khiển dsPIP30F4011
6 kờnh ra PWM với nhiều khả năng lựa chọn Ra theo 3 cặp hoặc kờnh riờng biệt
3 bộ thay đổi chu kỳ đặc biệt cho động cơ 3 pha
Thời gian trễ cho việc đúng /mở phần điện tử cụng suất cú thể cấu hỡnh lại.
Modul giải mó xung phản hồi vị trớ (Quadraturn Encoder) Bộ 3 đầu vào cho cỏc tớn hiệu kờnh A, B, Index
Thanh ghi vị trớ 16 bit
Cú chế độ X2, X4 cho phộp đếm theo cỏc sƣờn xung bờn, xuống, cú thể tạo ra ngắt khi thanh ghi tràn
Bộ lọc nhiễu cú thể lập trỡnh đƣợc
4.3.2.1. Module điều khiển mụtơ PWM
Module này làm đơn giản bài toỏn điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulated – PWM). Trong thực tế, module PWM sẽ đƣợc ứng dụng cho cỏc bài toỏn điều khiển truyến động sau:
Điều khiển động cơ 3 pha xoay chiều dõy quấn Điều khiển động cơ từ trở chuyển mạch
Điều khiển động cơ một chiều Nguồn UPS
Module PWM cú những tớnh năng sau: 06 cổng vào/ra PWM với 3 bộ tạo chu kỳ Độ phõn giải lờn tới 16 bit
Thay đổi tần số PWM ’ on – the – fly’ Cỏc chế độ đầu ra : Sƣờn và trung tõm Chế độ tạo xung đơn
Hỗ trợ ngắt cho việc cập nhật khụg đối xứng trong chế độ trung tõm Bộ so sỏnh sự kiện đặc biệt cho việc lập lịch những sự kiện ngoại vi khỏc Module này chứa 3 bộ tạo chu kỳ, đƣợc đỏnh số từ 1 đến 3. Nú cú 6 cổng ra PWM đƣợc đỏnh số từ PWM 1H/ PWM 1L đến PWM 3H/PWM 3L, nú đƣợc tổ hợp thành từng nhúm cao/thấp(High/Low). Đối với những tải bổ xung, cổng PWM thấp luụn luụn bổ xung tƣơng ứng với cổng vào/ra cao
Module này cho phộp một vài chế độ hoạt động, vỡ vậy rất thuận tiện cho cỏc ứng dụng điều khiển cụng suất xỏc định.
4.3.2.2. Module giao diện encoder gúc phần tư (Quadrature Encoder
Interface Module – QEI)
Module này cung cấp giao diện cho encoder vị trớ tƣơng đối để lấy đƣợc dữ liệu vị trớ của động cơ, khụng cần sự can thiệp của phần mềm.
Một bộ encoder vị trớ tƣơng đối tiờu biểu cú 3 đầu ra: pha A, pha B và xung Index( xung chỉ số, chỉ cú 1 xung khi động cơ quya đƣợc 1 vũng). Hai tớn hiệu pha A(QEA), pha B(QEB) cú quan hệ thống nhất. Nếu pha A vuợt pha B, thỡ chiều mụtơ đƣợc cho là quay thuận hoặc mang dấu dƣơng, nếu pha A trễ hơn pha B thỡ chiều mụtơ đƣợc coi là quay nghịch hoặc mang dấu õm.
Kờnh Index đƣợc sử dụng để thiết lập vị trớ tuyệt đối. Xung chỉ số xẩy ra cựng với pha A và pha B, cả hai cựng cú mức thấp.
Cỏc tớnh năng của QEI bao gồm:
03 kờnh đầu vào cho hai tớn hiệu pha và xung chỉ số Bộ đếm tăng/giảm vị trớ 16 bit
Đếm số lần đảo chiều
Đo vị trớ với chế độ x2 và x4
Bộ lọc nhiễu trờn đầu vào cú thể lập trỡnh Lựa chọn chế độ Timer/Counter 16 bit Cỏc ngắt QEI
Bộ đếm tăng/giảm 16 bit sẽ đếm tăng hoặc giảm mỗi khi cú xung, cỏi này đƣợc tạo ra bởi sụ khỏc nhau của tớn hiệu đầu vào của pha A và pha B. Bộ đếm hoạt động nhƣ một bộ tớch phõn , giỏ trị đếm của nú sẽ tỉ lệ với vị trớ. Chiều đếm đƣợc
xỏc định bởi tớn hiệu UPDN, tớn hiệu này đƣợc tạo bởi bộ logic giao diện encoder gúc phần tƣ.
