i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - TRẦN THỊ HẢI YẾN “ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN, PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN” LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự dộng hóa Thái Nguyên - năm 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Thị Hải Yến Sinh ngày : 12 tháng 04 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn, khơng chép ngƣời khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Trần Thị Hải Yến Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết cua đề tài Chúng ta sống kỷ nguyên đại đƣợc thừa hƣởng thành tiến khoa học kỹ thuật Cùng với phát triển nghành khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tự động hóa dây truyền sản xt ngành tự động hóa phát triển mạnh mẽ góp phần tăng xuất lao động giảm chi phí giá thành mặt hàng tự động hóa khơng đại đa dạng mà cịn có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm chi phí nâng cao hiệu sản xuất Là giáo viên khoa Điện - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên trực tiếp tham gia đào tạo, nên quan tâm đến hệ thống sử dụng điều khiển số vào ứng dụng điều khiển, đề tài muốn đề cập đến việc sử dụng TMS320 vào điều khiển Xuất phát từ lý chọn đề tài : “Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320 điều khiển, phục vụ cơng tác đào tạo trung tâm thí nghiệm Trường Đại học KTCN Thái Nguyên” Mục tiêu luận văn Xây dựng hệ thí nghiệm điều khiển động sử dụng vi xử lý TMS phục vụ cho công tác đào tào Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Trên sở thiết bị có trƣờng nội dung chƣơng trình đào tạo, dựa vào kết nghiên cứu này, tiến hành triển khai thành modul thực hành phục vụ công tác đào tạo cho Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Đối tƣợng nghiên cứu - Vi xử lý TMS320 - Động tuyến tính Ý nghĩ khoa học thực tiễn đề tài Nâng cao đƣợc chất lƣợng đào tạo nghề nhà trƣờng Đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tế sản xuất thực tế sử dụng rộng rãi hệ thơng thiết bị địi hỏi chất lƣợng điều khiển Kết cấu luận văn luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chƣơng sau: Chƣơng 1: Khái quát phần cứng vi xử lý TMS320 phần mềm kèm đánh giá khả ứng dụng TMS320 việc điều khiển số đối tƣợng nhƣ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv động (động điện chiều, xoay chiều, servo ), thiết bị điều khiển trình Chƣơng 2: Ứng dụng vi xử lý TMS320 vào việc thiết kế điều khiển cho đối tƣợng cụ thể (có thể động điện chiều, xoay chiều, động servo, thiết bị điều khiển q trình), có trung tâm thí nghiệm trƣờng ĐHKTCN Thái Ngun Tiến hành mơ Chƣơng 3: Kết luận thực nghiệm Kết luận kiến nghị Để hoàn thành đƣợc luận văn, cố gắng thân, tác giả nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình cán hƣớng dẫn TS Cao Xuân Tuyển giúp đỡ trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, tập thể thầy cô giáo Khoa Điện khoa Sau đại học bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hƣớng dẫn tập thể thầy cô giáo Khoa Điện khoa Sau đại học - trƣờng Đại học Kỹ thuật công giúp đỡ tơi hồn thành luận văn chƣơng trình học tập Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Trần Thị Hải Yến Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI