Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động

Một số mạng được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động.. Việc chuyển từ h́nh thức truyền thông bằng tín hiệu analog dùng dây dẫn sang truyền thông bằng tín hiệu số dùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-o0o -

NGUYỄN ANH TÙNG

Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển

chuyển động

Chuyên ngành: Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2005

MỤC LỤC

Trang phụ b́a -

Mục lục - 1

Danh mục h́nh vẽ - 5

Lời nói đầu - 9

Chương 1 Truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động - 11

1.1 Khái quát chung về hệ điều khiển chuyển động - 11

1.2 Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động - 13

1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển động - 13

1.2.2 Phương pháp truyền thông dùng mạng( bus) dùng cho hệ điều khiển chuyển động - 15

1.2.3 Một số mạng được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động - 17

1.2.3.1 Cấu h́nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ cao( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos, ) - 17

1.2.3.2 Cấu h́nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ thấp( CAN, RS 485, ) - 19

1.3 Mô h́nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus - 20

1.4 Kết luận - 22

Chương 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông và nhiễu tới hệ điều khiển, biện pháp khắc phục - 23

2.1 Thời gian trễ trong truyền thông - 23

2.1.1 Giới thiệu - 23

2.1.2 Các thành phần của thời gian trễ - 23

2.1.3 Ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng của hệ thống - 25

2.1.4 Nguyên nhân gây ra trễ truyền thông và biện pháp khắc phục - 26

2.2 Nhiễu - 27

2.2.1 Giới thiệu - 27

2.2.2 Cơ sở lư thuyết của bộ lọc Kalman - 27

2.2.3 Thiết kế bộ lọc Kalman trên lư thuyết - 30

2.3 Kết luận - 36

Chương 3 Nghiên cứu mạng truyền thông thời gian thực dựa trên CAN - 37

3.1 Những vấn đề về CAN-bus - 37

3.1.1 Giới thiệu về CAN bus - 37

3.1.2 Lư thuyết cơ sở về giao thức CAN - 39

3.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản của CAN-bus - 39

3.1.2.2 Các dạng frame truyền trong CAN - 41

3.1.2.2.1 Dạng frame dữ liệu( Data frame) - 42

3.1.2.2.2 Dạng frame yêu cầu dữ liệu ( Remote frame) - 43

3.1.2.2.3 Dạng frame lỗi( Error frame) - 44

3.1.2.2.4 Dạng frame quá tải( Overload frame) - 45

3.1.2.2.5 Khoảng liên kết frame( Interframe space) - 46

3.1.3 Các cơ chế phát hiện lỗi được sử dụng trong giao thức CAN - 46

3.1.3.1 Cơ chế phát hiện lỗi Cyclic Redundancy Check (CRC) - 46

3.1.3.2 Cơ chế phát hiện lỗi Acknowledge - 47

3.1.3.3 Cơ chế kiểm tra frame (Frame Check) - 47

3.1.3.4 Cơ chế giám sát bit (bit monitoring) - 48

3.1.3.5 Cơ chế kểm tra bit nhồi (bit stuffing check) - 48

3.1.4 Kiểm soát lỗi trong giao thức CAN - 48

3.1.5 Các phiên bản của giao thức CAN - 49

3.1.6 Cơ chế đồng bộ đường bus - 50

3.1.6.1 Khái niệm về mă Non Return to Zero - 50

3.1.6.2 Khái niệm về bit nhồi (stuffing bit) - 51

3.1.6.3 Đồng bộ đường bus - 51

3.1.7 Kiến trúc bit truyền trong giao thức CAN - 52

3.1.8 Chuẩn kết nối vật lư trong CAN - 57

3.2 Kết luận - 59

Chương 4 Xây dựng mô h́nh dùng truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển

chuyển dộng

4.1 Cấu h́nh của mô h́nh - 60

4.2 Giới thiệu về các thiết bị dùng để xây dựng mô h́nh - 62

4.2.1 Giới thiệu về bộ Servo Drive IDM640 - 62

4.2.1.1 Tổng quan về các chức năng - 63

4.2.1.1.1 Sơ đồ khối - 63

4.2.1.1.2 Các cấu h́nh cho các ứng dụng điều khiển chuyển động - 63

4.2.1.1.3 Sensors - 64

4.2.1.1.4 Tần số PWM và tốc độ lấy mẫu - 65

4.2.1.1.5 Các chế độ chuyển động - 66

4.2.1.1.6 Các mode hoạt động - 67

4.2.1.2 Cấu h́nh phần cứng - 67

4.2.2 Giới thiệu về IPM Motion Studio và ngôn ngữ bậc cao TML - 68

4.2.2.1 Tổng quan về IPM Motion Studio - 68

4.2.2.1.1 Các bước tạo một ứng dụng điều khiển trong IMP Motion Studio - 69

4.2.2.1.1.1.Đấu nối - 69

4.2.2.1.1.2 Tạo một project mới - 72

4.2.2.2 Giới thiệu về ngôn ngữ bậc cao TML( Technosoft Motion Language) - 74

4.2.2.2.1 Tổng quan - 74

4.2.2.2.2 Môi trường TML - 75

4.2.2.2.3.Thực hiện chương tŕnh - 76

4.2.2.2.4.Cấu trúc chương tŕnh TML - 76

4.2.2.2.5.Mă lệnh TML - 77

4.2.2.2.6.Dữ liệu TML - 78

4.2.2.2.7 Công cụ phát triển TML - 78

4.2.2.2.8.TechnoCAN ( CAN Communication Protocol for Technosoft

Intelligent Drives) - 78

4.2.2.2.8.1 Khái niệm Relay Axis - 79

4.2.2.2.8.2 ID của trục trong mạng nhiều trục - 80

4.2.2.2.8.3 Các kiểu CAN Message - 82

4.2.2.2.8.4 Giao thức truyền thông CAN –bus và cấu trúc diễn tả - 82

4.2.3.Giới thiệu về DS1103 PPC Controller Board - 83

4.2.4 Giới thiệu về phần mềm dSpace Software - 85

4.2.4.1 Giới thiệu về Controldesk - 85

4.2.4.2 Giới thiệu về RTI Block set - 90

4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm và kết quả - 100

4.3.1 Mục đích của thực nghiệm - 100

4.3.2 Đặt cấu h́nh cho các thiết bị dùng trong thực nghiệm - 101

4.3.3 Xây dựng sơ đồ trong Simulink cho truyền thông giữa DS1103 và các Servo Drive - 105

4.3.3.1 Soạn tin nhắn gửi tốc độ đặt xuống drive - 105

4.3.3.2 Soạn tin nhắn hỏi giá trị thực vị trí của động cơ - 107

4.3.4 Kết quả thực nghiệm - 111

4.3.4.1 Đồ thị mô tả trễ trong truyền thông - 111

4.3.4.2 Giá trị đánh giá sai lệch của vị trí theo tiêu chuẩn tích phân - 112

4.3.4.2 Tính toàn vẹn của tin nhắn - 113

4.4 Kết luận - 114

Kết luận - 115

Tài liệu tham khảo - 116

Phụ lục - 117

Danh mục h́nh vẽ

H́nh 1.1.1 Các phần tử tiêu biển của một hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.1.2 Cấu h́nh của hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.1.3 Các kiểu khác nhau của hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống H́nh 1.2.2.1 Cấu h́nh mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.2.3.1.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)

