Đồ án Điều Khiển Động Cơ một chiều Servo dùng IC LM629

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN. LỜI CẢM ƠN. LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN. TÓM TẮT ĐỒ ÁN. CHƯƠNG TỔNG QUAN. CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LM659. CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH. KẾT LUẬN. Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm KT TP.HCM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử ((( ((( NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ và tên: Lê Duy Phương MSSV: 05111075 Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Mã ngành: 11 Hệ đào tạo: Đại học chính qui Mã hệ: 1 Niên khóa: 2005-2010 1.Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO BẰNG LM629 2. Nhiệm vụ của đồ án : Tìm hiểu tổng quan về hệ thống mạch. Khảo sát các đặc tính của IC LM629. Thiết kế mạch (Sơ đồ nguyên lý). 3. Ngày giao nhiệm vụ: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 4/1/2010 5. Giáo viên hướng dẫn: TH. SĨ: LÊ TẤN CƯỜNG Giáo viên hướng dẫn (kí tên) LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn đến thầy Lê Tấn Cường (Ths.GV Bộ môn Cơ Điện Tử thuộc khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM). Thầy đã giúp em chọn đề tài và hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu trong quá trình làm Đồ án này Em xin cảm ơn đến tất cả thầy cô ở Bộ môn Cơ Điện Tử đã cho em những kiến thức nền tảng giúp em hoàn thành Đồ án này. Em cũng xin cảm ơn đến bạn Lê Hoàng Anh đã tận tình giúp đỡ em trong lúc khó khăn để em có thể hoàn thành Đồ án này. Sinh viên thực hiện Lê Duy Phương Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm KT TP.HCM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử ((( ((( NHAÄN XEÙT CUÛA GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN ((( ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..................... Tp.Hồ Chí Minh, Ngày…..tháng…. năm 2008 Giáo viên hướng dẫn TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án Điều Khiển Động Cơ DC SERVO Bằng LM629 nhằm xây dựng nên một Mô hình để khảo sát đặc tính động cơ DC SERVO hay các cơ cấu SERVO khác có tín hiệu hồi tiếp lệch pha 90 độ. Mô hình có thể dùng trong thí nghiệm hay là thiết bị dạy học. Mạch gồm : chíp vi xử lý Atmega32, IC chuyên dụng LM629 và Modul công suất (cầu H…). Qua Đồ án này,giúp em hiểu rõ hơn về đặc tính của động cơ Servo và đặc biệt là khảo sát được các đặc tính của IC chuyên dụng LM629. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề. Ngày nay thì động cơ Servo đã xuất hiện nhiều trong công nghiệp và trong sản xuất.Hầu như trong bất cứ dây chuyền sản xuất nào hay trong các xưởng, nhà máy, xí nghiệp.v.v…đều có sử dụng động cơ DC hay servo. Một số ứng dụng cơ bản của động cơ servo trong công nghiệp như là điều khiển vị trí, vận tốc ,gia tốc trong các cơ cấu servo, máy CNC, băng tải, cơ cấu Robot (điều khiển cánh tay Robot)… Do đó việc xây dựng nên một mô hình khảo sát chuyển động thu nhỏ của động cơ servo là cần thiết 1.2. Giới Thiệu : Mô hình chủ yếu gồm : + 1 con chủ (Master) là Chip vi xử lý Atmega32 của hãng ATMEL . Đây là dòng vi điêu khiển thuộc chủng CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng của hãng ATMEL. Vi điều khiển này có khả năng ghép nối ngoại vi rộng gồm các timer tốc độ cao , các I/Os tốc độ cao, A/D, UART, PWM …. + IC chuyên dụng LM629 của hãng National dùng để điều khiển chuyển động của các loại động cơ DC servo hay các cơ cấu servo khác có tín hiệu hồi tiếp lệch pha 90 độ.
