Điều khiển mờ và giao thức CAN trong đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC

Điều khiển mờ và giao thức CAN trong đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

-o0o -BK TP.HCM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ GIAO THỨC CAN TRONG ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ HỆ ĐỘNG CƠ DC

GVHD : KS LÊ NGỌC ĐÌNH SVTH : NGUYỄN GIA MINH THẢO

MSSV : 40402363

TP HỒ CHÍ MINH , 1/ 2009

Thành phố Hồ Chí Minh ===================================Khoa: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bộ môn: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: MSSV:……….NGÀNH: ….LỚP:…………

1 Đầu đề luận án:

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

3 Ngày giao nhiệm vụ luận án:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

1) _ _2) _ _3) _ _Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua bộ môn

Ngày _ tháng _ năm

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ: _

Điểm tổng kết:

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người hướng dẫn)

1 Họ và tên SV: _

2 Đề tài : _

3 Họ tên người hướng dẫn :

4 Tổng quát về bảng thuyết minh :

Số tài liệu tham khảo _ Phần mềm tính toán _Hiện vật (sản phẩm ) _

5 Tổng quát về các bản vẽ :

- Số bản vẽ tay số bản vẽ trên máy tính

6 Những ưu điểm chính của LVTN :

7 Những thiếu sót chính của LVTN:

8 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

9 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng :

a) b) c)

10 Đánh giá chung (bằng chữ :giỏi, khá, TB ) : Điểm / 10

Ký tên(ghi rõ họ tên )

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người phản biện)

1 Họ và tên SV: _

2 Đề tài : _

3 Họ tên người phản biện : _

4 Tổng quát về bảng thuyết minh :

Số tài liệu tham khảo _ Phần mềm tính toán _Hiện vật (sản phẩm ) _

5 Tổng quát về các bản vẽ :

- Số bản vẽ tay số bản vẽ trên máy tính

6 Những ưu điểm chính của LVTN :

7 Những thiếu sót chính của LVTN:

8 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

9 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng :

a) b) c)

10 Đánh giá chung (bằng chữ :giỏi, khá, TB ) : Điểm / 10

Ký tên(ghi rõ họ tên )

Trước hết xin cảm ơn ba mẹ , gia đình đã là nguồn động viên rất lớn và là chỗ dựa vữngchắc nhất của con trong suốt quá trình học tập.

Kính gửi đến thầy LÊ NGỌC ĐÌNH lời cảm ơn chân thành và sâu sắc, cảm ơn thầy đãtận tình hướng dẫn, chỉ dạy em từ các đồ án môn học cho đến khi hoàn thành luận văn tốtnghiệp

Em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô của trường đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung,quý thầy cô của khoa Điện-Điện tử và bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng đã tận tìnhgiảng dạy , trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học đại học

Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trìnhhọc tập và thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn tất cả

Thành phố Hồ Chí Minh ,tháng 1 năm 2009

Nguyễn Gia Minh Thảo

Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng giải thuật điều khiển kết hợp với vi điều khiển để ổnđịnh và đồng bộ tốc độ hệ động cơ điện một chiều ( động cơ DC ).

Đề tài được thực hiện như sau: Sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ kết hợp với vi điềukhiển 16-bit MC9S12DP512 để ổn định và đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC Mô hình phần cứngbao gồm 3 mô-đun mạch : mô-đun 0 đóng vai trò làm trung tâm điều khiển-giám sát toàn hệthống , mô-đun 1 điều khiển động cơ 1, mô-đun 2 điều khiển động cơ 2

Vi điều khiển trên mô-đun 1 sẽ nhận tốc độ đặt từ người dùng ,sử dụng giải thuật điềukhiển PI-Mờ để điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) điều khiển động cơ 1 chạyđúng theo tốc độ đặt , đồng thời truyền giá trị tốc độ của động cơ 1 cho vi điều khiển trên mô-đun 2 qua Port A của 2 vi điều khiển Vi điều khiển trên mô-đun 2 sẽ lấy giá trị tốc độ củađộng cơ 1 từ Port A để làm tốc độ đặt , và sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ để điều rộngxung ( PWM ) điều khiển động cơ 2 chạy đúng theo tốc độ của động cơ 1

Cả 3 mô-đun đều được kết nối với nhau trong mạng CAN ( Controller Area Network) đểhai mô-đun 1 và 2 có thể truyền nhanh dữ liệu về mô-đun 0 (có vai trò là trung tâm điềukhiển-giám sát) cho người dùng có thể giám sát Thêm vào đó , kết hợp với máy vi tính đặt tạimô-đun 0, người dùng có thể điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

Kết quả đạt được thỏa mãn khá tốt yêu cầu đề ra: Điều khiển ổn định được tốc độ động

cơ DC , đồng bộ được tốc độ của 2 động cơ DC Thay đổi tốc độ khá linh hoạt Xây dựngthành công mạng CAN dùng để kết nối các mô-đun trong hệ thống , cho phép điều khiển vàgiám sát toàn hệ thống từ máy vi tính hay từ mô-đun điều khiển trung tâm

Đề mục Trang

Nhiệm vụ luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……… ……… 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế 2

1.3 Nhiệm vụ của luận văn 5

1.4 Thực hiện 5

1.5 Sơ lược về mô hình hệ thống 7

1.5.1 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống 7

1.5.2 Mô tả hoạt động của mô hình hệ thống 7

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ , ĐIỀU KHIỂN PID ……….… 9

2.1 Lý thuyết điều khiển Mờ 9

2.1.1 Giới thiệu về Logic Mờ 9

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản 11

2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 14

2.1.4 Bộ điều khiển mờ 17

2.2 Lý thuyết điều khiển PID 20

2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P 20

2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD 20

2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI 21

2.2.4 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID 21

2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID 22

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT GIAO THỨC CAN……… 24

3.1 Giới thiệu ( CAN: Controller Area Network ) 24

3.2 Giao thức CAN ( CAN Protocol ) 26

3.2.1 Nội dung giao thức 26

3.2.4 Cấu trúc bức điện 32

3.2.5 Cấu trúc bit trong giao thức CAN 35

3.2.6 Truy cập và giải quyết tranh chấp trên đường truyền 37

3.2.7 Sự đồng bộ xung clock 38

CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN….40 4.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ điện một chiều ( Động cơ DC ) 40

