Các yêu cầu của điều khiển chuyển động Động cơ thông dụng nhất trong môi trường công nghiệp và môi trường nhúng là động cơ bước, động cơ chổi than và động cơ DC không chổi than, tuy nhiên còn có nhiều lựa chọn khác. Mỗi động cơ đòi hỏi các tín hiệu đầu vào riêng giúp làm quay động cơ và chuyển điện năng thành cơ năng. Xét ở nghĩa rộng nhất, điều khiển chuyển động giúp bạn sử dụng động cơ nhằm đáp ứng tốt nhất các yêu cầu ứng dụng của bạn mà không cần phải giải quyết tất cả các vấn đề truyền tín hiệu cấp thấp cần thiết để làm quay động cơ. Hình 1. Bộ điều khiển chuyển động là trung tâm của hệ thống điều khiển chuyển động. Ngoài ra, điều khiển chuyển động tạo ra các chức năng cấp cao, do đó bạn có thể thực hiện các ứng dụng tùy chỉnh một cách có hiệu quả dựa trên việc xây dựng các khối để tạo ra các giải pháp thực hiện các tác vụ thông thường như định vị chính xác, đồng bộ hóa nhiều trục, chuyển động với tốc độ, gia tốc và hãm tốc độ xác định. Do hầu hết động cơ được vận hành trong hoàn cảnh tạm thời, các công cụ điều khiển chuyển động cần thiết để thích ứng với tải khác nhau và điều kiện thay đổi, đòi hỏi thuật toán điều khiển xử lí phức tạp và phản hồi thông tin từ hệ thống cơ khí. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, các tác vụ chuyển động thường có ý nghĩa đặc biệt và thường sử dụng máy móc có thể gây hại cho con người xung quanh. Do vậy, các chức năng an ninh như công tắc giới hạn và các kênh I/O được sử dụng để thu thập thông tin trạng thái đồng thời thực hiện các thủ tục đóng cắt. Các thành phần hệ thống điều khiển chuyển động Sơ đồ trên hình 1 minh họa các thành phần thiết yếu của một hệ thống điều khiển chuyển động. Đặc trưng đối với ứng dụng của bạn là phần mềm ứng dụng mà bạn phát triển. Phần mềm ứng dụng bao gồm nhiều lớp tùy chọn. Thường thì có một ứng dụng giao diện người sử dụng cung cấp khả năng tương tác người vận hành. Rất nhiều các ứng dụng chuyển động có các lớp ứng dụng xử lí cảnh báo và kết nối cơ sở dữ liệu để nối với một hệ thống SCADA. Chúng cũng có các hướng dẫn điều khiển chuyển động được thực hiện bởi bộ điều khiển chuyển động. Nhà sản xuất bộ điều khiển chuyển động tạo ra môi trường phát triển mà bạn sử dụng để phát triển phần mềm ứng dụng. Với chỉ dẫn đã được nhắc đến ở trên, bộ điều khiển chuyển động tạo ra các profile chuyển động. Dựa vào các profile này, bộ điều khiển gửi các tín hiệu (thường là các tín hiệu ±10 V hoặc tín hiệu bước và tín hiệu định hướng) thông qua một bộ khuyếch đại, hay một truyền động tới động cơ. Nhiệm vụ của bộ khuyếch đại là đưa tín hiệu từ bộ điều khiển và biến đổi chúng thành tín hiệu làm cho động cơ chuyển động. Khi động cơ chuyển động, thiết bị phản hồi – thường là một cảm biến vị trí – đưa thông tin vị trí trở lại bộ điều khiển để đóng vòng lặp điều khiển. Từ cảm biến vị trí này, bộ điều khiển chuyển động biết được vị trí của động cơ và có thể suy ra được vận tốc mà động cơ đang chuyển động. Mặc dù các thiết bị phản hồi cung cấp phản