Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế 1 hệ thống truyền thông ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Điều khiển máy điện là ot lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị, khí cụ và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động nhưmomen, tốc độ hay điều kh

1 Mục đích

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển và vậnhành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng đồng thờitiết kiệm được chi phí sane xuất cũng như mọi chi phí cho việc bảo dưỡng thiết bị sảnxuất giữ một vai trò rất quan trọng Xuất phát từ những yêu cầu đó điện tử tự động hóa

ra đời song song với sự ra đời của điện tử tự động hóa là sự ra đời và cải tiến khôngnghừng của máy tính Nhớ máy vi tính mà chúng ta có thể làm được nhiều công việc

mà không phải tốn nhiều công sức Để khai thác được những ưu điểm đó điện tử tựđộng hóa đã có sự bắt tay với máy tính, do đó công việc điều khiển các thiết bị điện trởnên đơn giản và tiện hơn

Điều khiển máy điện là ot lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị, khí cụ và

sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động nhưmomen, tốc độ hay điều khiển vị trí tùy theo các yêu cầu phát sinh của mỗi loại hìnhsản xuất

Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiểntốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạtđộng ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nênđược sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp Một số ứng dụng quan trọng của động cơmột chiều như truyền động cho xe điện, má công cụ, máy nâng vận chuyển, màynghiền

Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng dụng của điều khiển đại lượngchuyển động Trong các loại điều khiển như vậy thường gồm có các động cơ chấphành, các bộ biến đổi công suất và các hệ thống điều khiển số Đương nhiên phải cócác bộ lọc nguồn đầu vào và đạt tiêu chauanr lọc nhiễu điện từ

Để thay đổi tốc độ , các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp vàtần số trong khi động cơ một chiều chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một chiều thì bộchuyển mạch cơ khí của động cơ một chiều làm thay đổi tần số theo

Các động cơ xoay chiều hầu hết không có chổi than, chi phsi ban đầu và chi phsibảo dưỡng thấp hơn động cơ một chiều Tùy vào các uwngs dụng mà việc chọn lựa loạiđộng cơ nào được sử dụng phụ thuộc vào khách hàng.

Trong phạm vi bài báo cáo này, em xin trình bày vấn đề về điều khiển tốc độđộng cơ một chiều dùng hệ thống truyền thông

2 Yêu cầu

 Mạng truyền thông công nghiệp trên chúng ta mong muốn đạt được những yêucầu như sau:

 Độ chính xác cao, làm việc ổn định

 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ

 Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơnhay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trênđường đặc tính cơ tự nhiên

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh):

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bénhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thườngngười ta chọn nmin làm đơn vị.Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụthuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

3 Lựa chọn phương pháp xây dựng

 Một trạm hỏng hóc không gây ảnh hưởng tới phần còn lại

 Cho phép thay thế trạm khi các trạm khác vẫn làm việc

- Khuyết điểm:

 Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và với một trình tự khôngkiểm soát được

 Phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng, khi cần mở rộng mạng phảidùng tới các bộ lặp.

 Chiều dài dây dẫn lớn gây giảm chất lượng tín hiệu

 Việc xác định vị trí gây lỗi khi gặp sự cố khó khăn

 Có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm lớn

 Biện pháp tránh xung đột được thực hiện đơn giản

 Thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại nhưcáp quang, tia hồng ngoại

 Có khả năng xác định vị trí sảy ra sự cố

- Nhược điểm:

pháp xử lý khi gặp sự cố: dùng đường dây phụ, dùng chuyển mạch tự động

- Ứng dụng:

 Trong các hệ thống có độ tin cậy cao như: Interbus, Token – Ring, FDDI

3.1.1.4 Cấu trúc hình cây

Hình 1.4 Cấu trúc hình cây

- Đặc điểm:

 Không phải là cấu trúc cơ bản

 Là sự liên kết của nhiều mạng con với các cấu trúc khác nhau thông qua các bộliên kết mạng