NÓI ĐẦU iii MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU vi CHƢƠNG KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TMS320 1.1.1 CẤU TRÚC DSP TMS320F2812 1.1.2 Cổng vào số ( Digital I/O ) 10 1.1.3 Chuyển đổi tƣơng tự số ( ADC) 18 1.1.4 Hệ thống ngắt F2812 25 1.1.5 Modul quản lý kiện (EV ) 30 1.2 CÁC MÔI TRƢỜNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ PHÁT TRIỂN DSP F281x 32 1.2.1 Sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) 32 1.2.2 Sử dụng mơi trƣờng lập trình đồ họa ViSsim 34 1.2.3 Matlab gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000 35 1.3 VÍ DỤ ỨNG DỤNG TMS320 VÀO TRONG ĐIỀU KHIỂN 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1: 38 CHƢƠNG 38 ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 39 2.1 Đặt vấn đề 39 2.2 Khái Quát đối tƣợng điều khiển 40 2.2.1 Đặc điểm hệ chuyển động thẳng 40 2.2.2 Khái quát phƣơng pháp điều khiển động tuyến tính 41 2.3 Mơ hình hóa ĐCTT 43 2.3.1 Nguyên lý cấu tạo làm việc động tuyến tính 43 2.3.2 Mơ hình tốn học động tuyến tính tƣơng tự nhƣ động bƣớc unipolar 50 2.3.3 Mơ hình hóa động tuyến tính ba pha loại ĐB – KTVC 52 2.4 KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG 59 2.4.1 Mô tả cấu trúc điều khiển 59 2.4.2 Mạch cứng sử dụng TMS320 ULN2803 67 2.5 MÔ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 70 2.5.1 Động tuyến tính đồng đƣợc sử dụng mạch từ nam châm vĩnh cửu 70 2.5.2 Động tuyến tính đồng - kích thích vĩnh cửu 73 2.5.3 Phần mềm điều khiển 76 KẾT LUẬN CHƢƠNG 85 CHƢƠNG 85 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 86 3.1 THỰC NGHIỆM 86 3.2 KẾT LUẬN CHO PHẦN THỰC NGHIỆM 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 Sơ đồ nối chân TMS320F2812 Hình Sơ đồ cấu trúc chức F2812 Hình Phân vùng nhớ TMS320 Hình Bản đồ ngoại vi TMS320F2812 10 Hình Phân vùng nhớ TMS320F2812 11 Hình Các GPIO PORT TMS320F2812 12 Hình Cấu trúc ghi GPIO TMS320F2812 12 Hình Sơ đồ khối GPIO TMS320F2812 13 Hình Các ghi GPIO TMS320F2812 14 Hình 10 C28x clock modul 14 Hình 11 Các ghi điều khiển xung clock ngọai vi 15 Hình 12 Sơ đồ khối modul watchdog timer 16 Hình 13 Thanh ghi điều khiển watchdog timer 17 Hình 14 Thứ tự ghi vào ghi WDKEY 18 Hình 15 Modul ADC chế độ nối tầng 19 Hình 16 Modul ADC chế độ Dual Sequencer 20 Hình 17 Thiết lập nguồn xung 25MHZ cho modul ADC 20 Hình 18 Các ghi modul ADC 21 Hình 19 Byte cao ghi ADC Control 22 Hình 20 Byte thấp ghi ADC Control 22 Hình 21 Byte cao ghi ADC Control 23 Hình 22 Byte thấp ghi ADC Control 23 Hình 23 Thanh ghi ADC control Register 24 Hình 24 Thanh ghi ADC MAXCONV 24 Hình 25 Thanh ghi ADC Input Channel Select Sequencing Control Register 25 Hình 26 Lines Interrupt 25 Hình 27 Các nguồn reset hệ thống 26 Hình 28 Các nguồn ngắt 26 Hình 29 Thanh ghi cờ ngắt 27 Hình 30 Thanh ghi cho phép ngắt 27 Hình 31 Mở rộng ngắt ngoại vi 28 Hình 32 Bảng phân bổ ngắt 28 Hình 33 Véc tơ ngắt lúc thiết lập lại 28 Hình 34 Bản đồ véc tơ PIE sau thiết lập lại 29 Hình 35 Sơ đồ khối timer 29 Hình 36 Sơ đồ khối modul quản lý kiện 31 Hình 37 Sơ đồ khối định thời mục đích chung 32 Hình 38 Mơi trƣờng làm việc CCS 33 Hình 39 Phƣơng thức liên kết matlab TIC2000 35 Hình 40 Mạch điều khiển hồn tất với tín hiệu