NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là: Cường độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện áp Uraphụ thuộc vào chỗ khoá nào được

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -*** -

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP

ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN

CHUYỂN ĐỘNG

Học viên: Đinh Văn Nghiệp Lớp: CHK10

Chuyên ngành: Tự động hoá

Người HD Khoa học:TS Bùi Chính Minh

Ngày giao đề tài: 01/02/2009 Ngày hoàn thành: 31/07/2009

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN

TS Bùi Chính Minh

HỌC VIÊN

Đinh Văn Nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-*** -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-*** -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU

KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

ĐINH VĂN NGHIỆP

THÁI NGUYÊN 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đinh Văn Nghiệp

Sinh ngày 25 tháng 12 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động”

do thầy giáo TS Bùi Chính Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng

tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009

Tác giả luận văn

Đinh Văn Nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ

và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Bùi Chính Minh, luận văn với đề tài

“Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết

kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” đã hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Bùi Chính Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn này

Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Tự động hoá

– Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác

giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Trung tâm Thí nghiệm Trường đại học kỹ thuật Công Nghiệp, đặc biệt là các

cán bộ phòng thí nghiệm tự động hoá đã tận tình giúp đỡ tác giả xây dựng hệ thực

nghiệm

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động

viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn

Tác giả luận văn

Đinh Văn Nghiệp

1.2.4.2 Bộ điều khiển số được xác định theo hàm truyền đạt 34

1.2.4.4 Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH) 37 1.2.5 Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp 38 1.2.5.1 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z

1.2.5.2 Bù ảnh hưởng của khâu trễ

38

1.2.6 Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số 41

2.2.3.6 Thanh ghi điều khiển vào ra IOCTL 75

2.4 Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển

chuyển động

81

2.5.2 Hiển thị các điều khiển, quan sát với Instrumentation Management Tools

3.1.2 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phương pháp tổng hợp các

3.1.3 Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều khiển vị trí

110

3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic ứng dụng Card DS1104

115

3.3.3 Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động 124

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Bảng 2.2 Mô tả thanh ghi trạng thái

Bảng 2.3 Mô tả thanh ghi cài đặt

Bảng 2.4 Các ngắt cứng của DSP

Bảng 2.5 Quản lý các ngát cứng

Bảng 2.6 Các địa chỉ thanh ghi của hệ con AD

Bảng 2.7 Các địa chỉ thanh ghi của hệ con DA

Bảng 2.8 Mô tả thanh ghi chế độ DA

Bảng 2.9 Thanh ghi cổng vào/ra

Bảng 2.10 Tên các chân của DS1104 trên P1A

Bảng 2.11 Tên các chân của DS1104 trên P1B

Bảng 2.12 Bảng mô tả các chân của DS1104

Bảng 2.13.Các điều khiển vị trí encoder của DS1104

Bảng 2.14 Tên các chân của các kênh phhát xung

Bảng 2.15 Tên các xung PWM 3 pha

Bảng 2.16.Tên của các kênh phát xung PWM 3 pha

Bảng 2.17 Tên các xung PWM 3 pha vector

Bảng 2.18.Tên của các kênh phát xung PWM 3vector

Bảng 3.1 Các thông số cho trước

Bảng 3.2 Luật điều khiển

Hình 1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý bộ DAC

Hình 1.4 Tín hiệu ra của bộ DAC

Hình 1.5 Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở

Hình 1.6 Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D

Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi A/D song song

Hình 1.9 Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù

Hình 1.10 Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo

Hình 1.11 : Hàm thời gian Hình 1.12 Tín hiệu liên tục Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc

Hình1.14:Bộ cắt mẫu

Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục Hình 1.16

Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26 Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay Hình 1.27 Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ Hình 1.28 Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc Hình 1.29 Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản Hình 1.30 Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt Hình1.31 Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu

Hình1.32 Cấu trúc điều chỉnh bù ngược Hình 1.33 Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình Hình1.34 Các giai đoạn của một quá trình chuyển động

Hình 1.35 Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động Hình 1.37 Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính Hình 2.1- Card DS1104

Hình 2.2 Sơ đồ khối của DS1104

Hình 2.3 Vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240

Hình 2.4.Bản đồ bộ nhớ của DSP

Hình 2.5.Bản đồ bộ nhớ ngoại vi của DSP TMS320F240

Hình 2.6 Sơ đồ khối của hệ con AD

Hình 2.7 Định dạng dữ liệu của ADC 16-bit

Hình 2.8 Định dạng dữ liệu của ADC 12-bit

Hình 2.9 Mạch đầu vào của ADC

Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ con DA

Hình 2.11 Định dạng dữ liệu của DAC 12-bit

Hình 2.12 Định dạng dữ liệu ở chế độ DA

Hình 2.13 Mạch đầu ra của DAC

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc của giao diện encoder so lệch

Hình 2.15 Mạch đầu vào của encoder

Hình 2.18 Tạo nguồn 1,5V từ nguồn 5V

Hình 2.16 Định dạng của thanh ghi IOCTL khi đọc

Hình 2.17 Định dạng của thanh ghi IOCTL khi ghi

Hình 2.18 Các khối của DS1104 Master PPC

Hình 2.19 Các khối trong thư viện của DS1104

Hình 2.20 Tín hiệu encoder và giới hạn đếm

Hình 2.21 Tín hiệu PWM của Card DS1104

Hình 2.22 Tín hiệu PWM ở chế độ đối xứng

Hình 2.23 Tín hiệu PWM ở chế độ không đối xứng

Hình 2.24 Điều chế xung PWM của Card DS1104

Hình 2.25 Điều chế vector không gian

Hình 2.26 Các vector SPWM1, SPWM3, SPWM5 của DS1104

Hình 2.27 Lưu đồ thuật toán thực hiện một ứng dụng với Simulink và Control

Desk: (a)- Bước 1; (b)- Bước 2

Hình 2.35 Thẻ Variable Manager và các biến mô phỏng

Hình 2.36 Cửa sổ New Layout Hình 2.37 Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1 Hình 2.38 Thay đổi tham số của Slider

Hình 2.9 Điều khiển Slider sau khi gán biến cần điều khiển Hình 2.40 Vẽ một Plotter để quan sát tín hiệu

Hình 2.41.Thiết lập đặc tính cho đồ thị Hình 2.42 Thiết lập thông số quan sát Hình 2.43 Điều khiển sự thực thi của DSP (a) và điều khiển Animation (b) Hình 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí

Hình 3.2 Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều Hình 3.3 Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứngHình 3.4 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.5 Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.6 Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 3.7 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển

Hình 3.8 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hình 3.9

Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí

Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí trong matlab Simulink

Hình 3.15 Đặc tính mô phỏng hệ điều khiển chuyển động

Hình 3.16 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với Card DS1104

Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển mờ vị trí với Card DS1104

Hình 3.18 Hệ điều khiển mờ vị trí với Card DS1104

Hình 3.19 Hàm liên thuộc của biến sai lệch vị trí

Hình 3.20 Hàm liên thuộc của biến thay đổi sai sốvị trí

Hình 3.21 Hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển

Hình 3.22 Surface luật điều khiển mờ

Hình 3.23 Vi phân sai lệch vị trí

Hình 3.24 Sai lệch vị trí

Hình 3.25 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ

Hình 3.26 Mô phỏng luật điều khiển mờ

Hình 3.27.Cấu trúc hệ thống thực nghiệm

Hình 3.28.Card DS1104 trong hệ thực nghiệm

Hình 3.29 Driver DC servo motor

Hình 3.30.DC servo motor

Hình 3.31 Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ

Hình 3.32 Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ

Hình 3.33 Màn hình ControlDesk với hệ thực nghiệm

Hình 3.34.Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm

Hình 3.35 Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ

Bảng 2.1 Dung lượng các bộ nhớ của DS1104

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Lý thuyết về hệ điều khiển số

1.1.1 Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số

Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính Cụ thể như:

- các phép đo được thực hiện tại các thời điểm rời rạc

- các dữ liệu cũng phải được rời rạc hoá để cho phép xử lý dữ liệu số Mặt khác các bộ điều khiển số có thể xử lý được dữ liệu rời rạc theo không gian và thời gian Cách rời rạc hoá thường được thực hiện bằng cách lấy mẫu và sau đó là lượng tử hoá Với hai đặc điểm này khiến hệ thống điều khiển số khác hẳn với các

hệ thống thống điều khiển tuyến tính thông thường và hệ thống điều khiển thời gian bất biến

a Bộ chuyển đổi số-tương tự (D/A converter)

Bộ chuyển đổi số-tương tự biển đổi một chuỗi các đại lượng u(kT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống Bộ chuyển đổi D/A được mô phỏng bởi bộ lưu

Hình 1.1: Cấu trúc hệ điều khiển số Máy tính số

Chương trình điều khiển

Đối tượng

giữ, nhận ở thời điểm kT xung có biên độ tỷ lệ với trị số u(kT) có độ rộng rất bé so

với T (tín hiệu lấy mẫu) và duy trì hằng số ấy suốt cả chu kì T Như vậy đáp ứng

với một chuỗi xung là một chuỗi bậc thang có độ dài T Quá trình biến đổi này là

tức thời và không có trễ

Bộ lưu giữ bậc không ở đây tương ứng với cơ cấu định hình với xung chữ nhật, hệ

số lấp đầy =1 Những bộ lưu giữ bậc cao tạo nên những dạng sóng phức tạp hơn

nhưng độ chính xác cao hơn

Nguyên tắc làm việc của DAC

Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết

của tín hiệu số Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song

song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số -

tương tự trong hệ điều khiển số

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ DAC

Hình 1.4- Tín hiệu ra của bộ DAC

Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tương tự

UAbiến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy

Các đặc tính quan trọng của DAC

- Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC Nếu số bit là m thì số trạng thái tín hiệu của số nhị phân đưa vào là 2n và tín hiệu ra sẽ có 2n mức khác nhau, do đó