4.2 Sơ lược về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 44

4.2.1 Điều khiển từ thông 45

4.2.2 Điều khiển điện áp phần ứng 46

4.2.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 47

4.3 Phương pháp điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) 48

4.4 Giới thiệu về Encoder được sử dụng trong luận văn 50

CHƯƠNG 5: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN HCS12 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN MC9S12DP512……….53

5.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển HCS12 53

5.1.1 Các thành phần cơ bản của bộ xử lý 55

5.1.2 Các chế độ hoạt động 56

5.2 Vi điều khiển được sử dụng trong Luận văn - MC9S12DP512 58

5.2.1 Các Port xuất nhập đa dụng 60

5.2.2 Khối chức năng thời gian ( Timer ) 63

5.2.3 Bộ điều rộng xung ( PWM ) 67

5.2.4 Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ ( SCI ) 70

5.2.5 Khối chức năng Key-WakeUp 72

5.2.6 Khối Mô-đun chức năng CAN ( Controller Area Network ) 73

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG……… 79

6.1 Cấu trúc phần cứng của các mô-đun trong mô hình 79

6.2 Các khối mạch chức năng trên mô-đun điều khiển động cơ và mô-đun trung tâm .80

6.2.1 Khối mạch vi điều khiển trung tâm 81

6.2.2 Khối mạch giao tiếp máy vi tính qua cổng nối tiếp 82

6.2.3 Khối giao tiếp CAN 84

6.2.4 Khối giao tiếp song song giữa 2 mô-đun điều khiển 2 động cơ 85

6.2.5 Khối bàn phím điều khiển động cơ ( 4 phím) 85

6.2.6 Khối bàn phím chọn các chế độ hoạt động cho mô hình 86

6.2.9 Khối hiển thị LCD 91

6.2.10 Khối mạch động lực điều khiển động cơ 92

6.2 Khối nguồn 24/12/5 Vdc cung cấp cho mạch động lực và động cơ 94

6.3 Sơ đồ mạch BDM-Pod :Mạch dùng để Nạp ,Debug cho họ HCS12 95

Hình ảnh thật của mô hình phần cứng luận văn……….… 96

CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH……….……… 97

7.1 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ , ổn định tốc độ động cơ DC 97

7.1.1 Sơ lược sơ đồ khối và hệ phương trình toán 97

7.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ 98

7.1.3 Cách tính tốc độ của động cơ DC được sử dụng trong luận văn 102

7.2 Cách thức điều khiển từ máy vi tính ( PC ) 103

7.3 Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển trên các mô-đun 110

7.3.1 Lưu đồ giải thuật đoạn chương trình MAIN 112

7.3.2 Trình tự chi tiết trong các chương trình con và 5 chương trình phục vụ Ngắt 116

CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC , HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……… 123

8.1 Một số hình ảnh về hoạt động của hệ thống 123

8.1.1 Tại giao diện trên máy tính ở mô-đun điều khiển động cơ 1 123

8.1.2 Hình ảnh tại giao diện trên máy tính và mô-đun ở trung tâm điều khiển ……… 125

8.2 Các kết quả đã đạt được 127

8.3 Một số điểm hạn chế 128

8.4 Hướng khắc phục các điểm hạn chế và phát triển đề tài 128

8.4.1 Hướng khắc phục các điểm hạn chế 128

8.4.2 Hướng phát triển đề tài 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO………130 PHỤ LỤC: BẢN VẼ TỔNG HỢP SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÁC MẠCH

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

- Cùng với công cuộc công nghiệp hóa-hiện đại hóa của đất nước , lĩnh vực tự động hóa cónhững bước phát triển vượt bậc và trở thành yếu tố quan trọng không thể thiếu của nềncông nghiệp hiện đại Khi nói đến tự động hóa là nói đến sự thay thế dần dần đến hoàntoàn các hoạt động chân tay bằng máy móc trong các dây chuyền sản xuất

- Trong nền công nghiệp hiện đại và phát triển , các dây chuyền sản xuất hoạt động chủyếu dựa trên các máy móc , dưới sự điều khiển và giám sát của con người Khi có càngnhiều máy móc và nhiều công đoạn sử dụng máy móc thì sự phối hợp ăn khớp hay còn gọilà sự đồng bộ giữa các công đoạn là điều cần phải quan tâm Điều này càng được chútrọng trong các lĩnh vực cần có độ chính xác tốc độ của các động cơ cao như: ngành côngnghiệp vải , giấy , dệt ,…

- Xét một ví dụ đơn giản về ứng dụng của sự đồng bộ , như mô hình băng chuyền sau:

Hình 1.1: Mô hình băng chuyền có 2 trục quay

+ Trong mô hình băng chuyền này ta có 2 động cơ: động cơ 1 dùng để kéo trục xả vàđộng cơ 2 dùng kéo trục cuốn

+ Yêu cầu điều khiển là: Động cơ 1 và động cơ 2 luôn phải hoạt động ổn định ở cùng mộttốc độ đặt trước , ngay cả khi băng tải vận chuyển các hàng hóa có khối lượng khácnhau Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 cũng phải thay đổi tốc độ theo-phùhợp với sự thay đổi của động cơ 1 , để băng tải không quá đùn hay quá căng

- Qua các dẫn chứng trên , ta nhận thấy vấn đề được đặt ra ở đây là: Sự ăn khớp , đồng bộđó từ đâu mà có? Sử dụng phương pháp nào để có thể ổn định được tốc độ các động cơ vàđiều khiển chúng hoạt động đồng bộ tốc độ với nhau ? Ngoài ra, khi hệ thống có nhiều dâychuyền ở xa nhau, làm sao để điều khiển đồng bộ và giám sát tất cả hoạt động của các

dây chuyền đó? Đây chính là ý tưởng cho đề tài của Luận Văn này.

- Đồng bộ tốc độ động cơ điện xoay chiều (động cơ AC ) hay động cơ điện một chiều (động

cơ DC ) đều được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Phạm vi của Luận văn là giải quyết bài toán đồng bộ tốc độ động cơ DC

1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế

 Phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ AC dùng biến tần

Hình 1.2: Sơ đồ đồng bộ tốc độ động cơ AC sử dụng biến tần

Bộ tỷ lệ AnalogBiến tần 2

Động cơ AC 2

Biến tần 1

- Biến tần 1 có nhiệm vụ điều khiển động cơ 1 chạy đúng tốc độ đã đặt Encoder sẽ phảnhồi tốc độ thật của động cơ 1 và đưa vào bộ tỉ lệ analog Sau đó biến tần 2 sẽ điềukhiển động cơ 2 chạy theo đúng tốc độ mà động cơ 1 đang chạy.