Hình 1. Sơ đồ kết nối giữa AVR và LM629 + Modul điều khiển công suất động cơ như mạch cầu H, hay IC chuyen dụng có tích hợp sẵn mạch cầu H như IC LMD18200…
Hình 2. Khối công suất điều khiển động cơ dùng LMD18200 + Ngoài ra còn có Modul nguồn , modul encoder…. Như vậy thì LM629N sẽ làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ con chủ là Atmega32 đưa xuống, đồng thời nó cũng xử lý những thông số từ Encoder hồi tiếp về, thông qua bộ PID (được tích hợp sẵn trong LM629) thì nó sẽ xử lý và đáp ứng ra lại động cơ qua ngõ PWM. Trong bài báo cáo này chủ yếu đi sâu vào khảo sát đặc tính của IC LM629N. CHƯƠNG II. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA LM629N 2.1. Giới thiệu chung : IC LM629 là vi xử lý chuyên dụng của hãng điện tử National, nó dùng để điều khiển chuyển động của các loại động cơ DC servo và các cơ cấu servo khác có tín hiệu hồi tiếp trả về 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 có hậu tố - 6 hay - 8. Các đặc tính chính: Khả năng xử lý vị trí, vận tốc, gia tốc 32 bit Bộ lọc PID có các tham số 16 bit lập trình được Thời gian vi phân lập trình được Tín hiệu điều khiển dạng PWM 8 bit có dấu Tự động tính toán quỹ đạo vận tốc Cho phép cập nhật vận tốc, vị trí cuối và tham số bộ lọc trong lúc chuyển động Hoạt động ở chế độ vị trí và vận tốc Các ngắt tới vi xử lý chủ có thể lập trình được Giao tiếp song song 8 bit với vi xử lý chủ Giao tiếp với encoder 3 pha A, B, Z
Hình 3. Sơ đồ khối điều khiển dùng LM629 2.2. Khảo sát LM629N : 2.2.1. Giới thiệu về LM629N :
Hình 4 . Hình dạng LM629N LM629N cũng có đặc tính giống như các LM 629, LM628 khác. LM629N có tất cả 28 chân. + Chân 1 IN\ ngõ vào: nhận lựa chọn chỉ dẫn xung ngõ vào encoder. Phải đặt mức 1 nếu không dùng. Chỉ dẫn được đọc khi các chân 1, 2, 3 ở mức thấp. + Chân 2, 3 ngõ vào tín hiệu encoder A, B: nhận tín hiệu 2 pha vuông góc được tạo ra bởi encoder incremental. Khi motor quay, tín hiệu 2 pha lệch 90 độ. Chú ý chân 2 và 3 chỉ được thay đổi trạng thái ít nhất là sau 8 kỳ xung clock. Vì 4 trạng thái là cơ sở để giải mã encoder. + Chân 4 đến chân 11 Port tiếp nhận I/O D0-D7: port dữ liệu 2 hướng tiếp nhận xử lý. Dùng để viết lệnh hay dữ liệu vào LM629 và đọc byte trạng thái hay dữ liệu từ nó, được điều khiển bởi CS\ (chân 12), PS\ (chân 16), RD\ (chân 13), WR\ (chân 15). + Chân 12 ngõ vào chân chọn chip CS\: dùng để chọn LM629 cho hoạt động đọc và viết. + Chân 13 ngõ vào đọc RD\: dùng để đọc trạng thái hay dữ liệu. + Chân 14 Gnd. + Chân 15 ngõ vào viết WR\: dùng để viết lệnh hay dữ liệu. + Chân 16 ngõ vào chọn Port PS\: dùng để chọn lệnh hay dữ liệu. Chọn lệnh khi ở mức thấp. Theo mode được điều khiển từ chân 16: Lệnh được viết đến port lệnh khi chân 16 = 0 Byte trạng thái được đọc từ port lệnh khi chân 16 = 0 Viết và đọc dữ liệu khi chân 16 = 1 + Chân 17 ngõ ra ngắt HI: hoạt động mức cao khi có báo động một điều kiện ngắt xảy ra. + Chân reset RST\: phải được đặt ở mức thấp tối thiểu 8 chu kỳ. Khi bị reset: Hệ số bộ lọc và các thông số đều bằng 0 Set sai số vị trí cao nhất 7FFF và kết quả là thi hành lệnh LPEI Ngắt SBBA/SBPR bị vô hiệu hóa Cho phép 5 ngắt khác Đưa về vị trí ban đầu zero hay vị trí home Được set trở lại trong thời gian 2048/fCLK Tuy nhiên, sau reset nên đọc port trạng thái là 00. Nếu reset hoàn thành thì từ trạng thái sẽ là 84h hay C4h. 2.2.2. Nguyên lý hoạt động : a. Giới thiệu : Sơ đồ khối ở hình 3 biểu thị một hệ servo sử dụng LM629. 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 vọng 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. Bảng dưới là một vài thông số cơ bản của LM629.