độ phân giải là 1/ 2n Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế

- Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tưởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với

sự tăng tín hiệu số ở đầu ra

- Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của UAvà trị

số lý thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào Sự sai khác này càng nhỏ thì độ chính xác càng cao

- Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi

là thời gian thiết lập Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC

Một số mạch DAC điển hình Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lƣợng

Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các

bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R, R/2, R/4 và một mạch khuếch đại thuật toán

Khi một khoá điện nào

đó được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ

Hình 1.5 Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở

cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là:

Cường độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên

độ điện áp Uraphụ thuộc vào chỗ khoá nào được nối với Uchtức là phụ thuộc vào giá

trị của bit tương ứng trong tín hiệu số đưa vào mạch chuyển đổi

Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định

của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên như

nhau theo môi trường của các điện trở này Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ

chính xác như vậy thường khó khăn và tốn kém Ngoài ra Uracòn phụ thuộc vào cả

độ chính xác và tính ổn định của nguồn điện áp chuẩn

Bộ biển đổi D /A dùng mạng điện trở R và 2R

DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục được một số nhược điểm của DAC mạng

điện trở trọng lượng Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển

mạch (mỗi chuyển mạch cho 1 bitm) và một nguồn điện áp chuẩn Uch Đại lượng

cần tìm là Ithvào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch

Lúc đó ta có: Ura=-Ith.Rf

Hình 1.6 Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R

Xét tại chuyển mạch tương ứng với bit thứ i, nút tương ứng trên mạch là nút 2 Khi

bộ chuyển đổi đóng vào Uch thì điện thế tương đương tại nút 2isẽ là Uch/ 2 và nguồn tương đương có nội trở là R (theo định lý Thevenin) Như vậy tại nút 2i+1ta có nguồn tương đương trị số là Uch/ 4 và nội trở là R

Từ những kết quả trên ta suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch khuếch đại thuật toán điện thế tại mỗi nút bằng nửa trị số của nút kế cận bên trái nó Như vậy nếu từ nút thứ 2iđến nút 2n-2có k nút (kể cả nút thứ 2n-2) thì điện thế tại nút 2n-2

do chuyển mạch 2i

gây ra là Uch/ 2k và dòng điện t-ơng ứng là Uch/(2k.2R) Tại nút 2n-1

do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây được coi là 0V

Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B0ữ Bn-1) với mạng điện trở R - 2R

 n-1 n-2 0 f

ra ch n n-i n-2 0

R

2 R

Trong đó B0ữ Bn-1có giá trị 0 hoặc 1

Các DAC theo phương pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ như DAC n bit thì phải dùng 2 (n-1) điện trở, trong khi theo phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n điện trở Nhưng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm bảo

b Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D Converter)

Quá trình chuyển đổi tương tự - số không thể tức thời, cần có thời gian trễ để biến đổi tín hiệu tương tự là một đại lượng vật lý (điện áp) ở đầu vào thành tín hiệu

số ở đầu ra

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D

Bộ chuyển đổi A/D cú ba chức năng: lấy mẫu (lượng tử hoỏ theo thời gian), lượng

tử hoỏ theo mức và mó hoỏ (hệ nhị phõn)

Nguyờn lý làm việc của ADC được minh hoạ trờn sơ đồ khối

Tớn hiệu tương tự UAđược đưa đến mạch lấy mẫu, mạch này cú hai nhiệm vụ:

• Lấy mẫu những tớn hiệu tương tự tại những thời điểm khỏc nhau và cỏch đều

Thực chất đõy là quỏ trỡnh rời rạc hoỏ tớn hiệu về mặt thời gian

• Giữ cho biờn độ tớn hiệu tại cỏc thời điểm lấy mẫu khụng thay đổi trong quỏ trỡnh

chuyển đổi tiếp theo (quỏ trỡnh lượng tử hoỏ và mó hoỏq) Quỏ trỡnh lượng tử hoỏ

thực chất là quỏ trỡnh làm trũn số Lượng tử hoỏ được thực hiện theo nguyờn tắc so

sỏnh tớn hiệu cần chuyển với cỏc tớn hiệu chuẩn Mạch lượng tử hoỏ làm nhiệm vụ

rời rạc tớn hiệu tương tự về mặt biờn độ Trong mạch mó hoỏ, kết quả lượng tử hoỏ

được sắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mó yờu cầu ở đầu ra bộ

chuyển đổi

Nhiều loại ADC, quỏ trỡnh lượng tử hoỏ và mó hoỏ xảy ra đồng thời, lỳc đú khụng

thể tỏch rời hai quỏ trỡnh, phộp lượng tử hoỏ và mó hoỏ được gọi chung là phộp biến

đổi AD

Cỏc tham số cơ bản của ADC

Cỏc tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện ỏp tương tự ở

đầu vào, độ chớnh xỏc của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi

- Dải biến đổi của điện ỏp tớn hiệu tương tự ở đầu vào là khoảng điện ỏp mà số từ 0

đến một số dương hoặc số õm nào đú, hoặc cũng cú thể là điện ỏp hai cực tớnh:

-UAUA

- Độ chớnh xỏc của ADC: Tham số đầu tiờn đặc trưng cho độ chớnh xỏc của ADC là

độ phõn giải Tớn hiệu ở đầu ra của một ADC là cỏc giỏ trị được sắp xếp theo một

quy luật của một loại mó nào đú Số cỏc số hạng của mó số đầu ra (số bits trong từ

mó nhị phõns) tương ứng với giải biến đổi của điện ỏp vào cho biết mức chớnh xỏc

của phộp chuyển đổi Vớ dụ một ADC cú số bits ở đầu ra là n = 8 thỡ sẽ phõn biệt

được 28mức trong dải biến đổi điện ỏp vào của nú Như vậy trong thực tế dựng số

bits để đỏnh giỏ độ chớnh xỏc của một ADC khi giải biến đổi điện ỏp vào là khụng đổi

Liờn quan đến độ chớnh xỏc của một ADC cũn cú cỏc tham số khỏc như: mộo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch khụng, sai số lượng tử hoỏ

- Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giõy, được gọi là tần

số chuyển đổi fc Cũng cú thể dựng tham số thời gian chuyển đổi Tcđể đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi Với một ADC thường thỡ fc< 1/Tcvỡ giữa cỏc lần chuyển đổi phải cú một thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thỏi ban đầu Một ADC

cú tốc độ chuyển đổi cao thỡ độ chớnh xỏc giảm và ngược lại

Cỏc phương phỏp chuyển đổi tương tự - số : Cú nhiều cỏch phõn loại ADC,

nhưng hay dựng hơn cả là phõn loại theo quỏ trỡnh chuyển đổi về mặt thời gian Trong đồ ỏn này chỉ giới thiệu một số phương phỏp điển hỡnh

Chuyển đổi A /D theo phương phỏp song song

Nguyên tắc hoạt động :Tớn hiệu tương tự UAđược đồng thời đưa đến cỏc bộ so sỏnh từ S1đến Sm Điện ỏp chuẩn Uchđược đưa đến đầu vào thứ 2 của cỏc bộ so sỏnh qua thang điện trở R Do đú cỏc điện ỏp chuẩn đặt vào cỏc bộ so sỏnh lõn cận khỏc nhau một lượng khụng đổi và giảm dần từ S1đến Sm Đầu ra của cỏc bộ so sỏnh cú điện ỏp lớn hơn điện ỏp chuẩn lấy trờn thang điện trở cú mức logic "1", cỏc đầu ra cũn lại cú mức logic "0" Cỏc đầu ra của mạch so sỏnh được nối với mạch AND, một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp Chỉ khi cú xung nhịp đưa đến đầu vào AND thỡ cỏc xung trờn đầu ra của bộ so sỏnh mới đưa vào mạch nhớ Flip_Flop (FF) Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại cú một tớn hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra Xung nhịp đảm bảo quỏ trỡnh so sỏnh kết thỳc mới đưa xung nhịp vào bộ nhớ Bộ mó hoỏ sẽ biến đổi tớn hiệu và dưới dạng mó đếm thành mó nhị phõn

Mạch biến đổi song song cú tốc độ chuyển đổi nhanh nờn được gọi là ADC nhanh nhưng kết cấu của mạch rất phức tạp vớ dụ như ADC n bits cần phải dựng 2n-1 bộ so sỏnh Vỡ vậy phương phỏp này chủ yếu dựng trong cỏc ADC cú tốc độ chuyển đổi cao nhưng số bit nhỏ

Chuyển đổi A /D theo phương pháp bù

Tại thời điểm ban đầu bộ đếm được đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, như vậy đầu

ra của nó cũng có tín hiệu không Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H

qua cổng AND được đưa vào mạch đếm Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ

Q0…Qm-1đồng thời qua bộ biến đổi D /A sẽ có điện áp U0cho đến khi U0= UA thì

bộ so sánh lật giá trị, đầu ra của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ

dừng Trên đầu ra bộ đếm Q0…Qm-1 ở dạng số tỉ lệ với điện áp vào UA, số này được

xếp vào bộ ghi Tiếp theo bộ đếm được xoá và chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp

Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi A/D song song

Hình 1.9 Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù

theo Sau mỗi chu kỳ bộ ghi sẽ ghi số liệu mới của bộ đếm Nếu như bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại UmaxA: m

Nếu tốc độ biến đổi điện áp UAlớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của

bộ biến đổi Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số lượng tử ± U Để giảm thời gian biến đổi, ở bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chương trình

Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo

Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi D /A

Hình 1.10 Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo

Tín hiệu điện áp vào UAso sánh với điện áp ra D /A Nếu UA> U0thì bộ biến đếm

đếm theo chiều tiến Nếu UA< U0thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi UA=

U0thì bộ đếm dừng, tương tự như cơ cấu servo Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào

UAluôn luôn phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D /A Nên thời gian

biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp fHvà phản ứng của bộ so sánh

c Máy tính số hoặc bộ vi xử lý

Máy tính thực hiện các thuật toán như: dịch chuyển, cộng, nhân, lưu giữ: nó

tạo nên tín hiệu điều khiển uk=u(kT) theo chu kì, là hàm của các đại lượng uk-1, uk-2,

…uk-q ở các thời điểm trước đó và các đại lượng sai lệch ek-1, ek-2, …ek-q Angorit

mô tả hàm ấy có dạng tuyến tính như:

Yêu cầu là xác định các hệ số aj và bj sao cho đáp ứng của hệ số đối với đại lượng

đặt xd(kT) là thích hợp mặc dù có nhiễu tác động đến hệ thống hay đến cảm biến

Trong angorit, sai lệch e(kT) xuất hiện đồng thời với điều khiển, đòi hỏi chu kì

lượng tử hoá T đủ lớn (ít nhất là 20 lần ) so với thời gian tính u(kT) Thời gian lấy

mẫu và thời gian biến đổi tín hiệu đều cần tính đến để chộ T

Chu kì lấy mẫu T ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng của hệ kín Nếu T quá lớn

hệ có thể mất ổn định Nếu T và mức lượng tử hoá (mà quá trình phân tích không

quan tâm đến) đủ bé thì tín hiệu số cũng như tín hiệu rời rạc có thể xem như liên

tục

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin, điện tử các nhà

sản xuất đã tích hợp các hệ vi xử lý tín hiệu số để thay thế các máy tính trong hệ

điều khiển số Các hệ vi xử cùng với các bộ chuyển đổi A/D,D/A được tích hợp trên

một Board đơn (Card) Có nhiều hãng đã sản xuất nhiều Card điều khiển số DSP để

ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu, điển hình là các Card DS1102,DS1104,

1.1.2.1.1 Phép biến đổi z Cho tín hiệu rời rạc x(nT) thì biến đổi z của tín hiệu này sẽ là:

Xét hàm liên tục f(t) có hàm rời rạc là: f(nT)=  

0

)()(t t nTf

Trong đó (tnT)là xung Đirăc Biến đổi Laplace ta có: F(p) (nT)e dt f ) t nT)e dt

0 0

tp tp

Biến đổi Z của hàm 1(t): f(t) = 1(t) f(nT) = 1(n) với T = 1

 Z 1 t() =  

0

2)(

2

11z

1

zz

Biến đổi Z của hàm f(t) = e-aT

với a = const f(nT) = f(n) với T = 1 = e-na

Z at

e =   

0

n na

Nếu hàm f(n) có biến đổi Z là F(z) thì hàm f(n + 1) có ảnh là:

ZF(z) – Zf(0) ( f(0) là điều kiện đầu )

) m (

z)f

0 n

z     



d Giá trị cuối của hàm gốc rời rạc

 zF)z1(lim)n(

1 n

)n()1n(Z

)z(F)z(FZ

1 n

)1n()n()n(

1.1.2.1.3 Biến đổi Z ngƣợc: Cho hàm F(z) tìm f(n) Có ba cách để thực hiện:

a Phân tích thành những phân thức đơn giản Phân tích thành những phân thức đơn giản sau đó sử dụng bảng ảnh gốc và các tính chất biến đổi Z sẽ được kết quả

b Phân tích thành chuỗi luỹ thừa

z

fz)1(fz)n()z(

F   n 0  2 

Suy ra f(n) ở thời điểm lấy mẫu ta xác định được giá trị thời gian

c Dùng phương pháp tích phân ngược

e(nt) =

j2

1

L 1

dzz)z(F

Trong đó đường cong L lấy sao cho bao kín nghiệm (đường cong kín L là đường tròn đơn vị) Phương pháp này ít dùng

d Sử dụng máy tính số Chuyển F(Z) thành phương trình sai phân, sau đó giải phương trình sai phân bằng máy tính

1.1.2.1.4 Biến đổi Z phát triển

Biến đổi Z phát triển là một công cụ để xác định hàm thời gian giữa các lần

lấy mẫu khi mà số lần lấy mẫu không phải là số nguyên của tần số lấy mẫu

Trong trường hợp này ta thay phép biến đổi Z thông thường bằng cách thêm

vào hệ thống dữ liệu lấy mẫu một sự trì hoãn thời gian tưởng tượng Khi đó phép

biến đổi này sẽ mô tả các chuỗi xung được làm rõ bởi các hàm thời gian, với bội số

không nguyên của tần số lấy mẫu

Bằng cách thay đổi thời gian trễ ta có thể tìm được tín hiệu liên tục giữa các

lần lấy mẫu

- Xét hàm thời gian như hình vẽ (Hình 1.11) Hàm được làm trễ một khoảng

thời gian  giây Nếu là số nguyên thì biến

ee)p(E),p(

1.1.2.2 Tín hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số

(n-1) n (n+1) t

e(t)

Hình 1.11 : Hàm thời gian e(t)

1.1.2.2.1 Lấy mẫu tín hiệu

Trong hệ điều khiển số luôn tồn tại hai loại tín hiệu là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc Tín hiệu đưa vào máy tính là tín hiệu

rời rạc, còn tín hiệu đưa vào đối tượng điều khiển

và đối tượng đo lường là tín hiệu liên tục

Để tín hiệu đưa vào máy tính số ta phải biến đổi các tín hiệu đo lường vốn là liên tục thành tín hiệu rời rạc và nó được gọi là quá trình cắt mẫu tín hiệu

Xét một tín hiệu liên tục như hình vẽ (Hình 1.12):

Ta giả thiết lấy mẫu tín hiệu ở những điểm cách đều nhau Với cách lấy mẫu như thế thì hàm x(t) được mô tả bởi chuỗi các con số rời rạc x(0), x(T), x(2T), x(3T), …., x(nT) Nó mô tả các giá trị của hàm x(t) tại các thời điểm rời rạc về thời gian

Các giá trị của hàm tại các điểm khác như

)T5

2(

x … chỉ có thể có được nhờ phương pháp

nội suy

Trong thực tế các khâu điều khiển và đối tượng điều khiển thường là tương

tự, vì vậy tín hiệu rời rạc sau khi lấy mẫu phải được xây dựng thành tín hiệu liên tục, trong suốt khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu Quá trình này được gọi là quá trình lưu giữ dữ liệu (Hold), có hai cách để lưu giữ dữ liệu đó là: lưu giữ bậc không và lưu giữ bậc một

1.1.2.2.2 Các đặc tính lấy mẫu Một bộ lấy mẫu lý tưởng được mô tả như hình vẽ(H-21) sau:

t

x(t)

t Hình 1.12 Tín hiệu liên tục

x(nT)

Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc

T 2T 3T …… nT

T 2T 3T …… nT

Với bộ cắt mẫu lý tưởng trên sẽ tạo ra một chuỗi xung đơn vị rời rạc từ hàm liên

tục Giả thiết thời gian đáp ứng của bộ cắt mẫu nhỏ hơn nhiều thời gian giữa hai lần

lấy mẫu liên tiếp (chu kỳ lấy mẫu), khi đó giá trị rời rạc x(nT) chính là các giá trị

của hàm khi bộ cắt mẫu đóng

Để mô tả toán học quá trình lấy mẫu ta có thể coi bộ

lấy mẫu như một công cụ thực hiện phép nhân tín hiệu

x(t) với hàm lấy mẫu (t) Việc này tương đương như

việc điều chế tín hiệu, trong đó sóng mang là hàm (t)

và ta có x(nT) =x(t).(t) Hàm lấy mẫu tốt nhất là chuỗi xung đơn vị, chuỗi xung

này có bề rộng vô cùng hẹp, biên độ vô cùng lớn (chính là đạo hàm của hàm 1(t) )

nó là các hàm (t), (t-T), (t-2T), …(t-nT)

Trong thực tế các bộ lấy mẫu vẫn có một khoảng thời gian tác động nhất

định, do đó hàm lấy mẫu thực tế có một diện tích xác định khác một (diện tích A)

Ta chỉ có thể coi các hàm lấy mẫu có diện tích bằng một khi thời gian lấy mẫu nhỏ

hơn nhiều hơn so với hằng số thời gian của hệ thống (thường gặp trong thực tế)

Giả thiết hàm lấy mẫu được mô tả bởi chuỗi xung đơn vị:

t

(t-nT)

0 T 2T 3T … nT

Bé c¾t mÉu

Hình1.14:Bộ cắt mẫu

Trong đó: x(nT) là giá trị của hàm tại thời điểm lấy mẫu Vì hàm (t-nT) chỉ

có giá trị xác định tại thời điểm nT, do đó có thể thay x(nT) = x(t) Mặt khác, x(t) xác định từ thời điểm t = 0

Hệ điều khiển số được tổng hợp theo hai hước chủ yếu: trong miền tần số và trong không gian trạng thái Tổng hợp trong miền tần số chủ yếu dựa vào mô tả động học của hệ tầng bằng các biến đổi Laplace và Fourier (còn gọi là phương pháp tổng hợp dùng kỹ thuật biến đổi) Hướng thứ hai là tổng hợp hệ điều khiển số trong không gian trạng thái

Phương pháp dùng kỹ thuật biến đổi có các phương pháp gián tiếp (phương pháp tương tự) và phương pháp trực tiếp