 Đặc trưng là sự phân cấp đường dẫn

- Ứng dụng:

3.1.2 Chọn cấu trúc mạng cho hệ thống

Trong hệ thống nhóm đã chọn dạng cấu trúc bus cho hệ thống vì: Cấu trúc nàyrất đơn gian, tất cả các thành viên của mạng điều được nối trực tiếp với một đườngthẳng chung => tiết kiệm được dây dẫn và công lắp đạt

Nguyên tắc làm việc: Tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong

mạng được gữi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận

 Gữi tín hiệu: Dữ liệu mạng ở hình thái tín hiệu điện tử được gữi tới các máy tínhtrên mạng, tuy nhiên thông tin chỉ được máy tính có địa chỉ so khớp với địa chỉ

mã hóa trong tín hiệu gốc chấp nhận Mỗi lần chỉ có một máy có thể phát thôngđiệp

 Dội tín hiệu: Do tín hiệu tức tín hiệu điện từ được gữi lên toàn mạng nên dữ liệu

sẽ đi từ đầu cáp này tới đầu cáp kia Nếu tín hiệu được phép tiếp tục khôngngừng, nó sẽ dội lại trong dây cáp và nó ngăn không cho máy tính khác đượcgữi tín hiệu Do đó tín hiệu phải bị chặn lại sau khi đến được đúng đích Để tínhiệu không dội lại thì có một thiết bị gọi là terminator (điện trở cuối) được đặt ởmỗi đầu cáp để hấp thụ các tín hiệu tự do Việc hấp thụ sẽ làm thông cáp và chophép máy tính khác có thể gữi tín hiệu

Kết luận 1: Từ những phân tích như trên, để phù hợp với mục đích, yêu cầu của hệ

thống, nhóm lựa chọn cấu trúc bus theo kiểu Trunk-line để sử dụng cho hệ thống

3.2 Chọn kỹ thuật truyền dẫn

3.2.1 Các phương pháp truyền dẫn

3.2.1.1 Phương pháp truyền dẫn RS232

- Ưu điểm

 Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

 Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấpđiện

nối tiếp

- Nhược điểm

 RS-232 chỉ đấu ghép điểm- điểm, trực tiếp giữa 2 đối tác truyền thông

 RS-323 cho phép truyền tín hiệu xa kém

 Giao tiếp trong cả hai hướng cùng một lúc

 Thu phân, điều khiển phân và dữ liệu giá cao (10 megabaud tại 12 mét)

trong các môi trường với tiếng ồn điện Nhiều người nhận có thể được kết nốivới các trong một cấu hình Multi-drop.

 RS-485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép cao

 RS-485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều đối tác truyền thông trong

giản và chiều dài cáp dài là lý tưởng cho việc gia nhập các thiết bị từ xa

3.2.2 Lựa chọn phương pháp truyền dẫn

So sánh RS232 với RS485

 RS-232 có định nghĩa chuẩn giao diện cơ học (giắc cắm), ở các máy tính PC đều

có cổng truyền thông theo chuẩn RS-232 mà ta hay gọi là cổng COM

 Cái khác nhau chính giữa RS-232 và RS-485 là ở phương thức truyền dẫn tínhiệu

 RS-232 trong cấu hình đấu ghép tối thiểu sử dụng 3 dây: TX(truyền), RX(nhận)

và GND (đất), trong đó trạng thái logic của tín hiệu sử dụng mức chênh áp giữa

TX hoặc RX so với dây đất GND

 RS-485 sử dụng chênh lệch điện áp giữa 2 dây A và B để phân biệt logic 0 và 1,chứ không so với đất Khi truyền tín hiệu xa, nếu có sụt áp thì đồng thời sụt trên

cả 2 dây nên tín hiệu vẫn đảm bảo

 Do vậy RS-485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép cũngcao hơn RS-232

Thêm nữa RS-485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều đối tác truyền thôngtrong 1 mạng, RS-232 chỉ đấu ghép điểm- điểm, trực tiếp giữa 2 đối tác truyền thông.Nhưng yêu cầu tính thực tế với sinh viên nên nhóm đã chọn RS232 để áp dụng

Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụngđiều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuậtđược sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩngiao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiềudài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôikhi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt

3.2.2.1 Đặc điểm

RS-232 trong cấu hình đấu ghép tối thiểu sử dụng 3 dây: TX(truyền), RX(nhận)

và GND (đất), trong đó trạng thái logic của tín hiệu sử dụng mức chênh áp giữa TXhoặc RX so với dây đất GND

Hình 1.5 Thứ tự các chân cổng com

Trong đó:

- TxD: Dữ liệu được truyền đi từ Modem trên mạng điện thoại

- RxD: Dữ liệu được thu bởi Modem trên mạng điện thoại

Các đường báo thiết bị sẵn sàng:

- DSR: Để báo rằng Modem đã sẵn sàng

- DTR: Để báo rằng thiết bị đầu cuối đã sẵn sàng

- Các đường bắt tay bán song công

- RTS: Để báo rằng thiết bị đầu cuối yêu cầu phát dữ liệu

- CTS: Modem đáp ứng nhu cầu cần gửi dữ liệu của thiết bị đầu cuối cho thiết bị đầu cuối có thể sử dụng kênh truyền dữ liệu Các đường trạng thái sóng mang và tín hiệu điện thoại

- CD: Modem báo cho thiết bị đầu cuối biết rằng đã nhận được một sóng mang hợp lệ

từ mạng điện thoại

- RI: Các Modem tự động trả lời báo rằng đã phát hiện chuông từ mạng điện thoại địa chỉ đầu tiên có thể tới được của cổng nối tiếp được gọi là địa chỉ cơ bản (Basic

Address) Các địa chỉ ghi tiếp theo được đặt tới bằng việc cộng thêm số thanh ghi đã gặp của bộ UART vào địa chỉ cơ bản

3.2.2.2 Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậynên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắtđầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyềnbit tiếp theo Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bitsdata) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là mộtParity bit (Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng - bit stop có thể là

1, 1,5 hay 2 bit dừng)

3.2.2.3 Tốc độ Baud

Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng choquá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còngọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giâyhay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bênphát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau (Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tínhphải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)

Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800,

9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200… Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ là19200

Kết luận 2: Sau khi tìm hiểu các phương pháp truyền dẫn, nhóm lựa chọn phương

pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp truyền dẫn RS232 để nghiên cứu, ứngdụng cho bài báo cáo

HTTP là một giao thức được sử dụng bởi các ứng dụng web HTTP là một giao

thức có độ tin cậy cao, được cài đặt dựa trên nền giao thức TCP HTTP được sử dụng

để truyền các tệp tin qua mạng

- Ứng dụng:

- Nó có các đặc trưng như đệm dữ liệu, định danh các ứng dụng Client, hỗ trợ cho

các định dạng kèm theo khác, như MIME

3.3.1.2 Giao thức cấp thấp.

3.3.1.2.1 Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter)

 Đặc điểm

Là một mạch vi điện tử được sử dụng rất rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp

cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính UART

cho phép lựa chon giữa chế độ truyền một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều

không đồng bộ Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ

sung 2 bit đánh dấu đầu và cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ

 Khung truyền của UART

Hình 1.6 Ví dụ minh họa kí tự 8 bit khung truyền UART

Trong khung truyền của giao thức UART gồm bit khởi đầu bao giờ cũng là bit

0, bit kết thúc bao giờ cũng là bit 1.8 bit dữ liệu và 1 bit parity

Giá trị của bit chẵn lẻ p còn phụ thược vào cách chọn:

1 0

MSB

LSB

MSB

 Nếu chọn parity chẵn, thì P bằng 0 khi tổng số bít 1 là chẵn.

