Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o - NGUYỄN ANH TÙNG Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN hệ điều khiển chuyển động Chun ngành: Tự động hố xí nghiệp cơng nghiệp LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội - 2005 -1- MỤC LỤC Trang phụ b́ a -Mục lục Danh mục h́ nh vẽ - Lời nói đầu - Chương Truyền thông hệ điều khiển chuyển động 11 1.1 Khái quát chung hệ điều khiển chuyển động 11 1.2 Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động 13 1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển động - 13 1.2.2 Phương pháp truyền thông dùng mạng( bus) dùng cho hệ điều khiển chuyển động - 15 1.2.3 Một số mạng sử dụng để truyền thông hệ điều khiển chuyển động - 17 1.2.3.1 Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ cao( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos, ) 17 1.2.3.2 Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ thấp( CAN, RS 485, ) 19 1.3 Mô h́ nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus 20 1.4 Kết luận 22 Chương Nghiên cứu ảnh hưởng trễ truyền thông nhiễu tới hệ điều khiển, biện pháp khắc phục 23 2.1 Thời gian trễ truyền thông - 23 2.1.1 Giới thiệu 23 2.1.2 Các thành phần thời gian trễ 23 2.1.3 Ảnh hưởng trễ truyền thông tới chất lượng hệ thống - 25 2.1.4 Nguyên nhân gây trễ truyền thông biện pháp khắc phục 26 2.2 Nhiễu 27 2.2.1 Giới thiệu 27 2.2.2 Cơ sở lư thuyết lọc Kalman 27 -2- 2.2.3 Thiết kế lọc Kalman lư thuyết 30 2.3 Kết luận - 36 Chương Nghiên cứu mạng truyền thông thời gian thực dựa CAN 37 3.1 Những vấn đề CAN-bus. - 37 3.1.1 Giới thiệu CAN bus - 37 3.1.2 Lư thuyết sở giao thức CAN 39 3.1.2.1 Một số khái niệm CAN-bus 39 3.1.2.2 Các dạng frame truyền CAN 41 3.1.2.2.1 Dạng frame liệu( Data frame) 42 3.1.2.2.2 Dạng frame yêu cầu liệu ( Remote frame) 43 3.1.2.2.3 Dạng frame lỗi( Error frame) - 44 3.1.2.2.4 Dạng frame tải( Overload frame) - 45 3.1.2.2.5 Khoảng liên kết frame( Interframe space) 46 3.1.3 Các chế phát lỗi sử dụng giao thức CAN - 46 3.1.3.1 Cơ chế phát lỗi Cyclic Redundancy Check (CRC) 46 3.1.3.2 Cơ chế phát lỗi Acknowledge 47 3.1.3.3 Cơ chế kiểm tra frame (Frame Check) 47 3.1.3.4 Cơ chế giám sát bit (bit monitoring) - 48 3.1.3.5 Cơ chế kểm tra bit nhồi (bit stuffing check) 48 3.1.4 Kiểm soát lỗi giao thức CAN 48 3.1.5 Các phiên giao thức CAN - 49 3.1.6 Cơ chế đồng đường bus - 50 3.1.6.1 Khái niệm mă Non Return to Zero - 50 3.1.6.2 Khái niệm bit nhồi (stuffing bit) 51 3.1.6.3 Đồng đường bus 51 3.1.7 Kiến trúc bit truyền giao thức CAN 52 3.1.8 Chuẩn kết nối vật lư CAN - 57 3.2 Kết luận 59 -3- Chương Xây dựng mô h́ nh dùng truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển dộng 4.1 Cấu h́ nh mô h́ nh - 60 4.2 Giới thiệu thiết bị dùng để xây dựng mô h́ nh - 62 4.2.1 Giới thiệu Servo Drive IDM640 62 4.2.1.1 Tổng quan chức - 63 4.2.1.1.1 Sơ đồ khối - 63 4.2.1.1.2 Các cấu h́ nh cho ứng dụng điều khiển chuyển động - 63 4.2.1.1.3 Sensors 64 4.2.1.1.4 Tần số PWM tốc độ lấy mẫu - 65 4.2.1.1.5 Các chế độ chuyển động - 66 4.2.1.1.6 Các mode hoạt động 67 4.2.1.2 Cấu h́ nh phần cứng 67 4.2.2 Giới thiệu IPM Motion Studio ngôn ngữ bậc cao TML 68 4.2.2.1 Tổng quan IPM Motion Studio 68 4.2.2.1.1 Các bước tạo ứng dụng điều khiển IMP Motion Studio 69 4.2.2.1.1.1.