Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển CNC on chip

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐỖ VĂN CẦN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC–ON–CHIP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2018 Cơng trình hồn thành Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Phản biện 1: ……………………………… Phản biện 2: ……………………………… Luận án bảo vệ Hội đồng bảo vệ cấp ĐHĐN, họp Đại học Đà Nẵng Vào lúc: , ngày tháng năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bộ điều khiển CNC (Computerized Numerical Control) ngày cải tiến kích thước, tốc độ xử lý, độ tin cậy, chất lượng gia công sản phẩm giá thành Điều này, thúc đẩy nhiều nghiên cứu điều khiển CNC Mặc dù, có nhiều nghiên cứu tích hợp các thành phần điều khiển CNC bảng mạch hay card lên IPC, cho phép người dùng thay đổi phần mềm phần cứng Tuy nhiên, các thành phần tồn cấu trúc thành phần riêng, dẫn đến giá thành khá cao, tăng kích thước khơng gian phần làm giảm độ tin cậy Vì vậy, đề xuất tác giả thực điều khiển CNC chíp nhất, tạo nên điều khiển CNC-on-Chip Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm phần cứng, phần mềm cho điều khiển CNC trục “on chip” dựa công nghệ CSoC (Customizable System on Chip) Từ đó, tác giả xây dựng điều khiển CNC-on-Chip cho phép thay đổi công nghệ thực tiễn, can thiệp các thuật toán đại nhằm góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm gia cơng, tăng độ tin cậy, tăng khả tích hợp, hướng đến giảm giá thành làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị CNC Đối tượng phạm vi nghiên cứu Bộ điều khiển CNC cho máy phay tác giả lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu luận án Tác giả giới hạn toán nghiên cứu thiết kế - cài đặt phần cứng phần mềm chíp cho điều khiển máy phay trục nhằm làm tiêu chí đánh giá khả “on chip” điều khiển CNC sử dụng công nghệ CSoC Phương pháp nghiên cứu Khảo sát, phân tích cơng nghệ CNC tìm hiểu cấu trúc, chức điều khiển CNC có Qua đánh giá kết nghiên cứu nước, tác giả đưa đặc điểm các thành phần điều khiển CNC tích hợp chíp Nghiên cứu cơng nghệ thiết kế chíp ứng dụng Từ đó, tác giả thiết kế phần cứng điều khiển CNC-on-Chip cho máy phay trục, nhằm đánh giá khả đáp ứng tài nguyên công nghệ CSoC điều khiển CNC Tiếp theo xây dựng chức tập lệnh cải tiến số chức điều khiển CNC để minh chứng thiết kế phần cứng Cuối đánh giá kiểm chứng các kết nghiên cứu mô thực nghiệm, đồng thời công bố các kết nghiên cứu các hội nghị, tạp chí ngồi nước Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về khoa học: Luận án công trình khoa học cơng nghệ việc sử dụng các thành tựu nhất cơng nghiệp sản x́t chíp, có độ tích hợp cao vào việc thực điều khiển CNC với ba thành phần MMI, NCK PLC chíp nhất Từ đó, mở hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vào việc chế tạo thiết bị điều khiển CNC thực tiễn Về thực tiễn: Với hướng luận án, tác giả cho thấy việc làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị điều khiển CNC Việt Nam hoàn toàn khả thi, mà nhiều nghiên cứu trước phụ thuộc phần lớn vào linh kiện phần cứng từ nước Bố cục chung luận án Chương 1: Tổng quan CNC lựa chọn công nghệ CSoC Chương 2: Thiết kế phần cứng điều khiển CNC-on-Chip Chương 3: Xây dựng chức tập lệnh điều khiển CNC-onChip Chương 4: Kết mô thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CSOC 1.1 Tổng quan CNC 1.1.1 Vai trò điều khiển CNC Bộ điều khiển CNC có vai trị đọc, giải mã tập lệnh (mã G/M) để tạo các giá trị đặt vận tốc, quãng đường cho hệ truyền động các trục điều khiển trục máy công cụ 1.1.2 Hệ thống tọa độ máy công cụ1 Thông thường các máy điều khiển theo chương trình số, người ta sử dụng hệ tọa độ “decade OXYZ” 1.1.3Cấu trúc chức điều khiển CNC Về bản, điều khiển CNC mô tả cấu tạo, hình dáng gồm có thành phần: Phần giao diện người – máy (MMI), phần lõi điều khiển (NCK) phần điều khiển logic khả trình (PLC) 1.1.4 Cơng cụ lập trình điều khiển CNC1 Hai cơng cụ trình bày cơng cụ băng tay (G-code) công cụ tự động (APT) 1.2 Một số nghiên cứu liên quan đến luận án 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới Những nghiên cứu phát triển thuật toán: Các nghiên cứu vào đơn lẻ, các kết mơ phỏng, khó thực điều khiển cơng nghiệp Bởi địi hỏi can thiệp sâu vào nhà chế tạo, sử dụng các thuật toán phần mềm, khó khăn cho việc cài đặt vào hệ thống điều khiển trước Vì vậy, hướng nghiên cứu thay đổi công nghệ phần cứng nhiệm vụ trọng tâm luận án Nội dung tiểu mục trình bày chi tiết tồn văn luận án Nghiên cứu ứng dụng công nghệ: Đánh giá nghiên cứu công nghệ cho thấy, cần thiết đưa công nghệ FPGA vào việc thiết kế, xây dựng điều khiển CNC Sử dụng FPGA cho tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu thời gian thực điều khiển CNC Hạn chế sử dụng FPGA thiết kế đầy đủ các chức điều khiển CNC cần rất nhiều tài nguyên phần cứng xử lý các phép toán số thực chưa hiệu phần mềm Vì vậy, kết hợp FPGA với lõi mềm hướng phù hợp việc chế tạo điều khiển CNC Nghiên cứu tích hợp cơng nghệ: Xu hướng các điều khiển ngày chế tạo tích hợp từ card gắn PC, tiến đến các “on board” nhằm giảm kích thước, giá thành, nâng cao độ tin cậy tốc độ truyền thông điều khiển CNC Vì vậy, tác giả xây dựng điều khiển CNC-on-Chip hướng phù hợp 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước Kết luận nghiên cứu nước: Nhìn chung, các thiết bị CNC nghiên cứu nhiều Việt Nam, cụ thể: - Nhóm nghiên cứu thứ nhất khí: Đây nhóm nghiên cứu chiếm đa số các cơng trình có liên quan đến gia công CNC Những nghiên cứu phần lớn vào thực nghiệm, số xây dựng dựa điều khiển máy tính; vấn đề thời gian thực thuật toán chưa xem xét thiết bị điều khiển CNC - Nhóm nghiên cứu thứ hai thiết bị điều khiển cho máy công cụ, các thiết bị điều khiển tập trung nghiên cứu so với nhóm thứ nhất Tuy nhiên, các nghiên cứu thực các thành phần đơn lẻ điều khiển CNC Các vấn đề ứng dụng cơng nghệ mới, khả tích hợp các thành phần hay các nghiên cứu thuật toán điều khiển chưa đề cập Vì vậy, tác giả lựa chọn nghiên cứu theo nhóm thứ hai cho luận án 1.3 Lựa chọn đối tượng CSoC cho điều khiển CNC-on-Chip 1.3.