H́nh 1.2.3.1.2 Thông số kỹ thuật của một số loại bus

H́nh 1.2.3.2.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp)

H́nh 1.3.1 Cấu h́nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động H́nh 2.1.2.1 Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ

H́nh 2.1.2.2 Lược đồ thời gian mô tả trễ trong hệ thống điều khiển

H́nh 2.2.2.1 Thuật toán của bộ lọc Kalman

H́nh 2.2.3.1 Mô h́nh dùng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu cho hệ điều khiển chuyển

động gồm có 2 trục, sử dụng truyền thông CAN-bus

H́nh 2.2.3.2 Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

H́nh 2.2.3.3 Mô h́nh Simulink mô phỏng bộ lọc Kalman cho tín hiệu vị trí

H́nh 2.2.3.4.a Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra của bộ lọc Kalman H́nh 2.2.3.4.b Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra của bộ lọc Kalman H́nh 2.2.3.5.a Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi không và có qua

bộ lọcKalman

H́nh 2.2.3.5.b Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi không và có qua

bộ lọc Kalman

H́nh 3.1.1.1 Phương thức kết nối điểm-điểm

H́nh 3.1.1.2 Phương thức kết nối bus

H́nh 3.1.2.1.1 Kết nối node CAN lên Bus

H́nh 3.1.2.1.2 Bảng logic Wired_End

H́nh 3.1.2.1.3 Thể hiện hai trạng thái đường truyền CAN

H́nh 3.1.2.1.4 Ví dụ cơ chế chiếm đường truyền

H́nh 3.1.2.2.1.1 Dạng frame dữ liệu

H́nh 3.1.2.2.2.1 Dạng frame yêu cầu từ xa

H́nh 3.1.2.2.3.1 Dạng frame lỗi

H́nh 3.1.2.2.4.1 Dạng frame quá tải

H́nh 3.1.2.2.5.1 Khoảng liên kết frame

H́nh 3.1.3.1.1 Cơ chế phát hiện lỗi CRC

H́nh 3.1.3.2.1 Cơ chế phát hiện lỗi Acknowledge

H́nh 3.1.3.3.1 Cơ chế phát hiện lỗi kiểm tra frame, giám sát bit hoặc kiểm tra bit nhồi H́nh 3.1.4.1 Các trạng thái lỗi bên trong của một node CAN

H́nh 3.1.5.1 Các phiên bản giao thức CAN

H́nh 3.1.6.1.1 Cơ chế mă hóa NRZ

H́nh 3.1.6.2.1 Cơ chế sử dụng bít nhồi

H́nh 3.1.6.3.1 Các cơ chế đồng bộ bus

H́nh 3.1.7.1 Phân chia thời gian bit truyền CAN

H́nh 3.1.7.2 Phân đoạn đồng bộ nhận

H́nh 3.1.7.3 Phân đoạn thời gian truyền CAN

H́nh 3.1.7.4 Phân đoạn Phase buffer segment 1

H́nh 3.1.7.5 Phân đoạn Phase buffer segment 2

H́nh 3.1.7.6 Cơ chế kéo dài phân đoạn phase buffer segment 1

H́nh 3.1.7.7 Cơ chế rút ngắn phân đoạn phase buffer segment 2

H́nh 3.1.7.8 Một cách phân chia thời gian bit khác hay được sử dụng

H́nh 3.1.7.9 Điểm lấy mẫu bit truyền sớm

H́nh 3.1.7.10 Điểm lấy mẫu bit truyền muộn

H́nh 3.1.7.11 Biểu đồ quan hệ giữa tốc động truyền và độ dài đường truyền

H́nh 3.1.7.12 Biểu đồ phân lớp giao thức CAN

H́nh 3.1.8.1 Chuẩn kết nối vật lư trong CAN

H́nh 3.1.8.2 Cơ chế truyền hai dây có khả năng chống nhiễu tốt

H́nh 3.1.8.3 Cấu trúc kết nối một đường truyền CAN theo chuẩn ISO-IS11898 H́nh 3.1.8.4 Chuẩn mức tín hiệu trên đuờng truyền CAN

H́nh 3.1.8.5 Chuẩn kết nối connector của CAN

H́nh 4.1.1 Cấu h́nh của hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus H́nh 4.1.2 Cấu h́nh của hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông mạng

CAN-bus

H́nh 4.2.1.1.1.1 Sơ đồ khối của IDM640

H́nh 4.2.1.1.2 Các cấu h́nh chuyển động với động cơ đồng bộ( PMSM)

H́nh 4.2.1.1.3 Các loại sensor được dùng cho IDM640

H́nh 4.2.1.1.4 Giá trị tiêu biểu cho tần số PWM và tần số lấy mẫu

H́nh 4.2.1.1.5 Các Mode chuyển động

H́nh 4.2.1.2.1 Cấu h́nh phần cứng của IDM640-8EI

H́nh 4.2.2.1.1 Cửa sổ giao diện của IPM Motion Studio

H́nh 4.2.2.1.1.1.1 Sơ đồ đấu nối

H́nh 4.2.2.1.1.1.2 Sơ đồ cấp nguồn cho động cơ

H́nh 4.2.2.1.1.1.3 Sơ đồ đấu nối cho Hall Sensor

H́nh 4.2.2.1.1.1.4 Sơ đồ đấu nối cho Encoder

H́nh 4.2.2.1.1.1.5 Sơ đồ đấu nối từ Drive đến cổng RS232 của máy tính

H́nh 4.2.2.1.1.1.6 Sơ đồ cấp nguồn cho Drive

H́nh 4.2.2.1.1.2.1 Chọn loại Drive và loại động cơ

H́nh 4.2.2.1.1.2.2 Project vừa được tạo ra

H́nh 4.2.2.2.4.1 Cấu trúc tiêu biểu của chương tŕnh TML

H́nh 4.2.2.2.8.3.2 Nội dung tin nhắn “ Take Data”

H́nh 4.2.2.2.8.4.1 Cấu trúc tin nhắn CAN

H́nh 4.2.3.1 Cấu h́nh của Board DS1103-07 sử dụng PowerPC 640e

H́nh 4.2.3.2 Các thông số CAN-bus của DS1103 Board

H́nh 4.2.4.1.1 Cửa sổ giao diện của Controldesk

H́nh 4.2.4.1.2 Bốn thanh công cụ của Navigator

H́nh 4.2.4.1.3 Các công cụ của Tool window

H́nh 4.2.4.1.4 Xây dựng một kết nối đến một plotter

H́nh 4.2.4.2.1 Các khối thư viện RTI Blockset của DS1103

H́nh 4.2.4.2.2 Các khối thư viện RTICAN Blockset của DS1103

H́nh 4.2.4.2.3 Khối RTICAN CONTROLLER SETUP

H́nh 4.2.4.2.4 Cấu trúc dữ liệu trong tin nhắn của một tín hiệu

H́nh 4.2.4.2.5 Khối RTICAN Transmit (TX)

H́nh 4.2.4.2.6 Khối RTICAN Receive(RX)

