Hòa nhịp cùng với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa thì ngành cơ khí nước ta trong những năm qua đã có những bước phát triển đáng kể. Việc nắm bắt, nghiên cứu và ứng dụng kịp thời các công nghệ kĩ thuật phát triển, cũng như các thiết bị, linh kiện mới là một việc quan trọng góp phần đưa đất nước ta bắt kịp tiến độ phát triển với các nước trên thế giới.Trong xu thế ngành cơ điện tử đã được hình thành và phát triển đã tạo sự thay đổi lớn khi biết cách phối hợp các công nghệ sẵn có. Sự kết hợp này hình thành nhiều đặc điểm mà các ngành trước đây không có, chính vì vậy ngành cơ điện tử ngày càng phát triển và phát huy sức mạnh của mình, nhưng để nắm bắt được kiến thức mới thì đòi hỏi bản thân ta phải nắm vững những kiến thức căn bản, đặt biệt là ở lĩnh vực điều khiển chính xác.
Do đó, nhóm đã thống nhất chọn đề tài “ Thiết kế- Thi công- Điều khiển vị trí động cơ DC servo” nhằm giới thiệu cho người đọc cách thức căn bản để điều khiển động cơ nói riêng và thiết bị nói chung từ đó làm nền tảng để phát triển những ứng dụng mới.
Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm, mặc dù rất cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm nhất định, rất mong nhận được ý kiến xây dựng tích cực của quý thầy cô và các bạn để chúng tôi hoàn chỉnh hơn về nội dung cũng như về hình thức
ChươngI : Giới thiệu lm629
- Giới thiệu LM629 :là vi xử lý chuyên dùng trong điều khiển chuyển động các loại động cơ DC servo và các cơ cấu servo khác có tín hiệu hồi tiếp lệch pha 90 độ. Với khả năng tính toán 32 bit và tập lệnh hỗ trợ mạnh, LM629 có thể sử dụng trong các ứng dụng phức tạp mà vẫn đảm bảo thời gian thực và độ phân giải cao. LM629 với ngõ ra PWM 8 bit và chân điều khiển hướng quay động cơ để lái cầu H. Cả hai loại LM628 hay LM629 đều hoạt động ở tần số tối đa là 6 hay 8 MHz tùy loại.
- Các đặc tính và cấu trúc:
- Khả năng xử lý vị trí, vận tốc, gia tốc 32 bits.
- Bộ lọc PID có các tham số 16 bits lập trình được.
- Thời gian vi phân lập trình được.
- Tín hiệu điều khiển PWM 8 bits.
- Tự động tính toán quỹ đạo vận tốc.
- Cho phép cập nhật vận tốc, vị trí, tham số bộ lọc trong lúc chuyển động.
- Hoạt động ở chế độ vị trí và vận tốc.
- Các ngắt vi xử lý có thể lập trình được.
- Giao tiếp với vi xử lý chủ bằng 8 đường song song.
- Giao tiếp với encoder bằng 3 pha A, B, Z.
- Sơ đồ chân IC LM629:Hình 1: sơ đồ chân LM629
- Nguyên lý hoạt động:
Vi xử lý chủ giao tiếp với LM629 qua một port I/O để lập trình quỹ đạo vận tốc hình thang và bộ lọc bù số. Ngõ ra PWM 8 bit giao tiếp với mạch cầu H để cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động và tín hiệu hồi tiếp cho vòng điều khiển vị trí lấy từ encoder loại tương đối. Khối tạo biên dạng vận tốc hình thang sẽ tính toán quỹ đạo cần thiết khi hoạt động ở kiểu vận tốc và kiểu vị trí. Khi hoạt động, LM629 sẽ tính toán sai số vị trí bằng cách lấy vị trí mong muốn trừ đi vị trí thực (hiện tại), sai số này được đưa vào bộ lọc số để điều khiển.
Hồi tiếp vị trí:LM629 có thể giao tiếp với encoder tương đối loại 3 pha A, B, Z để kiểm soát vị trí động cơ. Mỗi khi có tín hiệu chuyển mạch của xung A hoặc B, thanh ghi vị trí của LM629 sẽ tăng giảm tương ứng. Điều này giúp nâng cao độ phân giải encoder lên 4 lần. Tín
hiệu từ encoder được động bộ với xung clock của LM629. Xem thêm ở hình dưới:
hình 2: Giản đồ đọc xung encorder.