Ở phương pháp gián tiếp, một bộ điều khiển liên tục lý tưởng Gc(s) được tổng hợp sau đó một tổ hợp “CAD - bộ điều khiển gián đoạn -DAC” được chọn sao cho tương ứng với Gc(s) như ở hình 1.15 Phương pháp này được những người quen dùng điều khiển tương tự ưa chuộng vì chỉ cần biến đổi từ kỹ thuật tương tự sang

số Tuy nhiên việc gián đoạn hoá bộ phận điều khiển sẽ cho kết quả kém chính xác vì:

1 Tín hiện liên tục dạng bậc thang từ phần tử lưu giữ không thể tạo nên tín hiệu lý tưởng u*(t)

2 Tín hiệu lý tưởng ấy phụ thuộc liên tục vào y(t), còn bộ điều khiển số chỉ đo được y(t) ở thời điểm lấy mẫu

Tuy nhiên, nếu so với phổ của các tín hiệu đầu vào, đầu ra mà chọn tần số lượng tử hoá đủ lớn, có thể chọn được bộ phận điều khiển gián đoạn gần như Gc(s) Phương pháp chọn giản đơn nhất là theo:

Gc(z) = Gc(s)|s = (z-1))/T

Một phương pháp chuẩn xác hơn:

Gc(z) = Gc(s)s = 2(z-1))/T(z+1)

Phương pháp thứ hai là phương pháp biến đổi đơn ứng (biến đổi kép, biế đổi

Tustin) duy trì được điều kiện ổn định của hàm truyền: nếu Gc(s) ổn định thì Gc(z)

cũng ổn định do phép biến đổi đã chuyển miền bên trong đường tròn đơn vị ở mặt

phẳng z sang nửa mặt phẳng trái của s Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là nếu

Gc(s) ổn định được quá trình thì bộ điều khiển gián đoạn “CAD - Gc(z) - DAC”

cũng sẽ ổn định được quá trình Do vậy sau khi chọn bộ phận điều khiển số cần

đánh giá lại sai lệch và tính ổn định của hệ

Chú ý rằng phần tử lưu giữ bậc không tạo độ trễ trung bình là

Khối điều khiển, số

(theo thời gian gián đoạn)

DAC phần tử lưu giữ ADC phần tử lấy mẫu

G1(s) Quá trình liên tục Quá trình gián đoạn (đối với bộ điều khiển)

Bộ điều chỉnh liên tục (đối với quá trình)

Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục

Hình 1.16

trình liên tục cùng với các phần tử lưu giữ và lấy mẫu được xem như một quá trình gián đoạn, tổng hợp trong miền z, cho phép khai thác tính năng mềm dẻo của máy tính mà phương pháp tương tự bị hạn chế

Tín hiệu liên tục ở đàu vào u(t) được xác định hoàn toàn bởi uk Kết quả là y(t)

= G1(s)u(t) và tín hiệu được lấy mẫu yk được xác định hoàn toàn bởi uk Như vậy việc dùng bộ điều khiển gián đoạn để điều khiển một quá trình đã gián đoạn có đầu vào uk và đầu ra yk sẽ không cần đến sự xấp xỉ nào Phương pháp trực tiếp cơ sở trên đáp ứng được xác định trước (áp đặt) đối với tín hiệu vào hay nhiễu nhất định, nhằm thoả mãn những yêu cầu đặt ra như độ chính xác, lượng quá điều chỉnh, thời gian quá độ hay những chỉ tiêu đặc trưng khác đối với hệ xung như ổn định vô tận, thời gian cực tiểu…

Tuy nhiên cần chú ý rằng việc gián đoạn hoá sẽ làm mất khả năng quan sát được và điều khiển được đối tượng Mặc dù điều này chỉ xảy ra khi T=  

2 Như vậy tần số lượng tử hoá lớn còn là để loại trừ mất khả năng quan sát được và điều khiển được

Nếu đã ổn định được quá trình gián đoạn (nghĩa là xk 0) thì bảo đảm được

sự ổn định của quá trình liên tục (nghĩa là x(t) 0)

1.2.2 Điều kiện để tổng hợp đƣợc bộ điều khiển số trong hệ

Ở hình 1.17 có sơ đồ khối của hệ xung mà máy tính số thực hiện chức năng của hệ điều hành Gc*(s)

Hệ kín có hàm truyền

Wk*(s) =

)(

*)(

*1

))(

*)

*)(

*

s G s G s G s G s X s Y

Bộ điều khiển được xác định bởi: G*(s) =

)(

*W1)(

*W)

*1

k k

s

s s

Gc*(s) có thể thực hiện được nếu bậc của mẫu số lớn hơn hoặc bằng bậc của

tử số; nói cách khác tín hiệu ra không vượt trước tín hiệu vào

Nếu Wk*(s) = wke-kỹ thuật + wk+1e-(k+1)T+… và sau khi chia từ cho mẫu số của

hàm truyền G*(s) ta có: G*(s) = gnenT ne-(n+1)T+…

Biểu thức (*) có dạng : Gc*(s) =

)W1 )(

(

WW

k

) 1 ( 1 k

n

T k kT

e e

g

e e

=Ck - ne-(k-n)T + Ck-n+1e-(k-n+1)+…

Điều kiện thực hiện được là k  n để tín hiệu ra của bộ điều khiển không thể có

được khi chưa có tín hiệu vào

Như vậy, bậc của hàm truyền hệ kín mong muốn Wk*(s) không thấp hơn bậc

của thành phần không biến đổi G*(s) của hệ

1.2.3 Chọn tần số lấy mẫu

Việc chọn tần số lượng tử hoá 0 (hay thời gian lấy mẫu T) rất quan trọng

Nếu 0 quá bé sẽ có hiện tượng méo tín hiệu, mất lượng thông tin, giảm chất lượng,

thậm chí còn có thể mất ổn định Nếu chọn 0 quá lớn (hay T quá bé) một mặt hệ có

đáp ứng gần với hệ liên tục mong muốn, tổng hợp theo phương pháp biến đổi, mặt

khác đòi hỏi tốc độ tính phải nhanh, giá thành sẽ cao, tuy rằng hạn chế về phương

diện này ngày càng giảm nhẹ do công nghệ và máy tín ngày càng phát triển Việc

chọn đúng tần số lượng tử hoá vẫn còn mang tính chất “nghệ thuật” hơn là tính chất

- Các quá trình nhiệt, thời gian điều khiển tính bằng phút

- Các hệ điều khiển tàu thuỷ chẳng hạn tác động vào cần lái đòi hỏi nhiều giây

Do đó việc xác định T (hay 0) hợp lý là cần thiết, tuy rằng các khó khăn trên đều

có biện pháp để khắc phục

2 Tần số lượng tử hoá 0 được chọn phải thoả mãn định lý Kachenhicov Khi có tín hiệu liên tục đã gián đoạn hoá cần được phục hồi thì tần số lượng tử hoá ít nhất phải gấp đôi tần số lớn nhất của tín hiệu ấy 0 Đối với hệ điều khiển kín, tần số lượng tử hoá không bé hơn hai lần dải thông tần cần thiết 0 mà dung lượng phổ tín hiệu vào phụ thuộc vào 0 nên: 02

b





Hay T được chọn khoảng 1/10 hằng số thời gian bé nhất của đối tượng

Ở quá trình quá độ, khi lượng đạt được trị số xác lập với thời gian đáp ứng tmcủa hệ cần có 2 đến 4 chu kỳ lượng tử hoá T

3 Trong nhiều trường hợp, cần có độ trơn cao đối với hàm quá độ Mức độ trơn tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể; đối với động cơ điện, chu kỳ gián đoạn có thể lớn hơn đối với cơ cấu thừa hành thủy lực Đôi khi giữa phần tử lưu giữ (ZOH) và

cơ cấu thừa hành thuỷ lực có bộ lọc hạ tầng Mức độ trơn còn tuỳ thuộc vào phạm

vi ứng dụng của hệ Đối với con người, tác động có ảnh hưởng trực tiếp, đòi hỏi

mức độ trơn cao hơn so với các thiết bị điều khiển vệ tinh không có người Ví dụ

với hệ có tm=1sec (giải thông tần là 0,5Hz) cần chọn 0 từ 3 đến 20Hz để đáp ứng

trơn và hạn chế lượng quá điều chỉnh Do đó cần chọn: 6  040

d





Nhiễu tác động vào đối tượng rất đa dạng, từ nhiễu bậc thang đến ồn trắng

(Whitenoise) Đối với tần số lượng tử hoá thì nhiễu ngẫu nhiên có tần số cao là có

ảnh hưởng nhất Một hệ liên tục chống nhiễu tốt là hệ có sai số đo nhiễu tạo nên là

bé Nếu dùng điều khiển số đối với hệ này thì chất lượng ấy sẽ giảm Nếu tỷ số

d



0càng bé thì sự suy giảm chất lượng do lượng tử hoá lớn khi có nhiễu là ồn trắng

tác động Đối với hệ điều khiển có bộ quan sát thì tỷ số tối ưu

d



0 20

Nếu chu kỳ lượng tử hoá lớn hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu sẽ tác