- Ưu điểm : được dùng cho các động cơ AC có công suất lớn và điều khiển tốc độ rất tốt

- Nhược điểm: cần sử dụng nhiều biến tần mà giá thành của một bộ biến tần là khá cao

 Phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ tốc độ động cơ DC

Hình 1.3 : Điều khiển tốc độ động cơ DC dùng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha

- Các bộ điều khiển 1 và 2: sử dụng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha để điều khiểnổn định tốc độ động cơ DC có hồi tiếp , với phản hồi ở vòng trong là dòng điện và phảnhồi ở vòng ngoài là vận tốc

- Bộ điều khiển 1 sẽ điều khiển động cơ 1 chạy đúng theo tốc độ đặt Tốc độ thật củađộng cơ 1 sẽ được truyền đến cho bộ điều khiển 2 để điều khiển động cơ 2 chạy đúngtheo tốc độ này

- Ưu điểm: Hệ thống điều khiển nhiều vòng nên điều khiển ổn định tốc độ động cơ tốt

- Nhược điểm: Cách thiết kế bộ điều khiển dùng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha thìphức tạp , yêu cầu có nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử công suất

Bộ điều khiển 1 Động cơ DC 1

Phản hồi: Vòng trong-dòng điện ; vòng ngoài-tốc độ

Bộ cập nhật tốc độ động cơ 1( Encoder hay Tacho generator )

Bộ điều khiển 2Động cơ DC 2

Phản hồi: Vòng trong-dòng điện ; vòng ngoài-tốc độ

 Một số hình ảnh về ứng dụng thực tế của đồng bộ tốc độ động cơ

+ Trong dây chuyền sản xuất bánh kem:

Hình 1.4: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ - dây chuyền sản xuất bánh kem

+ Trong hệ thống nhuộm vải:

Hình 1.5: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ – hệ thống nhuộm vải

+ Trong máy xeo giấy:

Hình 1.6: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ trong máy xeo giấy

1.3 Nhiệm vụ của luận văn

- Tìm hiểu động cơ điện một chiều ( động cơ DC ) và các phương pháp điều khiển tốc độđộng cơ DC

- Sử dụng các giải thuật điều khiển ( kinh điển , hiện đại ,thông minh ) và kết hợp với viđiều khiển nhằm thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC , thỏa mãn các yêu cầu : đápứng quá độ , sai số xác lập , đảm bảo hoạt động tốt ở nhiều mức vận tốc và ổn định ngaycả khi tải thay đổi…

- Thiết kế và thi công các mạch điều khiển và mô hình có ít nhất 2 động cơ để tượng trưnghệ thống nhiều động cơ

- Viết chương trình điều khiển với 2 mục đích chính : Thứ nhất là ổn định tốc độ của một

động cơ DC ,sau đó là điều khiển đồng bộ tốc độ của tất cả các động cơ trong hệ thống

– nghĩa là: Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 , động cơ 3… phải thay đổi tốc độvà luôn bám theo động cơ 1

- Đồng thời phải điều khiển và giám sát được hoạt động của tất cả các động cơ từ mạchđiều khiển và từ máy vi tính

1.4 Thực hiện Luận văn được lấy tên là:

ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ GIAO THỨC CAN TRONG ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ HỆ ĐỘNG CƠ DC

- Động cơ DC được sử dụng trong luận văn là động cơ DC 24V-20W , được gắn đồng trụcencoder quang loại tương đối ( 100 xung/vòng ) Mô hình của luận văn gồm 2 động cơ

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID , Logic Mờ và đã thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ (với luật hợp thành mờ 5x5 cho từng tham số: K , P K , D α ) để điều khiển ổn định tốc độ

động cơ DC Đây là bộ điều khiển tích hợp giữa bộ điều khiển PI kinh điển và Logic Mờ, tổng hợp được các ưu điểm của điều khiển kinh điển và điều khiển thông minh

- Vi điều khiển được sử dụng trong luận văn là MC9S12DP512 , thuộc họ vi điều khiểnHCS12 của hãng Motorola ( HCS12 là họ điều khiển 16-bit được phát triển từ các họ viđiều khiển 68HC11 / 68HC12 ) Đây là vi điều khiển khá mạnh, tốc độ nhanh, hoạtđộng ổn định , tích hợp nhiều mô-đun chức năng phù hợp với các yêu cầu của đề tài

- Đã tìm hiểu và thiết kế một mạng truyền thông để điều khiển và giám sát tất cả các hoạtđộng 2 động cơ trong mô hình của luận văn ( khi mở rộng có thể là nhiều động cơ ) Giao thức truyền thông được chọn là giao thức CAN ( Controller Area Network ) vì cácđặc điểm sau:

+ Có tính ổn định , tốc độ truyền khá cao ( 1 Mbit/s trên khoảng cách 40m) , truyềnđược dữ liệu lớn , đáp ứng thời gian thực , … , phù hợp với yêu cầuđiều khiển và giám sát hệ thống của đề tài - đặc biệt khi mở rộng ra hệ thống có nhiều động cơ

+ Vi điều khiển MC9S12DP512 có hỗ trợ giao thức CAN và IC lái ( Transceiver ) chomạng CAN như : MCP2551 của hãng MicroChip có giá rẻ , rất dễ kiếm trên thị trường

- Thiết kế và thi công 3 mô-đun mạch , gồm: 2 mô-đun trực tiếp điều khiển 2 động cơ

(mô-đun 1 , mô-(mô-đun 2), một mô-(mô-đun có vai trò là trung tâmđiềukhiển-giám sát hệ thống (

mô-đun 0 ) Bao gồm các khối mạch: mạch nguồn 24/12/5 VDC cung cấp cho động cơ và

khối mạch động lực , mạch vi điều khiển (sử dụng nguồn 5 VDC riêng) và các khối mạchgiao tiếp : RS232 , CAN , đồng hồ thời gian thực , LCD dùng để hiển thị , phím nhấn…

- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên máy vi tính, sử dụng ngôn ngữ VisualBasic 6 Từ đó người sử dụng có thể thiết lập các thông số để điều khiển và giám sát hệ

thống ngay trên máy tính đặt tại mô-đun điều khiển động cơ số 1 ( còn gọi là động cơ

“chủ” trong mô hình ) hay tại trung tâm điều khiển của toàn hệ thống

- Mô hình hệ thống hoạt động khá tốt , đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của luận văn đề ra vàcòn được mở rộng thêm một số chức năng khác

