Thiết kế hệ thống điều khiển số sử dụng vi điều khiển và máy tính - Chương 5

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

127
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

DdạI CƯƠNG Về Cấu trúc phần cứng và phần mềm CHO ĐIềU KHIểN Số động cơ điện một chiều Ch-ơng n y giới thiệu về phần cứng v phần mềm trong điều khiển số. Hệ thống phần cứng đ-ợc xây dựng từ vi điều khiển. Bên cạnh đó, một hệ thống vi điều khiển có thể đ-ợc ghép nối với máy tính, do đó các thông số của bộ điều khiển số có thể đặt trực tiếp trên máy tính.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế hệ thống điều khiển số sử dụng vi điều khiển và máy tính - Chương 5

Ch−¬ng 5 ®¹I C¦¥NG VÒ CÊu tróc phÇn cøng vµ phÇn mÒm CHO §IÒU KHIÓN Sè ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu Ch−¬ng n y giíi thiÖu vÒ phÇn cøng v phÇn mÒm trong ®iÒu khiÓn sè. HÖ thèng phÇn cøng ®−îc x©y dùng tõ vi ®iÒu khiÓn. Bªn c¹nh ®ã, mét hÖ thèng vi ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc ghÐp nèi víi m¸y tÝnh, do ®ã c¸c th«ng sè cña bé ®iÒu khiÓn sè cã thÓ ®Æt trùc tiÕp trªn m¸y tÝnh. M¸y tÝnh còng l m nhiÖm vô gi¸m s¸t gi¸ trÞ ®Æt còng nh− gi¸ trÞ ph¶n håi cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn. Cuèi cïng ch−¬ng n y giíi thiÖu ®Æc ®iÓm cña ng«n ng÷ C l ng«n ng÷ tiÖn lîi ®Ó lËp tr×nh cho c¸c vi ®iÒu khiÓn trong ®iÒu khiÓn sè. 5.1 Vi ®iÒu khiÓn PhÇn cøng ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu bao gåm vi ®iÒu khiÓn. Mét bé vi ®iÒu khiÓn (viÕt t¾t l MCU hay µC) l mét m¸y tÝnh trªn mét chip. §©y l mét d¹ng cña vi xö lý cã ®é tÝch hîp cao, tiªu thô Ýt n¨ng l−îng v gi¸ th nh thÊp. §iÒu n y t−¬ng ph¶n víi mét bé vi xö lý ®a chøc n¨ng ®−îc sö dông cho m¸y tÝnh c¸ nh©n ph¶i ®−îc kÕt nèi víi c¸c phÇn tö kh¸c míi cã thÓ l m viÖc ®−îc. Ngo i viÖc kÕt hîp víi c¸c phÇn tö sè häc v logic nh− mét bé vi xö lý ®a n¨ng, mét sè vi ®iÒu khiÓn cßn ®−îc tÝch hîp víi c¸c phÇn tö kh¸c nh− l bé nhí ®äc-viÕt ®Ó l−u d÷ liÖu, bé nhí chØ ®äc ®−îc (ROM) hay cßn gäi l bé nhí chíp nho¸ng ®ª l−u m· hay code ch−¬ng tr×nh. Mét sè hä vi ®iÒu khiÓn cßn cã bé nhí EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) ®−îc sö dông ®Ó l−u ch−¬ng tr×nh m·i m·i. Bé nhí EEPROM ®−îc gäi l bé nhí chØ ®äc ®−îc cã kh¶ n¨ng lËp tr×nh xãa ®−îc b»ng ®iÖn. Ngo i ra bé vi ®iÒu khiÓn cßn cã c¸c giao diÖn v o/ra. Víi tèc ®é xung nhÞp kho¶ng mét v i MHz hoÆc thÊp h¬n, mét bé vi ®iÒu khiÓn th−êng l m viÖc víi tèc ®é thÊp h¬n so víi bé vi xö lý hiÖn ®¹i nh−ng ®ñ cho mét sè øng dông cô thÓ. C¸c vi ®iÒu khiÓn th−êng tiªu thô c«ng suÊt nhá mét v i milliwatts v cã kh¶ n¨ng l m viÖc ë chÕ ®é chê hay cßn gäi l chÕ ®é “sleep” trong khi ®îi c¸c sù kiÖn ngo¹i nh− qu¸ tr×nh Ên mét