H́nh 4.3.2.1 Cấu h́nh của thí nghiệm

H́nh 4.3.2.2 Thông số của động cơ và các Sensor

H́nh 4.3.2.3 Các mạch ṿng điều chỉnh trên bộ Drive và thông số các bộ điều khiển

của các mạch ṿng tương ứng

H́nh 4.3.2.4 Chọn mode tham chiếu cho chuyển động

H́nh 4.3.2.5 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn

H́nh 4.3.2.6 SW1-DIP Switch

H́nh 4.3.2.7 Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn

H́nh 4.3.2.1 Mô h́nh Simulink cho mô phỏng truyền thông giữa DS1103 và trục 1 H́nh 4.3.4.1 Thời gian trễ của truyền tin nhắn khi Ts = 10ms

H́nh 4.3.4.2 Thời gian trễ của truyền tin nhắn khi Ts = 3ms

H́nh 4.3.4.2.1 Kết quả thí nghiệm đánh giá sai lệch vị trí

H́nh 4.3.4.2.2 Đồ thị vẽ ước lượng thể hiện mối liên hệ giữa tích phân b́nh phương sai

lệch vị trí với chu kỳ trích mẫu T s

LỜI NÓI DẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai tṛ đặc biệt quan trọng Nếu như trước kia để tạo ra sản phẩm công nghiệp th́ sự tác động của con người hầu như trong suốt quá tŕnh từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc quá tŕnh sản xuất, giờ đây nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đă tạo ra các dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC), Rôbốt, … làm nâng cao năng suất của dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động

Trong các dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC – Computer Numeric Control) hay Rôbốt th́ chuyển động của các cơ cấu đóng vai tṛ rất quan trọng Để các cơ cấu chuyển động chính xác; phối hợp với nhau nhịp nhàng, đồng bộ; tăng tính thời gian thực của hệ thống; giảm nhiễu tác động lên hệ thống … th́ người ta phải nghiên cứu để t́m ra các cấu h́nh, các phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ điều khiển chuyển động Một trong những yếu tố rất quan trong quyết định đến chất lượng của hệ điều khiển chuyển động là truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động Việc chuyển từ h́nh thức truyền thông bằng tín hiệu analog (dùng dây dẫn) sang truyền thông bằng tín hiệu số (dùng bus) để truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động đă tạo ra nhiều hệ chuyển động phức tạp với những tính năng vượt trội như: độ chính xác cao, cấu h́nh đơn giản, dễ thiết kế, dễ vận hành, giảm giá thành…Nhưng muốn khai thác được tối đa những lợi ích khi sử dụng mạng truyền thông th́ việc hiểu rơ đặc tính của từng loại mạng là điều rất cần thiết CAN-bus là một loại bus trường được sử dụng rộng răi trong xe hơi, xe gắn máy, tự động hoá toà nhà, các hệ điều khiển chuyển động, nhờ những ưu điểm nổi trội của nó so với các loại bus khác

Dựa vào những phân tích ở trên, trong bản đồ án này tôi đă chọn đề tài:

“Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động”

Nhờ có sự hướng dẫn tận t́nh của thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, tôi đă hoàn thành bản đồ án với các đề mục và nội dung như sau :

Lời nói đầu

Chương 1: Truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông và nhiễu tới hệ điều

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy

cô trong bộ môn TĐHXNCN, ThS Phạm Quang Đăng và các kỹ sư pḥng thí nghiệm trọng điểm Tự Động Hoá đă tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá tŕnh làm đồ án

Do kiến thức bản thân c ̣n hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong được sự góp ư của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Hà Nội, 10.2005 Tác giả, Nguyễn Anh Tùng

CHƯƠNG 1

TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

1.1 Khái quát chung về hệ điều khiển chuyển động

Ở giai đoạn đầu phát triển của máy móc, việc điều khiển vị trí và vận tốc được thực hiện bằng những giải pháp tốn kém, phức tạp và tốn thời gian, như một chuỗi các Cam, các bánh răng (Gear), …và những thiết bị tương tự Các thiết bị khác như các xy lanh thuỷ lực và khí, pít tông, quận dây điện từ, phanh,…luôn được thêm vào những hệ thống này

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và vi xử lư, các hệ điều khiển chuyển động đă trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn Với hệ điều khiển chuyển động có thể lập tŕnh, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ bằng một vài ḍng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật toán đă có sẵn trong bộ nhớ của hệ thống

Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm những

phần tử như H́nh 1.1.1 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc

chuyển động thẳng)

H́nh 1.1.1 Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động

Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mă hoá (các lệnh

để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung điện hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển Các tín hiệu này sẽ được cấp cho

bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu chấp hành (Actuator) Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu Phần tử

cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển (Controller)

Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn Các loại thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập tŕnh, các máy tính công nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động cùng các chức năng khác Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để thay đổi chương tŕnh; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các thay đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm một số phần có cấu h́nh như H́nh 1.1.2

Operator

Tổng quan về các kiều khác nhau của hệ điều khiển chuyển động được mô tả

như ở H́nh 1.1.3

Khái niệm bộ điều khiển và bộ khuếch đại (Controller và Amplier) được sử dụng ở đây được hiểu rất rộng Ví dụ: Một bộ điều khiển có thể chỉ gồm thiết bị đơn giản để thực hiện việc đóng cắt một động cơ quạt nhỏ khi phát hiện ra có khói Nếu động cơ này cần 1 transistor để cấp nguồn th́ ta có thể nói hệ thống có 1 bộ khuếch đại Vậy những khối của hệ điều khiển chuyển động này là: động cơ (Cơ cấu chấp hành), transistor (Bộ khuếch đại), cảm biến phát hiện khói (sensor - Phản hồi) Có khi bộ điều khiển được thiết kế cho những mục đích rơ ràng như: Điều khiển số dựa trên máy tính, rô bốt công nghiệp, cắt và hàn bằng laser,…Host thực hiện các chức

H́nh 1.1.2 Cấu h́nh của hệ điều khiển chuyển động

năng điều khiển cấp cao

hơn như: tính toán tốc độ

cao, phối hợp chuyển động

1.2 Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động

1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển động

Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển chuyển động, dựa trên PC hay một ḿnh, cho từng trục Giữa các trục có mối liện

hệ với nhau theo một quy luật nhất định

H́nh 1.1.3 Các kiều khác nhau của hệ điều khiển chuyển

động

H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống

Việc tạo ra quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được thực hiện trên một

bục phần cứng đơn lẻ H́nh 1.2.1.1 ở trên thể hiện cấu trúc của hệ điều khiển chuyển

động gồm hai hoặc nhiều trục

Các drive được sử dụng ở trên có thể là số hoặc tương tự, và có thể hoạt động

ở mode vận tốc hoặc mode mô men

Tín hiệu điều khiển ở trên được gửi từ Controller đến các Driver là các tín hiệu ḍng (4-20mA) hay áp (0-10V) Tín hiệu phản hồi là các tín hiệu vị trí được lấy

từ encoder, resolver,… Với hệ điều khiển chuyển động như trên th́ có một số nhược điểm như sau:

• Về mặt dây dẫn: Tất cả các dây dẫn phản hồi cần quay về bộ điều khiển

(Controller) V́ động cơ phải gắn trên máy, Controller và Driver gắn gần nhau ở bảng điều khiển nên tín hiệu phản hồi nhỏ phải truyền tượng đối xa Điều này dẫn đến sự suy giảm tín hiệu Hơn nữa các tín hiệu sử dụng ở đây là ḍng hoặc áp th́ rất

bị nhiễu và làm ảnh hưởng đến độ chính xác

• Về mặt phức tạp: Việc thêm trục chuyển động là rất khó và đôi khi là không

thể với bục phần cứng cố định

• Về mặt giám sát: Giao diện từ Controller đến Drive không cung cấp khả năng

giám sát các thông số, các lỗi của drive nên việc điều khiển, phát hiện sự cố gặp nhiều khó khăn

• Về mặt trễ: Do sử dụng tín hiệu analog để điều khiển nên tín hiệu từ

Controller đến các drive phải qua một bộ biến đổi D/A, và tín hiệu vị trí phản hồi về

từ Encoder (A/D) Sự biến đổi 2 lần này đă tạo ra trễ làm ảnh hưởng đến tính thời gian thực của hệ thống điều khiển

Từ những phân tích ở trên ta nhận thấy phương pháp truyền thông truyền thống (dùng tín hiệu analog) này chỉ đáp ứng được những ứng dụng điều khiển chuyển động đơn giản (số trục tham gia chuyển động ít) và yêu cầu chính xác không cao Một hệ điều khiển chuyển động phức tạp khi có nhiều trục tham gia chuyển động, và giữa các trục này có mối liên hệ, phối hợp chuyển động với nhau

để thực hiện một nhiệm vụ chung nào đó Đối với những hệ như thế này th́ tính đồng bộ giữa các trục và sự trao đổi thông tin giữa các trục với nhau là rất cần thiết

Do đó, người ta phải t́m ra phương pháp truyền thông khác để đáp ứng được những bài toán điều khiển chuyển động phức tạp và dễ dàng cho việc thiết kế, điều khiển

1.2.2 Phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển động

Người ta đă nghĩ ra giải pháp

dùng bus để truyền thông thay cho

phương pháp truyền thống trên như ở

H́nh 1.2.2.1

Ở cấu h́nh này người ta dùng 1

hoặc nhiều máy tính trung tâm để điều

khiển các trục: Tín hiệu điều khiển có

thể được gửi từ máy tính trung tâm đến

từng trục một như phần trên của H́nh

1.2.2.1, hoặc gửi tới các bộ điều khiển

địa phương (local controllers) như ở phần dưới của H́nh 1.2.2.1 (các lệnh điều

khiển nhóm), sau đó bộ điều khiển này điều khiển này mới gửi các lệnh tới các trục

riêng lẻ Máy tính trung tâm có thể là 1 chương tŕnh phần mềm, 1 chíp vi điều khiển, hoặc PLC

➢ Khi dùng bus th́ tín hiệu được truyền là tín hiệu số Ta có thể dễ nhận thấy rằng

H́nh 1.2.2.1 Cấu h́nh mạng (bus) cho hệ

điều khiển chuyển động

những ưu điểm khi chuyển từ truyền tín hiệu tương tự (phương pháp truyền thống) sang truyền tín hiệu số( dùng bus) là:

• Thông tin truyền trên bus có thể theo 2 chiều, lượng thông tin truyền lớn nên

dễ điều khiển

• Khả năng chống nhiễu cao

• Cấu trúc nối dây đơn giản

• Và có thể giảm giá thành

➢ Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động th́ một số vấn đề ta phải quan tâm là:

• Tính thời gian thực của hệ thống

• Thời gian trễ trong truyền thông

• Tính toàn vẹn của tín hiệu khi truyền

• Độ chính xác của hệ thống chuyển động (đánh giá theo một chỉ tiêu nào đó) Khái niệm xử lý thời gian thực không đồng nghĩa với xử lý rất nhanh mà là khả năng đáp ứng kịp thời và chính xác với tác động của sự kiện Một trong những yếu tố ảnh hưởng tới tính kịp thời của hệ thống là :

• Ảnh hưởng do trễ trong xử xử lư tính toán và truyền thông (tiền định – có thể ước lượng trước được)

• Ảnh hưởng do lỗi, nhiễu gây ra làm mất hay thay đổi tín hiệu

Việc loại bỏ thời gian trễ trong truyền thông là điều không thể Nhưng ta có thể ước lượng được thời gian trễ cho phép đối với một hệ điều khiển Từ đó, ta có thể chọn cấu h́nh truyền thông và bộ điều khiển tương ứng mà vẫn đảm bảo được tính thời gian thực cũng như tính ổn định của hệ thống

1.2.3 Một số mạng(bus) hay được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động

1.2.3.1 Cấu h́nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc

độ cao ( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos…)

Ở cấu h́nh này, việc tạo quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được đặt ở bộ điều khiển chủ (a central host controller), tín hiện điều khiển của mô men hay tốc

độ dạng số được gửi qua giao diện nối tiếp tốc độ cao tới các drive

H́nh 1.2.3.1.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)

Hạn chế của cấu h́nh này là sự kết nối nối tiếp giữa controller và drive cần phải tương đối nhanh Điều này làm tăng giá thành và độ phức tạp cho cả controller lẫn drive Một số giải pháp đang tồn tại là:

• SERCOS: Giải pháp cáp quang, chạy ở tốc độ 2,4 hoặc 16Mbit/s

• IEEE 1394 (a.k.a FireWire): Cáp đồng hoặc cáp quang chạy ở tốc độ 200 đến 400Mbit/s

• 100BaseT, 10BaseT (a.k.a Ethernet): Giải pháp cáp đồng, chạy ở tốc độ 10Mbit/s tới 100Mbit/s

Giao thức giao tiếp được sử dụng cho các giải pháp trên th́ khác nhau (có thể

mở hoặc được giữ bản quyền của nhà sản xuất) Nếu tốc độ cập nhật của mạch ṿng

vị trí nằm trong khoảng: 5 – 10kHz, nghĩa là tín hiệu điều khiển của vận tốc hoặc

mô men được gửi sau những khoảng thời gian là 200 đến 100 s Điều quan trọng

là ta phải duy tŕ sự đồng bộ giữa các trục, nghĩa là phải giảm thiểu trễ trong truyền

thông tới mức nhỏ nhất H́nh 1.2.3.1.2 chứa các thông số kỹ thuật của một số loại

bus hay sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động

BandWidth 200Mbit/s 100Mbit/s 16Mbit/s 400Mbit/s 1Mbit/s

Transfer Mode Full-Duplex Half-Duplex Half-Duplex Half-Duplex Half-Duplex

H́nh 1.2.3.1.2 Thông số kỹ thuật của một số loại bus

Ở bảng trên, thời gian trễ (chu kỳ thời gian) được tính bằng: thời gian cần thiết để nhận tín hiệu phản hồi + thời gian thực hiện tính toán + thời gian truyền dữ liệu mới đi (được tính cho mạng gồm có 4 trục) Jitter được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi bắt đầu kích thích cho đến khi bắt đầu có đáp ứng (phụ thuộc vào