4.3.3. Bộ điều khiển truyền thụng CAN (CAN Controller) của
dsPic30F4011
Module CAN( Controller Area Network) là một giao diện nối tiếp, phự hợp cho việc truyền trụng với những module CAN khỏc hoặc cỏc thiết bị vi điều khiển. Giao diện/ giao thức này đƣợc thiết kế để cho phộp truyền thụng trong mụi trƣờng cú nhiễu. Chip dsPIC30F4011/4012 cú một mudule CAN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc tớnh năng của module nhƣ sau:
Thực hiện giao thức CAN 1.2, CAN 2.0A, CAN 2.0B Khung dữ liệu chuẩn và mở rộng
Độ dài dữ liệu 0-8 byte
Tốc độ bit cú thể lập trỡnh lờn tới 1Mbit/s Hỗ trợ chế độ truyền xa
Hai bộ đệm nhận tớn hiệu đầu vào( mỗi bộ lờn tới 8 byte dữ liệu) 6 bộ lọc
3 bộ đệm truyền với mức ƣu tiờn xỏc định( lờn tới 8 byte dữ liệu) Tớnh năng Wake-up với bộ lọc thụng thấp cú thể lập trỡnh
Chế độ Loopback cú thể lập trỡnh hỗ trợ khả năng tự kiểm tra (self-test) Nguồn khúa cú thể lập trỡnh
Kết nối với module Input Capture(IC2 cho cả CAN1 và CAN2) cho thời gian lấy mẫu và đồng bộ mạng
Chế độ tiết kiệm năng lƣợng
Module CAN chứa một lừi giao thức và phần điều khiển/ đệm bản tin. Lừi giao thức CAN kiểm soỏt tất cả cỏc chức năng nhận và truyền bản tin trờn bus CAN. Bản tin đƣợc truyền bằng việc tải đầu tiờn cỏc thanh ghi dữ liệu phự hợp. Trạng thỏi và lỗi cú thể đƣợc kiểm tra bằng cỏch đọc cỏc thanh ghi phự hợp. Bất kỳ bản tin nào đƣợc phỏt hiện trờn bus CAN đều đƣợc kiểm tra lỗi.
4.3.3.1. Kiểu khung bản tin
Module CAN truyền cỏc kiểu khung bản tin khỏc nhau.
Khung dữ liệu chuẩn: Một khung dữ liệu chuẩn đƣợc tạo bởi một nỳt khi nỳt này muốn truyền dữ liệu. Nú bao gồm một bộ nhận dạng chuẩn 11 bit(Standard Identifier –SID)
Khung dũ liệu mở rộng: Nú tƣơng tự nhƣ khung dữ liệu chuẩn nhƣng nú sử dụng bộ nhận dạng chuẩn 18 bit
Khung dữ liệu xa: Nú cú khả năng đối với một nỳt đớch khi yờu cầu dữ liệu từ một nguồn nào đú. Để thực hiện đƣợc điều này, nỳt đớch gửi một bản tin xa với một bộ nhận dạng xỏc định dữ liệu yờu cầu, nỳt nguồn dữ liệu phự hợp sau đú sẽ gửi một khung dữ liệu đỏp ứng với yờu cầu từ xa này
Khung dữ liệu lỗi: Một khung dữ liệu lỗi đƣợc tạo ra bởi bất kỳ nỳt nào khi phỏt hiện ra cú lỗi trờn bus. Một khung lỗi bao gồm 2 trƣờng: một trƣờng cờ lỗi và một trƣờng xỏc định ranh giới lỗi
Khung dữ liệu quỏ tải: Một khung dữ liệu quỏ tải cú thể đƣợc tạo ra bởi một nỳt nhƣ kết quả của hai điều kiện. Thứ nhất là: Nỳt này phỏt hiện ra một bit trội trong nội bộ khung - điều này là bất hợp lệ. Thứ hai là: vỡ điều kiện nội tại nờn nỳt khụng cú khả năng nhận bản tin tiếp theo. Một nỳt cú thể tạo ra nhiều nhất 2 khung qua tải liờn tiếp để trỡ hoón việc bắt đầu của bản tin tiếp theo
Khụng gian nội bộ bản tin: Khụng gian nội bộ bản tin phõn biệt một khung dữ liệu đi đến là từ bản tin tiếp theo hay từ bản tin từ xa.