nót Ên ®Ó ®−a vi ®iÒu khiÓn vÒ tr¹ng th¸i l m viÖc. C«ng suÊt tiªu thô ë chÕ ®é chê cã thÓ chØ mét v i nanowatt l m cho c¸c vi ®iÒu khiÓn lý t−ëng ®èi víi c¸c øng dông c«ng suÊt thÊp v thêi gian l m viÖc l©u d i cña nguån cÊp l pin. C¸c bé vi ®iÒu khiÓn th−êng ®−îc sö dông trong c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn tù ®éng nh− l trong c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®éng c¬ « t«, ®iÒu khiÓn xa, c¸c m¸y v¨n phßng, c¸c thiÕt bÞ ®iÖn, c¸c m¸y c«ng cô v ®å ch¬i. §−îc thiÕt kÕ víi kÝch th−íc nhá gän, gi¸ th nh thÊp v c«ng suÊt tiªu thô nhá so víi qu¸ tr×nh thiÕt kÕ sö dông mét vi xö lý riªng biÖt, bé nhí v c¸c thiÕt bÞ v o v ra, c¸c bé vi ®iÒu khiÓn ®−îc xem nh− l gi¶i ph¸p kinh tÕ ®Ó ®iÒu khiÓn ®iÖn tö nhiÒu qu¸ tr×nh h¬n. B¶ng 5.1 l mét sè hä vi ®iÒu khiÓn th«ng dông cña h·ng Atmel v Microchip B¶ng 5.1: Mét sè vi ®iÒu khiÓn cña h·ng Atmel v Microchip Atmel Microchip AT89 series (Intel 8051 architecture) 8 and 16-bit microcontrollers with 12 to • • 24-bit instructions AT90, ATtiny, ATmega series (AVR • architecture) (Atmel Norway design) ability to include DSP function • AT91SAM (ARM architecture) 12-bit instruction PIC • • AVR32 (32-bit AVR architecture) 14-bit instruction PIC • • MARC4 PIC16F84 • • 16-bit instruction PIC • 32-bit instruction PIC • 5.1.1 Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 l bé vi ®iÒu khiÓn 8 bit m¹nh cã tèc ®é xö lý cao, tiªu thô c«ng suÊt nhá. S¬ ®å ch©n ra cña lo¹i 40 ch©n cã d¹ng nh− trªn h×nh 5.1. 1
H×nh 5.1: S¬ ®å ch©n ra cña vi ®iÒu khiÓn Atmega16 lo¹i 40 ch©n §Æc tr−ng cña bé vi ®iÒu khiÓn n y nh− sau: -HiÖu n¨ng cao, c«ng suÊt nhá -KiÕn tróc RISC tiªn tiÕn -Thao t¸c ho n to n tÜnh -16K Bytes bé nhí ch−¬ng tr×nh chíp nho¸ng tù kh¶ tr×nh trong hÖ thèng -512 Bytes EEPROM -1K Byte SRAM néi -Chu kú ®äc/viÕt: 10,000 Flash/100,000 EEPROM -Thêi gian l−u tr÷ ch−¬ng tr×nh: 20 n¨m ë 80oC/ 100 n¨m ë 25oC -Cã kh¶ n¨ng khãa ch−¬ng tr×nh sau khi n¹p -2 bé ®Þnh thêi/®Õm 8 bit (Timer/Counter) -1 bé ®Þnh thêi/®Õm 16 bit (Timer/Counter) -4 kªnh PWM -8 kªnh ADC 10 bit -LËp tr×nh nèi tiÕp USART -32 ®−êng lËp tr×nh v o/ra -§iÖn ¸p l m viÖc: 4,5-5,5 V -Møc tèc ®é: 0 ®Õn 16 MHz Chøc n¨ng c¸c ch©n cña Atmega16 -VCC: §iÖn ¸p cÊp sè -GND: §Êt -Port A (PA7..PA0): Port A l m viÖc nh− l c¸c ®Çu v o cña c¸c bé chuyÓn ®æi tõ t−¬ng tù sang sè (ADC). Port A còng cã thÓ l m viÖc nh− l c¸c port I/O hai chiÒu 8 bit. C¸c ch©n cña cæng cã thÓ cã c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi (®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port A cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m v nguån cao. Khi c¸c ch©n PA0 tíi PA7 ®−îc s− dông nh− c¸c ®Çu v o v ®−îc kÐo xuèng bªn