Tín hiệu từ xung Index dùng để nhận biết động cơ đã quay được một vòng. Khi được lập trình, LM629 sẽ ghi lại vị trí tuyệt đối của động cơ vào thanh ghi Index mỗi khi 3 tín hiệu của encoder xuống mức logic thấp. Nếu encoder không có pha Index thì ngõ vào Index của LM629 vẫn có thể được dùng để ghi lại vị trí Home của động cơ. Trong trường hợp này, người ta bố trí sao cho khi động cơ đến điểm Home sẽ làm một công tắc xuống mức logic thấp và nối công tắc này vào chân Index. Khi đó LM629 sẽ ghi lại vị trí động cơ vào thanh ghi Index và có thể gây ngắt vi xử lý chủ. Nếu không sử dụng, chân Index nên nối lên mức logic cao.
Hoạt động đọc và ghi của LM629: + Vi xử lý chủ ghi lệnh vào các chân của LM629 qua ngõ I/O port khi chân PS\ = 0. Mã lệnh được truyền song song qua port giao tiếp và chân WR\ tích cực, byte lệnh được chốt vào nhờ cạnh xuống của chân này. Khi ghi lệnh cần phải đọc trạng thái và kiểm tra cờ trạng thái, gọi là cờ bận (bit 0). Nếu bit báo bận ở mức logic cao thì không được ghi lệnh. Bit báo bận không bao giờ ở mức logic cao trong thời gian quá 100us, thường thì chỉ trong khoảng 15us đến 25us. Bộ xử lý đọc byte trạng thái theo một cách đơn giản, chân cho phép đọc vào RD\ khi PS\ xuống thấp, thông tin trạng thái được giữ đúng trong thời gian dài RD\ xuống thấp.
+ Ghi và đọc dữ liệu đến/từ Lm29 ( cũng giống như ghi lệnh và đọc trạng thái) được thực hiện với chân PS/ = 1. Việc đọc và viết luôn đầy đủ với 2 byte của từ dữ liệu. Mỗi byte tùy thuộc vào chân đọc hay gh. Khi truyền dữ liệu cần phải đọc và kiểm tra bit bận. Khi bit bận thấp thì có thể truyền liện tục 2 byte cùng lúc, nhưng phải kiểm tra lại cờ bận nếu muốn truyền lại byte tiếp theo. Dữ liệu truyền đi được hoàn thành qua ngắt nội. Nếu là lệnh ghi lúc cờ đang bận thì lệnh sẻ bị bỏ qua. Bit bận sẽ lên cao ngay lập tức sau khi ghi byte lệnh hay đọc byte thứ hai.
Ngõ ra điều xung PWM : LM629 cung cấp ngõ ra PWM 8 bit và chân tín hiệu điều khiển chiều quay động cơ. Tương úng chiều dương PWM tối đa là 127/128,chiều âm là.128/128
Hình 3: Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động là 8MHz
c. Khối tạo biên dạng vận tốc :
LM629 điều khiển vị trí bằng với biên dạng vận tốc khi di chuyển là hình thang. Trong kiểu điều khiển vị trí, vi xử lý chủ xác định gia tốc, vận tốc tối đa và vị trí đích. LM629 dùng thông tin này để tạo ra chuyển động bằng cách gia tốc cho đến khi đạt vận tốc tối đa và giảm dần cho về không khi đạt vị trí. Giá trị của gia tốc và vận tốc là bằng nhau. Trong suốt thời gian di chuyển, vận tốc cực đại và vị trí đích có thể thay đổi được và động cơ sẽ tăng hay giảm gia tốc cho phù hợp. Hình 7(a) là hình thang đơn giản lý tưởng, hình 7(b) là hình thang, có được khi vận tốc thay đổi trong những thời gian khác nhau trong lúc chuyển động.
Hình 7 . Profile hình thang mẫu biểu diễn biên dạng vận tốc
Khi hoạt động ở kiểu vận tốc, động cơ tăng đến vận tốc xác định ứng với gia tốc đặt trước và giữ vận tốc ổn định cho đến khi có lệnh dừng. Nếu có nhiễu trong lúc hoạt động thì vận tốc trung bình vẫn không đổi do LM629 sẽ tính toán bù trừ cần thiết. Nếu động cơ không đạt được vận tốc đặt (ví dụ động cơ bị kẹt hoặc công suất không đảm bảo) thì vị trí yêu cầu từ LM629 vẫn tiếp tục tăng dẫn đến sai lệch vị trí ngày càng lớn. Nếu ngẫu nhiên lỗi này được khắc phục thì động cơ sẽ nhanh chóng đạt vận tốc rất cao để đạt vị trí yêu cầu. Lỗi này có thể phát hiện được bằng cách dùng lệnh LPEI, LPES.