hồi vị trí, đôi khi là thông tin phản hồi đặc biệt như dữ liệu từ một cảm biến áp suất hay cảm biến đo độ rung, cần được gửi trở lại bộ điều khiển. Hình 2. Kiến trúc bộ điều khiển chuyển động Kiến trúc bộ điều khiển chuyển động Một bộ điều khiển chuyển động đóng vai trò như bộ não của hệ thống điều khiển chuyển động và tính toán từng quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu. Bộ điều khiển chuyển động sử dụng các quỹ đạo mà nó tính toán để xác định lệnh momen xoắn thích hợp để gửi tới bộ khuyếch đại động cơ đồng thời gây ra chuyển động. Bộ điều khiển cũng phải đóng vòng lặp điều khiển và quản lí điều khiển giám sát bằng cách giám sát các giới hạn và điểm dừng khẩn cấp nhằm đảm bảo hoạt động an toàn. Mỗi một hoạt động này cần phải diễn ra thời gian thực nhằm đảm bảo độ tin cậy, chính xác, ổn định và an toàn cao ở mức cần thiết để tạo ra một hệ thống điều khiển chuyển động có khả năng hoạt động. Các nhiệm vụ khác nhau mà một bộ điều khiển chuyển động phải thực hiện, gồm: Điều khiển giám sát – Cung cấp chuỗi lệnh và sự phối hợp cần thiết để thực hiện các hoạt động cụ thể như sau: - Khởi tạo hệ thống. - Quản lí sự kiện - Phát hiện lỗi. Tạo quỹ đạo Vòng lặp điều khiển I/O National Instruments (NI) đem đến 2 cách tiếp cận để triển khai các hệ thống điều khiển chuyển động công suất cao: Các bộ điều khiển chuyển động plug-in DSP-based cho PCI hoặc PXI. Các bộ điều khiển chuyển động sử dụng NI LabVIEW NI SoftMotion Module Hình 3. Các bộ điều khiển chuyển động plug-in DSP-Based Bộ điều khiển chuyển động plug-in DSP-Based NI cung cấp các bộ điều khiển chuyển động plug-in từ các bộ điều khiển công suất cao đáp ứng các yêu cầu phức tạp đến các bộ điều khiển chuyển động chi phí thấp hơn phục vụ các ứng dụng chuyển động điểm tới điểm với công suất mạnh mẽ. Để đảm bảo tốc độ cập nhật servo cao tới 30 kHz cho các ứng dụng có độ chính xác cao, các bộ điều khiển này sử dụng kiến trúc bộ xử lí kép. Hai bộ xử lí này, một là bộ xử lí trung tâm (CPU) và một bộ xử lí tín hiệu số (DSP), tạo thành “xương sống” của bộ điều khiển chuyển động NI. Bộ điều khiển CPU là một bộ vi điều khiển 32-bit chạy hệ điều hành đa nhiệm, thời gian thực, nhúng. Bộ CPU này cung cấp công suất và sự chính xác cần thiết để đáp ứng hầu hết các nhu cầu ứng dụng chuyển động phức tạp nhất. CPU xử lí các lệnh, đồng bộ hóa host, tương tác I/O, và giám sát hệ thống. DSP có nhiệm vụ chính là đồng thời điều khiển vòng lắp kín với vị trí, quỹ đạo trên nhiều trục. Nó cũng đóng các vòng lặp vị trí và vận tốc, trực tiếp đặt lệnh momen xoắn cho bộ truyền động hoặc bộ khuyếch đại. Bộ xử lí điều khiển chuyển động này được giám sát bởi một bộ định thời giám sát, là một phần cứng mà bạn sử dụng để tự động dò các lỗi phần mềm và reset bộ xử lí nếu có sự cố xẩy ra. Bộ định thời giám sát kiểm tra hoạt động của bộ xử lí. Nếu phần chương trình trên bộ điều khiển chuyển động không thể thực hiện các chức năng trong 62 micro giây, bộ định thời giám sát sẽ reset bộ điều khiển chuyển động và không cho phép giao tiếp cho đến khi bạn reset hoàn toàn bộ điều khiển chuyển động. Điều này giúp đảm bảo hoạt động thời gian thực của hệ thống điều khiển chuyển động. Các thiết bị chuyển động dạng plug-in PCI- hoặc PXI-based được thiết kế để điều khiển tin cậy và chính xác trong hệ điều hành Windows hoặc hệ điều hành thời gian thực. Chúng giúp giảm thời gian phát triển thông qua các APIs mạnh mẽ và hỗ trợ trong các công cụ tương tác như NI Motion Assistant. Họ điều khiển chuyển động của NI có công suất cao nhất là NI 7350 Series với 8 trục điều khiển chuyển động bước hoặc servo, I/O, và nhiều đặc điểm mạnh mẽ khác. Do các thiết bị điều khiển chuyển động dạng plug-in này dựa trên PCI hoặc PXI, bạn có thể tích hợp chúng với nhiều loại module I/O đồng thời dễ dàng kết hợp chúng với phần cứng thêm vào để thu thập dữ liệu và xử lí hình ảnh. Để kết nối các thiết bị điều khiển chuyển động với các bộ truyền động và động cơ, NI cung cấp các lựa chọn kết nối cáp hoặc khối đầu nối. Hình 4. Các bộ điều khiển chuyển động tùy chỉnh sử dụng LabVIEW NI SoftMotion Module Các bộ điều khiển động tùy chỉnh Trong khi các bộ điều khiển chuyển động plug-in với DSPs thích hợp với nhiều ứng dụng, bạn cần bộ điều khiển chuyển động tùy chỉnh để điều khiển chuyển động chính xác với tốc độ update servo lên tới 200 kHz. Một số ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao bao gồm các máy móc xử lí lát mỏng trong ngành bán dẫn hay dây chuyền lắp ráp có khả năng tái cấu hình cho ngành ô tô. Công nghệ I/O (RIO) có khả năng tái cấu hình của NI được kết hợp với công nghệ NI SoftMotion tạo ra các công cụ phù hợp cho nhà chế tạo máy muốn điều khiển chuyển động tùy chỉnh có độ chính xác cao với độ linh hoạt của một FPGA. Bên cạnh các ứng dụng có độ chính xác cao, các nhà chế tạo máy và OEM có thể sử dụng LabVIEW NI SoftMotion Module để thực hiện điều khiển chuyển động phối hợp đa trục sử dụng môi trường phát triển đồ họa LabVIEW trên nhiều nền tảng. Đối với các ứng dụng đòi hỏi hệ thống bền vững và nhỏ gọn, bạn có thể sử dụng các bộ điều khiển tự động hóa khả trình (PAC) NI CompactRIO. Bằng cách kết hợp API khối chức năng cấp cao của LabVIEW NI SoftMotion và các giao diện lập trình truyền động NI C Series, bạn có thể nhanh chóng phát triển các ứng dụng chuyển động mạnh mẽ và kết nối hàng trăm động cơ bước cũng như động cơ servo với nhau.v . lại bộ điều khiển. Hình 2. Kiến trúc bộ điều khiển chuyển động Kiến trúc bộ điều khiển chuyển động Một bộ điều khiển chuyển động đóng vai trò như bộ não của hệ thống điều khiển chuyển động. 3. Các bộ điều khiển chuyển động plug-in DSP-Based Bộ điều khiển chuyển động plug-in DSP-Based NI cung cấp các bộ điều khiển chuyển động plug-in từ các bộ điều khiển công suất cao đáp ứng các. Module Các bộ điều khiển động tùy chỉnh Trong khi các bộ điều khiển chuyển động plug-in với DSPs thích hợp với nhiều ứng dụng, bạn cần bộ điều khiển chuyển động tùy chỉnh để điều khiển chuyển động