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển CNC-on-Chip Cấu trúc điều khiển CNC-on-Chip Hình 1.13 (phần đóng khung nét đứt) Trong đó, đầu vào khối lệnh G/M từ PC/ngoại vi, đầu quỹ đạo chuyển động dao cụ, quỹ đạo thể số lượng xung tần số xung phát điều khiển CNC-onChip cho các hệ truyền động các I/O thành phần PLC Hình 1.13: Đề xuất cấu trúc điều khiển CNC-on-Chip 1.3.2 Đặc điểm chung điều khiển CNC-on-Chip1 Yêu cầu chung điều khiển CNC-on-Chip phải đáp ứng tốc độ, giá thành, kế thừa các ưu điểm điều khiển trước 1.3.3 Các công nghệ SoC a) Công nghệ ASIC cho phép người dùng tối ưu hóa cho chi phí các phận cấu thành IC, giảm các chi phí phát sinh thiết kế, chi phí cố định giảm thời gian để phát triển IC, đặc biệt giảm đáng kể kích thước Hạn chế lớn nhất điều khiển CNC chế tạo cơng nghệ ASIC thiếu tính linh hoạt thay đổi cấu hình, tham số cho điều khiển không phù hợp cho các nghiên cứu phát triển điều khiển CNC b) Công nghệ PSoC hệ thống khả trình chíp Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC cho phép thay đổi cấu hình đơn giản cách gán chức cho các khối tài ngun có sẵn chíp PSoC cho phép người dùng thay đổi cấu trúc phần cứng, hạn chế tài nguyên c) Công nghệ FPGA xuất giải pháp cho vấn đề tranh thủ thời gian chi phí ban đầu thấp Công nghệ FPGA cho phép chế tạo nhanh điều khiển CNC có giá thành sản phẩm thấp, tạo nên sức cạnh tranh lớn thị trường Bộ điều khiển CNC thực FPGA không khả thi khơng có hỗ trợ các lõi xử lý bên ngồi Như vậy, FPGA tháo gỡ khó khăn cho công nghệ ASIC khả tái cấu trúc phần cứng tùy biến tài nguyên cho công nghệ PSoC Song, yêu cầu FPGA chứa ba thành phần MMI, NCK, PLC tích hợp ba lõi xử lý riêng vượt quá so với lõi mềm có sẵn FPGA d) Cơng nghệ CSoC tích hợp thêm dịng vi xử lý ARM vào chíp với FPGA để tạo nên loại chíp CSoC CSoC cấu tạo thành phần HPS FPGA, tích hợp chặt chẽ hai thành phần cho tốc độ băng thông lên đến 1.25 Gbp/s dựa kiến trúc AXI 1.3.4 Lựa chọn công nghệ SoC cho điều khiển CNC-on-Chip Qua phân tích các loại SoC, tác giả đến kết luận đề xuất CSoC làm đối tượng để thiết kế điều khiển CNC-on-Chip CSoC cho phép người dùng tùy biến cấu hình phần cứng phần mềm sức mạnh khác mà CSoC kết thừa từ ASIC, PSoC, FPGA 1.4 Kết luận chương Đóng góp chương lựa chọn CSoC cho điều khiển CNC-on-Chip phù hợp các nghiên cứu, phát triển chung công nghệ đáp ứng yêu cầu thay đổi phần cứng, phần mềm điều khiển CNC CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNCON-CHIP 2.1 Cấu trúc điều khiển CNC-on-Chip cho máy phay trục Trên Hình 2.1 sơ đồ khối điều khiển CNC-on-Chip cho máy phay trục Hình 2.1: Các thành phần điều khiển CNC-on-Chip 2.2 Thiết kế thành phần MMI 2.2.1 Đánh giá nghiên cứu thành phần MMI1 Máy tính hình lựa chọn làm thành phần MMI 2.2.2 Thiết kế thành