Tất cả các thông số quỹ đạo có là số dạng 32 bit. Thông số vị trí là giá trị có dấu. Giá trị gia tốc và vận tốc là số dương gồm 16 bit biểu thị phần nguyên và 16 bit biểu thị phần thập phân.
Cách xác định các thông số yêu cầu như sau: Ví dụ động cơ có encoder 500 xung, yêu cầu tăng vận tốc từ 0 đến 600 v/ph sau đó giảm vận tốc và dừng chính xác ở vị trí 100 vòng kể từ lúc bắt đầu. Cách tính thông số như sau:
P = vị trí đích (đơn vị = số đếm encoder)
R = encoder * 4 (độ phân giải hệ thống)
R = 500 * 4 = 2000
P = 2000 * số vòng yêu cầu
= 2000 * 100 = 200000 = 30D40h (số Hex ghi vào LM629)
V = vận tốc (số xung encoder/mẫu)
T = thời gian lấy mẫu = 341 us (6MHz)
C = hệ số chuyển đổi = 1 phút/60 giây
khi đó V = R * T * C * vận tốc yêu cầu
và V = 2000 * 341E-6 * 1/60 * 600 = 6.82 xung/mẫu
V (nhân hằng số) = 6.82 * 65536 = 446,955.52 = 446,956 = 6D1ECh
cho A = số đếm/ tgian * tgian
A = R * T * T * gia tốc yêu cầu
= 2000 * 341E-6 * 341E-6 * 1 = 2.33E-4 (xung/sample/sample)
A (nhân hằng số) = 2.33E-4 * 65536 = 15.24 = 15 = 0Fh
Vận tốc, vị trí, gia tốc trên phải chuyển thành số nhị phân trước khi load vào LM629. Giá trị vận tốc và gia tốc phải được nhân lên với 65536 để đảm bảo giá trị là số nguyên. Chú ý là các giá trị này phải được làm tròn.
IC74HC245 :
là một bus truyền nhận hệ cơ số 8 mà đặc trưng là bus ngõ ra tương ứng không đảo 3 trạng thái ở cả hướng truyền và nhận.
- Tính năng : + Tất cả ngõ vào đều có hoạt động schmitte trigger.
+ Chấp nhận điện áp ngõ vào lớn hơn điện áp Vcc.
+ Ổn định thời gian trể.
IC74HC14 :
Tác dụng:loại đi phần nhiễu tín hiệu (có thể xảy ra trong môi trường xung quanh ) từ encoder đưa về LM629.
Cấu tạo:Là cổng schmitte trigger, loại cổng logic cho phép chuyển trạng thái dứt khoát giữa mức cao và mức thấp. Với cổng logic thường, khi tín hiệu vào chuyển tiếp chậm thì tín hiệu ra thường bị rung. Với cổng schmitte thì không. Khi tín hiệu chuyển từ mức thấp sang cao nếu đạt tới một áp ngưỡng VT+ thì ngay lập tức ngõ ra là mức 1. Ngược lại, khi tín hiệu từ mức cao chuyển sang mức thấp nếu đạt tới ngưỡng VT- thì ngõ ra là mức 0. VT+ > VT- .Nhờ vào sự chênh lệch giữa VT+ và VT- (còn gọi là độ trể )mà cổng này có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu rất nhiều.
.......................................
TỔNG KẾT
Đồ án chỉ dừng lại ở mức khảo sát một số đặc tính của LM629N và thiết kế lên mạch điều khiển bằng phần mềm Orcad.
Do thời gian có hạn vì đây chỉ là đồ án môn học nên phần khảo sát còn thiếu sót, chưa đưa ra được một phương pháp tối ưu để thiết kế và tiến đến thi công mạch hoàn chỉnh.
Qua đồ án này phần nào giúp em hiểu rõ hơn nữa về hệ thống điều khiển động cơ hồi tiếp vòng kín bằng phương pháp PID đã được học lý thuyết ở trường.Nếu có điều kiện và thời gian em sẽ tiếp tục hoàn chỉnh đồ án này.
Hướng phát triển: nhóm em sẽ phát triển và hoàn thiện đồ án hơn ở bài tập bộ môn kế tiếp, và sẽ lấy đề tài này để bảo vệ đồ án tốt nghiệp khóa 2013.
Một lần nữa nhóm em xin chân thành cảm ơn những đóng góp của Thầy và các bạn.