1.5 Sơ lược về mô hình hệ thống

1.5.1 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống

Hình 1.7: Mô hình của hệ thống trong luận văn

1.5.2 Mô tả hoạt động của mô hình hệ thống

- Mỗi mô-đun ( 1 và 2) sẽ điều khiển ổn định tốc độ một động cơ DC tương ứng:

+ Vi điều khiển với thuật toán điều khiển PI-Mờ sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển cho mạchđộng lực điều khiển động cơ chạy theo đúng tốc độ đặt bằng phương pháp Điều rộngxung PWM

- Hai vi điều khiển MC9S12DP512 trên 2 mô-đun điều khiển số 1 và số 2 được kết nối vớinhau qua 2 port giao tiếp song song ( Port A, H ) nhằm trao đổi nhanh thông tin về tốc độ:+ Vi điều khiển trên Mô-đun 1 điều khiển tốc độ động cơ 1 theo tốc độ đặt trước, và gởitốc độ thật của động cơ 1 ra Port A (Chu kỳ gởi là 20ms và chỉ gởi khi giá trị tốc độ thật của động cơ 1 có thay đổi ) , và đọc giá trị tốc độ thật của động cơ 2 từ Port H để hiển thị

lên LCD và máy vi tính

+ Vi điều khiển trên mô-đun 2 sẽ đọc giá trị tốc độ từ Port A , điều khiển động cơ 2 chạytheo đúng tốc độ này(lúc đó tốc độ động cơ 2 sẽ bám theo và phụ thuộc vào động cơ 1 )

, và gởi tốc độ thật của động cơ 2 ra Port H (Chu kỳ đọc gởi cũng là 20ms )

- Cả ba mô-đun gồm: 2 mô-đun điều khiển và mô-đun giám sát (mô-đun 0) được kết nối vớinhau qua mạng CAN :

+ Tất cả dữ liệu của 2 mô-đun điều khiển như : tốc độ các động cơ , chế độ hoạt động …đều được gởi đến mô-đun giám sát ( hay là mô-đun trung tâm) , từ đó được gởi lên máytính được đặt tại mô-đun này (chuẩn RS232C ) để: Hiển thị, vẽ đồ thị kiểm chứng,….+ Từ mô-đun 0 hay máy tính đặt tại trung tâm , ta có thể điều khiển và giám sát được tấtcả các động cơ trong mạng với các chế độ điều khiển đã định trước

- Ngoài ra , còn có một số chức năng được mở rộng như:

+ Từ trung tâm, ta có thể điều khiển cả 2 động cơ chạy cùng tốc độ , chạy và dừng lại cùnglúc mà không phụ thuộc vào nhau Và cũng có thể điều khiển riêng lẻ từng động cơ

+ Có 2 chế độ điều khiển : chế độ điều khiển bằng tay ( Manual ) và chế độ điều khiển Tựđộng (Auto) Trong chế độ tự động, hệ thống tự hoạt động theo thời gian cài đặt từ trước

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ , ĐIỀU KHIỂN PID

2.1 Lý thuyết điều khiển Mờ

2.1.1 Giới thiệu về Logic Mờ ( Fuzzy Logic )

- Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh công bố lần đầu tiên tại Mỹ vào năm

1965, tại trường đại học Berkeley, bang California, Mỹ Từ đó, lý thuyết mờ đã có nhiều pháttriển và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển-tự động hóa

- Năm 1970 , tại trường đại học Mary Queen , thành phố Lodon – nước Anh , EbrahimMamdani đã sử dụng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiểnbằng kỹ thuật cổ điển

- Tại Nhật , logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của hãng Fuji Electronic vàonăm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987 Tuy Logic mờ ra đời ở Mỹ , ứngdụng đầu tiên ở Anh , nhưng lại phát triển và ứng dụng nhiều nhất ở Nhật

- Ưu điểm của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổnghợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác.Điều này thực sự rất hữu dụng cho các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền

- Điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin “không chính xác” hay không đầy đủ, nhữngthông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng với nhau vàcũng chỉ có thể mô tả bằng ngôn ngữ nhưng vẫn có thể đưa ra những quyết định chính xác.Điều khiển mờ hay còn gọi là điều khiển “thông minh”, mô phỏng trên phương thức xử lýthông tin và điều khiển của con người, khởi đầu cho sự ứng dụng của trí tuệ nhân tạo tronglĩnh vực điều khiển

- Xét một ví dụ về logic Mờ:

Có một người đang lái thuyền canô trên sông, khi đó người lái thuyền canô được xem như là

thiết bị điều khiển và chiếc thuyền canô là đối tượng điều khiển Nhiệm vụ của người lái

thuyền canô là điều khiển thuyền canô tới bến an toàn Muốn tìm hiểu phương thức thực hiệnnhiệm vụ đó của người lái thuyền canô thì phải xem xét người đó phải xử lý những thông tin

gì và xử lý chúng như thế nào

+ Đại lượng điều khiển thứ nhất là hướng di chuyển của mũi thuyền, phụ thuộc vào dòng

sông phía trước của thuyền Người lái thuyền có nhiệm vụ điều khiển chiếc thuyền đi đúngphần sông quy định, tức là phải luôn giữ cho thuyền nằm trong phần bên phải của dòng sông (gần về phía bờ bên phải của dòng sông hơn , nhưng tránh không quá gần bờ để thuyền khỏi bịmắc cạn ), trừ trường hợp phải vượt chiếc thuyền khác Để làm công việc này , người láithuyền không cần phải biết một cách chính xác rằng chiếc thuyền của mình hiện đang cách bờsông bên phải bao nhiêu bao nhiêu met , mà chỉ cần nhìn vào dòng nước trước mặt : người đócó thể suy ra được rằng chiếc thuyền hiện đang cách bờ sông bên phải nhiều hay ít, có cònnằm phía bên phải của dòng sông không và từ đó đưa ra quyết định phải đánh tay lái sangphải mạnh hay nhẹ

+ Đại lượng điều khiển thứ hai là tốc độ của thuyền canô Với nguyên tắc: để cảm thấy

chuyến đi được thoải mái và tiết kiệm xăng, người lái thuyền có nhiệm vụ giữ nguyên tốc độcủa thuyền, tránh không giảm tốc hoặc tăng tốc khi không cần thiết Giá trị về tốc độ thuyềnmà người lái xe phải giữ cũng phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố như: Thời tiết mưa hay nắng,cảnh quan, mật độ thuyền trên sông…, và cũng còn phụ thuộc thêm là người lái thuyền cóquen đoạn sông đó hay không? Tuy nhiên quy luật điều khiển này cũng không phải cố định