phần MMI Thành phần MMI cho điều khiển CNC-on-Chip thiết kế lõi HPS Trong đó, thành phần MMI thực chức biên dịch, giải mã cấu trúc phần cứng Lõi HPS CSoC Cyclone V với kiến trúc Dual core ARM Cortex-A9 MPCore, tần số xung nhịp 100MHz, xử lý liệu 32 bit , hỗ trợ tất các giao tiếp ngoại vi, đủ đáp ứng phần mềm cho CNC-on-Chip máy phay trục 2.2.3 Thiết kế giao tiếp HPS FPGA Kết thiết kế giao tiếp HPS FPGA Hình 2.4 bảo đảm luồng liệu hai chiều đồng thời tốc độ cao Hình 2.4: Kết thiết kế hệ thống IP_AXI_System 2.3 Thiết kế thành phần NCK 2.3.1 Xây dựng ghi cho thành phần NCK1 Bao gồm: Thanh ghi lệnh, liệu, trạng thái, chế độ 2.3.2Thiết kế khối nội suy1 Khối nội suy tuyến tính, đường trịn, liên lục, mẫu thiết kế cứng FPGA 2.3.3 Thiết kế khối tăng/giảm tốc Theo nguyên lý lọc số, tín hiệu đầu vào x[n] nhập vào lọc với đáp ứng xung h[n], các tín hiệu đầu y[n] đặc trưng tích chập h[n]*x[n] Hình 2.10: Thiết kế khối tăng/giảm tốc dạng S phần cứng 11 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHỨC NĂNG TẬP LỆNH BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC-ON-CHIP 3.1 Xây dựng chức tập lệnh thành phần MMI Xây dựng chức thành phần MMI ngôn ngữ C/C++ dựa lõi HPS sau cấu hình phần cứng chương Chức phản ánh quá trình biên dịch tập lệnh M/G người dùng phần mềm trình bày chi tiết phụ lục 3.2 Xây dựng tập lệnh thành phần NCK 3.2.1 Chức giải mã khối lệnh Sau biên dịch, các khối lệnh giải mã lõi điều khiển CNC Các biến tách gán giá trị các ghi tương ứng cho lệnh chuyển tải cho chức nội suy 3.2.2 Chức nội suy a) Nội suy tuyến tính: Hình 3.4: Đề xuất thuật toán đồng xung phần cứng Thực mơ thuật toán đề x́t Hình 3.4 phần mềm Modelsim với các tham số sau: Điểm bắt đầu (1,1,1); điểm kết thúc (10,6,8) Hình 3.5 kết mô sau sử dụng thuật toán đồng xung phần cứng 12 Hình 3.6: Mơ thuật toán đồng xung phần cứng nội suy tuyến tính Trên Hình 3.6 mơ tả xung trục với chiều dài (X,Y,Z) = (9,5,7) Hệ số mô k =1 BLU số xung các trục tương ứng (9,5,7), phát xung các trục đồng thời b) Nội suy đường tròn Đề xuất tác giả cải tiến thuật toán xấp xỉ bậc thang dựa phần cứng CSoC (Hình 3.8), cụ thể: + Tăng BLU cho hướng X, + Giảm BLU cho hướng Y, + Tăng BLU cho hướng X, đồng thời giảm BLU hướng Y Hình 3.8: Thuật tốn xấp xỉ bậc thang trước sau cải tiến 13 Hình 3.9: Kết mơ thuật toán xấp xỉ bậc thang trước (a) sau cải tiến (b) Biểu diễn thuật toán xấp xỉ bậc thang cách thực nội suy các tham số sau: Điểm bắt đầu (0,10), điểm kết thúc (10,0), hướng nội suy CW, BLU=1 Trục X có 11 xung tương ứng các vị trí 1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 16 21 BLU Tương tự, trục Y có 10 xung các vị trí 2, 7, 10, 12, 14, 15, 17, 18, 19 20 BLU Trên Hình 3.9a quỹ đạo chuyển động các trục X, Y sử dụng thuật toán xấp xỉ bậc thang chưa xét đến đề xuất tác giả Kết Hình 3.9b sử dụng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến dựa CSoC Các sai lệch tối đa thuật toán 1/2 BLU tính xác thuật toán tốt so