độ chính xác của đồng hồ hệ thống, thiết kế phần cứng )

• SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos: Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Sercos

là nhỏ nhất (16Mbit/s), tốc độ truyền của FireWire (IEEE1394) có thể lên tới 400Mbit/s, tốc độ truyền của SynqNet tối đa là 200Mbit/s, c ̣n tốc độ truyền của Ethernet trong khoảng từ 10Mbit/s tới 100Mbit/s Những loại bus này thường được ứng dụng trong những hệ điều khiển chuyển động yêu cầu tính đồng bộ chặt chẽ, tốc độ truyền dữ liệu cao

• CAN: CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử dụng, ổn định cao CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và

nhanh hơn RS 485

• RS 485 – bus gần giống với RS422 và RS232, nó thường được sử dụng để truyền thông giữa các module chuyển động khi hệ điều khiển chuyển động yêu cầu sự đồng bộ không chặt chẽ và tính ổn định không cao

Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là tốc độ cập nhật của mạch ṿng vị trí nằm khoảng <1KHz, th́ ta có thể sử dụng mạng CAN

1.2.3.2 Cấu h́nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc

độ thấp (CAN, RS485…)

Một giải pháp khác phù hợp với nhiều ứng dụng là chuyển mạch ṿng vị trí

xuống drive số như H́nh 1.2.3.2.1 Ở giải pháp này bộ điều khiển (controller) gửi tín

hiệu điều khiển là vị trí xuống các drive, việc này sẽ được thực hiện ở tốc độ thấp (tối thiểu là thấp hơn tốc độ cập nhật của mạch ṿng vị trí) Do đó giao diện nối tiếp tốc độ thấp giữa controller và drive có thể sử dụng

H́nh 1.2.3.2.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp)

Để giảm hơn tốc độ cập nhật của lệnh điều khiển vị trí, drive có thể thực hiện nội suy bậc cao hơn Điều này có nghĩa là drive bây giờ thực hiện cả việc tính toán quỹ đạo và chứa cả mạch ṿng vị trí Khi đó bộ điều khiển chủ chia quỹ đạo cần chuyển động thành các đoạn, và gửi các đoạn nhỏ này xuống các drive Các drive sẽ thực hiện nội suy bậc cao hơn theo điểm cuối của các đoạn nhỏ Về thực chất, điều này có nghĩa là chức năng tạo ra quỹ đạo đă được chia sẻ giữa host controller và các drive

1.3 Mô h́nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus

Cấu h́nh của phương pháp truyền thông dùng mạng CAN cho hệ điều khiển

chuyển động về cơ bản như H́nh 1.3.1

H́nh 1.3.1 Cấu h́nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động

Tốc độ truyền tối đa của CAN-bus là 1Mbit/s Các tin nhắn CAN có thể chứa tới 8 byte dữ liệu và 127 node CAN có thể được nối tới 1 CAN-bus 8 byte dữ liệu của 1 CAN message, được sử dụng để chứa thông tin về đoạn, có thể được phân như sau:

• 3 byte cho vị trí điểm cuối của đoạn (theo đơn vị vị trí)

• 3 byte cho vận tốc tại điểm cuối của đoạn (theo đơn vị vị trí/ s)

• 1 byte cho thời gian đoạn (1 – 255ms)

• 1 byte cho bộ đếm nguyên (0- 255, lặp lại)

CAN message ở trên được tạo ra trong Host controller CAN servo node thực hiện nội suy bậc 3, do ta đă biết được điểm đầu, điểm cuối, vận tốc điểm đầu, vận tốc điểm cuối và thời gian các đoạn Thời gian các đoạn có thể thay đổi được Bộ đếm nguyên đảm bảo mỗi node sẽ nhận các đoạn liên tục theo một thứ tự đúng

Chuyển động thực được bắt đầu trên tất cả các CAN-servo node tại cùng một thời gian qua broadcast message, từ host controller Mỗi CAN-servo node sẽ lấy các tin nhắn về đoạn từ bộ đệm khi cần thiết Sự tạo ra quỹ đạo của mỗi đoạn được tính toán một cách tự động Sự đồng bộ của các CAN-Servo node được duy tŕ nhờ tin nhắn TIME STAMP, được gửi thường xuyên từ host controller, và được nhận bởi

các CAN servo node tại cùng một thời gian chính xác Mỗi CAN servo node sẽ so sánh thời gian của các tin nhắn TIME STAMP với thời gian đo của bản thân nó để

tự động điều chỉnh Do đó sự đồng bộ giữa các trục được đảm bảo

Việc lựa chọn thời gian các đoạn dựa trên:

• Số các trục

• Tốc độ đang dùng của mạng CAN

• Tải của CAN-bus

• Khả năng của CAN-host

• Yêu cầu của hệ chuyển động

Ví dụ:

Khi truyền ở tốc độ 1Mbit/s, để truyền 8 byte dữ liệu th́ mất nhiều nhất khoảng 130µs (chiều dài của tin nhắn là 130bít, gồm 64 bít dữ liệu, ID của CAN-node, CRC,…) Trong một hệ thống có 4 trục, thời gian cần thiết để gửi 1 tin nhắn 8 byte dữ liệu xuống cả 4 trục vào khoảng 4* 130 = 520 µs Ngoài ta c ̣n có các khoảng thời gian dành cho các loại tin nhắn khác như: tin nhắn trạng thái, tin nhắn khẩn cấp để thông báo lỗi,…CAN servo node thực hiện nội suy bậc 3 quỹ đạo, và

độ cập nhật của mạch ṿng vị trí vào khoảng 10- 200ms (phụ thuộc vào ứng dụng) Nếu thời gian mỗi đoạn là 10ms, tải của bus (bus load) khi phải truyền tinh nhắn trên được tính bằng 520µs/ 10ms = 5% Ta có thể dễ nhận thấy rằng CAN-bus với tốc độ tương đối chậm có thể dùng cho trường hợp này

Ta thấy khi dùng CAN-bus để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động th́ có những ưu điểm sau:

• Chuyển động mềm dẻo : Quỹ đạo chuyển động được tạo ra trong máy tính (PC) hoặc CPU của bộ điều khiển Không yêu cầu thêm phần cứng, ngoại trừ giao diện mạng

• Linh hoạt: Số lượng các trục có thể thay đổi dễ dàng mà không phải thêm các thiết bị vào phần cứng trên bộ điều khiển chủ Các thiết bị khác như các module vào ra, các sensor,….có thể được nối trực tiếp đến CAN-bus

• Phân ly: Ṿng điều khiển vị trí trong servo drive được phân ly từ bộ điều khiển chủ Trong hệ thống với bộ điều khiển tập trung, việc tạo quỹ đạo và thuật toán mạch ṿng vị trí chia sẻ cùng một phần cứng Sự tăng số trục tiêu biểu tốc độ cập nhật của mạch ṿng vị trí cho mỗi trục cần điều khiển

• Dây dẫn: Các thiết bị có thể được gắn trên máy nên giảm độ phức tạp cũng như giá thành của dây nối