Đấu nối 69 4.2.2.1.1.2 Tạo project 72 4.2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ bậc cao TML( Technosoft Motion Language) 74 4.2.2.2.1 Tổng quan. 74 4.2.2.2.2 Môi trường TML 75 4.2.2.2.3.Thực chương tŕnh 76 4.2.2.2.4.Cấu trúc chương tŕnh TML 76 4.2.2.2.5.Mă lệnh TML - 77 4.2.2.2.6.Dữ liệu TML 78 4.2.2.2.7 Công cụ phát triển TML 78 -4- 4.2.2.2.8.TechnoCAN ( CAN Communication Protocol for Technosoft Intelligent Drives) - 78 4.2.2.2.8.1 Khái niệm Relay Axis 79 4.2.2.2.8.2 ID trục mạng nhiều trục 80 4.2.2.2.8.3 Các kiểu CAN Message 82 4.2.2.2.8.4 Giao thức truyền thông CAN –bus cấu trúc diễn tả - 82 4.2.3.Giới thiệu DS1103 PPC Controller Board - 83 4.2.4 Giới thiệu phần mềm dSpace Software 85 4.2.4.1 Giới thiệu Controldesk 85 4.2.4.2 Giới thiệu RTI Block set 90 4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm kết - 100 4.3.1 Mục đích thực nghiệm 100 4.3.2 Đặt cấu h́ nh cho thiết bị dùng thực nghiệm - 101 4.3.3 Xây dựng sơ đồ Simulink cho truyền thông DS1103 Servo Drive 105 4.3.3.1 Soạn tin nhắn gửi tốc độ đặt xuống drive 105 4.3.3.2 Soạn tin nhắn hỏi giá trị thực vị trí động 107 4.3.4 Kết thực nghiệm - 111 4.3.4.1 Đồ thị mô tả trễ truyền thông 111 4.3.4.2 Giá trị đánh giá sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn tích phân - 112 4.3.4.2 Tính tồn vẹn tin nhắn 113 4.4 Kết luận 114 Kết luận 115 Tài liệu tham khảo 116 Phụ lục 117 -5- Danh mục h́ nh vẽ H́nh 1.1.1 Các phần tử tiêu biển hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.2 Cấu h́ nh hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.3 Các kiểu khác hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông hệ điều khiển chuyển động truyền thống H́nh 1.2.2.1 Cấu h́ nh mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.2.3.1.1 Cấu h́ nh mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) H́nh 1.2.3.1.2 Thông số kỹ thuật số loại bus H́nh 1.2.3.2.1 Cấu h́ nh mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp) H́nh 1.3.1 Cấu h́ nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 2.1.2.1 Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ H́nh 2.1.2.2 Lược đồ thời gian mô tả trễ hệ thống điều khiển H́nh 2.2.2.1 Thuật toán lọc Kalman H́nh 2.2.3.1 Mô h́ nh dùng lọc Kalman để lọc nhiễu cho hệ điều khiển chuyển động gồm có trục, sử dụng truyền thông CAN-bus H́nh 2.2.3.2 Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính H́nh 2.2.3.3 Mô h́ nh Simulink mô lọc Kalman cho tín hiệu vị trí H́nh 2.2.3.4.a Đồ thị giá trị đo có nhiễu giá trị đầu lọc Kalman H́nh 2.2.3.4.b Đồ thị giá trị đo có nhiễu giá trị đầu lọc Kalman H́nh 2.2.3.5.a Đồ thị giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khơng có qua lọcKalman H́nh 2.2.3.5.b Đồ thị giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khơng có qua lọc Kalman H́nh 3.1.1.1 Phương thức kết nối điểm-điểm H́nh 3.1.1.2 Phương thức kết nối bus H́nh 3.1.2.1.1 Kết nối node CAN lên Bus H́nh 3.1.2.1.2 Bảng logic Wired_End H́nh 3.1.2.1.3 Thể hai trạng thái đường truyền CAN H́nh 3.1.2.1.4 Ví dụ chế chiếm đường