với thuật toán xấp xỉ bậc thang (sai lệch BLU), số lần lặp (15 lần) nhỏ 30% so với các thuật toán xấp xỉ bậc thang (21 lần) Sử dụng ngôn ngữ Verilog để xây dựng thuật toán cấu trúc phần cứng FPGA, có các tham số trên, dX, dY dãy phát xung X, Y (Hình 2.11) quỹ đạo các trục tương ứng, các kết hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết biểu diễn Hình 3.9 14 Hình 3.11: Kết xây dựng thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến 3.2.3 Chức tăng/giảm tốc a) Xây dựng chức tăng/giảm tốc ADCBI: Nội dung thuật toán “LookAhead” giảm tốc độ cắt giới thiệu cách xem xét lệnh tốc độ cắt chiều dài khối Tốc độ khởi động khối lại phụ thuộc tốc độ khối kế tiếp, xác định phương trình (3.10) độ dài gia tốc (3.11) V0 V f2 Sa /c 97 4/3 Jt0 24 AL (3.10) (3.11) Thuật toán xây dựng Hình 3.12 – Hình 3.14 để xác định tốc độ kết thúc khối phía trước phụ thuộc khối phía sau Hình 3.12 Thuật tốn xác định tốc độ kết thúc; Hình 3.13: tốc độ bắt đầu Hình 3.14 tốc độ khối 15 Kết thực thuật toán cho N bước, cụ thể trường hợp sử dụng 15 điểm nửa đường tròn với 14 đoạn lặp thể Hình 3.16 Kết ổn định Fmax = 304,5 < F =400 mm/phút Hình 3.16: Tốc độ sau thực tăng/giảm tốc 15 bước b) Xây dựng chức tăng/giảm tốc ADCAI: Phần thứ hai khối ADCAI xây dựng FPGA, chương trình mơ tả gia tốc ADCAI dạng S viết ngơn ngữ Verilog Hình 3.20: Kết mơ gia tốc ADCAI phần cứng Các kết thực nghiệm phần cứng CSoC cho khối tăng/giảm tốc Hình 3.20 Kết cho thấy, khối gia tốc thực dạng S CsoC, cụ thể: Các giá trị vận tốc {11, 15, 24, 49, 107, 205, 302, 361, 386, 395, 398 400} Và quá trình chuyển đổi tốc độ từ 400 sang 200 thực theo giảm tốc dạng S { 400, 398, 395, 361, 302, 205, 200} 16 3.2.4 Chức điều khiển vị trí Bộ lọc nhân sử dụng liệu vị trí liệu vị trí từ một, hai bước trước Để đánh giá ưu điểm điều khiển vị trí từ phương pháp bù feedforward, ta tiến hành mô kết quỹ đạo bám hệ thống Với kết mô sử dụng điều khiển bù feedforward (Hình 3.27) cho thấy khả đáp ứng tốt điều khiển vị trí đặt Hình 3.27: Kết thực bù xung điều khiển vị trí 3.3 Xây dựng tập lệnh thành phần PLC 3.3.1 Xây dựng chức mềm thành phần PLC Tương tự mã G, mã M có vai trị điều khiển hệ thống ngoại vi điều khiển CNC Một chương trình xây dựng để kiểm tra mã M thay dao cụ phần mềm ngôn ngữ C/C++ phần mềm thành phần PLC Thành phần PLC điều khiển CNC-on-Chip thực các chức xử lý T, S, M-code, điều khiển logic trục giao tiếp với NCK 3.3.2 Xây dựng chức cứng thành phần PLC Kết mơ quá trình thiết kế chức lọc phần cứng CSoC Hình 3.32, thời gian đáp ứng đầu theo đầu vào chu kỳ clock, chu kỳ clock Đối với chu kỳ clock thời gian đáp ứng nhanh lại không khử nhiễu thời điểm 610ps Vì thế, các thiết kế lựa chọn mức lọc cho phù hợp với các ứng 17 dụng cụ thể Ngồi ra, người dùng xây dựng thuật toán xác định mức lọc từ chương trình phần mềm CPU Hình 3.32: Mơ xây dựng phần cứng I/O với lọc mức 3.4 Kết luận chương - Đề xuất thuật toán đồng xung phần cứng cho nội suy