• Giám sát: CAN-bus, với giao thức CANopen, cho phép ta có thể truy cập đến

các biến trong các node servo drive và trạng thái máy

1.4 Kết luận

Từ những phân tích ta thấy việc ứng dụng truyền thông số cho hệ điều khiển chuyển động đạt được rất nhiều lợi ích Nhưng để khai thác được tối đa những lợi ích của truyền thông số th́ người ta phải nghiên cứu để tạo ra các loại mạng (bus) khác nhau, các cấu h́nh mạng tối ưu phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng hệ điều khiển chuyển động

Trong phạm vi luận văn này, tôi đă nghiên cứu việc dùng truyền thông bus cho hệ điều khiển chuyển động Trên cơ sở đó, một số vấn đề cần quan tâm khi

CAN-sử dụng mạng CAN-bus sẽ được khảo sát như:

• Thời gian trễ trong truyền thông

• Độ chính xác của hệ điều khiển chuyển động

• Sự ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu T s

• Loại trừ nhiễu tác động lên hệ thống

Với mục tiêu đáng giá việc ứng dụng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động

2.1 Thời gian trễ trong truyền thông

2.1.1 Giới thiệu

Khi dùng mạng để truyền thông th́ có rất nhiều ưu điểm song ta phải chú ý đến một số vấn đề đó là bao giờ cũng có trễ khi trao đổi, tính toán dữ liệu giữa các nút mạng Khi muốn trao đổi thông tin từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành hay từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành … đều phải mất một khoảng thời gian nhất định Thời gian truyền thông tin trong mạng này được gọi là trễ truyền thông

Tuỳ thuộc vào các yếu tố như: kiểu mạng, cơ chế định tuyến trong mạng mà thời gian trễ có các đặc tính khác nhau Trong một số hệ thống, thời gian trễ này gần như không đổi nhưng trong nhiều hệ thống, trễ truyền thông thay đổi theo cơ chế ngẫu nhiên

2.1.2 Các thành phần của thời gian trễ

Ta xét hệ thống kín được mô tả như H́nh 2.1.2.1

Các cơ cấu chấp hành và cảm biến được nối tới mạng thông tin, chúng nhận

và gửi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm cũng được nối vào mạng, xử lư và trao đổi các thông tin qua mạng Việc gửi các thông

tin qua mạng sẽ mất một khoảng thời gian nào đó

H́nh 2.1.2.1 Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ

Về bản chất, trong hệ thống có 3 loại trễ như sau:

• Trễ truyền thông giữa sensor và bộ điều khiển: sc

sc k

Tín hiệu vào

bộ điều khiển

Tín hiệu vào cơ cấu chấp hành

Tín hiệu vào quá tŕnh

Quá tŕnh Cảm biến Quá tŕnh

Bộ điều khiển

ca k

c k

T

( )

trễ: sc ca c

T =T +T +T Trong một vũng điều khiển, thường có cả trễ do tính toán, nhưng ảnh hưởng của nó không được xem xét riêng mà được đặt trong trễ truyền thông

2.1.3 Ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng của hệ thống

Trễ trong truyền thông là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống điều khiển như: tính thời gian thực, tính ổn định…

Khi sử dụng tín hiệu số, ta không được lấy mẫu tín hiệu với chu kỳ lấy mẫu bất kỳ mà phải theo định lỹ Shannon, thoả món: Ts < To Chất lượng của hệ thống rời rạc phụ thuộc rất nhiều vào chu kỳ lấy mẫu (Ts) Nếu ta chọn chu kỳ cắt mẫu quỏ lớn thỡ việc tớnh toỏn sẽ đơn giản nhưng lại có thể xảy ra hiện tượng mất thông tin về sự biến đổi của tín hiệu dẫn đến bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển không chính xác Nếu lấy T nhỏ thỡ chất lượng của hệ thống sẽ tốt nếu như bộ điều khiển có khả năng xử lý tốt vỡ khi đó khối lượng tính toán sẽ rất lớn

Thời gian trễ truyền thông cũng có ảnh hưởng đến việc chọn chu kỳ lấy mẫu

vỡ nú cú ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hệ thống Nếu thời gian trễ Tk < Ts

thỡ cỏc tớn hiệu được chuyển từ cảm biến tới cơ cấu chấp hành chỉ trong phạm vi một chu kỳ lấy mẫu do đó vẫn đảm bảo được trỡnh tự của tớn hiệu điều khiển tại mỗi bước tính Nếu xảy ra tỡnh trạng Tk > Ts thỡ cú nghĩa là tớn hiệu từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành phải mất nhiều hơn một chu kỳ lấy mẫu do đó tín hiệu điều khiển tại mỗi bược không đến được cơ cấu chấp hành đúng thời điểm cần Trường hợp này có thể là không xảy ra thường xuyên nhưng nó sẽ được tích luỹ dần dần dẫn đến kết quả là làm cho hệ thống bị mất tính năng thời gian thực, giảm hiệu quả, chất lượng của hệ thống và có thể làm hệ thống mất ổn định Muốn khắc phục hiện tượng này ta có thể tăng Ts nhưng Ts lại bị hạn chế bởi các yếu tố như đó nờu ở trờn nờn khụng thể tăng Ts lên quá lớn được Vỡ vậy phải tỡm cỏch giảm bớt thời gian trễ Nhưng với mỗi mạng thỡ thời gian trễ này cũng chỉ giảm đến một giá trị nhất định mà thôi vỡ vậy mà ta phải đề ra được quy luật điều khiển mà nó có thể giải quyết được vấn đề này

2.1.4 Nguyờn nhõn gõy ra trễ truyền thụng và biện phỏp khắc phục

Trễ trong truyền thông thường do các nguyên nhân sau:

➢ Trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng

Tốc độ truyền tin của đường mạng phụ thuộc vào tốc độ truyền tin tổng thể

và định dạng của một gói thông tin truyền trên mạng Tốc độ truyền tin tổng thể phụ thuộc vào tần số của tín hiệu mang thông tin nên chúng ta không thể tăng lên tuỳ ý

mà nú bị hạn chế bởi cụng nghệ chế tạo của thiết bị mạng Cũn định dạng của gói thông tin phụ thuộc vào giao thức truyền thông nên đối với một đường mạng vật lý

và giao thức truyền thụng xỏc định trước thỡ tốc độ truyền tin của đường mạng hoàn toàn xác định Do vậy trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng là xác định

➢ Trễ do nhiễu tác động lên quá trỡnh truyền tin

Quỏ trỡnh truyền tin chỉ thành cụng khi node nhận dữ liệu nhận được dữ liệu đúng với dữ liệu được truyền đi bởi node truyền Trong thực tế, xác suất nhận được

dữ liệu đúng không phải là 100% mà do ảnh hưởng của nhiễu có thể dẫn tới việc truyền dữ liệu bị lỗi Khi việc truyền dữ liệu lỗi, ta phải tiến hành truyền lại cho tới khi node nhận xác nhận là đó nhận được dữ liệu đúng Trong môi trường công nghiệp thỡ ảnh hưởng của nhiễu là rất lớn Lỗi trong việc truyền dữ liệu có thể do nhiễu tác động lên các thiết bị mạng và đường cáp truyền Người ta có thể giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ lên mạng truyền tín hiệu bằng cách sử dụng cáp chống nhiễu (cáp xoắn, cáp đồng trục) hoặc sử dụng cáp quang