động vào quá trình trước khi bộ điều khiển có tác động hiệu chỉnh Do đó tần số

lượng tử hoá được chọn trên cơ sở đánh giá động học của quá trình và nhiễu, động

học của quá trình và khả năng của máy tính Các bộ điều khiển trên thương trường

với ít mạch vòng điều khiển có chu kỳ lượng tử hoá bé và cố định

1.2.4 Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp liên tục

Phương pháp thông thường để thiết kế hệ điều khiển số là chọn bộ điều khiển

Gc(s) cho hệ liên tục tương đương, rồi xấp xỉ hoá bộ điều khiển liên tục ấy với bộ

lọc số cần tìm Gc(s) (hay Gc(z)) Có nhiều phương pháp để thực hiện

1.2.4.1 Phương pháp vi phân:

Bộ điều khiển số được mô tả bằng phương trình lặp, rất gần với phương trình

vi phân của bộ điều khiển tương tự Ví dụ bộ điều khiển PID có hàm truyền và

phương trình vi phân tương ứng

1 Xấp xỉ sai phân hữu hạn bậc một đối với tích phân

a) Luật chữ nhật theo tích phân tiến Diện tích dưới đường cong e(t) được xấp xỉ bằng diện tích chữ nhật như ở hình 1.18 Tích phân của e(t) tại t=kT được xấp xỉ bởi:

u(kT) = u[(k-1)T] + Te(kT) (1-8) Nếu lấy biến đổi z cho cả hai vế, hàm truyền của khâu tích phần gián đoạn là:

Gi(z)  ki

1)()(





z

Tz k z E z U

i (1-9)

b) Luật chữ nhật theo tích phân lùi Như ở hình 1.19 tích phân của e(t) tại t = Kt được xấp xỉ bởi:

u(kT) = u[(k-1)T]+Te[(k-1)T (1-10)

và hàm truyền của khâu tích phân gián đoạn là:

Gi(z)  ki

  1)(





z

T k z E z U

c) Luật hình thang theo tích phân giữa Diện tích dưới đường cong được xấp xỉ bằng hình thang như ở hình 1.20

Gi(z) ki

12)(







z z T k z E z U

2 Xấp xỉ sai phân hữu hạn bậc một đối với đạo hàm:

Đạo hàm của e(t) tại t=kT có thể được xấp xỉ theo sai phân lùi bằng cách xác

định e(t) ở thời điểm t=kT và (k-1)T:

( 1) ))

((

1

)

T k e kT e T

z z E z T

hàm truyền theo:

a) Luật chữ nhật tích phân tiến:

Gc(z) =

)1(

T

k z T

k k z Tk T

kd

p i p

b) Luật chữ nhật tích phân lùi

Gc(z) =

)1(

T

k z T

k k Tk z T

kd

p i p

c) Luật tích phân hình thang :

Gc(z) =

)1(

222

T

k z T

k k Tk z T k Tk

p d

p

Sơ đồ khối để thực hiện bộ điều khiển PID gián đoạn như ở hình 1.21

1.2.4.2 Bộ điều khiển số đƣợc xác định theo hàm truyền đạt

Vì z = eTs nên hàm truyền đạt của bộ điều khiển số về nguyên tắc có thể được

xác định bằng cách thay thế s =

T

1ln(z) Tuy nhiên biểu thức xác định Gc(z) là siêu việt Để tổng hợp bộ điều khiển có thể dùng phương pháp khai triển ln(z) và chỉ giữ

lại thành phần thứ nhất hoặc chỉ áp dụng biểu thức z=eTs

ở nghiệm không của Gc(s)

1 Biến đổi tuyến tính kép:

Phương pháp xấp xỉ này (phương pháp Tustin) tương ứng với phương pháp tích phân giữa - luật tích phân hình thang

u(kT) =

(k-1)T kT

0 (k-1)Te(t)dt+ e(t)dt

T1z1.2

TE(z)u(z)

E(z)1)+1-(z +1u(z)-z

=u(z)

1 1 -

z

Biểu thức (1-13) và (1.18) chỉ khác nhau ở hệ số ki mà bộ điều khiển tích phân

đã được cho trước

2 Phương pháp tương nghịch nghiệm cực và nghiệm không Như đã biết, nghiệm cực và nghiệm không sj của Gc(s) ánh xạ vào nghiệm cực

và nghiệm không của Gc(z) tương ứng với zj = esjT, còn hệ số khuyếch đại của Gc(z) thì thoả mãn điều kiện

của tử số và mẫu số như

nhau, cần thâm nhân tử

biến đổi z đối với Gc(s)

sao cho hàm trọng lượng

hay hàm quá độ của

(ZOH) chỉ tạo nên dạng bậc thang của hàm trọng lượng hay hàm quá độ, xấp xỉ với

hàm liên tục tương ứng Hệ kín sẽ cho chất lượng xấp xỉ kém Ví dụ với hàm trọng

lượng Gc(z) = cz{Gc(s)} hằng số c được xác định theo điều kiện (1.19)

Đáp ứng tần số của bộ lọc số và tương tự khác nhau ở tần số cao nên phương

pháp này chỉ dùng cho các bộ điều khiển có đáp ứng tắt nhanh ở tần số cao với thời

gian lấy mẫu T bé để phổ ần chồng lên nhau Hình 1.22 có đáp ứng tần của bộ lọc

bậc hai nhằm so sánh các phương pháp xấp xỉ khác nhau nói trên Chu kỳ lượng tử

hoá T=1s là nhỏ so với chu kỳ riêng của bộ lọc T0=2 Phương pháp xấp xỉ theo chư nhật về biên độ và pha đều khác xa với đáp ứng tương tự làm chuẩn Hệ số khuếch đại tĩnh không còn như trước sau khi dùng biến đổi z ở đáp ứng hàm trọng lượng Biến đổi z với cả phần tử lưu giữ (đáp ứng hàm quá độ) cho đáp ứng tốt về biên độ nhưng không tốt về pha do độ trễ T/2 Biến đổi tuyến tính kép biến dạng được áp đặt cùng biên độ ở tần số riêng r1rad / sec cho kết quả chấp nhận được

về biên độ cũng như pha, nhưng ở tần số giới hạn π

T biên độ bằng không Phương

pháp tương thích nghiệm không và nghiệm cực có biên độ thấp hơn đáp ứng tương

tự Kết quả so sánh này giải thích vì sao biến đổi tuyến tính kép thường được dùng

ở các bộ lọc số

1.2.4.4 Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH)

Ở các phương pháp đã nêu trên, phần tử lưu giữ không được tính đến khi xác định Gc(z).Phần tử lưu giữ có thể thay thế bởi Gca(s) = e-Ts/2

vì tín hiệu ở đầu ra của

nó chậm sau một thời gian T

2hoặc bởi Gob(s) = T

Ts1+

Ts1-2Ts1+

2

Việc chọn bộ điều khiển tương tự để đặt trước G0a(s) G1(s) hay Gob(s), G1(s) được thực hiện như ở hệ liên tục Tuy nhiên cần biết trước chu kỳ lượng tử hoá T Một phương pháp khác được thực hiện theo các bước sau:

* Tính phần không biến đổi của hệ :G(z) = (1-z-1





chẳng hạn, thoả mãn điều kiện

ổn định và độ chính xác

* Gián đoạn hoá khâu hiệu chỉnh Gc(w) để có Gc(z)

1.2.5 Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp

Như đã nêu, phương pháp gián tiếp không khai thác hết khả năng linh hoạt của

máy tính trong điều khiển số Ví dụ các nghiệm không và nghiệm cực của thiết bị

bù đều nằm trên phần âm của trục thực ở mặt phẳng s Các nghiệm ấy tương ứng

với phần dương của trục thực trên mặt phẳng z Thế nhưng các bộ điều khiển số cho

phép có nghiệm cực và nghiệm không ở cả phần âm và phần dương của trục thực

trên mặt phẳng z nên điều kiện hạn ché được mở rộng hơn Điều khiển số còn cho

phép tổng hợp các bộ điều khiển có hàm truyền hệ kín mong muốn

1.2.5.1 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z

Ở đây chỉ nêu những điểm chính

Hàm truyền của hệ gián đoạn kín được xác định bởi:

Wk(z) =

)()(1

)()(

0

0

z G z G

z G z

G

 với: G(z) = (1-z

-1)z

G1( ) Phương trình đặc trưng : 1+Gc(z)G(z) = 0

Phương pháp quỹ đạo nghiệm số thường dùng để xác định thông số K ở cơ cấu

điều khiển nên có thể viết phương trình đặc trưng dưới dạng:

Quỹ đạo nghiệm số của hệ gián đoạn được xây dựng theo những quy tắc

tương tự như ở hệ liên tục

2 Quỹ đạo tiệm cận khi K  (n - r) tia đối xứng tạo với trục hoành một góc

πn-r

Có thể có hai trường hợp:

1 Cả ba nghiệm đều thực nằm đồng thời trên hai đoạn thẳng của quỹ đạo [b, a] và [-1, -], trong trường hợp ấy hai nghiệm bé hơn -1 trên đoạn [-1, -] và hệ sẽ không ổn định

2 Khả năng để hệ ổn định là chỉ một nghiệm thực duy nhất nằm giữa a và b, hai nghiệm khác là nghiệm phức có môđun nhỏ hơn 1, nằm trong đường tròn đơn vị

1.2.5.2 Bù ảnh hưởng của khâu trễ

Nếu thành phần không biến đổi của hệ có trễ, trong trường hợp thời gian trễ là

bội số của thời gian lấy mẫu

 = n0T; (n0 = 1, 2, 3, …_

G(z) = G1(z) z-n0

Ở hình 1.23 trường hợp a) khâu trễ nằm trong mạch vòng sẽ làm ảnh hưởng

đến tính ổn định của hệ Ở hình 1.24 trường hợp b) khâu trễ nằm ngòi mạch vòng và

sẽ không ảnh hưởng đến hệ yêu cầu đặt ra là tìm cơ cấu điều khiển Gc(z) sao cho

ảnh hưởng của khâu trễ không còn nữa, nghĩa là ta có thể đẳng trị hai sơ khối ở hình

1.24 và 1.25

0 1

1 0 1

0 1

)(1)()

n

z G z G z

1)