4.4. XÂY DỰNG NỀN TẢNG TRUYỀN THễNG TIN CHO HỆ THỐNG
Nhƣ đó núi ở trờn, mục đớch của đề tài là xõy dựng một hệ thống truyền động cú một sự liờn kết chặt chẽ giữa cơ và điện, việc xõy dựng một cơ sở cho hệ thống truyền thụng giữa cỏc bộ điều khiển là nền tảng cho toàn bộ hệ thống phõn tỏn cần hƣớng tới xõy dựng một chuẩn truyền thụng dựa trờn CAN, khả thi trong điều kiện Việt Nam. Việc xõy dựng cỏc hệ thống dựa theo một chuẩn cụ thể nhƣ CANOpen hay Devicenet gặp khỏ nhiều khú khăn. VCCAN đƣợc xõy dựng dựa trờn CAN.
CAN với nhiều ƣu thế vƣợt trội so với cỏc chuẩn truyền thụng cụng nghiệp trong lĩnh vực truyền động cú thể coi là lựa chọn hàng đầu khi ứng dụng vào luận văn này. CAN chỉ đƣợc chuẩn hoỏ lớp liờn kết dữ liệu và một phần của lớp vật lý.Do đú việc triển khai lớp ứng dụng và cụ thể hoỏ lớp vật lý là điều kiện để xõy dựng một hệ điều khiển phõn tỏn hoàn chỉnh.
4.4.1. Triển khai lớp vật lý
Hiện nay trờn thế giới, CAN với chuẩn vật lý RS – 485 với cỏp đụi dõy xoắn đƣợc sử dụng rất phổ biến. Việc ứng dụng chuẩn vật lý này trong điều kiện Việt Nam là hoàn toàn khả thi. Chuẩn RS-485 với cỏp đụi dõy xoắn là quỏ quen thuộc với cỏc kỹ sƣ Việt Nam. Ngoài ra cỏc linh kiện, dõy cỏp, giắc nối… đều dễ tỡm đƣợc và cú giỏ thành khụng cao. VCCAN hỗ trợ chuẩn vật lý RS-485, cỏp đụi dõy xoắn với chiều dài tối đa 250m (tốc độ truyền 250 K bit/s)
Tỏc giả đó sử dụng IC MCP2251 của hóng Microchip. Đõy là IC hỗ trợ giao diện CAN với chuẩn RS-485 núi trờn. IC này hỗ trợ tốc độ lờn tới 1Mbit/s và cho phộp 64 trạm trờn một đƣờng mạng (khụng cần repeater). Trong điều kiện phũng thớ nghiệm với tốc độ truyền 1Mbit/s, tỷ lệ bản tin bị lỗi so với số bản tin truyền tốt là 1/5000.
4.4.2. Triển khai lớp ứng dụng
Việc triển khai lớp ứng dụng cho VCCAN một phần dựa trờn cỏc linh kiện và thiết bị thực sẽ sử dụng, một phần dựa trờn yờu cầu về tớnh năng thời gian, dữ liệu của một hệ thống truyền động.
Cỏc thiết bị trong một hệ thống truyền động, đặc biệt là robot thƣờng khụng cỏch xa nhau. Vơi linh kiện MCP2251 hoặc một số linh kiện giao diện vật lý CAN của cỏc hóng sản xuất khỏc, tốc độ 1M bit/s và giới hạn khảong cỏch 40m là hoàn toàn khả thi. VCCAN hỗ trợ ba tốc độ truyền là 1M bit/s, 500 K bit/s và 250 K bit/s, tƣơng ứng với cỏc chiều dài tối đa của đƣờng mạng là 40m, 100m, và 250m.
4.4.3. Cơ chế giao tiếp
VCCAN hoạt động dựa trờn mụ hỡnh nhà sản xuất/ ngƣời tiờu dựng (producer custumer) với hỡnh thức giao tiếp chủ yếu là Master/Slave. Mụ hỡnh này cho phộp cỏc hỡnh thức giao tiếp nhƣ sau:
Điều khiển theo sự kiện: sử dụng trong trƣờng hợp cú lỗi vớ dụ vận tốc, gia vƣợt khỏi giới hạn cho phộp cỏc thiết bị chấp hành. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều khiển theo thời gian: Master cú thể gửi dữ liệu hoặc lệnh điều khiển theo một chu kỳ định trƣớc.