 Nếu chịn parity lẻ, thì P bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

 Nguyên lý hoạt động

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high) Khi bắt đầu truyền START bit sẻ chuyển từ 1 xuống 0

để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra Sau START bit là đến

các bit dữ liệu D0-D7 Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để bộ nhận kiểm

tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền (vấn đề này mình sẽ giải thích rõ hơn trong tài liệu

CRC trong thời gian tới) Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã

được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tínhđúng đắn của dữ liệu

3.3.1.2.1 Giao thức TCP/IP

Giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùngnhư giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet TCP (Transmission ControlProtocol) là giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thứcthuộc tầng mạng của mô hình OSI Họ giao thức TCP/IP hiện nay là giao thức được sửdụng rộng rãi nhất để liên kết các máy tính và các mạng

3.3.2 Trong hệ thống này chúng ta chọn giao thức mạng là giao thức TCP/IP và giao thức điều khiền là giao thức UART.

 Giao thức TCP/IP

Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức TCP/IP

để liên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật khác nhau Giao thứcTCP/IP thực chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng làm việc vớinhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng TCP/IP là 1 "Cụmgiao thức", nhưng hầu hết chúng ta vẫn chỉ gọi là giao thức TCP/IP Đúng như cái tên

của nó chúng ta hiểu nó là hai giao thức khác nhau: TCP (Transmission ControlProtocol – Giao thức điều khiển truyền ) và IP (Internet Protocol – Giao thức Internet).

 Cấu trúc của TCP/IP

Lớp vận chuyển

Theo cơ chế bảo đảm dữ liệ được vậnchuyển một cách tin cậy hoàn toàn khôngphụ thuộc vào đặc tính của các úng dụng

sử dụng tài liệu: TCP(hỗ trợ việc trao đổi

dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối), UDP(hỗtrợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ

có nối).

được liên kết với nhau

Lớp truy nhập mạng

Liên quan đến việc trao đổi dữ liệu giữa 2trạm thiết bị trong cùng một mạng.(kiểmsoát truy nhập môi trường truyền dẫn,kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu)

Lớp vật lý

Đề cập đến giao diện vật lý giwaux mộtthiết bị truyền dữ liệu (PC, PLC) với môitrường dẫn hay mạng, trong đó có đặc tínhtín hiệu chế độ truyền, tốc độ truyền, cấutrức cơ học các phích cắm/giắc cắm

 Lớp địa chỉ:

 Có 5 lớp địa chỉ IP để tạo các mạng có kích thước khác nhau gồm: Lớp A,Lớp B, Lớp C, Lớp D, Lớp E

 TCP/IP hỗ trợ gán địa chỉ lớp A, lớp B, lớp C cho các trạm

 Các lớp này có chiều dài phần NET ID và HOST ID khác nhau nên số lượng

Subnet Mask mặc định, nếu nó chưa được chia Subnet (và vì vậy nó chỉ có 1Subnet Đơn), và được gọi là Subnet Mask tùy ý nếu nó được chia thànhnhiều Subnet.

Kết luận 3: Từ những phân tích như trên, để phù hợp với mục đích, yêu cầu của hệ

thống, nhóm lựa chọn phương pháp truyền dữ liệu phổ biến hiện nay để ứng dụng cho

hệ thống là TCP/IP VÀ UART

3.4 Phương pháp truy cập bus

3.4.1 Các phương pháp truy cập bus

 Có thể có hoặc không có trạm chủ.

 Có tính năng thời gian thực

- Ứng dụng

 Trong các ứng dụng thời gian thực

 Kết hợp với phương pháp Master/Slave

3.4.1.3 Phương pháp Token Passing

 Tính chất đơn giản, linh hoạt

 Việc ghép thêm hay bỏ đi trạm trong mạng không ảnh hưởng gì tới hoạtđộng của hệ thống

- Nhược điểm

 Tính bất định của thời gian phản ứng

 Các trạm điều bình đẳng như nhau nên quá trình chờ một trạm có thể lặp

đi, lặp lại, không xác định được tương đối chính xác thời gian

 Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp

- Ứng dụng

 Ứng dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

3.4.2 Lựa chọn phương pháp