truyền H́nh 3.1.2.2.1.1 Dạng frame liệu H́nh 3.1.2.2.2.1 Dạng frame yêu cầu từ xa -6H́nh 3.1.2.2.3.1 Dạng frame lỗi H́nh 3.1.2.2.4.1 Dạng frame tải H́nh 3.1.2.2.5.1 Khoảng liên kết frame H́nh 3.1.3.1.1 Cơ chế phát lỗi CRC H́nh 3.1.3.2.1 Cơ chế phát lỗi Acknowledge H́nh 3.1.3.3.1 Cơ chế phát lỗi kiểm tra frame, giám sát bit kiểm tra bit nhồi H́nh 3.1.4.1 Các trạng thái lỗi bên node CAN H́nh 3.1.5.1 Các phiên giao thức CAN H́nh 3.1.6.1.1 Cơ chế mă hóa NRZ H́nh 3.1.6.2.1 Cơ chế sử dụng bít nhồi H́nh 3.1.6.3.1 Các chế đồng bus H́nh 3.1.7.1 Phân chia thời gian bit truyền CAN H́nh 3.1.7.2 Phân đoạn đồng nhận H́nh 3.1.7.3 Phân đoạn thời gian truyền CAN H́nh 3.1.7.4 Phân đoạn Phase buffer segment H́nh 3.1.7.5 Phân đoạn Phase buffer segment H́nh 3.1.7.6 Cơ chế kéo dài phân đoạn phase buffer segment H́nh 3.1.7.7 Cơ chế rút ngắn phân đoạn phase buffer segment H́nh 3.1.7.8 Một cách phân chia thời gian bit khác hay sử dụng H́nh 3.1.7.9 Điểm lấy mẫu bit truyền sớm H́nh 3.1.7.10 Điểm lấy mẫu bit truyền muộn H́nh 3.1.7.11 Biểu đồ quan hệ tốc động truyền độ dài đường truyền H́nh 3.1.7.12 Biểu đồ phân lớp giao thức CAN H́nh 3.1.8.1 Chuẩn kết nối vật lư CAN H́nh 3.1.8.2 Cơ chế truyền hai dây có khả chống nhiễu tốt H́nh 3.1.8.3 Cấu trúc kết nối đường truyền CAN theo chuẩn ISO-IS11898 H́nh 3.1.8.4 Chuẩn mức tín hiệu đuờng truyền CAN H́nh 3.1.8.5 Chuẩn kết nối connector CAN H́nh 4.1.1 Cấu h́ nh hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus H́nh 4.1.2 Cấu h́ nh hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông mạng CAN-bus -7H́nh 4.2.1.1.1.1 Sơ đồ khối IDM640 H́nh 4.2.1.1.2 Các cấu h́ nh chuyển động với động đồng bộ( PMSM) H́nh 4.2.1.1.3 Các loại sensor dùng cho IDM640 H́nh 4.2.1.1.4 Giá trị tiêu biểu cho tần số PWM tần số lấy mẫu H́nh 4.2.1.1.5 Các Mode chuyển động H́nh 4.2.1.2.1 Cấu h́ nh phần cứng IDM640-8EI H́nh 4.2.2.1.1 Cửa sổ giao diện IPM Motion Studio H́nh 4.2.2.1.1.1.1 Sơ đồ đấu nối H́nh 4.2.2.1.1.1.2 Sơ đồ cấp nguồn cho động H́nh 4.2.2.1.1.1.3 Sơ đồ đấu nối cho Hall Sensor H́nh 4.2.2.1.1.1.4 Sơ đồ đấu nối cho Encoder H́nh 4.2.2.1.1.1.5 Sơ đồ đấu nối từ Drive đến cổng RS232 máy tính H́nh 4.2.2.1.1.1.6 Sơ đồ cấp nguồn cho Drive H́nh 4.2.2.1.1.2.1 Chọn loại Drive loại động H́nh 4.2.2.1.1.2.2 Project vừa tạo H́nh 4.2.2.2.4.1 Cấu trúc tiêu biểu chương tŕnh TML H́nh 4.2.2 2.5.1 Mă lệnh TML H́nh 4.2.2.2.8.1.1 Khái niệm Relay Axis H́nh 4.2.2.2.8.2.1 Định nghĩa nhóm H́nh 4.2.2.2.8.2.1 Cấu trúc tin nhắn H́nh 4.2.2.2.8.2.2 Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus với host nối qua cổng RS232 H́nh 4.2.2.2.8.2.3 Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus có host nối trực tiếp tới mạng CAN H́nh 4.2.2.2.8.3.1 Nội dung tin nhắn “ Give Me Data” H́nh 4.2.2.2.8.3.2 Nội dung tin nhắn “ Take Data” H́nh 4.2.2.2.8.4.1 Cấu trúc tin nhắn CAN H́nh 4.2.3.1 Cấu h́ nh Board DS1103-07 sử dụng PowerPC 640e H́nh 4.2.3.2 Các thông số CAN-bus DS1103 Board H́nh 4.2.4.1.1 Cửa sổ giao diện Controldesk H́nh 4.2.4.1.2 Bốn công cụ Navigator H́nh 4.2.4.1.3 Các công cụ Tool window H́nh 4.2.4.1.4 Xây dựng kết nối đến plotter H́nh 4.2.4.2.1 Các khối thư viện RTI Blockset