Thiết bị điều khiển số chính xác là hệ điều khiển truyền động đ−ợc thiết kế t−ơng thích với các hệ truyền động có tín hiệu phản hồi vị trí dạng xung tích lũy (Quadrature incremental signal) cũng nh− kết hợp car DA dựa trên công nghệ FPGA của hãng ALTERA đ−a ra tín hiệu analog tới các van servo của thiết bị thủy lực, với bộ công suất có đầu vào điều khiển dạng xung tích lũy, ứng dụng
Máy tính thu thập Máy tính hiển thị Máy tính điều khiển
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
5 Tín Tín hiệu góc Tín hiệu góc Card đo góc Trung tâm điều
khiển và kiểm soát hệ thống Van servo Hộp số Động cơ Tải Car điều khiển Van servo Xy lanh Tải Car điều khiển Tín hiệu góc tín hiệu vị trí Card đo góc
trong các hệ điều khiển truyền động số đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng tính toán thời gian thực, khả năng điều khiển linh hoạt.
Thiết bị bao gồm 01 bộ xử lý trung tâm đ−ợc thiết kế trên cơ sở Embedded PC, 02 bộ xác định vị trí trên cơ sở tín hiệu phản hồi từ Incremental Encoder, 01 bộ tạo xung điều khiển dạng xung tích lũy ( Quadrature incremental signal).
Tính năng kỹ thuật và các khối
• Khối tính toán xử lý trung tâm: System-on-Chip CPU-166MHz - Onboard 128MB SDRAM - PC/104 standard compliant.
• Bộ đếm Encoder :02 bộ đếm, 32 bit có khả năng lập trình, t−ơng thích Incremental Encoder chế độ X1, X4.
• Khả năng nhớ vị trí chuẩn theo xung index. Tần số xung đầu vào lớn nhất 100KHz • Có khả năng tính toán vận tốc, gia tốc.
• Bộ lọc PID số có khả năng lập trình với 16 bit hệ số. • Có khả năng lâp trình tần số lấy mẫu.
• Vận tốc, điểm đến, hệ số bộ lọc PID có thể thay đổi trong khi điều khiển truyền động.
• Khả năng đ−a tín hiệu analog -10VDC đến +10VDC. • Chế độ điều khiển: Vị trí hoặc tốc độ.
• Nguồn nuôi: 220VAC – 10W.
Công nghệ chế tạo: Embedded PC kết hợp FPGA của hãng ALTERA.
Khối xử lí tính toán trung tâm:
Chức năng: Nhận các tham số từ Thiết bị thu thập số liệu_điều khiển, nhận các số liệu từ các khối xác định vị trí theo góc để tính toán giá trị điều khiển theo các thuật toán điều khiển theo tốc độ hoặc vị trí, truyền các giá trị đó cho khối tạo tín hiệu điều khiển để tạo tín hiệu đ−a ra điều khiển đ−a ra điều khiển.
Khối xử lý tính toán trung tâm đ−ợc xây dựng trên cơ sở Embedded PC với cấu hình nh− sau: System-on-Chip CPU-166MHz - Onboard 128MB SDRAM - PC/104 standard compliant, với các thủ tục truyền số liệu và l−u đồ thuật toán nh− sau:
Cấu trúc 1 byte truyền.
Mỗi từ dữ liệu bao gồm 1 bit Start, 8 bit dữ liệu, 1 bit Wake-up và 1 bit Stop. Báo hiệu byte đầu tiên đ−ợc truyền đến bằng tín hiệu bit Wake-Up ở trạng thái tích cực(HIGH).Xem hình 4,cấu trúc 1 byte truyền, tốc độ truyền dữ liệu 115200bps.
Start 8 Data Wake_Up Stop Bit Bit Bit Bit
Hình 3.5: Cấu trúc byte dữ liệu
Cấu trúc của 1 bản tin (message).
i) Cấu trúc một bản tin gửi tới :
DB1 Bit cờ Start DB2- DB6 Dữ liệu (Data).
DB7 Bit kiểm tra bằng ph−ơng pháp XOR Checksum.
ii) Cấu trúc một bản tin gửi trả lời:
DB1 Bit cờ Start (Start Flag (AX Hex)) DB2- DB8 Dữ liệu (Data).