Gửi đồng loạt
Hỏi tuần tự (polling): phƣơng phỏp kinh điển cho cỏc hệ thống chủ/tớ
4.4.4. Phõn loại thiết bị và dữ liệu trong VCCAN
VCCAN hƣớng tới cỏc hệ thống truyền động và tớnh năng thời gian đƣợc đặt lờn hàng đầu. Cỏc thiết bị phõn tỏn trong hệ thống chủ yếu là cỏc bộ điều khiển chống hành.
4.4.4.1. Thiết bị điều khiển chuyển động
Thiết bị điều khiển chuyển động bao gồm tất cả cỏc bộ điều khiển động (một chiều hoặc xoay chiều…), cỏc bộ điều khiển xi lanh khớ nộn hoặc thuỷ lực.
Dữ liệu của cỏc thiết bị này bao gồm: Vận tốc
Gia tốc Vị trớ
Thời gian: thời gian nội tại của thiết bị, cú thể đƣợc đồng bộ với thời gian của hệ thống.
Giới hạn gia tốc, vận tốc, vị trớ (giới hạn do phần mềm đặt hoặc do giới hạn về khả năng đỏp ứng của hệ thống truyền động điện)
Giới hạn cơ khớ
Cỏc chế độ chạy: chế độ điều khiển theo vị trớ, theo vận tốc, theo mụnen…
Cỏc đầu vào ra số tớch hợp cựng bộ điều khiển
Cỏc lỗi phỏt sinh từ bản thõn bộ điều khiển: lỗi nguồn, lỗi linh ki ện, lỗi dõy dẫn…
4.4.4.2. Cỏc thiết bị cảm biến
Cỏc thiết bị cảm biến cú rất nhiều loại bao gồm cỏc biến: vị trớ, gia tốc, momen, ỏp lực, nhiệt độ...Tuy nhiờn, cỏc dữ liệu mà cỏc thiết bị này cung cấp đều cú thể đƣợc quy về 2 kiểu dữ liệu.
Dữ liệu số: vớ dụ nhƣ cỏc cụng tắc on/ off, thể hiện dƣới kiểu bit hoặc byte. Dữ liệu liờn tục: vớ dụ nhu gia tốc hay điện ỏp...., thể hiện dƣới kiểu integer
hoặc double / Float.
4.4.4.3. Cỏc thiết bị vào / ra khỏc.
Tƣơng tự nhƣ cỏc thiết bị cảm biển, nhƣng cú thể sử dụng để điều khiển cỏc thiết bị khỏc trong hệ thống. Cỏc thiết bị này cũng hỗ trợ 2 loại dữ liệu: dữ liệu dạng số và dữ liệu dạng liờn tục.
4.4.5. Mụ hỡnh đối tƣợng.
Mỗi bản tin đƣợc gửi đi trờn mạng đƣợc coi là một đối tƣợng. Mỗi thiết bị trong mạng VCCAN đƣợc coi là một sƣu tập cỏc đối tƣợng đại diện cho cỏc dữ liệu của thiết bị. Mỗi đối tƣợng sẽ cú một tập hợp thuộc tớnh và chức năng.
Cỏc đối tƣợng trong VCCAN:
Đối tƣợng dữ liệu: chứa thuộc tớnh của dữ liệu nhƣ kiểu dữ liệu hoặc cụ thể dữ liệu đú là gỡ, giỏ trị của dữ liệu.
Đối tƣợng thụng bỏo: bỏo lỗi hoặc yờu cầu đồng bộ.
Đối tƣợng yờu cầu dữ liệu: do một trạm cần dữ liệu từ một trạm khỏc trờn mạng gửi ra.
Đối tƣợng tham số: đối tƣợng này là tựy chọn, đúng vai trũ nhƣ dữ liệu cấu hỡnh của thiết bị.
4.4.6. Mụ hỡnh địa chỉ.
Mỗi đối tƣợng chứa một dữ liệu hoặc thụng bỏo mà chỉ cú giỏ trị với một hoặc một số trạm trờn mạng. Việc sử dụng đối tƣợng này cho mục đớch nào đƣợc thụng qua một địa chỉ phõn biệt. Mỗi địa chỉ này đƣợc tạo bởi địa chỉ trạm (MAC - iD) và mó của đối tƣợng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.4.7. Cấu trỳc bức điện.