DS1103 -8H́nh 4.2.4.2.2 Các khối thư viện RTICAN Blockset DS1103 H́nh 4.2.4.2.3 Khối RTICAN CONTROLLER SETUP H́nh 4.2.4.2.4 Cấu trúc liệu tin nhắn tín hiệu H́nh 4.2.4.2.5 Khối RTICAN Transmit (TX) H́nh 4.2.4.2.6 Khối RTICAN Receive(RX) H́nh 4.3.2.1 Cấu h́ nh thí nghiệm H́nh 4.3.2.2 Thơng số động Sensor H́nh 4.3.2.3 Các mạch ṿng điều chỉnh Drive thông số điều khiển mạch ṿng tương ứng H́nh 4.3.2.4 Chọn mode tham chiếu cho chuyển động H́nh 4.3.2.5 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn H́nh 4.3.2.6 SW1-DIP Switch H́nh 4.3.2.7 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn H́nh 4.3.2.1 Mô h́ nh Simulink cho mô truyền thông DS1103 trục H́nh 4.3.4.1 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 10ms H́nh 4.3.4.2 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 3ms H́nh 4.3.4.2.1 Kết thí nghiệm đánh giá sai lệch vị trí H́nh 4.3.4.2.2 Đồ thị vẽ ước lượng thể mối liên hệ tích phân b́ nh phương sai lệch vị trí với chu kỳ trích mẫu Ts -9- LỜI NĨI DẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hố, đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai tṛ đặc biệt quan trọng Nếu trước để tạo sản phẩm công nghiệp th́ tác động người suốt tŕnh từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc tŕnh sản xuất, nhờ có phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đă tạo dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC), Rôbốt, … làm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Trong dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC – Computer Numeric Control) hay Rôbốt th́ chuyển động cấu đóng vai tṛ quan trọng Để cấu chuyển động xác; phối hợp với nhịp nhàng, đồng bộ; tăng tính thời gian thực hệ thống; giảm nhiễu tác động lên hệ thống … th́ người ta phải nghiên cứu để t́m cấu h́ nh, phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ điều khiển chuyển động Một yếu tố quan định đến chất lượng hệ điều khiển chuyển động truyền thông hệ điều khiển chuyển động Việc chuyển từ h́ nh thức truyền thơng tín hiệu analog (dùng dây dẫn) sang truyền thơng tín hiệu số (dùng bus) để truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động đă tạo nhiều hệ chuyển động phức tạp với tính vượt trội như: độ xác cao, cấu h́ nh đơn giản, dễ thiết kế, dễ vận hành, giảm giá thành…Nhưng muốn khai thác tối đa lợi ích sử dụng mạng truyền thơng th́ việc hiểu rơ đặc tính loại mạng điều cần thiết CAN-bus loại bus trường sử dụng rộng răi xe hơi, xe gắn máy, tự động hố tồ nhà, hệ điều khiển chuyển động, nhờ ưu điểm trội so với loại bus khác Dựa vào phân tích trên, đồ án tơi đă chọn đề tài: “Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN hệ điều khiển chuyển động” - 224 - 4.3.3 Xây dựng sơ đồ Simulink cho truyền thông DS1103 Servo Drive (gửi tín hiệu đặt vận tốc xuống drive hỏi vị trí động từ drive) Trên mô h́ nh Simulink ta thực việc truyền nhận tin nhắn khối TX RX thư viện RTICAN Blockset Tín hiệu đặt cho vị trí (là h́ nh sin được) so sánh với tín hiệu thực vị trí đưa tín hiệu điều khiển cho điều khiển vị trí PI Các tin nhắn soạn phải phù hợp với lệnh TML Có kiểu tin nhắn kiểu A (Type A) – không yêu cầu trả lời kiểu B (Type B) – Có yêu cầu trả lời Với tin nhắn loại A (Type A) ta dùng cho tin nhắn gửi tín hiệu đặt cho tốc độ xuống Drive Với tin nhắn loại B (Type B) ta dùng cho tin nhắn hỏi vị trí thực động 4.3.3.1 Soạn tin nhắn gửi tốc độ đặt xuống drive có ID =1 Biến tham chiếu để gửi tốc độ đặt EREF, có địa 0x02A8và có kiểu long/fixed (32 bít- word) Ta có lệnh TML sau: Syntax V32 = val32 Description TML instruction format V32 = val32 Operation code Data (32 bits) 0x2400| 9LSB (&V32) Name Address Type Description EREF 0x02A8 Long/fixed Biến tham chiếu tốc độ Do Message có nội dung sau: Operation code = 24A8h Data = liệu tham chiếu (4byte) - 225 - Giả sử ta gửi đến trục có ID =1 ID message có nội dung sau: CAN message Identifier Word 1: = 0480h x x 0 x Mă lệnh (7 MSB Group Axis/ Group ID (5 MSB: 24A8) bit ID7- ID3) 0010010 00000 CAN message Identifier Word 2: =20A8h Axis/Group ID (3LSB) 0 Host bit Mă lệnh (9LSB 24A8) 001 0 0 010101000 Do ta có message cho tin nhắn gửi vận tốc đặt xuống trục sau: Byte No Giá trị Chú thích 04 Byte cao CAN Message Identifier Word1 80 Byte thấp CAN Message Identifier Word1 20 Byte cao CAN Message Identifier Word2 A8 Byte thấp CAN Message Identifier Word2 Byte cao từ liệu Byte thấp từ liệu Byte cao từ liệu Byte thấp từ liệu Sử dụng khối TX mô h́ nh Simulink để truyền tin nhắn Ta đặt thông số cho khối TX sau (Soạn tin nhắn tay): • Message identifier: 048020A8h = 75505824 • Message length: byte • Trong trang Message Composition Page mục signal editor ta soạn tín hiệu sau: - 226 - o Start bit: 33( bít thứ 33) o Signal length: 32 bít o Kiểu tín hiệu: long 4.3.3.2 Soạn tin nhắn hỏi giá trị thực vị trí động Tin nhắn tin nhắn loại B, gồm có tin nhắn yêu cầu: “ Give me Data” tin nhắn trả lời “ Take Data” Biến chứa giá trị thực vị trí mô tả sau: Name Address Type Description APOS 0x228 long Actual position Giả thiết trục gửi yêu cầu có ID 16, trục trả lờI (cung cấp vị trị thực chứa biến APOS) có ID • Tin nhắn “ Give me Data” có nội dung sau: CAN Message Identifier Word1 (Op Code = B005 ID = 1) CAN Message Identifier Word2 (Op Code = B005 ID = 1) Data(1): ID trục gửi 0010h Data(2): Địa liệu yêu cầu 0228h CAN ID message có nội dung sau: CAN message Identifier Word 1: = 1600h x x 0 x Mă lệnh (7 MSB Group bit Axis/ Group ID (5 MSB: B005h) ID7- ID3) 1011000 00000 CAN message Identifier Word 2: =2005h Axis/Group ID 0 (3LSB: ID2-ID0) 001 Host Mă lệnh (9LSB B005h) bit 0 0 000000101 - 227 - Do ta có message hỏi vị trí thực trục sau: Byte No Giá trị Chú thích 16 Byte cao CAN Message Identifier Word1 00 Byte thấp CAN Message Identifier Word1 20 Byte cao CAN Message Identifier Word2 05 Byte thấp CAN Message Identifier Word2 00 Byte cao từ liệu 10 Byte thấp từ liệu 02 Byte cao từ liệu 28 Byte thấp từ liệu • Tin nhắn “ Take Data” có nội dung sau: CAN Message Identifier Word1 (Op Code = B405 ID = 1) CAN Message Identifier Word2 (Op Code = B405 ID =1) Data(1): ID trục gửi 0001h Data(2): Địa liệu yêu cầu 0228h Data(3): Giá trị địa yêu cầu byte CAN ID message có nội dung sau: CAN message Identifier Word 1: = 1682h x x 0 x Mă lệnh (7 MSB Group Axis/GroupID (5 MSB: B405h) bit