tuyến tính, mang lại tốc độ nội suy nhanh 140% so với các phép nội suy tuyến tính điều khiển CNC trước - Đề xuất cải tiến thuật toán xấp xỉ bậc thang cho nội suy đường tròn, rút ngắn thời gian nội suy 30% so với thuật toán trước cải tiến độ xác cho quỹ đạo đặt giảm sai lệch từ BLU xuống 0,5 BLU - Xây dựng tăng/giảm tốc linh hoạt kiểu S phần cứng phần mềm trước sau nội suy CSoC giải các vấn đề: giảm sai lệch tăng/giảm tốc, rung giật hữu hạn tăng tốc/giảm tốc các chuyển động đặc biệt gây - Xây dựng thành phần PLC với thành phần NCK, MMI chíp nhất, thực số chức phần cứng để giảm tải cho CPU 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Bài tốn thực nghiệm Bài toán thực nghiệm bảo đảm các vấn đề đóng góp luận án thể chương này, kiểm chứng cách cụ thể cho các đề xuất tác giả Hình 4.1: Quỹ đạo dao cụ cho toán thực nghiệm 4.2 Kết mô 4.2.1 Mô chức tăng/giảm tốc qua lệnh G00 Phản ánh đóng góp tăng/giảm tốc dạng S phần cứng Đối với chuyển động tốc độ mặc định G00, cài đặt tần số 5kHz, hành trình di chuyển trục Z 20 mm, lựa chọn tỷ lệ cài đặt CNC-on-Chip k=500xung/mm, mất 10.000 xung thời gian hành trình trục Z 10.000 xung/5kHz = 2s Kết mô gia tốc thể Hình 4.2 2,2s; quá trình gia tốc bắt đầu kết thúc chu trình gia cơng Hình 4.2: Kết mô khối lệnh N30 G00 Z20 19 4.2.2 Mơ chức nội suy tuyến tính qua lệnh G01 Đối với tốc độ ăn dao cực đại Fmax = 1000 mm/phút xác lập tần số 5kHz Như vậy, với tốc độ ăn dao F = 400mm/phút (khối lệnh N60 G01 X100 Y60 Z80 F400) tần số lý thuyết 2kHz (trục dài) Hình 4.3: Kết mô khối lệnh N60 G01 Kết mô Hình 4.3, phản ánh đúng các nghiên cứu đóng góp luận án tần số thời gian nội suy 4.2.3 Mô chức nội suy đường tròn qua lệnh G02 Sự phát xung đồng thời trục thể thời gian kết thúc chu trình 35s Hình 4.4 phản ánh các nội dung nghiên cứu rút ngắn thời gian nội suy, giảm sai lệch từ 1BLU xuống 0,5BLU Hình 4.4: Kết mô khối lệnh N80 G02 (C D) 4.3 Kết thực nghiệm 4.3.1 Giải pháp cho hệ thống thực nghiệm Hệ thống thực nghiệm lắp ráp Hình 4.5 Tác giả tiến hành cài đặt phần cứng, phần mềm chương trình người dùng 20 Hình 4.5: Sơ đồ đấu nối thực nghiệm điều khiển CNC-on-Chip 4.3.2 Thực nghiệm hoạt động phần cứng phần mềm Hình 4.6 minh chứng chương trình phần mềm mà tác giả nghiên cứu, xây dựng CNC-on-Chip Kết này, cho thấy khả làm việc tương thích phần cứng phần mềm xây dựng chíp Hình 4.6: Thực nghiệm phần mềm điều khiển CNC-on-Chip 4.3.3 Thực nghiệm tăng/giảm tốc qua chuyển động thẳng lệnh G00 Thực nghiệm thể quá trình tăng tốc giảm tốc cho thấy xung phân bổ theo quy luật hàm S thể qua tần số xung bắt 21 đầu kết thúc, tần số ổ định 5kHz, thời gian nội suy 4,4x500ms=2,2s Hình 4.7 phù hợp với lý thuyết mơ Hình 4.7: Kết thực nghiệm lệnh G00 Để dễ dàng nhìn thấy đề xuất, tác giả biểu diễn dạng đường vận tốc quá trình tăng/giảm tốc Hình 4.8: Biểu diễn vận tốc thực tăng giảm tốc 1Hz 22 4.3.4 Thực nghiệm chức nội suy đường thẳng qua G01 Kiểm chứng đóng góp thuật toán đồng xung