DB9 Bit kiểm tra bằng ph−ơng pháp XOR Checksum.
Giao thức và thời gian truyền.
i) Thiết bị điều khiển số là tớ (Slave) và Thiết bị thu thập số liệu_điều khiển làm chủ (Master).
Các định nghĩa cho một message.
Tín hiệu hỏi Tín hiệu đáp
Thông điệp yêu cầu Thông điệp gửi tra dữ liệu
Bản tin lệnh (Command Message).
Cấu trúc của các bản tin hỏi đ−ợc gửi từ Thiết bị thu thập số liệu_điều khiển
Cấu trúc bản tin lệnh
Dữ liệu gửi đến
DB1 A5H Bit cờ Start. DB2 Các chế độ :
00 = standby.
10 = Mode 0, Chế độ tốc độ. 01= Mode1, Chế độ vị trí .
11 = Reset hệ công suất truyền động . DB3
DB4
LSB MSB
Vị trí theo Encoder lắp đầu ra hệ truyền động
DB5 DB6
LSB MSB
Tốc độ
DB7 Byte kiểm tra dạng XOR checksum của các byte DB1- DB6.
Bản tin gửi trả:
Dữ liệu trả
DB1 A5 Bit cờ Start – Gửi trả d− liệu DB2 - DB3 XX Dữ liệu vị trí hiện thời DB4- DB5 XX Dữ liệu tốc độ hiện thời
DB6 - DB7 XX Trạng thái hoạt động của hệ truyền động
Máy tính hiển thị: Chức năng:
Kiểm soát và hiển thị các số liệu vị trí góc đặt, vị trí góc thực, sai số điều khiển theo thời gian thực d−ới dạng thông số. Hiển thị các thông số nguồn thủy lực, nguồn điện,...
L−u số liệu thu thập đ−ợc để tiện nghiên cứu, phân tích về sau.
Phần cứng:
Là máy tính để bàn CPU 2.1GHz, 128MB RAM có 01 cổng COM để thu nhận số liệu từ máy tính điều khiển gửi sang.
Phần mềm:
- Hệ điều hành: Windows XP SP2 - Viết bằng ngôn ngữ Visual C++ 6.0.
Máy tính thu thập: Chức năng:
Giao thiếp với các thiết bị ngoài, sử dụng các phầm mềm nhận diện mục tiêu, đ−a ra các thông số mục tiêu tới máy tính điều khiển.
Phần cứng:
Là máy tính để bàn CPU 2.1GHz, 128MB RAM có 02 cổng COM để thu nhận số liệu từ máy tính tạo tín hiệu và máy tính điều khiển, và các thiết bị ngoại vi gửi sang gửi sang.
Phần mềm:
Máy tính điều khiển: Chức năng:
Sử dụng các thuật toán chuyên dụng, tính toán và đ−a tín hiệu điều khiển dạng số tới thiết bị điều khiển số và đo góc.
Phần cứng:
Là máy tính để bàn CPU 2.1GHz, 128MB RAM có 02 cổng COM để thu nhận số liệu từ máy tính tạo tín hiệu và máy tính thu thập, và các thiết bị ngoại vi gửi sang gửi sang.
Phần mềm:
- Hệ điều hành: Windows XP SP2 - Viết bằng ngôn ngữ Visual C++ 6.0.
Car đo goc và vị trí piton
Tín hiệu từ các sensor đo góc và độ dài đ−ợc đ−a qua bộ lọc số nhằm bảo đảm chống nhiễu trong môi tr−ờng, sau đó đ−ợc giải mã thành tín hiệu x4 để nâng cao độ phân giải đảm bảo chỉ tiêu của hệ thống. tín hiệu x4 đ−ợc đ−a vào các bộ đếm lập trình có độ rộng tối đa 32 bit để l−u trữ góc hiện tại của đài quan sát và tùy theo yêu cầu đặc thù của hệ thống có các giao diện số liệu để thuận tiện cho việc tính toán và truyền số liệu.
Các bộ lọc số đ−ợc sử dụng là các bộ lọc kiểu thông thấp có thể lập trình đ−ợc tần số cắt.