Hình 5. Bảng thông số cơ bản của LM629 b. 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 đồng bộ với xung clock của LM629.
Hình 6. Tín hiệu hồi tiếp từ Encoder 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. 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. d. Bộ lọc bù PID : LM629 dùng bộ PID số để điều khiển vòng kín. Biểu thức minh họa cho PID:
Ki, Kp, Kd là các thông số rời rạc được load bởi người dùng, được giới hạn trong 16 bit. Tinh chỉnh bộ lọc PID: Việc tinh chỉnh bộ lọc PID được thực hiện qua hai bước. Bước 1 điều chỉnh thô và quan sát đáp ứng để giới hạn khoảng giá trị của tham số. Bước 2 dùng LM629 kết hợp với mạch điện ghép thêm và dao động ký để quan sát đáp ứng quá độ, tinh chỉnh tham số sao cho đạt đáp ứng tốt nhất. Xác định hệ số vi phân Thành phần vi phân của bộ lọc làm giảm dao động và vọt lố, tăng độ ổn định hệ thống, thành phần này tạo ra lực tỉ lệ với độ biến thiên vị trí động cơ và là một hệ số có giá trị bằng Kd x ds. Tham số Kd được tăng dần cho đến khi trục bắt đầu dao động với tần số cao, sau đó tăng dần ds cho đến khi đạt đáp ứng thích hợp. Thời gian lấy mẫu vi phân là số nguyên lần chu kỳ tính toán của LM629 và có giá trị nhỏ hơn hằng số cơ khí của hệ thống từ 5 đến 10 lần. Điều này có nghĩa rằng đa số hệ thống chỉ cần giá trị nhỏ của ds, tuy nhiên nhìn chung Kd và ds được điều chỉnh sao cho đạt giá trị lớn nhất mà không làm hệ thống dao động. Xác định hệ số tỉ lệ Thành phần tỉ lệ cung cấp tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai số vị trí. Nếu Kp quá thấp, hệ sẽ đáp ứng chậm khi có sai số vị trí. Ngược lại, Kp rất lớn làm hệ đáp ứng nhanh làm hệ vọt lố và dao động. Điều chỉnh Kp bằng cách tăng dần cho tới khi hệ bắt đầu dao động. Xác định hệ số tích phân Thành phần tỉ lệ làm giảm sai số hệ thống nhưng không thể triệt tiêu nó, tuy nhiên khâu Ki có thể khử sai số xác lập này. Thành phần tích phân tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số vị trí và tăng tuyến tính theo thời gian. Giá trị Ki lớn làm tăng đáp ứng nhưng có thể gây vọt lố và dao động. Do đó điều chỉnh Ki sao cho đạt giá trị nhỏ nhất thỏa 3 đặc tính: độ vọt lố, thời gian xác lập, thời gian khử sai số xác lập. Thành phần giới hạn tích phân có tác dụng đặt giới hạn ngưỡng giá trị cho thành phần tích phân. Nếu giá trị tích phân vượt quá giới hạn Il sẽ bị xén bằng giá trị Il. Trong nhiều hệ thống, Il có thể thiết lập tới giá trị cao nhất 7FFFH mà không gây tác dụng ngược. Nếu Il bằng 0, khâu tích phân không có tác dụng điều khiển. e. 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 15us khoảng đến 25us. Vi xử lý chủ đọc byte trạng thái theo các tương tự, cho PS\ = 0 và đọc dữ liệu từ cạnh xuống của chân RD, thông tin trạng thái được giữ trong thời gian RD\ ở mức logic thấp. Ghi và đọc dữ liệu hay trạng thái của LM629 kết thúc khi chân PS\ = 1. Việc đọc và ghi luôn thực hiện theo từng 2 byte, và byte đầu tiên luôn là byte có trọng số cao. Khi truyền dữ liệu theo từng word (2byte), nhất thiết phải kiểm tra bit bận. Khi bit bận ở mức logic thấp thì có thể truyền tiếp. Nếu bit bận ở mức logic cao thì phải kiểm tra lại liên tục cho đến khi bit này được xóa mới tiếp tục truyền, nếu không thì lệnh sẽ bị bỏ qua và báo lỗi. Bit bận sẽ lên cao ngay lập tức sau khi ghi byte lệnh, hoặc khi đọc, ghi byte thứ 2.