điều khiển đƣa đến đối tƣợng 36 Hình 41 Mơ hình lắc ngƣợc xe 37 Hình 42 Mơ hình xe hai bánh cân 37 Hình 43 Cấu trúc điều khiển số vị trí động DC servo phản hồi 37 Hình Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cấu trục vít đai truyền 40 Hình 2 Hình ảnh ĐCTT thu đƣợc trải dài động quay tròn 41 Hình Cấu tạo động truyền động thẳng 44 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình Động tuyến tính xét tƣơng tự nhƣ động bƣớc unipolar 44 Hình Cấu tạo cuộn dây động bƣớc unipolar 44 Hình Cấu tạo cuộn dây động bƣớc unipolar 44 Hình 7: Chuyển mạch rotor chế đọ nửa bƣớc 46 Hình Giản đồ dạng xung chế độ nửa bƣớc 47 Hình 9: Sơ đồ mơ tả chế độ bƣớc đủ pha đƣợc cấp xung 48 Hình 10: Giản đồ dạng xung chế độ pha ON 48 Hình 11 :Ché độ bƣớc đủ hai pha đƣợc cung cấp xung 49 Hình 12: Giản đồ dạng xung chế độ hai pha ON 50 Hình 13 Mơ hình động tuyến tính 51 Hình 14 Biểu diễn đại lƣợng vật lý thông qua hệ trục tọa độ ĐCTT kiểu ĐB – KTVC pha 53 Hình 15 Mơ hình động tuyến tính ĐB - KTVC khơng gian trạng thái hệ toạ độ dq 55 ˆˆ Hình 16 Mơ tả vector dịng điện is hệ trục toạ độ α, β, abc, dq , dq 57 Hình 17 TOP2812 60 Hình 18 TOP2812 phụ kiện kèm 61 Hình 19: Vị trí cổng COM, jack cấp nguồn cho kit 61 Hình 20Vị trí thành phần kit TOP2812 62 Hình 21 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB - JTAG 62 Hình 22: đĩa mã hóa nguyên lý hoạt động encoder tƣơng đối 64 Hình 23 dạng xung kênh đầu 64 Hình 24 Bố trí cặp thu phát 65 Hình 25 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối rãnh 66 Hình 26 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối rãnh 66 Hình 27 Mạch cứng sử dụng TMS320 ULN2803 ghép nối với cuận dây động 68 Hình 28 Sơ đồ khối mạch hở 70 70 (mạch dùng chung cho mạch hở mạch kín) 71 Hình 31 kết mô Matlab hệ hở 72 , , góc bƣớc sau q trình mơ 72 Hình 33 73 Hình 34: sơ đồ khối sử dụng biến tần, vi xử lý điều khiển 74 Hình 35: Sơ đồ ghép nối TMS320 với biến tần 74 Hình 36 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC pha sử dụng TTHCX 74 Hình 37 Mơ hình mơ điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC theo phƣơng pháp TTHCX 75 Hình 38 Kết đáp ứng tốc độ mô theo phƣơng pháp TTHCX 76 Hình Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG Bo mạch TOP2812 86 Hình ghép nối máy tính – TOP2812 máy sóng thí nghiệm 86 Hình 3 Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây động chế độ bƣớc đủ pha đƣợc cấp xung 87 Hình Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây động chế độ bƣớc đủ hai pha đƣợc cung cấp xung 87 Hình Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây động chế độ nửa bƣớc 88 Hình Đối tƣợng động tuyến tính ĐB-KTVC 88 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình ghép nối đối tƣợng điều khiển với biến tần, bo mạch máy tính 89 Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 1Các tài nguyên TMS320F2812 [6] Bảng chọn chế độ khởi động Bảng thống kê dấu dòng điện pha 47 Bảng thống kê dấu dòng điện pha: 49 Bảng thống kê dấu dòng điện pha 50 Thông số kỹ thuật: 59 Những từ viết tắt Ký hiệu Đơn vị chữ viết tắt H Lsq , Lsd Ý nghĩa m us , is Khối lƣợng phận sơ cấp (stator) Vector điện áp, dòng stator Kg V,A Điện cảm dọc trục ngang trục stator Điện trở stator Rs isq ,i sd A Dòng điện trục d,q usq , u sd V Điện áp trục d,q mm Wb Bƣớc cực Từ thơng cực từ Rad/s Vận tốc góc điện, Rad Vị trí góc (hình học) động quay p e , m m N (d,jq)   ( d , jq ) Af Bf ĐCTT ĐB-KTVC SVM TTHCX Ma trận ghép phi tuyến Hệ trục tọa độ tựa theo cực từ Hệtrục có tốc độ chuyển động tịnh tiến giống hệ tọa độ tựa theo cực từ (d,jq) nhƣng có sai lệch Ma trận hệ thống Ma trận đầu vào Động tuyến tính Đồngbộ- kích thích vĩnh cửu Điều chếvectơ khơng gian Tuyến tính hố xác Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TMS320 1.1.1 CẤU TRÚC DSP TMS320F2812 1.1.1.1 Giới thiệu chung TMS320F2812 TMS320C2812, thành viên họ TMS320C28x ™ DSP, đƣợc tích hợp cao, hiệu suất cao, giải pháp cho yêu cầu ứng dụng điều khiển Chức Tổng quan, kiểu đóng gói đồ nhớ TMS320C2812, TMS320F2812 số dịng thuộc họ C28x đƣợc trình bày hình phía dƣới Các đặc điểm F2812 - Cơng nghệ static CMOS + Tần số xung chíp 150 MHz (chu kỳ kệnh 6,67ns) - Bộ nhớ phiến (On-chip Memory) + có tới 128Kx16 Flash (4 mảng + Tiêu thụ lƣợng thấp (lõi - 8Kx16 mảng 16kx16) 1,8V, vào/ra 3,3V) + Điện áp lập trình Flash 3,3V Hỗ trợ chuẩn JTAG dùng để mơ chíp Đơn vị xử lý trung tâm CPU 32-bit (của họ TMS320C28x) + Phép nhân Mac 16x16 32x32 + 1Kx16 loại OTP ROM + L0 L1: khối loại 4Kx16 + Có RAM truy cập đơn (SingleAccess RAM: SARAM) + H0: khối 8Kx16 SARAM + M0 M1: khối loại 1Kx16 SARAM + Cấu trúc Bus Harvard + Đáp ứng xử lý ngắt tốc độ cao + Nhiều mơ hính lập trính nhớ + Quản lý theo địa tuyến tính 4M nhớ chƣơng trình + Quản lý theo địa tuyến tính 4M nhớ liệu + Dễ tạo mã C/C++ hợp ngữ (Assembler) + Mã nguồn tƣơng thích với TMS320F24x/LF40x Số hóa Trung tâm Học liệu - - - Boot ROM (4Kx16) + Có Boot ROM Modes Software + Standard Math Tables Giao diện (F2812) + Tối đa 1M nhớ Kiểm soát xung đồng hồ hệ thống + Hỗ trợ thay đổi động hệ số PLL + Oscillator phiến + Module đồng hồ Watchdog ngắt http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Khối hỗ trợ mở rộng (peripheral - Interrupt Expansion: PIE) tới 45 ngắt Khóa mã an tồn 128-bit + bảo vệ Flash/OTP L0/L1 ngoại vi - - + Xen kênh 2x8 đầu vào + trích mẫu – giữ chậm (Sample-and-hold) Ngoại vi điều khiển máy điện + Event Managers (EVA, EVB) + Chế độ trích mẫu đơn lẻ, trích mẫu liên tục (Single/Simultaneos + Đủ 240 ngoại vi Ngoại vi Conversions) + Tần suất + Giao diện ngoại vi (Serial - SARAM + Chống kỹ thuật phá Firmware đồng hồ CPU 32-bit 80ns/12,5MSPS Peripheral Interface: SPI) + giao diện truyền thông (Serial Communications Interface: SCIs), Standard UART + Hỗ trợ truyền thông eCAN - (Enhanced controller Area Netword) + Multichannel Buffered Serial Port (McBSP) With SPI Mode 16 kênh ADC 12 bit Số hóa Trung tâm Học liệu - trích mẫu lớn: Có tới 56 chân vào/ra xen kênh khả trình (Multiplexed Gênral) Các đặc tính Chip nâng cao (Advanced Emulation Featuares) + Chức phân tích đặc điểm dừng (Breakpoint) + gỡ rối thời gian thực Hardware (Real-Time Debug via Hardware) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 77 const Uint16 StopCtrl=0x00; void Delay(Uint16); void main(void) { unsigned int i; InitSysCtrl(); DINT; IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieCtrl(); InitPieVectTable(); InitGpio(); EINT; ERTM; for(;;) { for(i=0;i