2.2.1 Cấu trúc phần cứng.
2.2.1.1 Giới thiệu chung
TMS320F2812 và TMS320C2812 là các thành viên của họ TMS320C28x
™ DSP, được tích hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụng điều khiển.
a. Các tài nguyên của TMS320F2812
Hình 2.9 Tóm tắt các tài nguyên của TMS320F2812
• DSP xử lý TMS320F2812, 32 bit xử lý kỹ thuật số tốc độ cao. • On-chip tích hợp 128K * 16FLASH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
• On-chip tích hợp 18K * 16SRAM • On-chip tích hợp 4K * 16BOOT ROM • On-chip tích hợp 1K * 16OTP ROM • Mở rộng 256K * 16SRAM, IS61LV25616 • Mở rộng 512K * 16FLASH, SST39VF800
• CPLD sử dụng Altera MaxII EPM240T100C5N (tương đương với 8650 CPLD) • Có thể được lập trình ít nhất 100.000 lần hoặc nhiều hơn
• Cung cấp tám phím độc lập
• Cung cấp tám thiết bị chuyển mạch DIP
• Cung cấp một mạch thiết lập lại để đảm bảo thiết lập lại đáng tin cậy , nút reset độc lập, có thể tự thiết lập lại.
• Cung cấp một giao diện nối RS232 để kết nối máy tính để thử nghiệm • Cung cấp 16 AD giao diện đầu vào (đầu vào khoảng 0 ~ 3V)
• Cung cấp jack cắm tai nghe, có thể sử dụng chức năng phát lại • Cung cấp một jack cắm micro, bạn có thể sử dụng chức năng ghi âm • Cung cấp giao diện hình ảnh LCD1602
• Cung cấp giao diện điều khiển động cơ DC • Cung cấp giao diện điều khiển động cơ bước • Cung cấp 6 kênh giao diện đầu ra sóng PWM • Bus mở
• Kích thước vật lý : 17 • 11 cm. b. Kiểu đóng gói
TMS320F2812 có 2 kiểu đóng gói là kiểu GHH (179 chân ) và ZHH ( 176chân) hình dưới là kiểu GHH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
c. Sơ đồ cấu trúc các chức năng của F2812
Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc các chức năng của F2812
d. F2812CPU timer
F2812 có ba bộ timer 32 bít, nguồn xung clock cho bộ timer là nguồn xung clock bên trong “SYSCLKOUT”. Nó là 150MHZ nếu sử dụng tần số dao động bên ngoài và là 30MHZ nếu sử dụng hệ số nhân PLL là 10/2. Khi một timer được cho phép (TCR- bit4) xung clock đi vào bộ đếm xuống 16 bít (prescaler PSCH:PSC). Khi tràn dưới nó tạo ra một tín hiệu cho bộ đếm 32 bít (TIMH:TIM). Một ngắt có thể được yêu cầu khi timer đếm tràn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.12 Sơ đồ khối của bộ Timer
Timer1 và Timer2 thì thường xuyên được sử dụng bởi Texas Intruments cho hệ điều hành thời gian thực “DSP BIOS” trong khi timer0 chỉ sử dụng cho mục đích chung. Điều này không chỉ giữ cho timer1 và timer2 sử dụng cùng với “DSP/BIOS” mà còn giúp chúng ta hiểu hơn về bộ PIE bởi vì timer0 là bộ đếm thời gian duy nhất của CPU mà đi qua PIE.
e. Modul quản lý sự kiện (EV) - Giới thiệu
Modul quản lý sự kiện (Event manager EV) là modul phần cứng mạnh mẽ nhất của F281X mỗi thành phần của modul EV thực hiện các công việc khác nhau theo thời gian. Hoạt động của modul này căn cứ trên sự hoạt động của 4 bộ định thời timer1 đến timer4.
Bộ định thời của modul quản lý sự kiện EV là bộ định thời 16 bít trong khi timer hệ thống là 32 bít. Sự khác biệt quan trọng nhất giữa timer của bộ quản lý sự kiện và timer hệ thống là đầu vào và đầu ra. Một EV có thể tạo ra các tín hiệu từ một sự kiện thời gian nội bộ. Nó được sử dụng để tạo ra các tín hiệu xung theo thời gian.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Với sự giúp đỡ của các mạch logic bên trong modul EV người lập trình có thể thay đổi tần số và độ rộng xung của tín hiệu đầu ra. Khi thêm vào một chương trình điều khiển có thể thay đổi độ rộng xung theo thời gian thì được gọi là điều biến độ rộng xung. PWM được sử dụng cho mục đích điều khiển số động cơ điều chỉnh điện áp. Modul quản lý sự kiện của C281x còn thực hiện các phép đo thời gian dựa trên tín hiệu phần cứng. Với 6 chân CAP đầu vào chuyên dụng để đếm xung encoder, hỗ trợ đếm cả cạnh lên và cạnh xuống của xung encoder.
- Sơ đồ khối modul EV
Mỗi bộ phận trong modul quản lý sự kiện được điều khiển bằng một khối logic riêng. Các khối logic này có thể yêu cầu một dịch vụ ngắt riêng từ F28xPIE để hỗ trợ cho các chế độ hoạt động của nó. Hai tín hiệu đầu vào bên ngoài là “TCLKINA” và “TDIRA” là tín hiệu điều khiển tùy chọn và được sử dụng trong một số chế độ hoạt động cụ thể. Một tính năng độc đáo nữa của bộ quản lý sự kiện nữa là khả năng kích hoạt chuyển đổi tương tự số ADC từ một sự kiện nội bộ. Đa số các bộ vi xử lý khác thường phải yêu cầu một ngắt để thực hiện công việc này, F2812 thực hiện điều này một cách tự động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Các Gptimer1 và 2 là hai bộ định thời 16 bit cùng với các chân tín hiệu đầu ra là T1PWM,T1CMP và T2PWM, T2CMP. Người lập trình có thể sử dụng bộ định thời này cho các mục đích nội bộ.