➢ Trễ do thời gian đợi đường mạng trở nên sẵn sàng truyền tin

Thông thường trên một đường mạng có nhiều node mạng và điều này dẫn tới việc truyền dữ liệu sẽ phải đợi cho tới khi quá trỡnh truyền dữ liệu của node đang truyền dữ liệu kết thúc

Nếu có một vài thông điệp cần truyền cũng đang đợi để truyền thỡ thời gian đợi này sẽ bao gồm cả thời gian cần thiết để hoàn thành truyền các thông điệp này Kích thước của thông điệp đang truyền và số lượng thông điệp đang đợi để truyền là ngẫu nhiên nên thời gian đợi đường mạng trở nên sẵn sàng cũng có tính ngẫu nhiên

➢ Trễ do đường mạng rơi vào trạng thái tranh chấp (collision)

Trong một số kiểu mạng, đặc biệt là mạng sử dụng phương thức truy cập theo kiếu CSMA/CD trạng thái tranh chấp có thể xảy ra nếu có 2 node cùng muốn gửi dữ liệu một lúc Khi phát hiện ra trạng thái này các node sẽ đơi một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi mới tiếp tục truyền để tránh trạng thái tranh chấp Trạng thái tranh chấp này gây ra chậm trễ truyền thông trên mạng và sự chậm trễ này mang tính ngẫu nhiên

Sự chậm trễ của một lần truyền tin cú thể do một trong cỏc nguyờn nhõn trờn gõy ra Số lượng các nguyên nhân này có tính ngẫu nhiên cộng với tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân trễ nên thời gian trễ cũng có tĩnh ngẫu nhiên Muốn phân tích

và điều khiển được hệ thống ta phải xác định được chiều dài của các trễ Thời gian trễ lớn hay nhỏ có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của hệ thống, thời gian trễ càng nhỏ sẽ càng tốt cho hệ thống Vỡ vậy ta phải tỡm cỏch làm cho thời gian trễ nhỏ nhất

2.2 Nhiễu

2.2.1 Giới thiệu

Trong môi trường công nghiệp, có rất nhiều tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên ảnh hưởng tới hệ điều khiển Nhiễu ngẫu nhiên là các tín hiệu mà tại mỗi thời điểm nhất định ta chỉ biết được xác suất xuất hiện của nó Nhiễu gây ra sự sai lệch của tín hiệu điều khiển, thời gian trễ trong truyền thông dẫn đến hệ thống hoạt động kém chính xác, kém ổn định Do đó việc loại trừ bớt các ảnh hưởng nhiễu là rất cần thiết Bộ lọc Kalman là một giải pháp thích hợp cho việc giải quyết bài toán lọc các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

2.2.2 Cơ sở lư thuyết của bộ lọc Kalman

Năm 1960, R.E.Kalman viết một bài báo mô tả giải pháp đệ quy cho bài toán lọc tuyến tính rời rạc Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ máy tính, lọc Kalman đă được nghiên cứu và ứng dụng rộng răi

Chúng ta giả thiết quá tŕnh ngẫu nhiên được ước lượng có mô h́nh tuyến tính như sau:

Wk = (n x 1) – Véc tơ ồn quá tŕnh (nhiễu tác động đến các biến trạng thái)

ZK = (m x 1) – Véc tơ giá trị phép đo tại thời điểm tk

Hk = (m x n) - Ma trận lư tưởng liên hệ giữa giá trị phép đo và biến trạng thái

VK = (m x 1) – Véc tơ ồn phép đo (nhiễu tác động phép đo)

Wk, Vk có phân bố chuẩn và có ma trận phương sai như sau:

E[Wk WiT ] = Qk , i = k (3)

0 , i  k

E[Vk ViT ] = Rk , i = k (4)

0 , i  k

E[Wk ViT ] = 0 đối với tất cả i và k (5)

Ta giả thiết tại thời điểm này ta có một ước lượng ban đầu của quá tŕnh tại thời điểm tk và giá trị ước lượng này dựa trên hiểu biết của ta về quá tŕnh tại thời điểm trước tk Ước lượng trước này sẽ được biểu thị bằng x k− (dấu mũ thể hiện là ước lượng, dấu trừ thể hiện là ước lượng trước thời điểm tk) Ta cũng giả thiết rằng

ta biết ma trận phương sai của sai số giữa xk và x k− Ta định nghĩa sai lệch ước lượng như sau:

Bây giờ ta có thể dựa vào phương tŕnh (8) tính ra ước lượng của biến trạng thái xk, với Kk lấy từ phương tŕnh (11) và x k−đă biết

Với bước k+1, ta tính ước lượng của x k+1−theo phương tŕnh (1)

Từ các phương tŕnh trên ta có thuật toán cho bộ lọc Kalman như sau:

H́nh 2.2.2.1 Thuật toán của bộ lọc Kalman

2.2.3 Thiết kế bộ lọc Kalman trờn lý thuyết

Với một hệ điều khiển chuyển động nhiều trục khi dùng truyền thông mạng

(bus) thỡ mỗi tớn hiệu đo vị trí phản hồi về sẽ được qua một bộ lọc Kalman Hỡnh

2.2.3.1 là ví dụ dùng bộ lọc Kalman cho hệ điều khiển chuyển động dùng CAN-bus

gồm cú 2 trục

Tính hệ số K k

K k = P k-H kT(H k P k-H kT+R k )-1

Cập nhật ước lượng cùng với giá trị đo z k

k k k k k k

x =x− +K z −H x−

Tính ma trận phương sai của sai lệch ước lượng

Hỡnh 2.2.3.1 Mụ hỡnh dựng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu cho hệ điều khiển chuyển động

gồm có 2 trục, sử dụng truyền thông CAN-bus

Tín hiệu vị trí của mỗi trục được truyền qua mạng CAN và sau đó qua 1 bộ lọc Kalman Filter trước khi được so với giá trị đặt

Trong ví dụ ở dưới ta chỉ xét một hệ điều khiển vị trí tuyến tính gồm có 1 trục, có mô hỡnh như Hỡnh 2.2.3.2 Với giả thiết đó biết hàm truyền của cỏc khối,

ta thiết kế bộ lọc Kalman trờn lý thuyết và mụ phỏng

H́nh 2.2.3.2 Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

Giả sử mạch ṿng ḍng điện và tốc độ được tổng hợp theo phương pháp môdule tối ưu dạng chuẩn Hàm truyền kín của mạch ṿng tốc độ là:

Các ma trận A, B, C cho dạng mô h́nh liên tục xác định được là:

Dùng khối S-Function và viết chương tŕnh cho bộ lọc Kalman trong m.File

có tên là Pos.m như được tŕnh bày ở phụ lục

Ta có mô h́nh Simulink cho quá tŕnh mô phỏng lọc nhiễu tác động lên các

biến trạng thái và phép đo tín hiệu ra của bộ lọc Kalman như H́nh 2.2.3.3

H́nh 2.2.3.3 Mô h́nh Simulink mô phỏng bộ lọc Kalman cho tín hiệu vị trí

Sau khi thực hiện mô phỏng ta được kết quả như các h́nh ở dưới

➢ Giá trị của phép đo (nét chấm), và giá ước lượng đầu ra của bộ lọc (nét liền):