ID7- ID3) 1011010 00010 CAN message Identifier Word 2: =0005h Axis/GroupID( 0 3LSB: ID2-ID0) 000 Host Mă lệnh (9LSB B405h) bit 0 0 000000101 Do ta có message trả lời vị trí thực trục sau: - 228 Giá trị Chú thích 16 Byte cao CAN Message Identifier Word1 82 Byte thấp CAN Message Identifier Word1 00 Byte cao CAN Message Identifier Word2 05 Byte thấp CAN Message Identifier Word2 00 Byte cao từ liệu 01 Byte thấp từ liệu 02 Byte cao từ liệu 28 Byte thấp từ liệu Byte No Byte cao từ liệu 10 Byte thấp từ liệu 11 Byte cao từ liệu 12 Byte thấp từ liệu Trong mô h́ nh Simulink ta sử dụng khối TX cho tin nhắn “ Give me Data” khối RX để nhận tin nhắn “ Take Data” Sử dụng khối TX mô h́ nh Simulink để truyền tin nhắn “Give me Data” Ta đặt thông số cho khối TX sau (Soạn tin nhắn tay): • Message identifier: 16002005h = 369106949 • Message length: byte • Trong trang Message Composition Page mục signal editor ta soạn tín hiệu sau: Soạn hai tín hiệu vào Tín hiệu vào thứ nhất: o Start bit: 33 (bít thứ 33) o Signal length: 16 bít o Kiểu tín hiệu: Int16 Tín hiệu vào thứ hai: - 229 - o Start bit: 49 (bít thứ 49) o Signal length: 16 bít o Kiểu tín hiệu: Int16 Sử dụng khối RX mô h́ nh Simulink nhận tin nhắn “ Take Data” Ta đặt thông số cho khối RX sau (Soạn tin nhắn tay): • Message identifier: 16820005h = 377618437 • Message length: byte • Trong trang Message Composition Page mục signal editor ta soạn tín hiệu sau: o Start bit: 65 (bít thứ 65) o Signal length: 32 bít o Kiểu tín hiệu: long Tương tự ta gửi tín hiệu đặt vận tốc xuống cho trục 2,3 hỏi giá trị vị trí thực trục trục Ta có mơ h́ nh Simulink cho khối tín hiệu liên quan đến trục sau: H́nh 4.3.2.1 Mô h́nh Simulink cho mô truyền thông DS1103 trục - 230 - Trên mô h́ nh ta thấy khối TX2 có tín hiệu vào: tín hiệu có giá trị 16 (ID trục gửi tin nhắn yêu cầu “Give me Data”), tín hiệu có giá trị 552 = 228h (Địa biến cần lấy giá trị APOS) 4.3.4 Kết thực nghiệm đánh giá 4.3.4.1 Đồ thị mô tả trễ truyền thông Thời gian trễ truyền tin nhắn thay đổi theo thời gian trích mẫu mơ tả đồ thị dưới: H́nh 4.3.4.1 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 10ms H́nh 4.3.4.2 Thời gian trễ truyền tin nhắn Ts = 3ms Khi ta thay đổi chu kỳ trích mẫu - Ts th́ đồ thị thời gian trễ truyền thông khác Hơn nữa, ứng với chu kỳ trích mẫu ta thẫy trễ truyền thơng thay đổi theo thời gian (điều giải thích tính - 231 - ngẫu nhiên nguyên nhân gây trễ truyền thống đă phân tích chương 2) 4.3.4.2 Giá trị đánh giá sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn tích phân Thay đổi chu kỳ trích mẫu đo tích phân b́ nh phương sai lệch vị trí (thời gian lấy tích phân s) Ứng với chu kỳ trích mẫu ta thực đo lần tính giá trị trung b́ nh Kết thực nghiệm H́nh 4.3.4.2.1  e (t ) dt Ts (ms) 39540 10 36467 35421 32789 34543 39876 H́nh 4.3.4.2.1 Kết thí nghiệm đánh giá sai lệch vị trí Khi ta thay đổi chu kỳ trích mẫu – Ts th́ kết độ sai lệch vị trí (được đánh giá theo  e2 ( t )dt ) khác Từ bảng kết ta vẽ ước lượng đồ thị thể liên hệ tích phân b́ nh phương sai lệch vị trí với thời gian lấy mẫu Ts (kết phù hợp với lư thuyết) Nh́ n đồ thị ta thấy chu kỳ trích mẫu Ts = 6ms th́ giá