Giả sử trước mặt có một chiếc thuyền khác , có kích cỡ lớn , đi chậm hơn và choáng vị trí

dòng sông phía trước Vậy thì thay cho nhiệm vụ giữ nguyên tốc độ, người lái thuyền phải tạmthời thực hiện một nhiệm vụ khác: là giảm tốc độ thuyền và tự điều khiển thuyền theo mộttốc độ mới, phù hợp với sự phản ứng của chiếc thuyền phía trước cho tới khi người lái thuyềnđiều khiển thuyền của mình vượt qua được chiếc thuyền kia

+ Ngoài 2 đại lượng điều khiển trên, người lái thuyền cũng phải quan tâm đến các trạngthái của thuyền như: Động cơ của thuyền hoạt động có quá nóng không , hệ thống chân quạt

nước ( chân vịt ) còn đảm bảo không , thuyền có bị vào nước do bị thủng không… để có thểkịp thời sửa chữa ,tránh bị đắm thuyền, hay gây tai nạn trên sông.

+ Đối tượng điều khiển là chiếc thuyền cũng có những tham số thay đổi cần phải được thu

thập và giám sát thường xuyên cho công việc ra các quyết định về đại lượng điều khiển Sự

thay đổi các tham số đó, người lái thuyền có thể nhận biết được trực tiếp qua các đèn báo hiệutrong thuyền, song cũng có thể gián tiếp qua phản ứng của thuyền với các đại lượng điềukhiển

+ Người lái thuyền đã thực hiện tốt chức năng của mộtbộ điều khiển: Từ thu thập thông

tin, thực hiện thuật toán điều khiển cho đến khi đưa ra tín hiệu điều khiển kịp thời mà khôngcần biết một cách chính xác về vị trí, tốc độ, tình trạng… của thuyền Hoàn toàn ngược lại vớikhái niệm điều khiển chính xác, người lái thuyền cũng chỉ cần đưa ra những đại lượng điềukhiển theo nguyên tắc xử lý “mờ” như:

- Nếu thuyền hướng nhẹ về phía giữa dòng sông và có xu hướng qua phía bên trái dòngsông thì đánh tay lái nhẹ sang phải Còn nếu thuyền hướng đột ngột ra phía giữa dòngsông và có thể đi lấn sâu qua phía bên trái dòng sông thì đánh mạnh tay lái sang phải

- Nếu thuyền hướng nhẹ về phía bờ sông bên phải thì đánh tay lái nhẹ sang trái Còn nếuthuyền hướng đột ngột ra phía bờ sông bên phải và có thể bị mắc cạn do quá gần bờ thì

đánh mạnh tay lái sang trái

- Nếu thuyền chạy cùng chiều với dòng nước chảy, mật độ thuyền trên sông ít, tầm nhìnkhông bị hạn chế: tốc độ của thuyền có thể cao hơn bình thường một chút

- Nếu dòng sông có mật độ thuyền đông , tầm nhìn bị hạn chế: tốc độ của thuyền có thểthấp hơn bình thường một chút

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản:

- Một cách tổng quát , hệ thống mờ là tập hợp các qui tắc dưới dạng : If… Then ( Nếu

…Thì ) để mô phỏng hành vi của con người và tích hợp vào cấu trúc của điều khiển của hệthống

- Kỹ thuật thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, tùy thuộc rất nhiềuvào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế Ngày nay , tuy kỹ thuật Mờ đã có nhiều pháttriển vượt bậc ,nhưng vẫn chưa có một cách thức chuẩn và hiệu quả cho việc thiết kế hệ thốngmờ Việc thiết kế vẫn dựa trên kỹ thuật rất cơ bản là: Thử – Sai – Sửa , mất nhiều thời giancho việc chỉnh sửa để đạt được một kết quả có thể chấp nhận được.

2.1.2.1 Định nghĩa tập mờ, và các thuật ngữ liên quan

 Định nghĩa Tập mờ:

- Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp cácgiá trị(x,μ F(x)) trong đó x∈X và μ là ánh xạ F μ F : →X [ ]0,1

+ Ánh xạ μ được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ F F

+ Tập kinh điển X được gọi là tập nền của tập mờ F

- Hàm liên thuộc:

- Cho một tập hợp A, ánh xạ μA: A→ được định nghĩa như sau:R

A x

μ , được gọi là hàm thuộc của A

- Một tập luôn cóμ X( =x) 1 với mọi x được gọi là không gian nền (tập nền)

- Vậy với khái niệm như trên thì hàm thuộcμ của tập A có tập nền X sẽ được hiểu là ánh A

xạμ A :X →{0,1}

Hình 2.1: Hàm liên thuộc

- Độ cao: Độ cao của tập mờ F (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị: h=supμ F(x),x∈X

- Miền xác định: Miền xác định của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở X) được ký hiệu bởi S

là tập con của M thỏa mãn: T ={x∈X |μ F(x)>0} ; M: tập rõ cơ sở

- Miền tin cậy : Miền tin cậy của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở X) được ký hiệu bới T là

tập con của M thỏa mãn:T ={x∈X|μ F(x)=1}

2.1.2.2 Biến ngôn ngữ

- Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống sử dụng logic mờ Ở đây , các thành

phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh kết hợp với nhau

- Mỗi giá trị ngôn ngữ của biến được xác định bằng một tập mờ định nghĩa trên tập nền làtập các số thực chỉ giá trị vật lý của biến

Ví dụ: Khi đo nhiệt độ của một phòng , ta có các khái niệm như: nhiệt độ rất lạnh, hơi lạnh,

trung bình, hơi nóng và rất nóng Theo kinh nghiệm ta có thể chọn dưới 150C là rất lạnh, C

0

20 làhơi lạnh,250C làtrung bình, 300C làhơi nóng, trên350C làrất nóng.

+ Vậy với một nhiệt độ t ta có một ánh xạ như sau:

t

μ μ μ μ μ μ

+ Aùnh xạ như trên còn gọi là quá trìnhMờ hóa của giá trị rõ nhiệt độ t.

