmware là 0
Sau khi kết nối thành công và Master vào trạng thái RUNNING (Hình 4-1) thì tiến hành gửi lệnh vào TX buffer (Hình 5-2) Với 4000 chu kỳ giao tiếp trong đó có 2000 chu kỳ Trun ta sẽ nhận được 2000 data các tín hiệu phản hồi từ Master và các Slave
Hình 5-2 Sơ đồ khối các quá trình lấy dữ liệu của thí nghiệm.
Thiết lập output để lấy dữ liệu đồng bộ
Khi bắt đầu một chu kỳ mạng mới (mỗi 2ms), toggle mức điện áp một chân output tại thời điểm trước khi gửi dữ liệu ở buffer TX Giá trị toggle sẽ theo bit EX-OUT1 (Hình 4-13)
46 Tại đầu mỗi chu kỳ mạng, quét vào byte 3 của RX lấy giá trị của bit EX-OUT1 (Ứng với buffer TX, byte 3 bit EX-OUT1 của Master trong Hình 4-13) Cách thức output này sẽ có thay đổi trong qua trình thí nghiệm để đạt được giá trị mong muốn, cụ thể có giải thích trong phần 5.2.2
Toggle mức điện áp một chân output với giá trị bit EX-OUT1 vừa nhận In lên terminal giá trị bit EX-OUT1
Dùng phần mềm Panaterm để cài giá trị SO1 ứng với INP (In Position) (Hình 5-3) Các cài đặt khác như In Position Range (Pr4.31) set về 0 để tín hiệu chỉ output khi servo dừng đúng vị trí, Pr4.32 mặt định 0 tín hiệu tích cực mức thấp, INP hold time (PR4.33) mặc định 0 để tín hiệu chỉ reset khi nhận vị trí mới (Hình 5-4) Cài đặt tương tự cho tất cả 4 Servo
Hình 5-3 Các tùy chỉnh I/O của Servo
Hình 5-4 Pr4.31, Pr4.32, Pr4.33: các tùy chỉnh cho tính hiệu INP
5.1.1 Quy định các mốc thời gián tính sai số
Thời gian ghi nhận tín hiệu phản hồi được quy định như sau (Hình 5-5) :
• tm: thời gian ngay trước khi master gửi lệnh vào buffer TX
• ts0: thời gian khi thực thi tín hiệu phản hồi nhận từ RX của Reference Slave
• ts1 đến ts4: thời gian khi AC servo hoàn thành di chuyển đến vị trí set
Hình 5-5 M: Master, S0: Reference Slave, S1-4: Slave Servopacks Các t x là thời gian ghi nhận tín hiệu phản hồi Để làm rõ mối quan hệ giữa các biến thời gian, đồng thời quy định ký hiệu của các sai số ta tham khảo Hình 5-6 t m t s0 t s1 t s2 t s3 t s4
Hình 5-6 Biểu đồ định thời lấy mẫu đồng bộ cho thí nghiệm
49 Với các quy định trên ta có công thức tính sai số như sau:
𝑑 𝑛 𝑚 : độ trễ từ khi Master bắt đầu truyền lệnh chạy cho đến khi hoàn thành vị trí
𝑑 𝑛 𝑠0 : sai số đồng bộ của các Servopacks so với Reference Slave
𝑑 𝑛 𝑠1 : sai số đồng bộ giữa các Servopacks so với Servopack ID1
Theo Hình 5-6, nếu 𝑑 𝑛 𝑚 , 𝑑 𝑛 𝑠0 , 𝑑 𝑛 𝑠1 có giá trị âm thì tín hiệu đồng bộ trễ hơn tín hiệu chuẩn, ngược lại giá trị dương tin hiệu đồng bộ sớm hơn tín hiệu chuẩn Trong thí nghiệm này ta có 3 tín hiệu làm chuẩn bao gồm: Master, Reference Slave và Servopack ID1 Tham khảo Bảng 5-1 để thấy công thức cụ thể cho thí nghiệm với số
Bảng 5-1 Công thức tính sai số ứng với từng trường hợp với số servopacks là 4
50 Master với một chu kỳ set vị trí Tset, một chu kỳ tiến hành chạy đến vị trí mới
Trun Ở chu kỳ Tset tín hiệu phản hồi output ở mức cao, còn ở chu kỳ Trun tín hiệu output ở mức thấp Vậy cần quan tâm là thời gian 𝑡 𝑚 của cạnh xuống của tín hiệu, tại đó lệnh chạy (0x17) bắt đầu truyền lên TX của RTEX để động cơ chạy đến vị trí mới
Biến 𝑠 0 (𝑘) chứa bit có giá trị giống với tín hiệu phản hồi của Master Khi Reference Slave nhận được bit 𝑠 0 (𝑘) từ RX của RTEX sẽ output tín hiệu để data logger ghi nhận thời gian ở cạnh lên và cạnh xuống, tuy nhiên giống như Master ta chỉ quan tâm cạnh xuống của tín hiệu là 𝑡 𝑠0
Biến 𝑥 𝑛 𝑑 (𝑘) chứa vị trí mới cho AC servo, khi nhận được biến này ở chu kỳ Tset,
AC Servo sẽ reset output In Position về mức cao (Low Active) và đợi lệnh chạy từ Master ở chu kỳ tiếp theo Trun để tiến hành chạy Tương tự như ở Master và RS, ta chỉ quan tâm thời gian 𝑡 𝑠1→4 tại canh xuống của tín hiệu
Tham khảo Bảng 5-3 cung cấp vị trí các biến 𝑠 0 , 𝑥 𝑛 𝑑 trong frame truyền TX buffer của mạng RTEX.