Các bộ đếm cũng nh− các bộ lọc số đầu vào đều đ−ợc thiết kế có khả năng thay đổi các tham số một cách mềm dẻo bằng phần mềm (có khả năng lập
trình), nhằm mục đích mềm dẻo trong ứng dụng (có khả năng t−ơng thích với tất cả các loại Encoder, các hệ cơ khí có các tỷ số truyền khác nhau...).
Đối với khối đo góc với đầu vào là Encoder lắp tại đầu ra hệ truyền động, theo yêu cầu của hệ thống, đ−ợc đặt các tham số của bộ lọc số, của bộ đếm t−ơng thích.
Đối với khối đo góc với đầu vào là Encoder đ−ợc lắp đặt nằm tại đuôi động cơ và chiều dài hành trình piton các tham số của bộ lọc số, của bộ đếm đ−ợc tính toán theo tốc độ cao nhất (của động cơ và số vòng quay t−ơng ứng với đầu ra hệ truyền động quay đ−ợc 1 vòng).
Khối xác định vị trí theo góc đ−ợc thiết kế trên nền công nghệ FPGA, các khối chức năng đ−ợc xây dựng trên cơ sở các IP CORE t−ơng thích với các chíp trắng của hãng ALTERA.
Tạo lệnh lập trình khối xác định vị trí theo góc:
Nh− trên đã trình bày, các tham số cần đặt vào khối xác định vị trí theo góc bao gồm:
- Hệ số bộ lọc. - Tham số bộ đếm.
Dữ liệu trả ra của khối xác định vị trí theo góc là giá trị của các bộ đếm encoder hiện thời.
Thông tin trao đổi giữa khối các định vị trí theo góc và khối xử lý tính toán trung tâm thông qua các bộ giao diện BUS, có các địa chỉ dữ liệu và các mã lệnh cụ thể nh− sau:
- Giao tiếp bộ lọc số:
Bộ lọc số đ−ợc xây dựng trên cơ sở các IP Core của hãng ALTERA với công thức tính tần số cắt nh− sau:
Fc = Fht / [(D+1)*10] Trong đó:
Tần số cắt yêu cầu: 500 KHz = 500.000Hz D = (33.000.000/500.000/10) -1 = 5,6 Làm tròn : 6
Đối với bộ lọc loại này sai số của tần số cắt theo tính toán vào khoảng 10% bao gồm sai số do phép làm tròn lấy số nguyên, sai số do các mạch tạo xung cân.
Địa chỉ: 0x300 Số liệu 1byte.
- Giao tiếp bộ đếm: Bộ đếm đ−ợc xây dựng trên cơ sở các IP Core của hãng ALTERA với công thức tính nh− sau:
D = E x 4 x R-1
Trong đó E: độ phân giải Encoder; R: tỷ số truyền cơ khí; đề tài sử dụng hộp số giảm tốc với tỷ số truyền 1:160.
Trong tr−ờng hợp Encoder lắp tại đầu ra hệ truyền động R=1.
Encoder lắp đầu ra hệ truyền động: Sử dụng Encoder có độ phân giải 10.000 xung/vòng chế độ x4. Bộ đếm 16 bit với các thao tác dữ liệu cụ thể nh− sau:
Địa chỉ dữ liệu: - LSB: 0x30A - MSB: 0x30B
Địa chỉ Load dữ liệu: 0x309; DATA=0x01 Địa chỉ chốt dữ liệu 0x30C; DATA=0x01
Encoder lắp tại đuôi động cơ: Sử dụng Encoder có độ phân giải 2.500 xung/vòng chế độ x4. Bộ đếm 24 bit với các thao tác dữ liệu cụ thể nh− sau:
Dữ liệu bao gồm 3 Byte.
Địa chỉ dữ liệu: - Byte thấp: 0x304 - Byte thứ hai: 0x305 - Byte cao nhất: 0x306
Địa chỉ Load dữ liệu: 0x303; DATA=0x01 Địa chỉ chốt dữ liệu: 0x307; DATA=0x01
Đọc vị trí đặt
Đọc vị trí thực
Khởi tạo các môđun ch−ơng trình, các ngắt, cổng nối tiếp, bộ đếm Tính sai số vị trí Tính l−ợng bù sai số vị trí Tính toán tốc độ đặt Tốc độ đặt > 0 L−ợng bù = ∆/2 L−ợng bù = -∆/2 Đúng Sai Tính toán l−ợng xung cần phát Chuyển đổi D - A