ngo i, chóng sÏ t¹o nªn mét dßng ®iÖn nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng A l ba tr¹ng th¸i khi mét ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng l m viÖc. -Port B (PB7..PB0): Port B l mét port v o ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi (®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port B cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m v nguån cao. Khi l ®Çu v o, c¸c ch©n cña Port B ®−îc kÐo xuèng tõ bªn ngo i sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng B l ba tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng l m viÖc. 2
-Port C (PC7..PC0): Port C l mét port v o ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi (®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port C cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m v nguån cao. C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port B cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m v nguån cao. Khi l ®Çu v o, c¸c ch©n cña Port C ®−îc kÐo xuèng tõ bªn ngo i sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng C l ba tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng l m viÖc. NÕu giao diÖn JTAG ®−îc cho phÐp, c¸c ®iÖn trë kÐo lªn trªn c¸c ch©n PC5(TDI), PC3(TMS) v PC2(TCK) sÏ ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ khi cã reset. -Port D (PD7..PD0): Port D l mét port v o ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi (®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port D cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m v nguån cao. Khi l ®Çu v o, c¸c ch©n cña Port D ®−îc kÐo xuèng tõ bªn ngo i sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng D l ba tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng l m viÖc. -RESET: §Çu v o reset. Mét møc thÊp ë ch©n n y víi thêi gian d i h¬n ®é d i cña xung tèi thiÓu sÏ t¹o ra mét qu¸ tr×nh reset, thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng ch¹y. -XTAL1: §Çu v o tíi bé khuyÕch ®¹i bé dao ®éng ®¶o v ®Çu v o t¬i m¹ch l m viÖc xung nhÞp néi. -XTAL2: §Çu ra tõ bé khuyÕch ®¹i bé dao ®éng ®¶o. -AVCC: l ch©n cÊp ®iÖn ¸p cho cæng A cña bé chuyÓn ®æi A/D. Ch©n n y nªn ®−îc nèi víi bªn ngo i tíi Vcc thËm chÝ khi ADC kh«ng ®−îc sö dông. NÕu ADC ®−îc sö dông, ch©n n y nªn ®−îc nèi víi Vcc qua mét bé läc th«ng thÊp. -AREF: l ch©n tham chiÕu t−¬ng tù cho bé chuyÓn ®æi A/D. 5.1.2 GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 víi m¸y tÝnh Cæng nèi tiÕp RS232 l giao diÖn sö dông réng r·i nhÊt. Trong c¸c m¸y PC cæng n y cßn gäi l cæng COM1. Cæng RS232 ®−îc dïng cho c¸c môc ®Ých ®o l−êng v ®iÒu khiÓn. ViÖc truyÒn d÷ liÖu qua cæng ®−îc tiÕn h nh thao c¸ch nèi tiÕp, nghÜa l c¸c bit ®−îc