trị sai lệch vị trí đánh giá theo tiêu chuẩn tích phân có giá trị nhỏ Hơn nữa, với chu kỳ trích mẫu với lần thử nghiệm ta thu kết khác (như với Ts = 10s) - điều lư giải tính ngẫu nhiên nguyên nhân gây trễ làm ảnh hưởng tới độ xác hệ thống - 232 -  e (t ) dt H́nh 4.3.4.2.2 Đồ thị vẽ ước lượng thể mối liên hệ tích phân b́nh phương sai lệch vị trí với chu kỳ trích mẫu Ts 4.3.4.2 Tính tồn vẹn tin nhắn Khi giảm chu kỳ trích mẫu đến 2ms th́ xuất hiện tượng tín hiệu điều khiển gửi từ DS1103 xuống Drive bị (mất tin nhắn) Khi ta giảm chu kỳ trích mẫu xuống q nhỏ, điều đồng nghĩa với khoảng thời gian hai lần gửi tin nhắn từ DS1103 xuống Drive bị giảm xuống Theo bảng thông số loại bus khác chương ta thấy hệ thống dùng CAN-bus có bốn trục th́ khoảng thời gian ṿng quét cho bốn trục (thời gian trễ) vào khoảng 1ms Nên ta giảm chu kỳ trích mẫu nhỏ dẫn đến việc ṿng quét trước xử lư chưa xong th́ tín hiệu ṿng quét sau đă gửi xuống Điều đẫn đến việc bị tín hiệu điều khiển (mất tin nhắn) - 233 - 4.4 Kết luận Từ kết thực nghiệm độ xác hệ điều khiển chuyển động, thời gian trễ truyền thông, khả mạng CAN nhận ta biết giới hạn mạng CAN sử dụng để truyền thông hệ điều khiển chuyển động Điều cần thiết cho việc đáng giá mạng CAN có phù hợp với yêu cầu hệ chuyển động hay không tŕnh thiết kế Trên sở tơi nhận thấy c ̣n số vấn đề tồn tŕnh thực nghiệm như: ➢ Tại thay đổi chu kỳ trích mẫu lại ảnh hưởng đến thời gian trễ truyền thơng sai lệch vị trí (đánh giá theo tiêu chuẩn tích phân) ➢ Các thơng số thay đổi ta tăng số trục lên, tăng lượng thông tin truyền - 234 - KẾT LUẬN Việc ứng dụng truyền thông số (dùng bus) để thay cho truyền thông analog (dùng dây dẫn) đă chứng tỏ rơ tính vượt trội như: lượng thơng tin trao đổi lớn (có thể truyền theo hai chiều), khả chống nhiễu cao, cấu trúc nối dây đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu trúc hệ chuyển động, đặc biệt tăng tính thời gian thực độ xác hệ thống điều khiển Để khai thác tối đa ưu điểm phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) th́ việc nghiên cứu khảo sát đặc tính loại mạng cần thiết Dựa hiểu biết ta chọn loại mạng loại cấu h́ nh phù hợp với yêu cầu hệ chuyển động cần thiết kế Dựa vào thông số đo phần thực nghiệm để đánh giá hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thơng mạng CAN-bus, ta thấy mạng CAN dùng với tốn chuyển động có yêu cầu tốc độ cập nhật mạch ṿng vị trí khơng cao Với hệ có u cầu tốc độ cao th́ ta dùng loại mạng khác Synqnet, Sercos, Ethernet, FireWire Nhưng giao thức CAN với đặc tính riêng như: Multi-master, số lượng node thay đổi mà khơng làm nhiễu loạn đến truyền tin node khác, có chế phát hiện/kiểm sốt lỗi theo nhiều phương thức phức tạp (như CRC,…), khả giảm tác động nhiễu lớn, khả tự giải xung đột (bằng cách dùng điện với mức ưu tiên khác nhau), đồng node tin nhắn TIME STAMP… đă tạo nhiều ưu điểm dùng CAN-bus để truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động Điều khiển chuyển động phần thiếu dây chuyền, máy móc tự động Do việc nghiên cứu tạo cấu h́ nh, phương thức truyền thông để giúp cho việc điều khiển chuyển động dễ dàng hơn, nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cần