()(

1

)(

1 0

1z z G z G

z

G

z G

n c

(1

Sơ đồ thực hiện cơ cấu điều khiển số như ở hình 1.24 Như vậy việc dùng cơ

cấu điều khiển số như trên tương ứng với việc đưa phần tử trễ ra ngoài mạch hồi

tiếp Thật vậy vì:

1 1 1 1

)(1)()()(1

)()

c

z G z G z G z G

z G z





hệ có thể lớn hơn so với hệ không có phần tử trễ nên nhiều khi không cần bù toàn

bộ thời gian trễ mà chỉ cần một phần của nó

1.2.5.3 Hệ ổn định vô tận

Hàm truyền của hệ xung kín có dạng

Hình 1.26 Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay

WK(z) = c

c

G (z)G(z)1+G (z)G(z) với E(z) = X(z) - Y(z) = X(z)[1-WK(z)]

Từ đó bộ điều khiển được xác định bởi: Gc(z) =

)(W1)(W.)(1

K K

z

z z

2 Sai lệch ở trạng thái xác lập, theo (4-58b) và theo định lý tới hạn

3 Ổn định vô tận đạt được khi sai lệch ở trạng thái xác lập của các trị rời rạc bằng không, kể cả một thời điểm hữu hạn

1.2.6 Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số

- Tổng hợp theo đặc tính tần Bode

- Tổng hợp theo quỹ đạo nghiệm số

1.3 Điều khiển số trong điều khiển chuyển động

Hàm truyền đặc trưng của vòng điều chỉnh vị trí:

Giả thiết giá trị đặt có dạng hàm dốc tuyến tính:

Hình 1.28 Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc

Hình 1.29 Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản

Hình 1.30 Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt

Hình1.32 Cấu trúc điều chỉnh bù ngược

Hình 1.33 Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình

chuẩn

Hình1.34 Các giai đoạn của một quá trình chuyển động

Hình 1.35 Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động

Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động

1.3.2 Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính

Hình trên giới thiệu ví dụ khi sử dụng môi trường thiết kế trên nền MATLAB & Hình 1.37 Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính

Simulink với phần cứng có vi xử lý tín hiệu (Digital Signal Processor: DSP) của

tập đoàn Texas Instruments Sơ đồ chỉ ra rõ ràng: kết hợp với MATLAB và các

Toolbox, ta có thể tiến hành các bước:

Bước 1: Xác định hàm truyền của đối tượng, thiết kế bộ điều chỉnh bằng lý thuyết

Bước 2: Mô phỏng Offline để bước đầu xác định tham số của thuật toán ĐC

Bước 3: Bổ xung thêm các khối xuất/nhập dữ liệu (ví dụ:các khối ADC hoặc

DAC) vào sơ đồ cấu trúc vòng ĐC

Bước 4: Sử dụng C-compiler tạo mã C để nạp xuống card hardware, cài xen với

hệ thống phần mềm điều khiển theo ngắt

Xu hướng phát triển của ngành tự động hoá là người ta tận dụng triệt để

những thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất Trong đó có kỹ thuật điều khiển số,

do có nhiều ưu điểm hơn hẳn kỹ thuật tương tự và có khả năng linh hoạt cao nên

điều khiển số được ứng dụng ngày càng nhiều, đặc biệt là trong điều khiển

chuyển động

- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số trong các hệ điều khiển chuyển động mang

lại nhiều tính năng vượt trội so với kỹ thuật điều khiển chuyển động truyền

thống như: linh hoạt trong việc thay đổi thông số bộ điều chỉnh khi yêu cầu

công nghệ thay đổi, thay đổi các phương pháp điều khiển tiên tiến; tăng khả

năng chống nhiễu Tuy nhiên để thực hiện một bộ điều chỉnh số lại mất nhiều

thời gian và gặp nhiều khó khăn

- Để ứng dụng kỹ thuật điều khiển số vào các hệ điều khiển chuyển động, hiện

nay chủ yếu người ta sử dụng các hệ vi xử lý tín hiệu số (DSP), các máy tính

số

- Trong công nghiệp các hệ điều khiển chuyển động số ứng dụng các máy tính,

các Card điều khiển chuyên dụng có tích hợp hệ vi xử lý tín hiệu số(DSP)

- Trong nghiên cứu, đặc biệt trong các trường đại học kỹ thuật việc nghiên cứu

các hệ điều khiển số thường được thực hiện trên các Card điều khiển số đa

- Trong giai đoạn phân tích: Mô phỏng thường được sử dụng để phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế hệ thống Cho phép giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu khi chuẩn bị cho một sản phẩm mới

Đặc điểm của mô phỏng là máy tính cần có đủ thời gian cần thiết để tính toán tiến trình của hệ thống Với mô hình đơn giản, kết quả tính toán nhanh và mô hình

mô phỏng phản ánh được đặc điểm động học của đối tượng Tuy nhiên, với mô hình phức tạp thì việc tính toán mất nhiều thời gian hơn

- Sau khi đã qua giai đoạn phân tích: Kiểm tra bộ điều chỉnh thiết kế để tìm ra thông số tối ưu trước khi đem đi sản xuất mạch cứng Vì vậy, cần phải nối đối tượng thực với bộ điều chỉnh được mô phỏng bằng thời gian thực

Đặc điểm chính của mô phỏng thời gian thực là quá trình mô phỏng phải diễn

ra nhanh như hệ thống thực đang chạy, do đó nó cho phép ta kết hợp mô phỏng và đối tượng thực

- Khi bộ điều khiển đã được mô phỏng: Để có thể điều khiển được đối tượng thực, ta bắt đầu sản xuất bộ điều chỉnh thực Bước thử nghiệm cuối cùng, ta nối bộ điều chỉnh thực với mô hình của đối tượng (được mô phỏng bằng thời gian thực) để đảm bảo chắc chắn rằng bộ điều chỉnh không còn lỗi có thể dẫn đến phá hỏng đối tượng thực, kỹ thuật này được gọi là mô phỏng có phần cứng trong mạch vòng Trong cả hai công đoạn trên thì mô phỏng thời gian thực là rất cần thiết Tốc

độ tính toán yêu cầu cho mô phỏng thời gian thực phụ thuộc vào đặc điểm của mô

hình được mô phỏng Với những mô hình phức tạp, số lượng phép tính lớn thì thời

gian mô phỏng là vấn đề cần được quan tâm

DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE của Đức sản xuất dựa trên bộ

xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động (floating-point) thế

hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments (Mỹ) DS1104 được thiết kế

đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian

thực Nó thường được dùng trong các lĩnh vực sau:

- Robot

- Các cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực

- Điều khiển servo các truyền động ổ đĩa (disk drive)

- Điều khiển truyền động điện

- Điều khiển các phương tiện cơ giới

- Điều khiển trấn động tích cực

- Trong các máy CNC,…

và nó cũng rất thích hợp cho các tác vụ có liên quan đến xử lý tín hiệu số nói

chung

Hạt nhân của DS1104 là bộ xử lý tín hiệu số dấu phẩy động (floating-point)

thế hệ thứ ba TMS320F240 của hãng Texas Instruments Bộ xử lý tín hiệu số được

Hình 2.1- Card DS1104

bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển số Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử lý tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch (incremental sensor) làm cho DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lý tưởng cho một dải rộng các bài toán điều khiển số

DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm vào máy tính qua cổng mở rộng ISA Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng dSPACE giao tiếp với máy tính Hình 2.1 là hình dáng bên ngoài của DS1104

2.2 Cấu trúc phần cứng của DS1104 2.2.1 Cấu trúc tổng quan

DS1104 được xây dựng trên cơ sở vi xử lý tín hiệu số TMS320F240 của hãng Texas Instruments

ON-CHIP MEMORY (WORDS)

Nguồn nuôi (V)

 MPC8240, PowerPC 603e core, 250 MHz

 32 kByte internal cache Timer:

 Một bộ Timer ước lượng lấy mẫu, bộ đếm lùi 32 bit

 Bốn bộ Timer đa mục đích, 32 bit

 Độ phân dải 64 bit để đo thời gian Bảng 2.1 Dung lượng các bộ nhớ của DS1104

Bộ nhớ:

 32 Mbyte RAM DRAM (SDRAM)

 8 Mbyte bộ nhớ Flash cho các ứng dụng

Các ngắt điều khiển:

 Các ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp, DSP tớ, incremental encoder, ADC,

PC chủ, 4 đầu vào từ bên ngoài

 Ngắt đồng bộ PWM

Đầu vào tương tự:

 4 kênh ADC, 16 bit, đa thành phần

 Dải điện áp đầu vào 10V

 Thời gian lấy mẫu 2us

 2 đầu vào số, TTL hoặc RS422

 Kênh encoder có độ phân dải 24 bit

 Tần số xung max đầu vào là 1.65MHz gấp 4 lần xung đếm tới 6.6MHz

 Nguồn sensor 5V/0.5A

 4 kWord of dual-port RAM

 3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM

 14 bit vào/ra số

Đặc điểm vật lý:

 Nguồn nuôi 5 V, 2.5 A / -12 V, 0.2 A /12 V, 0.3 A

 Yêu cầu cần có khe PCI 32 bit

2.2.2 Ghép nối với máy chủ (Host Interface):

DS1104 ghép nối với máy chủ qua một khối gồm 4 cổng vào/ra (I/O port) bit và 3 cổng vào/ra 8-bit Giao diện vào/ra được sử dụng để thực hiện việc cài đặt