göi nèi tiÕp nhau trªn cïng mét ®−êng dÉn. Lo¹i truyÒn th«ng n y cã kh¶ n¨ng dïng cho c¸c kho¶ng c¸ch lín h¬n, kh¶ n¨ng bÞ nhiÔu Ýt h¬n so víi dïng cæng song song. ViÖc dïng cæng song song cã nh−îc ®iÓm l viÖc sö dông cap qu¸ nhiÒu sîi, h¬n n÷a møc tÝn hiÖu n»m trong kho¶ng 0-5V kh«ng thÝch hîp víi kho¶ng c¸ch lín. Møc logic tÝn hiÖu sö dông kh¸c nhau tïy theo m¹ch cô thÓ. TÝn hiÖu ®Þnh møc l +12V (logic 0) v -12V (logic 1). Møc tÝn hiÖu n y cho phÐp truyÒn dÉn tÝn hiÖu kho¶ng c¸ch xa. H×nh 5.1 l s¬ ®å ch©n cña c¸p nèi tiÕp RS232. H×nh 5.1: C¸p nèi tiÕp RS232 3
Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 cã thÓ ghÐp nèi víi m¸y tÝnh qua bé nhËn v truyÒn nèi tiÕp ®a n¨ng ®ång bé v kh«ng ®ång bé (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter /USART). H×nh 5.2 l mét vÝ dô cña viÖc m¾c mét bé chuyÓn ®æi møc cæng nèi tiÕp MAX232 víi vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 cho truyÒn th«ng nèi tiÕp víi mét m¸y tÝnh qua cæng nèi tiÕp RS232. H×nh 5.2: GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn Atmega 16 víi m¸y tÝnh qua truyÒn th«ng nèi tiÕp RS232 5.2 §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu §éng c¬ 1 chiÒu Lab-Volt cã c¸c th«ng sè ®Þnh møc nh− sau: -PhÇn øng: 220 V-1,5 A -KÝch tõ song song (shunt): 220 V-0,3 A -KÝch tõ nèi tiÕp (series): 1,5 A -C«ng suÊt ®éng c¬: 175 W-1500 r/min 5.3 Ph¶n håi tèc ®é Ph¶n håi tèc ®é l mét m¸y ph¸t tèc víi ®Çu ra 1 V øng víi 500 vßng/phót. 5.4 T¶i c¬ cña ®éng c¬ Khèi Dynamometer dïng l m t¶i c¬ cho ®éng c¬ ®iÖn: -C«ng suÊt: 0-3 N.m – 0-2500 r/min, 175 W Khi phÇn øng cña ®éng c¬ l 200 VDC v r« to cña ®éng c¬ ®−îc nèi víi t¶i c¬ (dynamometer) v m« men ®−îc ®iÒu chØnh b»ng tay vÒ 0 N.m th× tèc ®é ®éng c¬ l 940 vßng/phót. 5.5 Van ®ãng c¾t cña m¹ch b¨m Van ®ãng c¾t cña m¹ch b¨m l MOSFET c«ng suÊt: §iÖn ¸p v o ®Þnh møc 700 VDC, dßng ®Þnh møc 1,5A. S¬ ®å khèi m¹ch më MOSFET nh− trªn h×nh 5.3. Theo thùc nghiÖm ®Ó MOSFET cã thÓ më ®−îc th× ®Çu v o cña khèi ®iÒu khiÓn ®ãng c¾t ph¶i lín hín hoÆc b»ng 9VDC. 4
§Çu v o Khèi ®iÒu khiÓn C¸ch ly v §Õn cùc G cña ®ãng c¾t khuyÕch ®¹i MOSFET H×nh 5.3: S¬ ®å khèi m¹ch më MOSFET cña tñ thÝ nghiÖm truyÒn ®éng Lab-Volt 5.6 Diod m¾c song song ng−îc víi t¶i -§ièt c«ng suÊt m¾c song song ng−îc víi t¶i: 1 A -Môc ®Ých cña diod n y l b¶o vÖ MOSFET khái bÞ ph¸ hñy khi t¶i c¶m lín 5.7 Cuén kh¸ng läc -T¸c dông cña cuén kh¸ng läc l ®¶m b¶o cho dßng ®iÖn phÇn øng l liªn tôc -Mçi cuén kh¸ng läc nÕu ®−îc m¾c nèi tiÕp: 3,2 H – 0,75 A -NÕu mçi cuén kh¸ng läc ®−îc m¾c song song: 0,8 H – 1,7 A H×nh 5.4: Mét cuén kh¸ng läc 5.8 §iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu sö dông ph¶n håi tèc ®é Mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu l ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng. Trong ph−¬ng ph¸p n y, dßng ®iÖn kÝch tõ ®−îc gi÷ kh«ng ®æi v ®iÖn ¸p phÇn øng ®−îc thay ®æi. Tèc ®é cña ®éng c¬ tû lÖ víi ®iÖn ¸p phÇn øng. Do ®ã, ®Ó cã ®−îc mét tèc ®é theo mong muèn, chóng ta chØ cÇn ®Æt mét ®iÖn ¸p mét chiÒu t−¬ng øng v o phÇn øng cña ®éng c¬. Tuy nhiªn, khi t¶i cña ®éng c¬ thay ®æi, tèc ®é cña ®éng c¬ sÏ thay ®æi. §Ó ®¹t ®−îc mét hÖ thèng cho phÐp duy tr× tèc ®é ®Æt l kh«ng thay ®æi khi t¶i cña ®éng c¬ thay ®æi, chóng ta cÇn ph¶i sö dông ph¶n håi ©m tèc ®é. §èi víi mét hÖ thèng ph¶n håi ©m tèc ®é, mét tÝn hiÖu ®iÖn ¸p tû lÖ víi tèc ®é thËt cña ®éng c¬ (th−êng thu ®−îc qua mét m¸y ph¸t tèc g¾n ë trªn trôc cña ®éng c¬) ®−îc trõ tõ tÝn hiÖu tû lÖ víi tèc ®é ®Æt th−êng ®−îc xem nh− l tÝn hiÖu tham chiÕu. KÕt qu¶ cho ra mét tÝn hiÖu ®−îc gäi l tÝn hiÖu sai lÖch. TÝn hiÖu sai lÖch n y sau ®ã sÏ x¸c ®Þnh ®iÖn ¸p ®Æt v o phÇn øng cña ®éng c¬. Nãi chung, tÝn hiÖu sai lÖch sÏ ®−îc xö lý b»ng mét bé ®iÒu khiÓn tr−íc khi cho ra ®iÖn ¸p t−¬ng øng ®Æt v o phÇn øng cña ®éng c¬. Mét bé ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n nhÊt cã thÓ l mét bé ®iÒu khiÓn tû lÖ. Trong thùc tÕ, ®Ó cã chÊt l−îng ®iÒu khiÓn tèt h¬n ng−êi ta ph¶i sö dông bé ®iÒu khiÓn PID (bé ®iÒu khiÓn tû lÖ-tÝch ph©n-vi ph©n) theo s¬ ®å khèi nh− trªn h×nh 5.5. 5
T¶i c¬ TÝn hiÖu sai Tham M¹ch ®éng lÖch chiÕu Bé ®iÒu §éng lùc khiÓn PID c¬ M¸y ph¸t tèc Ph¶n håi S (tû lÖ víi tèc ®é ®éng c¬) H×nh 5.5: S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn tèc ®é 5.9 Mét sè ®Æc ®iÓm ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm trong ®iÒu khiÓn sè Ta ®· biÕt ®iÒu khiÓn sè ®éng c¬ ®iÖn l ®iÒu khiÓn cã thêi gian ng¾n nhÊt. Hîp ng÷ (Assembly) l ng«n ng÷ sö dông hiÖu qu¶ nhÊt d nh cho môc ®Ých n y. Ch−¬ng tr×nh cã hiÖu qu¶ nhÊt l ch−¬ng tr×nh sö dông bé nhí (dïng cho m· dÞch v d÷ liÖu) Ýt nhÊt víi thêi gian ng¾n nhÊt. Ng«n ng÷ C cã nh÷ng ®Æc tr−ng cña ng«n ng÷ cÊp cao nh−ng còng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm cña ng«n ng÷ bËc thÊp l ng«n ng÷ rÊt hiÖu qu¶ trong viÖc x©y dùng c¸c ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn ®éng c¬. C cã tÝnh cÊu tróc rÊt cao, cã c¸c to¸n tö rÊt m¹ch v× thÕ ng y n y c¸c ch−¬ng tr×nh lín ®Òu ®−îc viÕt b»ng C. C còng cã thÓ ®−îc ghÐp nèi trùc tiÕp víi hîp ng÷ v× thÕ n y nay C trë nªn th«ng dông h¬n hîp ng÷ nhiÒu. Khi lËp tr×nh b»ng C ng−êi sö dông ph¶i n¾m v÷ng hÖ lÖnh cña bé vi ®iÒu khiÓn. Ngo i ra còng cÇn biÕt c¸c h m ®−îc x©y dùng riªng cho ®iÒu khiÓn. H m C t−¬ng ®−¬ng víi ch−¬ng tr×nh con viÕt b»ng hîp ng÷. C ®−îc gäi l ng«n ng÷ thÝch hîp nhÊt cho ®iÒu khiÓn thêi gian thùc v× tÝnh v¹n n¨ng, c« ®äng v tèc ®é thùc hiÖn. 6