thiết - 235 - Tài liệu tham khảo Mạng truyền thông cơng nghiệp – Hồng Minh Sơn Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Phạm Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Matlab Simulink - Nguyễn Phùng Quang Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering - Robert Grover Brown, Patrick Y.C Hwang www.technosoftmotion.com www.can-cia.de Các tài liệu hướng dẫn sử dụng DS1103 board IDM640 (phần cứng phần mềm) - 236 - Phụ lục Pos.m File function [sys,x0,str,ts] = pos(t,x,u,flag) % x(k+1) = A*x(k) + B*u(k) +w(k); Mô h́ nh trạng thái tŕnh ước lượng % z(k) = H*x(k) + Phép đo tŕnh ước lượng v(k); % A = Ad, B = Bd, H = Cd ,z(k) = y(k), u(k) =  (k ) A = [1 0.01994 0.000187; 0.9907 0.01807; -0.9033 0.81]; B = [0.0001585; 0.02337; 2.258]; H = [1 0]; Q = [1 0; 0; 0 1]; Ma trận phương sai ồn hệ thống R = [1]; Ma trận phương sai ồn phép đo I = [1 0; 0; 0 1]; Ma trận đường chéo P = [0.1 0.1 0.1;0.2 2; 3 3]; Ma trận phương sai sai lệch ước lượng ban đầu switch flag, % Initialization % case 0, [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes; % Update % case 2, sys = mdlUpdate(t,x,u,H,R,A,B,Q,I); % Output % case 3, - 237 - sys = mdlOutputs(t,x,u,H,R); % Terminate % case 9, sys = []; % nothing % Unexpected flags % otherwise error(['unhandled flag = ',num2str(flag)]); end %end dsfunc % mdlInitializeSizes % Return the sizes, initial conditions, and sample times for the S-function function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 12; sizes.NumOutputs sizes.NumInputs = 1; = 2; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = [0;0;0;1;1;1;1;1;1;1;1;1]; % Điều kiện ban đầu x−o , P−o str = []; ts = [.02 0]; %Chu kỳ trích mẫu - 238 - % end mdlInitializeSizes % mdlUpdate % Handle discrete state updates, sample time hits, and major time step % requirements function sys = mdlUpdate(t,x,u,H,R,A,B,Q,I) ppo = [x(4,1) x(5,1) x(6,1);x(7,1) x(8,1) x(9,1);x(10,1) x(11,1) x(12,1)]; xxo = [x(1,1); x(2,1); x(3,1)]; xx = A*xxo + B*u(1); pp = A*(I-ppo*H'*inv(H*ppo*H' + R)*H)*ppo*A' + Q; sys=[xx(1,1);xx(2,1); xx(3,1);pp(1,1);pp(1,2);pp(1,3);pp(2,1);pp(2,2);pp(2,3);pp(3,1);pp(3,2);pp(3,3)]; %end mdlUpdate % mdlOutputs % Return the output vector for the S-function function sys = mdlOutputs(t,x,u,H,R) xxx = [x(1,1);x(2,1);x(3,1)]; ppp = [x(4,1) x(5,1) x(6,1);x(7,1) x(8,1) x(9,1);x(10,1) x(11,1) x(12,1)]; xo = xxx + ppp*H'*inv(H*ppp*H' + R)*(u(2) - H*xxx); sys = xo(1,1); %end mdlOutputs ... pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động 1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển động Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng điều khiển chuyển. .. biển hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.2 Cấu h́ nh hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.1.3 Các kiểu khác hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông hệ điều khiển chuyển động truyền. .. nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN- bus Cấu h́ nh phương pháp truyền thông dùng mạng CAN cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 1.3.1 H́nh 1.3.1 Cấu h́nh truyền thông dùng CAN- bus cho hệ