16-Hình 2.2 Sơ đồ khối của DS1104

cho bo mạch, tải chương trình xuống và truyền dữ liệu thời gian thực Việc cài đặt

bộ điều khiển bus kiểm tra và truyền dữ liệu cũng được thực hiện với giao diện

vào/ra

Để đồng bộ hoá sự thực thi của DSP và các chương trình của máy chủ DS1104

sử dụng một cổng ngắt hai chiều để cho phép máy chủ có thể ngắt DSP và ngược

lại

Giao diện vào/ra giữa máy chủ và DS1104 bao gồm một khối với 7 cổng

vào/ra liên tiếp Để chọn các địa chỉ cơ sở của khối này trong dải địa chỉ vào ra 64K

của PC/AT (máy chủ), DS1104 sử dụng các chuyển mạch DIP (Dual In-line

Package – vỏ hai hàng chân) gắn trên bo mạch

Giao diện với máy chủ của DS1104 chứa những thanh ghi có độ dài khác nhau

(8 hoặc 16 bit) Khi truy cập vào một thanh ghi cụ thể thì phải sử dụng lệnh vào/ra

tương ứng, chẳng hạn như muốn truy cập vào thanh ghi 8-bit thì phải sử dụng lệnh

vào/ra 8-bit, còn muốn truy cập vào thanh ghi 16-bit thì phải dùng lệnh vào/ ra 16

bit Nếu sử dụng các lệnh vào/ra 8-bit cho một thanh ghi rộng 16-bit thì kết quả sẽ

bị lỗi Nếu sử dụng ngôn ngữ cấp cao để lập trình cho các thanh ghi giao diện với

máy chủ thì cần phải đảm bảo rằng chương trình dịch Compiler tạo ra các dòng lệnh

chính xác

Một số thanh ghi giao diện với máy chủ phải được truy cập theo một thứ tự

đặc biệt Để ghi hoặc đọc bộ nhớ của DSP thì một trình tự đặc biệt là bắt buộc

a Thanh ghi dữ liệu (Data Register): Địa chỉ Offset: 00H và 02H

Thanh ghi dữ liệu là một thanh ghi đọc/ghi rộng 32 bit được sử dụng để truy

cập vào các bộ nhớ off-chip (bên ngoài chip) của DSP Các hoạt động ghi và đọc

trên thanh ghi dữ liệu luôn được thực hiện tại vị trí bộ nhớ hiện đang được chọn bởi

các thanh ghi địa chỉ LAR (Lower Address Register) và UAR (Upper Address

Register) Vì máy chủ tại một thời điểm chỉ có thể truy cập 16 bit nên thanh ghi dữ

liệu 32-bit được chia thành hai thanh ghi 16-bit: thanh ghi dữ liệu thấp hơn LDR

(Lower Data Register) và thanh ghi dữ liệu cao hơn UDR (Upper Data Register)

Để chuyển một từ dữ liệu 32-bit giữa bộ nhớ của máy chủ và của DSP cần có hai

phép ghi hoặc đọc liên tiếp Đầu tiên, 16 bit thấp hơn được truy cập bằng cách sử dụng LDR Sau đó, 16 bit cao hơn được truy cập thông qua UDR Mạch chuyển đổi

độ rộng bus trên bo mạch (on-board) lưu trữ tạm thời giá trị 32-bit và thực hiện chỉ một truy cập 32-bit đơn vào bộ nhớ của DSP Để mạch chuyển đổi độ rộng bus hoạt động chính xác thì thứ tự truy cập LDR-UDR như được mô tả ở trên là bắt buộc Nội dung của các thanh ghi LAR và UAR phải không đổi trong một truy cập 32-bit

Vì các thiết bị ngoại vi trên bo mạch của DS1104 được sắp xếp trong bộ nhớ của DSP nên thanh ghi dữ liệu cũng có thể dùng để truy cập vào các thiết bị này Thanh ghi dữ liệu có thể được truy cập thậm chí cả khi DSP dang chạy cho phép chuyển dữ liệu chạy thực giữa máy chủ và DSP

b Thanh ghi địa chỉ (Address Register): Địa chỉ Offset: 04H và 06H

Thanh ghi địa chỉ là một thanh ghi ghi/đọc có độ rộng 19-bit được sử dụng để chọn vị trí của bộ nhớ chương trình của DSP Vị trí bộ nhớ mà thanh ghi địa chỉ đang trỏ tới có thể được ghi và đọc thông qua thanh ghi dữ liệu Thanh ghi địa chỉ được xây dựng bằng hai thanh ghi, thanh ghi 16-bit chứa 16 bit địa chỉ thấp A0A15 (LAR) và một thanh ghi 3-bit chứa các bit địa chỉ cao A16A18 (UAR) Thanh ghi địa chỉ có một chế độ tự động tăng/giảm cho phép chuyển khối giữa bộ nhớ của máy chủ và của DSP Muốn cho phép chế độ này thì bit AUTOEN trong thanh ghi cài đặt (Setup Register) phải được đặt lên 1 Sau đó bit UPDOWN sẽ chọn chiều đếm Nếu chế độ tự động tăng/giảm được cho phép thì nội dung của thanh ghi địa chỉ sẽ được tự động tăng/giảm sau khi hoàn tất một phép ghi hoặc đọc thanh ghi dữ liệu 32-bit Điều này cho phép truy cập liên tiếp các khối của bộ nhớ DSP mà không cần thay đổi thanh ghi địa chỉ cho mỗi lần chuyển

Để truy cập thanh ghi địa chỉ thấp LAR cần có một chỉ lệnh vào/ra máy chủ 16-bit, còn để truy cập vào thanh ghi địa chỉ cao UAR cần phải sử dụng một chỉ lệnh vào/ra máy chủ 8-bit Để truy cập lần sau vào cùng một vị trí bộ nhớ thanh ghi địa chỉ chỉ cần được ghi một lần Chế độ tự động tăng/giảm phải được loại bỏ (disable) cho những ứng dụng kiểu này Năm bit cao của UAR không xác định khi đọc và có giá trị 0 khi ghi

c Thanh ghi trạng thái (Status Register): Địa chỉ Offset: 07H

Thanh ghi trạng thái (STS) là một thanh ghi chỉ đọc 8-bit cung cấp thông tin

về trạng thái của DS1104 Nó cho phép máy chủ đọc nhiều đường điều khiển của

DSP, bộ điều khiển kiểm tra bus (TBC - Test Bus Controller) và một phần của

thanh ghi cài đặt

STS:

0 RESET14 Trạng thái tái lập (reset) DSP RESET14=1 biểu thị

Slave-DSP bị thiết lập lại, RESET14=0 biểu thị Slave-Slave-DSP đang chạy

1 TBCINT Trạng thái ngắt TBC TBCINT=1, một ngắt TBC tới máy chủ hoạt

động TBCINT=0, máy chủ đã hoàn tất dịch vụ ngắt

2 RSTDSP Trạng thái tái lập TMS320C31 RSTDSP=1, DSP đã được reset

Cờ sẵn sàng truyền thông Slave-DSP DSPRDY14=1, Slave-DSP

đã kết thúc việc thi hành lệnh DSPRDY14=0, TMS320C31 đã ghi

một lệnh và Slave-DSP chưa kết thúc việc thi hành lệnh

6 AUTOEN AUTOEN =1, Cho phép chế độ tự động tăng/giảm AUTOEN =0,

loại bỏ chế độ tự động tăng/giảm

7 UPDOWN Chọn chế độ tăng/giảm Chế độ tăng nếu UPDOWN=1 Chế độ

giảm nếu UPDOWN=0

Bảng 2.2 Mô tả thanh ghi trạng thái

d Thanh ghi cài đặt (Setup Register): Địa chỉ Offset: 07H

UPDOWN AUTOEN DSPRDY14 TBCRDY TBCRST RSTDSP TBCINT RESET14

Thanh ghi cài đặt (STP) là một thanh ghi chỉ ghi 8-bit dùng để điều khiển rất nhiều chế độ hoạt động và trạng thái của các tín hiệu điều khiển của DS1104, chẳng hạn trạng thái khởi động lại của DSP, Slave-DSP, TBC, các yêu cầu ngắt từ máy chủ tới DSP và chế độ tự động tăng/ giảm của thanh ghi địa chỉ

1 RSTDAC

Reset DAC Ghi 1 sẽ đặt DAC trong chế độ reset Điện áp ra được đặt xuống 0 và thanh ghi chế độ DA được đặt chế độ khuếch đại đồng nhất một cực Ghi 0 sẽ ngắt đường reset DAC Khi khởi động RSTDAC=1

Lưu ý rằng thanh ghi chế độ DA phải được đặt chế độ khuếch đại đồng nhất và hai cực sau khi RSTDAC được áp dụng

2 RSTDSP

Reset TMS320C31 Ghi 1 để reset DSP Ghi 0 sẽ ngắt đường reset

và cho phép DSP bắt đầu thực thi chương trình Khi khởi động, TMS320C31 bị reset

3 TBCRST Reset TBC Ghi 1 sẽ reset TBC Ghi 0 sẽ khởi động lại TBC Khi

khởi động TBCRST =1

4 IRQDSP Yêu cầu ngắt của máy chủ tới DSP Ghi 1 sẽ yêu cầu một ngắt DSP

trên đường DSPINT3 Ghi 0 sẽ không tác động gì

5 IRQEOI Kết thúc của ngắt máy chủ

6 AUTOEN Cho phép chế độ tự động tăng/giảm thanh ghi địa chỉ

AUTOEN=1, Cho phép chế độ tự động tăng/giảm AUTOEN =0, loại bỏ chế độ tự động tăng/giảm Khi khởi động AUTOEN=1