Hình 8 . Hoạt động đọc Byte trạng thái
Hình 9 . Hoạt động ghi Byte lệnh
Hình 10 . Hoạt động đọc dữ liệu
Hình 11. Hoạt động ghi dữ liệu f. Ngõ ra điều khiển động cơ : LM629 cung cấp ngõ ra PWM 8 bit và chân tín hiệu điều khiển chiều quay động cơ. Tương ứng chiều dương PWM tối đa là 127/128, chiều âm là 128/128.
Hình 12. Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động là 8MHz Một số chú ý khi lập trình với LM629 Bắt tay truyền dữ liệu với vi xử lý chủ: Các ứng dụng của LM629 đều đòi hỏi việc bắt tay truyền nhận dữ liệu chính xác với vi xử lý chủ. Có hai cách thực hiện việc này: thông qua ngắt với vi xử lý chủ hoặc liên tục hỏi vòng kiểm tra byte trạng thái. Hai cách trên đều phải đọc byte trạng thái để xác định nguyên nhân ngắt cụ thể. Nếu thực hiện bằng cách gây ngắt ở vi xử lý chủ, lỗi có thể xảy ra nếu trình phục vụ ngắt chứa lệnh truyền dữ liệu với LM629, trong khi chương trình chính đang thực hiện truyền. Điều này sẽ gây lỗi lệnh (command error) ở byte trạng thái và LM629 bỏ qua lệnh đó. Vì vậy để an toàn, có thể cấm ngắt trước khi thực hiện lệnh giao tiếp với LM629 và cho phép ngắt trở lại sau khi thực hiện xong. Giới hạn tốc độ đọc Encoder: Tần số đọc trạng thái Encoder lớn nhất quyết định bởi số chu kỳ nhỏ nhất cần thiết để giải mã trạng thái eEcoder. LM629 cần ít nhất 8 chu kỳ để thực hiện lệnh này tức là với thạch anh 8MHz ta có tần số đọc Encoder lớn nhất là 1MHz (750 KHz nếu sử dụng thạch anh 6 MHz). Ví dụ: Động cơ có Encoder 500 xung quay với vận tốc 30000 vòng/phút sẽ có tần số chuyển mạch Encoder là 1 MHz. Cập nhật gia tốc trong lúc chuyển động: Không giống như vận tốc và vị trí, LM629 không cho phép cập nhật gia tốc không thể cập nhật trong lúc chuyển động. Muốn làm được điều này, trong lúc động cơ chuyển động ta dùng lệnh tắt động cơ bằng lệnh LTRJ. Sau đó lại dùng lệnh LTRJ để nạp lại gia tốc mới rồi nạp lệnh STT để cập nhật gia tốc này. Khi sử dụng phương pháp này, LM629 coi như động cơ đang đứng yên. Nếu động cơ có quán tính lớn và vẫn còn di chuyển lúc thực hiện lệnh STT thì vòng điều khiển sẽ cố gắng đưa động cơ đạt quỹ đạo mới và có thể gây sai số lớn ở ngõ vào bộ lọc PID gây bão hòa tính hiệu ngõ ra cho đến khi vận tốc đạt được biên dạng yêu cầu. Đây là trường hợp quá tải điển hình ở hệ hồi tiếp. Nó sẽ hoạt động kiểu vòng hở cho tới khi sai số ngõ vào nằm trong khoảng điều khiển được và vòng hồi tiếp đóng lại. Điều khiển theo cách này có đáp ứng khó lường trước và LM629 không được thiết kế cho kiểu điều khiển này.