Kết quả thu được
5.2.1 Thời gian thực thi lệnh từ Master đến các Salve
Bảng 5-2.Công thức được dùng khi Master làm chuẩn.
Master output ngay trước khi gửi data vào TX sẽ giúp thu được thời gian cần thiết để xử lý tín hiệu của từng Slave từ đó đưa ra hiệu chỉnh phù hợp cho Firmware của Slave 0 Ngoài ra còn có được độ trễ một cách khái quát từ lúc bắt đầu gửi lệnh di chuyển đến lúc hoàn thành di chuyển (In Position) của các AC servo
Bảng 5-3 Các giá trị cần quan tâm trong TX buffer của Master bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 byte0 MAC-IDn byte1 Tset: command code = 0x10/ Trun: command code = 0x17 byte2 Servo On = 1 byte3 Tset: s0 = 1/Trun: s0 = 0 byte4
Tset: 𝑥 𝑛 𝑑 = reference position (command unit)
Trun: Không quan tâm, chạy đến khi đạt được giá trị đặt ở Tset trước đó byte5 byte6 byte7 byte8 byte9 byte10 byte11 byte12
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
Trong Hình 5-7.(a) ta nhận thấy đồ thị phân bố trong khoản -745 đến -750 đạt đỉnh tại -744 (às) Trong khi đú cỏc AC servo (Hỡnh 5-7.(b), (c), (d) và (e))cú phõn bố sai số đa số nằm trong khoản -865 đến -870 và đạt đỉnh tại -867 (às) Điều này cú hai lý do:
• Firmware của Reference Slave output tín hiệu phản hồi ngay khi đọc được byte3 của RX buffer (là byte chứa bit 𝑠 0 )
• Các AC servo phải tiến hành di chuyển một đoạn 𝑥 𝑛 𝑑 (𝑘) rồi mới output
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
54 Để RS output tín hiệu gần với thời điểm các AC Servo bắt đầu chạy, ta sẽ chỉnh sửa firmware sao cho khi nhận xong 16 bytes RX mới tiến hành output Trong Hình
5-8 là kết quả khi lấy mẫu 𝑡 𝑠0 mới, từ đó tính 𝑑 𝑠0 𝑚 ta thấy giá trị rơi vào khoản -855 đến -853 đỉnh ở -854 (às) tiến gần đến vựng phõn bố sai số của cỏc AC servo
5.2.2 Sai số đồng bộ giữa Reference Slave và các trục AC Servo
Bảng 5-4 Công thức được dùng khi RS được dùng làm chuẩn
Lấy giá trị thời điểm output của Reference Slave làm chuẩn để tính sai lệch đồng bộ với các AC Servo Chia làm 2 trường hợp trước và sau khi điều chỉnh thời điểm output cho RS Giá trị này rất có ý nghĩa khi cần phát triển một thiết bị Slave mà ở đó có thể phối hợp với các AC Servo hay các thiết bị công nghiệp khác hỗ trợ mạng RTEX Trong trường hợp này ta có thể xem RS là một I/O Slave trong hệ thống mạng
Trong Hỡnh 5-9 thể hiện khoản cỏch lớn lờn đến hơn -120às giữa tớn hiệu phản hồi của Reference Slave và các AC Servo Như đã nói đến ở mục 5.2.1 điều này là do firmware của RS và thời gian di chuyển của các AC Servo, mà phần lớn trong đó là do vị trí output phản hồi của RS
Sau khi chỉnh sửa firmware, độ trễ này được cải thiện đỏng kể từ lớn hơn -120às xuống cũn dưới -16às (Hỡnh 5-10)
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
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
Hình 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
58 Theo Hình 5-11 ta thấy được sự khác biệt lớn, khi các giá trị độ trễ của (e) và (a), (f) và (b), (g) và (c), (h) và (d) đều giảm khoản 9 lần