7 UPDOWN Chọn chế độ tăng/giảm Chế độ tăng nếu UPDOWN=1 Chế độ UPDOWN AUTOEN IRQEOI IRQDSP TBCRST RSTDSP RSTDAC RESET14

giảm nếu UPDOWN=0 Khi khởi động UPDOWN=1

Bảng 2.3 Mô tả thanh ghi cài đặt

e Thanh ghi dữ liệu TBC: Địa chỉ Offset: 08H

Thanh ghi dữ liệu TBC (TBCDR) là một thanh ghi ghi/đọc 16-bit dùng để truy

cập vào TBC trên bo mạch TBC có 24 thanh ghi địa chỉ 16-bit, các thanh ghi này

có thể được chọn thông qua thanh ghi địa chỉ TBC (TBCAR) Để truy cập vào một

thanh ghi bất kỳ, đầu tiên địa chỉ thanh ghi phải được đặt bằng cách ghi vào thanh

ghi địa chỉ TBC, sau đó phép ghi hoặc đọc được thực hiện bằng cách sử dụng thanh

ghi dữ liệu TBC

f Thanh ghi địa chỉ TBC: Địa chỉ Offset: 0AH

Thanh ghi địa chỉ TBC (TBCAR) là một thanh ghi ghi/đọc 8-bit gồm 5 đường

địa chỉ TBC A0A4 Trước khi đọc hoặc ghi một thanh ghi TBC, TBCAR phải

được đặt tới một địa chỉ thanh ghi tương ứng Sau khi thiết lập TBCAR, dữ liệu có

thể được chuyển sử dụng TBCDR Lưu ý khi ghi thì 3 bit cao của TBCAR nên đặt

bằng 0

g Cổng ngắt DSP tới máy chủ:

DS1104 có một cổng ngắt hai chiều cho phép DSP yêu cầu ngắt máy chủ và

ngược lại Cổng ngắt DSP tới máy chủ bao gồm hai bit điều khiển (ATREQ và

IRQAT) trong thanh ghi IOCTL và bit IRQEOI trong thanh ghi STP

Để yêu cầu một ngắt DSP tới máy chủ thì DSP phải đặt bit ATREQ Điều này

tạo ra một yêu cầu ngắt trên đường ngắt máy chủ được chọn bởi chân chọn ngắt

Sau khi hoàn thành dịch vụ ngắt, máy chủ sẽ đặt bit IRQEOI trong thanh ghi STP

Cờ IRQAT trong thanh ghi IOCTL biểu diễn trạng thái của đường ngắt máy chủ,

cho phép DSP nhận ra khi máy chủ kết thúc phục vụ ngắt

Để yêu cầu một ngắt máy chủ tới DSP, máy chủ phải đặt bit IRQDSP trong

thanh ghi cài đặt STP Điều này sẽ đặt cờ IRQDSP trong thanh ghi IOCTL và tạo ra

một ngắt INT3 tới DSP Nếu INT3 được cho phép trong thanh ghi cho phép ngắt

(IE) của TMS320F240 và bit cho phép ngắt toàn cục (GIE) được đặt lên 1 trong

thanh ghi trạng thái của DSP, một lời gọi ngắt tới địa chỉ 000004H được thực hiện Sau khi ngắt máy chủ tới DSP được phục vụ, DSP phải thông báo cho máy chủ biết phục vụ ngắt đã hoàn tất Điều này được thực hiện bằng cách ghi vào bit DSPEOI3 trong thanh ghi IOCTL, cờ DSPINT3 và đường ngắt INT3 sẽ bị reset Sau đó cờ ngắt trong thanh ghi cờ ngắt của DSP phải được xoá

2.2.3 Các thành phần chủ yếu của DS1104 2.2.3.1 Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240:

Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240 TMS320F240 (F240) là một thành viên của họ bộ điều khiển DSP dựa trên nền tảng

bộ xử lý tín hiệu số 16 bit TMS320C2xx Họ vi xử lý này đã được tối ưu hoá cho các ứng dụng điều khiển số động cơ và chuyển động Các bộ điều khiển số DSP phối hợp TMS320 được tăng cường lõi CPU C2xLP khi thiết kế với chi phi thấp, có nhiều khả năng xử lý hiệu xuất cao và một số điểm nổi trội trong tối ưu hoá ngoại vi cho các ứng dụng điều khiển động cơ và chuyển động Ngoại vi bao gồm module quản lý sự kiện đê tạo ra các Timer đa mục đích và bộ ghi so sánh để tạo ra 12 đầu

ra PWM, và các bộ biến đổi tương tự - số kép 10 Bit (ADC)

Một số đặc trưng quan trọng của TMS320F240:

- Hiệu suất cao với ứng dụng công nghệ CMOS

+Tương thích với họ TMS320C2xx

- Lõi là họ CPU T320C2xLP

+ Mã nguồn tương thích với TMS320C25 + Có thể nâng cấp để tương thích với TMS320C5x + Tích hợp trong vỏ Plastic 132 chân

+ Thời gian thực hiện lệnh 50ns

- Thích hợp với nhiệt độ trong công nghiệp và các phương tiện chuyển động

- Bộ nhớ + 544 Words × 16 Bits of On-Chip Data/Program Dual-Access RAM

+ 16K Words × 16 Bits of On-Chip Program ROM (‟C240)/Flash EEPROM

(‟F240)

+ 224K Words × 16 Bits of Total Memory Address Reach (64K Data, 64K Program

and 64K I/O, and 32K Global Memory Space)

- Module quản lý các sự kiện

+ 12 kênh so sánh và điều chế độ rộng xung PWM

+ 3 bộ Timer đa mục đích 16 bit với 6 chế độ, bao gồm cả chế độ đếm tiến lùi

+ 3 bộ so sánh 16 bit với vùng chết

+ 3 bộ so sánh đơn 16 bit

+ 4 bộ thu thập dữ liệu

Hình 2.3 Vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240

- Module kép biến đổi 10-Bit Analog-to-Digital

- 28 chân vào/ra có thể lập trình đơn và đa năng

- Phase-Locked-Loop (PLL)-Based Clock Module

- Watchdog Timer Module (With Real-Time Interrupt)

- Module giao thức truyền thông nối tiếp (SCI)

- Module giao thức ngoại vi nối tiếp (SPI)

- 6 ngắt mở rộng (Power Drive Protect, Reset, NMI, and Three Maskable Interrupts)

- 4 chế độ hoạt động tết kệm năng lượng

- Ước lượng vòng quét cở bản

- Phát triển các công cụ sẵn có +Texas Instruments (TI) ANSI C Compiler, Assembler/Linker, and C-Source Debugger

+ Scan-Based Self-Emulation (XDS510) + hỗ trợ phát triển điều khiển mờ, hướng điều khiển số động cơ thứ 3 Trên đây chỉ giới thiệu một số đặc trưng cần thiết cơ bản của TMS320F240 giúp hiểu kiến trúc và hoạt động của DS1104 DS1104 sử dụng tính năng quản lý bus của TMS320F240 giúp máy chủ có thể truy cập vào tất cả các bộ nhớ off -chip, cho phép các hoạt động download nhanh mà không yêu cầu một chương trình giám sát chạy trên DSP

DS1104 còn bao gồm một giao diện nối tiếp tốc độ cao có thể được sử dụng cho truyền thông giữa một vài bo mạch xử lý tín hiệu số nhằm hình thành hệ thống nhiều bộ xử lý (multi-processor)

TMS320F240 hỗ trợ các ngắt mềm có thể lập trình được mềm dẻo và các ngắt ngoài thường được ứng dụng trong các ứng dụng điều khiển truyền động thời gian thực TMS320F240 có 3 loại ngắt chính: Reset, ngắt cứng, ngắt mềm

Ngoài ra còn cung cấp một đường tín hiệu thông báo về trạng thái sẵn sàng của bus, được sử dụng để làm cho TMS320F240 thích ứng về thời gian với các thiết

bị ngoại vi khác nhau trên bo mạch Thanh ghi điều khiển bus của TMS320F240 được lập trình để sử dụng tín hiệu sẵn sàng từ bên ngoài

NMI

Event Manager

INT2 INT3 INT4

b Bản đồ bộ nhớ của DSP TMS320F240:

DSP TMS320F240 được bổ sung thêm 3 không gian địa chỉ riêng biệt cho

vùng nhở chương trình, vùng nhớ dữ liệu và các cổng vào/ra Mỗi một không gian

Bảng 2.5 Quản lý các ngát cứng

có tổng số 64K 16Bit Word Trong khoảng 64K Word của không gian dữ liệu, từ

256 đến 32K word ở phần đỉnh của vùng nhớ có thể được xác định để mở rộng bộ nhớ chung, khi được chỉ định bởi vùng nhớ địa phương (GREG) Việc truy cập vào vùng nhớ chung được điều khiển bởi tín hiệu đảo BR

Các ngắt ngoài Dùng cho bên ngoài

On-Chip DARAM B0 (CNF = 1) hoặc Bên ngoài (CNF

= 0)

Dự trữ

Các ngắt (On-Chip) On-Chip ROM†

(Flash EEPROM) (8 x 2K Segments)

Dùng cho bên ngoài

On-Chip DARAM B0 (CNF = 1) hoặc Bên ngoài (CNF

= 0)

Dự trữ

Dùng cho bên ngoài

Dự trữ Ghi chế độ điều khiển Flash

Dự trữ Điều khiển bộ ghi khi chế độ đợi đươc tạo ra

Bộ ghi bản đồ bộ nhớ

và dự trữ On-Chip DARAM B2

Dự trữ

On-Chip DARAM B0 (CNF = 0) hoặc

Dự trữ

Bộ ghi bản đồ bộ nhớ ngoại vi (hệ thống,

WD, ADC, SPI, SCI, các ngắt, I/O)

Bộ ghi bản đồ bộ nhớ ngoại vi (Quản lý sự kiện)

Hình 2.4.Bản đồ bộ nhớ của DSP