H́nh 2.2.3.4.a Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra

của bộ lọc Kalman

H́nh 2.2.3.4.b Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra của bộ lọc

Kalman

➢ Tín hiệu của phản hồi vị trí khi không qua bộ lọc (nét chấm), và khi qua bộ lọc (nét liền)

H́nh 2.2.3.5.a Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi

không và có qua bộ lọcKalman

H́nh 2.2.3.5.b Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi không

và có qua bộ lọc Kalman

2.3 Kết luận

Từ những phân tích ở trên, ta nhận thấy thời gian trễ trong truyền thông và nhiễu là hai yếu tố ảnh hưởng tới tính thời gian thực, và chất lượng của hệ thống điều khiển Đối với thời gian trễ trong truyền thông ta có thể t́m cách giảm chúng xuống mức nhỏ nhất bằng cách dùng các cấu h́nh mạng hợp lư, các phương pháp truyền phù hợp,….như đă phân tích ở trên Đối với sự tác động của các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên lên hệ thống th́ ta có thể lọc chúng bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman như đă thiết kế ở trên Trong ví dụ trên để đơn giản ta đă thiết kế bộ lọc Kalman với giả thiết đă biết trước các hàm truyền của hệ Trên thực tế các ma trận

A, B, H thay đổi theo từng bước tính (Ak, Bk, Hk) như trong lưu đồ thuật toán của bộ lọc để phù hợp với sự thay đổi của đối tượng điều khiển Do đó yêu cầu đặt ra là ta phải nhận dạng được đối tượng điều khiển( đối tượng điều khiển càng được nhận dạng chính xác th́ chất lượng của bộ lọc càng tốt) Hơn thế nữa, khi sử dụng bộ lọc Kalman th́ cũng làm tăng thêm thời gian trễ trong truyền thông (thời gian cần thiết

để tính toán trong bộ lọc) Đây là vấn đề cần được lưu tâm giải quyết

3.1 Những vấn đề về CAN-bus

3.1.1 Giới thiệu về CAN bus

CAN(Controller Area

Network) xuất phát từ một sự phát

triển chung của hai hăng Bosch và

Intel phục vụ cho việc nối mạng

trong các phương tiện giao thông cơ

giới để thay thế cách nối điểm-

điểm, sau được chuẩn hoá quốc tế

trong ISO 11898 Giao thức truyền thông tin nối tiếp CAN (Controller Area

Network protocol) là một trong những giao thức truyền tin công nghiệp có thể được

xếp vào cấp thấp trong mô h́nh phân cấp, đó là cấp trường Giao thức này được

thiết kế để truyền tin trong môi trường nhiều nhiễu Sự phát triển của CAN bắt đầu khi mà ngày càng nhiều các thiết bị điện tử được sử dụng trong xe gắn máy, xe hơi

và các phương tiện giao thông (các loại xe cộ nói chung) hiện đại như: các hệ thống quản lý điều khiển sự hoạt động của động cơ, các bộ điều khiển hộp số, điều khiển đèn, điều khiển điều ḥa không khí, điều khiển túi khí, điều khiển khóa trung tâm….Sự có mặt của các thiết bị điện tử này làm cho sản phẩm trở nên tiện nghi

H́nh 3.1.1.1 Phương thức kết nối điểm-điểm

hơn, an toàn hơn cho người sử dụng và tất nhiên nó cũng làm cho xe hoạt động tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ, giảm bớt lượng không khí thải độc hại

Để nâng cao hơn nữa các đặc tính của hệ thống, một vấn đề thiết yếu được đặt ra là các hệ thống điều khiển riêng biệt khác nhau phải có sự trao đổi thông tin Ban đầu người ta liên kết các hệ thống điều khiển cho các phần riêng biệt đó một

cách riêng rẽ (nối điểm – điểm) H́nh 3.1.1.1 thể hiện cơ chế kết nối hệ thống theo

phương thức điểm-điểm

Nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng mở rộng và nhiều thêm, hệ thống cáp mạng có độ dài lên tới một vài ngh́n mét và rất nhiều các rắc nối được sử dụng Việc lớn mạnh của nhu cầu trao đổi thông tin này đă nảy sinh các vấn đề về giá thành vật liệu chế tạo, thời gian thực hiện và độ tin cậy của hệ thống Và giải pháp cho vấn đề trên là kết nối các hệ thống điều khiển thông qua một hệ thống bus nối

tiếp H́nh 3.1.1.2 thể hiện phương thức kết nối hệ thống nối tiếp thông qua bus

Với việc sử dụng giao thức CAN, phương thức kết nối điểm-điểm (point to point) đă được thay thế bằng đường

truyền nối tiếp kết nối chung tất cả

các hệ thống điều khiển lại với

nhau Việc kết nối này được thực

hiện bằng cách thêm một vài phần

tử cụ thể của CAN cho mỗi khối

điều khiển Các phần tử CAN này

cung cấp các luật hay c ̣n gọi là giao

thức để thực hiện cơ chế truyền/nhận thông tin thông qua bus

Giao thức CAN sử dụng tầng liên kết dữ liệu (DataLink layer) và tầng vật lư

(Physical layer) trong mô h́nh ISO-OSI Tuy nhiên vẫn có những giao thức CAN

mức cao tồn tại

CAN được sử dụng rộng răi trong tự động hóa và công nghiệp Các ứng dụng

cơ bản của nó là trong lĩnh vực xe gắn máy, xe hơi…các ngành sản xuất xe cộ phục

vụ công cộng và tự động hóa công nghiệp Các lĩnh vực ứng dụng khác của CAN

H́nh 3.1.1.2 Phương thức kết nối bus

thường hay được sử dụng như các hệ thống tự động trong tầu hỏa, thiết bị y tế, tự động hóa ṭa nhà, các thiết bị gia dụng, tự động hóa văn pḥng công sở, điều khiển chuyển động, …

Cho đến trước năm 2000, trên toàn thế giới có khoảng 20 triệu node CAN được sử dụng Chỉ trong năm 2000 ước tính số lượng node được sử dụng có khoảng

140 triệu node

Tất cả các thông tin được đưa ra ở phần trên phần nào đă khẳng định CAN là một chuẩn truyền tin có những ưu điểm lớn và được sử dụng rất rộng răi trong các ngành công nghiệp ứng dụng ngày nay

3.1.2 Lư thuyết cơ sở về giao thức CAN

3.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản của CAN bus

CAN có cấu trúc bus nhiều chủ (multi master bus), mở, các node có vai tṛ ngang hàng nhau trên hệ thống bus, số lượng node không bị giới hạn bởi giao thức Trong giao thức CAN, không có địa chỉ node, thông tin địa chỉ được chứa bên trong vùng nhận diện (identifier field)

của bức điện được truyền Số

lượng node trên mạng có thể thay

đổi động mà không làm nhiễu loạn

đến sự truyền tin của các node

khác CAN c̣n được hỗ trợ hai chế

H́nh 3.1.2.1.1 Kết nối node CAN lên Bus