VCCAN sử dụng dạng khung chuẩn (Standard Frames) của CAN hay CAN 2.0A. Mó căn cƣớc (iD) dài 11 bit, đƣợc chia thành 3 lớp cú cấu trỳc khỏc nhau để phõn biệt cỏc đối tƣợng.
Do yờu cầu xử lý đơn giản do giới hạn khả năng xử lý của cỏc bộ vi xử lý hiện cú, việc triển khai cỏc lớp ứng dụng dựa trờn chuẩn CAN 2.0B gặp nhiều khú khăn.
CAN 2.0A hỗ trợ cỏc bản tin cú 11bit ID và tối đa là 8 BYTE dữ liệu, thớch hợp cho cỏc ứng dung thời gian thực.
Cơ chế chủ tớ (Master/Slave) và hỏi tuần tự (polling) sẽ đƣợc sử dụng nhằm đảm bảo dữ liệu cũng nhƣ hoạt động của toàn bộ hệ thống đƣợc quản lý từ một trạm chủ duy nhất. Mặc dự phƣơng phỏp này khụng tận dụng tối đa hiệu xuất truyền thụng của mạng, nhƣng phƣơng phỏp này cho phộp kiểm soỏt toàn bộ hoạt động của mạng và cho độ tin cậy cao.
CHƯƠNG 5: TRIỂN KHAI PHẦN CỨNG VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƢỢC
5.1. BỘ CHUYỂN ĐỔI USB-CAN
Nhằm hỗ trợ việc kết nối mỏy tớnh với mạng truyền thụng CAN một cỏch dễ dàng, tỏc giả đó lựa chọn kết nối với mỏy tớnh thụng qua giao diện USB, vốn đó trở thành rất quen thuộc với ngƣời sử dụng mỏy tớnh. Mạch chuyển đổi khụng chỉ làm nhiệm vụ chuyển đổi chuẩn vật lý từ USB sang CAN và ngƣợc lại mà cũn phải làm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức USB-CAN.
Mạch đó đƣợc triển khai ra phần cứng và thử nghiệm trong điều kiện phũng thớ nghiệm. Việc truyền thụng giữa hai mạch thử nghiệm đạt đƣợc tỉ lệ bản tin lỗi/ bản tin truyền tốt là 1/5000. 5.1.1. Sơ đồ nguyờn lý 1 2 3 4 5 6 A B C D 6 5 4 3 2 1 D C B A Title
Num ber Revi sion Size
B
Date : 5-Se p-2005 Shee t of File: C:\fil m \USBCANCv\USBCAN3 .DDB Draw n By : D0 25 D1 24 D2 23 D3 22 D4 21 D5 20 D6 19 D7 18 RD# 16 WR 15 TXE # 14 RXF# 12 RESE T 4 USBDM 8 USBDP 7 RSTO UT# 5 EECS 32 EED ATA 2 EESK 1 XTIN 27 XTO UT 26 SI/W U 11 PWREN# 10 A G N D 29 GND 9 GND 17 A V C C 30 V C C 3 V C C 26 V C C IO 13 T E S T 31 3V 3O U T 6 D1 FT24 5BM +5 GND +5 R1 470 C3 10uF GND +5 C4 0.1uF GND R3 27 R5 27 R4 1K5 1 2 3 4 USB CON 4 GND +5 Y1 CRY STAL C1 33pF C2 33pF GND R2 4K7 VAREF 1 VAG ND 2 VAV CC 3 P4.1 /RxDC 4 P4.0 /TxDC 5 P2.1 6 P3.7 7 P3.6 8 P3.5 /T1 9 P3.5 /T0 10 P3.3 /INT1 11 P3.2 /INT0 12 P3.1 /TxD 13 P1.0 /AN0/T2 28 P1.1 /AN1/T2E X 27 P1.2 /AN2/ECI 26 P1.3 /AN3/CE X0 25 P1.4 /AN4/CE X1 24 P1.5 /AN5 23 P1.6 /AN6 22 P1.7 /AN7 21 P2.0 20 RESE T 19 P3.0 /RxD 14 VCC 17 VSS 18 XTA L2 15 XTA L1 16 T89C51CC02 D2