phần cứng thể Hình 4.11, toàn dãy xung thời gian phát xung cho trục tương ứng 25s, phù hợp với các kết nghiên cứu lý thuyết Hình 4.11: Tồn hành trình trục X, Y, Z cho G01 Để có cái nhìn trực quan hơn, tác giả biểu diễn quỹ đạo chuyển động truyến tính các trục ứng với thuật toán đề xuất Hình 4.14: Đánh giá quỹ đạo G01 thuật toán từ tham chiếu (tuần tự) thuật toán đồng xung phần cứng (song song) 23 4.3.5 Thực nghiệm chức nội suy đường trịn G02 Một đóng góp khác tác giả luận án cải tiến thuật toán xấp xỉ bậc thang cho phép nội suy đường tròn dựa phần cứng Kết cho thấy thời gian thực sau cải tiến ngắn 5x5s=25s so với chưa cải tiến 5x10s=50s độ xác cao 0,5 BLU so với chưa cải tiến BLU hai trục Để thể rõ hơn, tác giả tiến hành biểu diễn thực nghiệm với hệ số xung k=1 xung/mm kết đo Hình 4.17 Hình 4.17: Biểu diễn thuật toán xấp xỉ bậc thang trước sau cải tiến 4.3.6 Thực nghiệm chức thành phần PLC Một các đóng góp tác giả tích hợp tồn thành phần PLC lên chíp chung với thành phần MMI NCK Quá trình hoạt động thành phần PLC đồng thời với thành phần NCK Bộ điều khiển CNC-on-Chip giải mã tập lệnh phát xung cho hệ truyền động trục Cụ thể 10kHz ứng với S1000 giá trị cài đặt giá trị đầu vào cho biến tần tương ứng 0~100% 4.4 Kết luận chương Qua kết mô thực nghiệm, tác giả minh chứng tính hiệu việc thiết kế điều khiển CNC-on-Chip công nghệ CSoC xây dựng chương 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Các đóng góp luận án Đóng góp luận án thành cơng việc tích hợp ba thành phần MMI, NCK PLC điều khiển CNC chíp nhất, tạo nên điều khiển CNC-on-Chip Để đạt đóng góp trên, luận án thực các nội dung sau: - Phân tích, đánh giá đặc điểm khả ứng dụng các hệ thống chíp Từ đó, lựa chọn cơng nghệ CSoC để thay đổi công nghệ chế tạo điều khiển CNC - Thiết kế phần cứng điều khiển CNC-on-Chip dựa công nghệ CSoC phục vụ mục tiêu xây dựng các chức tập lệnh điều khiển CNC Từ kết đánh giá tài nguyên CSoC để thiết kế xây dựng điều khiển CNC-on-Chip, khắc phục hạn chế kích thước, tốc độ, độ tin cậy Đặc biệt cho phép thay đổi cấu trúc phần mềm phần cứng mà các điều khiển trước chưa thực - Xây dựng tập lệnh điều khiển CNC-on-Chip, cụ thể chức biên dịch, giải mã, nội suy, tăng/giảm tốc, tính toán bù giá trị đặt cho điều khiển vị trí dựa cấu trúc phần cứng CSoC Trong phần này, tác giả đề xuất các cải tiến nhỏ sau đây: + Đề xuất thuật toán đồng xung phần cứng; + Cải tiến thuật toán xấp xỉ bậc thang; + Xây dựng khối tăng/giảm tốc phần cứng phần mềm + Xây dựng khối bù xung feedforward tốc độ cao B Kiến nghị số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu cho luận án: - Tiếp tục mở rộng phát triển chương trình phần mềm, mở rộng các chức tập lệnh khác tích hợp thành phần drive điều khiển CNC-on-Chip DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Đỗ Văn Cần, Đoàn Quang Vinh; “Giải pháp phần cứng cho điều khiển CNC máy công cụ”; Chuyên san Điều khiển Tự động hóa, số 12 tháng 4/2015, trang 54-61 