2.1.2.3 Các phép toán trên tập mờ

- Giao của hai tập hợp: μ A∩B =μ A(x).μ B(x)=min{μ A(x),μ B(x)} (2.1)

- Hợp của hai tập hợp: μ A∪B =μ A(x)+μ B(x)−μ A(x).μ B(x)=max{μ A(x),μ B(x)} (2.2)

2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ

2.1.3.1 Mệnh đề hợp thành:

- Khái niệm: Mệnh đề hợp thành tương ứng với một luật điều khiển thường có dạng:

IF < mệnh đề điều kiện > THEN < mệnh đề kết luận >

- Nguyên tắc Mamdani :

“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện” (Nguyêntắc này thường được sử dụng để mô tả mệnh đề hợp thành mờ trong điều khiển)

- Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề tổng quát có dạng như sau:

- Quy tắc hợp thành MIN :Xét mệnh đề hợp thành A⇒ B, ta có giá trị của mệnh đềhợp thành mờ là một tập mờ B’định nghĩa trên nền Y (không gian nền cuả B) vàcó hàm liên thuộc là: μ B'(y)=min{μ A,μ B(y)}

- Quy tắc hợp thành PROD

Xét mệnh đề hợp thành A⇒ , ta có giá trị của mệnh đề hợp thành mờ là mờ là một tập mB’B

định nghĩa trên nền Y (không gian nền cuả B) và có hàm liên thuộc là: μ B'(y)=μ A μ B(y)

2.1.3.2 Luật hợp thành mờ :

 Khái niệm Luật hợp thành mờ là một tập hợp R của một hay nhiều mệnh đề hợp

thành

+ Nếu một luật hợp thành chỉ có một mệnh đề hợp thành thì gọi là luật hợp thành đơn

+ Nếu một luật hợp thành có nhiều hơn một mệnh đề hợp thành thì gọi là luật hợp thànhkép Phần lớn các hệ mờ trong thực tế có mô hình là luật hợp thành kép.

Các luật hợp thành mờ cơ bản:

+ Luật hợp thành MAX - MIN

+ Luật hợp thành MAX - PROD

+ Luật hợp thành SUM – MIN

+ Luật hợp thành MAX – PROD

 Luật hợp thành MAX-MIN

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp được thựchiện theo quy luật MAX

 Luật hợp thành MAX-PROD

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp được thựchiện theo quy luật MAX

 Luật hợp thành SUM-MIN

- Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp đượcthực hiện theo quy luậtLukasiewicz.

- Phép hợpLukasiewicz: μ A∪B(x)=min{1,μ A(x)+μ B(x)} (2.4)

 Luật hợp thành SUM-PROD

Các hàm liên thuộc được xác định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp được thựchiện theo quy luậtLukasiewicz.

2.1.3.3 Giải mờ

Giải mờ là quá trình xác định rõ đầu ra từ hàm phụ thuộc của tập mờ.

Có nhiều phương pháp được dùng trong bước này :

+ Nguyên lý cực đại : hay còn gọi là phương pháp độ

cao, chỉ dùng cho loại tập mờ ra có đỉnh nhọn, được

biểu diễn qua biểu thức

μ(z*) ≥ μ(z), ∀z ∈ Z Trong trường hợp có nhiều đỉnh nhọn hay giá trị cực đại không phải là một điểm duynhất thì người ta sử dụng :

+ Trung bình các cực đại (MoM):

2

21

+ Cực đại đầu tiên (LoM): z* = z1

+ Cực đại cuối cùng (RoM): z* = z2

+Phương pháp trọng tâm ( CoG – Center of Gravity

hay CoA – Center of Area) : thường dùng trong các

ứng dụng, được biểu diễn qua biểu thức

∫

∫

=

dz z

zdz z z

)(

)

(

*

μ μ

+ Phương pháp trung bình theo trọng số (CoM – Center of Maximum) : là một biến dạng của

phương pháp trọng tâm khi thay dấu tích phân bằng dấu sigma, được dùng nhằm đơn giản hóasự tính toán, phù hợp với các điều khiển nhỏ

Các tập mờ ra có dạng singleton :

∑

∑

=

)(

μ μ

Các tập mờ ra không có dạng đỉnh, nhưng đối xứng :

∑

∑

=

)(

μ μ

μ

z z*

μ

z z*

μ

z z1 z2 z z1 z2

μ

z z1 z2 z3

μ2 μ3 μ1 μ

z z1 z2

+ Phương pháp trọng tâm diện tích lớn nhất : tính theo phương pháp trọng tâm nhưng áp dụng

trong trường hợp có ít nhất vùng trên tập nền ra, tính trên vùng có diện tích lớn nhất

 Có rất nhiều phương pháp giải mờ , trong thực tế thường chỉ dùng: Phương pháp trọng tâm, trung bình theo trọng số hay trung bình các cực đại Phương pháp trọng tâm hay phương

pháp trung bình theo trọng số cho kết quả mang tính chất thỏa hiệp các tập mờ ra, thường dùngtrong các ứng dụng điều khiển Trong khi phương pháp trung bình các cực đại cho kết quảmang tính dung hòa các tập mờ ra, thường dùng trong các ứng dụng nhận dạng và phân loại

2.1.4 Bộ điều khiển mờ

2.1.4.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển Mờ gồm 3 khâu cơ bản :

+ Khâu mờ hóa

+ Thực hiện luật hợp thành mờ

+ Giải mờ

Ví dụ : Bộ điều khiển mờ MISO ( nhiều đầu vào- một đầu ra ) , với vector đầu vào là:

Hình 2.4: Ví dụ về bộ điều khiển mờ MISO

2.1.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.5: Nguyên lý điều khiển mờ

Các nguyên lý thiết kế hệ thống điều khiển mờ :

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: Mờ hóa , các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ ,tích phân , viphân…

+ Thiết bị hợp thành: Sự triển khai luật hợp thành mờ

+ Giao diện đầu ra gồm: Khâu giải mờ và các khâu trực tiếp với đối tượng

2.1.4.3 Trình tự thiết kế một bộ điều khiển mờ :

- Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

+ Số lượng tập mờ

+ Xác định hàm phụ thuộc

+ Rời rạc hóa tập mờ

- Bước 3: Xây dựng luật hợp thành

- Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành

- Bước 5: Giải mờ và tối ưu hóa

Một số nhược điểm của điều khiển Mờ:

- Tuy điều khiển mờ có nhiều phát triển ,nhưng cho đến bay giờ vẫn chưa có các nguyên tắcchuẩn mực cho việc thiết kế cũng như chưa có thể khảo sát tính ổn định, tính bền vững, chấtlượng, quá trình quá độ cũng như quá trình ảnh hưởng của nhiễu… cho các bộ điều khiển mờvà nguyên lý tối ưu cho các bộ điều khiển này về phương diện lý thuyết Điểm yếu của lýthuyết mờ là những vấn đề về độ phi tuyến của hệ, những kết luận tổng quát cho các hệ thốngphi tuyến hầu như khó đạt được

- Nhằm khắc phục nhược điểm đó , có một hướng giải quyết bài toán thiết kế hệ thống điềukhiển tự động rất hiệu quả là: Kết hợp giữa các phương pháp điều khiển kinh điển ( điềukhiển P, PI, PD, PID ; điều khiển biến trạng thái) với logic mờ ,nhằm tận dụng ưu điểm của cảhai phương pháp ( kinh điển và mờ )ø Đó là nguyên nhân ra đời các bộ điều khiển tích hợpnhư:

+ PID – Mờ

+ PID – Mờ Thích Nghi

2.2 Lý thuyết điều khiển PID

Các khâu hiệu chỉnh P , PD , PI , PID và cách thiết kế bộ điều khiển PID

2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P

- Hệ số tỉ lệ càng lớn sai số xác lập càng nhỏ

- Trong đa số các trường hợp hệ số tỉ lệ càng lớn độ vọt lố càng cao, hệ thống càng kémổn định

2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD

- Là trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh sớm pha, trong đó độ lệch pha cực đại giữatín hiệu ra và tín hiệu vào là: , tương ứng với tần số

Hình 2.6: Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD

- Khâu hiệu chỉnh PD làm nhanh đáp ứng của hệ thống, nhưng cũng làm cho hệ thống

rất nhạy với nhiễu tần số cao Chú ý: Thời hằng vi phân càng lớn đáp ứng càng nhanh

2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI

Hình 2.7: Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI

- Chú ý: Thời hằng tích phân càng nhỏ độ vọt lố càng cao

2.2.4 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID

- Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển , bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đanăng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứu chothấy: Hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển PID Bộ điều khiểnPID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh , độ vọt lố thấp ) và triệt tiêu sai số xác lập

- Khâu hiệu chỉnh PID: Làm nhanh đáp ứng quá độ , tăng bậc vô sai của hệ thống.

Hình 2.8: Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID

2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID

- Trường hợp 1: Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng nấc có dạng chữ S

của hệ hở ( sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols )

Hình 2.9: Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols

i

p + ++ Bảng 2.1: Chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo Ziegler – Nichols

- Trường hợp 2: Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ

kín ở biên giới ổn định

- Tăng dần giá trị hệ số khuyếch đại K của hệ kín đến giá trị giới hạn K ( Nghĩa là giá trị gh

lớn nhất để hệ thống vẫn còn ổn định , nếu tăng thêm nữa thì hệ thống sẽ mất ổn định) Lúc đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định với chu kỳT gh

Hình 2.10:Hệ thống ở biên giới cố định

+ Bảng 2.2: Chọn thông số cho bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng hệ thống ở biên giới

ổn định

- Ngày nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO11898 ; và từ năm 1991 , CAN cóchuẩn phát triển cuối cùng là Version 2.0 ( gồm : Version 2.0A và Version 2.0B) Hầu nhưmọi nhà sản xuất chip lớn như: Intel, NEC, siemens, Motorola, Maxim IC, Fairchild,Microchip, Philips, Texas Instrument, Mitsubishi, Hitachi, STmicro đều có sản xuất ra chipCAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành ngoại vi ( peripheral ) của vi điều khiển Do đó việcthực hiện chuẩn CAN trở nên cực kỳ đơn giản , rút gắn thời gian thiết kế và chi phí thực hiệnrẻ.

- Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn ( Reliability and Safety ) Nhờ

cơ chế truy cập-chống xung đột đường truyền khá thông minh : CSMD/CD ( Carrier Sense

Multiple Access / Collision Detecsion) và cơ chế phát hiện , xử lý lỗi cực mạnh, nên tất cảLỗi hầu như được phát hiện Theo thống kê, xác suất để một khung truyền của CAN bị lỗimà không được phát hiện là:

Hình 3.1: Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN

Nghĩa là: Giả sử cứ 0.7s thì môi trường tác động lên đường truyền CAN làm lỗi 1 bit, Tốc độ

truyền là 500 kbits/s ; Hoạt động 8h/ngày và 365ngày/ năm

Thì trong vòng 1000 năm, trung bình sẽ có một khung truyền bị lỗi mà không phát hiện

- Mạng CAN thuộc loạihệ thống dựa vào bức điện (message base system), khác với hệ thống dựa vào địa chỉ ( address base system)::

+ Nhữnghệ thống dựa vào địa chỉ thì mỗi node được gán cho một địa chỉ cố định,nên khi

có thêm hay bớt đi 1 hay một nhóm node trong hệ thống này – thì bắt buộc phải thiết kếlại qui trình giám sát mạng , dẫn đến tốn nhiều thời gian và chi phí

+ Nhữnghệ thống dựa vào bức điện sẽ có tính mở hơn vì: Mỗi loại bức điện (message) sẽ

được gán một số căn cước Khi thêm, bớt một node hay thay một nhóm node bằng mộtnode phức tạp hơn cũng không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống Có thể có vài node cùngnhận bức điện và cùng thực hiện một công việc ( task ), hay thực hiện những công việckhác nhau, cũng có thể là không làm gì cả… Do đó hệ thống điều khiển phân bố dựatrên mạng CAN có tính mở và linh hoạt, dễ dàng thay đổi mà không cần phải thiết kế lạitoàn bộ hệ thống

- Ngoài ra , CAN thường được dùng để truyền dữ liệu lớn ( trong khung truyền : có thể chứatừ 0 đến 8 bytes dữ liệu ), có tốc độ truyền tương đối cao ( 1 Mbs ở khoảng cách 40m) , ổnđịnh, đáp ứng thời gian thực và trong các môi trường khác nhau

- Các chuẩn Field bus: DeviceNet, CANopen, J1939 … thường dùng trong công nghiệp chínhlà chuẩn CAN mở rộng (Lớp vật lý và Lớp liên kết dữ liệu của các chuẩn này là CAN ).