5.2.3 Sai số đồng bộ giữa bốn trục AC Servo
Bảng 5-5 Công thức được dùng ứng với Servo ID1 làm chuẩn
Khi xét đến đồng bộ của bốn trục AC Servo, lấy trục ID1 làm chuẩn từ đó tính giá trị sai lệch output giữa các trục AC Servo Giá trị này cung cấp biên độ Jitter trong quá trình chạy phối hợp của các trục AC Servo Khi giá trị này càng nhỏ thì khả năng phối hợp đồng bộ giữa các trục càng cao, giúp điều khiển các cơ cấu chấp hành càng chính xác và an toàn Giá trị này không qua tâm đến độ trễ gửi lệnh từ Master đến tới servopacks hay Reference Slave (do RS không tham gia vào motion control) Độ rộng phân bố của cả 3 biểu đồ (a), (b) và (c) trong Hình 5-12 đều vào khoản 4às Với cỏc đỉnh rơi vào -1 às ở (a) và (b), +1 às ở (c) Yờu cầu của Panasonic là Jitter rơi vào khoản ±1às tuy vẫn cú trường hợp rơi ra khỏi biờn độ này tuy nhiờn ta có thể thấy hơn phân nữa các samples đã nằm trong biên độ an toàn
Hình 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
5.2.4 Profile position control thông qua mạng RTEX
Như ở các thí nghiệm trên, frame truyền ở TX vẫn tương tự, tuy nhiên các giá trị vị trí và vận tốc sẽ đủ lớn để động cơ chạy được hết profile vận tốc (Bảng 5-6)
Bảng 5-6 Các giá trị reference sẽ gửi, đơn vị của vị trí là command unit, vận tốc là command unit/second
Trong thí nghiệm này, các các reference thứ k được gửi thủ công qua mạng RTEX Cụ thể k1 được gửi sau khi mạng RTEX đi vào trạng thái Running và Servo trạng thái On, k2 gửi sau khi gửi thành công k1, k3 được gửi sau khi servo hoàn thành vị trí 10000000 command unit, k4 được gửi vào thời điểm sau khi gửi thành công k3 Thời gian giữa k1 và k2, k3 và k4 không có ràng buộc, sau khi gửi xong reference ở k1 và k3 servo sẽ chỉ đợi lệnh run là tiến hành chạy
Gia tốc được gán bằng phần mềm Panaterm vào thanh ghi Pr8.1 và Pr8.4 (Hình 5-13) Tương tự như vị trí và vận tốc, đơn vị của gia tốc sẽ là 10000command unit/s 2 Theo như trong hình thì ta có gia tốc tăng bằng gia tốc giảm bằng 10 × 10000 100000 command unit/s 2
Hình 5-13 Cài đặt giá trị gia tốc tăng, gia tốc giảm
Quy đổi command unit ra radian
Command unit được tính dựa trên 3 thanh ghi là Pr0.8, Pr0.9 và Pr0.10 Nếu sử dụng Pr0.8 (Pr0.8 ≠ 0) thì Pr0.9 và Pr0.10 sẽ bỏ qua Ý nghĩa của Pr0.8 là số command unit cho một vòng quay của động cơ, command unit per revolution Ở thí nghiệm này Pr0.8 được đặt giá trị 10000 Ví dụ gửi lệnh chạy theo vị trí tuyệt đối 𝑥 0 𝑑 000000 động cơ sẽ dừng ở vị trí 360,000 o hay 2000π (rad) Lưu ý là vị trí và vận tốc được servo phản hồi về ở đơn vị command unit Vậy ta có công thức quy đổi như sau:
Theo Hình 5-14 ta thấy vị trí và vận tốc bốn động cơ chạy đúng theo giá trị gửi lên servo thông qua RTEX Để làm rõ tính đồng bộ của bốn động cơ, ta lấy dữ liệu vị trí và vận tốc của động cơ ID1 làm chuẩn, từ đó tính sai số khi so sánh với ba động cơ còn lại (Hình 5-15 và Hình 5-16)