Đỗ Văn Cần, Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Phùng Quang; “Nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống truyền thông HPS – FPGA SoC”; Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa VCCA – 2015, trang 288 -294, Thái Nguyên Đỗ Văn Cần, Nguyễn Phùng Quang, Đồn Quang Vinh; “Nghiên cứu xây dựng thuật tốn nội suy đường trịn SoC”; Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa VCCA – 2015, trang 317 -322, Thái Nguyên Đỗ Văn Cần, Nguyễn Phùng Quang, Đoàn Quang Vinh; “Nghiên cứu xây dựng thuật tốn nội suy tuyến tính SoC”; ISSN 1859 - 1531 - Tạp chí KHCN-ĐHĐN, Số 11(96) 2015, 1, trang 8-12 Do Van Can, Nguyen Quang Dich, Nguyen Phung Quang; Proposed structure hardware of the CNC for Machine Tools based on System on chip; 2016 2nd International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR); 28-30 April 2016, pp 243 – 248, Hong Kong Do Van Can, Bui Van Vu, Doan Quang Vinh; Research design position controller for drive servo system based on SoC; 2016 the first international conference on Advanced, Technologies in Electrical, Electronic and communication Engineering; 19-20 August , 2016, pp 33 - 38, Da Nang Đỗ Văn Cần, Nguyễn Phùng Quang, Đoàn Quang Vinh; “Nghiên Cứu Nâng Cao Chất Lượng Gia Cơng Máy Cơng Cụ Nhờ Bộ Tăng/giảm tốc Có Cấu Trúc Linh Hoạt Trên SoCFPGA”; Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, ngày - tháng 10 năm 2016, pp 73 –81, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đỗ Văn Cần, Nguyễn Phùng Quang, Đoàn Quang Vinh; “Nghiên cứu thiết kế phần cứng điều khiển CNC-on-Chip”; Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2016, ngày 25 - 26 tháng 11 năm 2016, pp 628 – 635, Cần Thơ Đỗ Văn Cần, Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Phùng Quang, “Nghiên cứu thiết kế thành phần PLC CNC CSoC”; Chuyên san Điều khiển Tự động hóa, số 17 tháng 12/2016, trang 18-23 10 Đỗ Văn Cần, Đoàn Đức Tùng, Đoàn Quang Vinh, “Xây dựng thuật tốn cho nội suy đường trịn cho điều khiển CNC FPGA”; ISSN 1859 - 1531 - Tạp chí KHCN- ĐHĐN, Số 7(116).2017, trang 11-15 11 Đỗ Văn Cần, Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Phùng Quang, Thiết kế khối bù xung cho điều khiển CNC-on-Chip FPGA, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá, VCCA-2017, trang 39-46, TP Hồ Chí Minh ... xuất tác giả thực điều khiển CNC chíp nhất, tạo nên điều khiển CNC- on- Chip Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm phần cứng, phần mềm cho điều khiển CNC trục ? ?on chip? ?? dựa công nghệ... phát điều khiển CNC- onChip cho các hệ truyền động các I/O thành phần PLC Hình 1.13: Đề xuất cấu trúc điều khiển CNC- on- Chip 1.3.2 Đặc điểm chung điều khiển CNC- on- Chip1 Yêu cầu chung điều khiển. .. Lựa chọn đối tượng CSoC cho điều khiển CNC- on- Chip 1.3.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển CNC- on- Chip Cấu trúc điều khiển CNC- on- Chip Hình 1.13 (phần đóng khung nét đứt) Trong đó, đầu vào khối lệnh