• Đó là cũng là tất cả các lý do tại sao CAN được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngànhcông nghiệp khác ngoài ôtô như : các máy nông nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa, dâychuyền sản xuất tự động v.v và trở thành giao thức giao tiếp rất phổ biến

3.2 Giao thức CAN ( CAN Protocol )

3.2.1 Nội dung giao thức

- Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các node Mỗi node có thể giao tiếp với bất kỳnode khác trong mạng Việc giao tiếp được thực hiện bằng việc truyền đi và nhận các bứcđiện - gọi làmessage Mỗi loại bức điện trong mạng CAN được gán cho một số căn cước ID

(identifier)tùy theo mức độ ưu tiên của bức điện đó Bức điện có số căn cước càng nhỏ thìcàng có mức ưu tiên càng cao

- Phương thức giao tiếp của bus CAN là sự phát tán thông tin ( broadcast ): Mỗi điểm kết nốivào mạng thu nhận khung truyền từ node phát Sau đó, nỗi node sẽ quyết định việc xử lý bứcđiện : có trả lời hay không, có phản hồi hay không… Cách thức này giống như sự phát thôngtin về đường đi của một trạm phát thanh: khi nhận được thông tin về đường đi, người lái xe cóthể thay đổi lộ trình của anh ta, dừng xe hay thay đổi tài xế hoặc chẳng làm gì cả…

- Mỗi node có thể nhận nhiều loại bức điện khác nhau, và ngược lại: một bức điện có thểđược nhận bởi nhiều node và công việc được thực hiện một cách đồng bộ trong hệ thống phânbố

- Số căn cước của bức điện phụ thuộc vào mức độ ưu tiên của bức điện Điều này cho phépphân tích thời gian đáp ứng của từng bức điện – đây là Ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kếhệ thống nhúng thời gian thực Trước khi có mạng CAN, lựa chọn duy nhất cho mạng giao tiếp

trong hệ thống thời gian thực là mạng token-ring chậm chạp.

- Công nghệ dây cáp truyền của mạng CAN đơn giản : Sự truyền dữ liệu thực hiện nhờ cặpdây truyền tín hiệu vi sai, có nghĩa là chúng ta đo sự khác nhau giữa 2 đường ( CAN_H vàCAN_L) Đường dây truyền thường được kết thúc bằng điện trở 120 Ohm (thấp nhất là 108ohm và tối đa là 132 ohm)

Hình 3.2: Mô hình ví dụ cho hệ thống sử dụng mạng CAN

3.2.2 Mô hình CAN trong OSI

- CAN trong mô hình OSI : bao gồm phần trên lớp vật lý ( Physical layer ) và lớp liên kết dữliệu ( Data link layer )

- Tiêu chuẩn ISO11898 định nghĩaLớp vật lý và Lớp liên kết dữ liệu như sau:

+ Lớp vật lý định nghĩa cách biểu diễn/thu nhận bit 0- bit 1, cách định thời và đồng bộ hóa

+ Lớp liên kết dữ liệu được chia làm 2 lớp nhỏ là Logical link control ( LLC) và MediumAccess Control (MAC) , có chức năng :

- Định nghĩa khung truyền ( frame ) và những nguyên tắc phân xử (arbitration ) để tránhtrường hợp cả hai node trong mạng cùng truyền đồng thời

- Ngoài ra, còn có thêm nhiều cơ chế khác để: kiểm tra, xử lý lỗi… Cơ chế kiểm tra,xử lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Bit error, Stuff error, CRC error, Form error, ACK error

Hình 3.3: Giao thức CAN trong mô hình 7 lớp OSI

3.2.3 Lớp vật lý

• Phương pháp mã hóa None-return-to-zero:

Mỗi bit trong mạng CAN được mã hóa bằng phương pháp None-return-to-zero (NRZ

method) Trong suốt quá trình của một bit, mức điện áp của dây được giữ nguyên, cónghĩa trong suốt quá trình một bit được tạo, giá trị của nó giữ không đổi

Hình 3.4: Phương pháp mã hóa None-return-to-zero

• Kỹ thuật Bit stuffing: Một trong những ưu điểm của cách mã hóa NRZ là mức của bit

được giữ trong suốt quá trình của nó Điều này tạo ra vấn đề về độ ổn định nếu mộtlượng lớn bit giống nhau nối tiếp Kỹ thuật Bit Stuffing áp đặt tự động một bit có giá trịngược lại khi nó phát hiện 5 bit liên tiếp trong khi truyền

Hình 3.5: Kỹ thuật Bit stuffing

• Bit Timing : Ta định nghĩa thời gian đơn vị nhỏ nhất, là Time Quantum Thời gian cơ bảnnày là một phân số của thời gian dao động của bus Một bit khoảng 8 đến 25 quantum

• Độ dài của một đường truyền (bus)

Độ dài của một đường truyền phụ thuộc vào những thông số sau: - Độ trễ lan truyền trênđường dây vật lý của đường truyền

- Sự khác nhau của thời gian Time Quantum (định nghĩa ở trên), vì sự khác nhau của xungclock tại các node

+ Biên độ tín hiệu thay đổi theo điện trở của cáp và tổng trở vào của các node

+ Cần chú ý rằng bất cứ mô-đun nào kết nối vào một bus CAN phải được hỗ trợ với tốcđộ tối thiểu là 20kbit/s Để sử dụng bus dài hơn 1 km, phải cần một hệ thống kết nốitrung gian nhưrepeater hoặc bridge.

• Trạng thái “trội” và “ lặn”

- Ở lớp vật lý, Bus CAN định nghĩa hai trạng thái là “trội” ( dominant ) và “lặn”(reccessive), tương ứng với hai trạng thái là 0 và 1 Trạng thái “trội” chiếm ưu thế so vớitrạng thái “lặn” Bus chỉ ở trạng thái “lặn” khi không có node nào phát đi trạng thái “trội”.Điều này tạo ra khả năng giải quyết chanh chấp khi nhiều hơn một Node cùng muốn chiếmquyền sử dụng đường truyền

Hình 3.7: Hai trạng thái “trội” và “lặn” trong giao thức CAN

- Tốc độ truyền dữ liệu trên CAN-bus tỷ lệ nghịch với chiều dài của Bus (đường truyền)

Hình 3.8: Mối liên quan giữa tốc độ truyền và chiều dài của đường truyền

- Bởi tính chất vật lý của bus, cần thiết phải phân biệt 2 dạng truyền:

+ Truyền CAN tốc độ thấp ( low speed )

+ Truyền CAN tốc độ cao ( high speed )

Bảng 3.1: Thông số của CAN tốc độ thấp và CAN tốc độ cao

Hình 3.9: Sơ đồ điện áp của CAN tốc độ thấp