Bộ so sánh (compare) từ 1 đến 3 sử dụng để tạo ra 6 tín hiệu PWM sử dụng thời gian cơ sở của GPtimer1.
Ba bộ bắt giữ sự kiện (Capture) CAP1, 2 và 3 được sử dụng để đo tốc độ và thời gian giữa các sự kiện. Mạch logic QEP được thiết kế chuyên dụng cho việc đếm xung encoder với 3 đường tín hiệu A B và Z. Trong đó A, B được nối với QEP1 và QEP2 còn Z được nối với QEPI1 của C28x. Việc này có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định tốc độ và vị trí thông qua việc đọc tín hiệu xung encoder một cách chính xác.
2.2.1.2 Board EZDSP F2812 a. Cấu tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình dạng bên ngoài của board mạch
Hình 2.15 Board EZDSPF2812
Kết nối của board mạch với PC thông qua bộ JTAG có sẵn (kết nối qua cổng song song):
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Có thể nhận thấy rằng board mạch eZdspF2812 chỉ chứa phần “nhân” tức là phần xử lý, bộ nhớ ngoài, và kết nối JTAG qua cổng máy in mà chưa có các thành phần khác. Tuy nhiên các IO EXPANTION từ P1 → P9 cộng với các giao thức như SPI, SCI, I2C, CAN, McBSP và các GPIO chúng ta có thể mở rộng giao tiếp với nhiều thiết bị khác nhau thông qua các cổng mở rộng.
b. Thiết lập chế độ hoạt động của board mạch với các Jumper
Bên cạnh các Expantion để kết nối thêm các ngoại vi khác, trên board eZDSPF2812 có một số jumper để người dùng có thể thiết lập các chế độ hoạt động thích hợp cho DSP
Ngoại trừ JP4 và JP5, tất cả các Jumper còn lại phải được kết nối hoặc ở vị trí 1 – 2 hoặc 2 – 3 . Vị trí của các Jumper trên board mạch như hình vẽ bên dưới:
Hình 2.17 Vị trí các jumper
- JP4, JP5: Mục đích của các Jumper P4, P5 này là để cung cấp nguồn +3.3V/5V ra các cổng mở rộng P8-P4 và P2 tương ứng. Tuyệt đối không cung cấp nguồn 5V trực tiếp vào các pin của DSP.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đặt Jumper ở vị trí 2 – 3 để chọn chế độ Microcomputer. - JP7, JP8, JP11, JP12: lựa chọn chế độ Boot
- JP9, PLL disable : JP9 cho phép / không cho phép mức logic PLL trong DSP. Trước khi thực hiện chương trình trên board mạch, chúng ta phải chú ý đến việc thiết lập Jumper trước tiên. Việc thiết lập jumper sai có thể dẫn đến chương trình chạy không đúng mục đích.
2.2.1.3 Thực hiện các cấu trúc điều khiển
Động cơ có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí. Encoder này có độ phân giải là 1000xung/vòng, các pha A,B và Z được kết nối với các chân QEP tương ứng của DSP TMS320F2812. DSP TMS320F12812 nhận và đếm các xung này bằng bộ định thời mục đích chung. Căn cứ trên số xung đếm được và khoảng thời gian lấy mẫu để tính toán ra tốc độ động cơ và vị trí. Đối với động cơ DC có gắn sẵn encoder tương đối 1000 xung /vòng, kết nối với DSP được thực hiện theo hình sau:
Hình 2.18 Ghép nối encoder tương đối với TMS320F2812
Fω và Fφ lần lượt là hàm truyền phản hồi tốc độ và vị trí, các khối này được xử lý bằng phần mềm bên trong DSP, đầu vào là số xung đếm encoder.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Rφ và Rω là bộ điều khiển vị trí và tốc độ động cơ. Bộ điều khiển này được thực hiện bởi DSP. Đầu ra của bộ điều khiển vị trí là đầu vào của bộ điều khiển tốc độ, thời gian lấy mẫu của mạch vòng bên ngoài phải lớn gấp 10 đến 100 lần thời gian lấy mẫu của mạch vòng bên trong.
Bộ biến đổi công suất làm nhiệm vụ biến đổi điện áp PWM 0-5V thành 0-24V ở đầu ra để cung cấp cho động cơ nhằm mục đích điều chỉnh tốc độ động cơ
Hình 2.19 Phản hồi vị trí bằng cách lấy tích phân tốc độ theo thời gian
- Cấu trúc cơ sở hệ thống điều khiển số.
Hình 2.20 Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi công suất
Mạch cầu H sử dụng IC lái chuyên dụng là IR2103, Mosfet IRF540, opto Tốc độ cao 6N137. Mạch cầu này cho phép hoạt động ở dòng liên tục 10A, Điện áp 50v và hoạt động tốt ở tần số 30KHZ với duty 0-95%
2.2.1.4 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển thực
Đối tượng điều khiển: động cơ DC servo RH-14 có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.23 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển- động cơ- máy hiện sóng
2.2.2. Chƣơng trình điều khiển