Tài liệu Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền fpga

Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ MIỀN ĐÔNG  KHOA KỸ THUẬT NĂM HỌC 2014 Đề tài : XÂY DỰNG MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC TRÊN NỀN FPGA Nhóm thực hiện gồm các thành viên: 1. Huỳnh Trường Thịnh 1131100033 2. Nguyển Đức Chung 1131110001 GVHD: Thầy Lê Minh Trí 1 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ rất nhanh, cùng với tin học ứng dụng đã không ngừng thúc đẩy và vươn lên những đỉnh cao mới, trong đó phải kể đến các thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất. Trong các nhà máy, xí nghiệp yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao, yêu cầu về số lượng của sản phẩm ngày càng lớn hơn. Ứng dụng Robot đã trở nên rất phổ biến trong các dây chuyền sản xuất, thế nên để có một nền công nghiệp hiện đại theo kịp với sự phát triển của thế giới. Tuy nhiên, yêu cầu về sức lao động từ công nhân cần phải giảm xuống tối thiểu. Chính vì thế việc tìm hiểu, nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các module điều khiển động cơ đặc biệt là động cơ bước trong công nghiệp cần được đặt lên hàng đầu và đặt biệt quan tâm. Vấn đề này đòi hỏi các kỹ sư, những nhà nghiên cứu không ngừng lại ở đó, nhiều thiết bị, phần mềm ra đời chuyên phục vụ cho ngành công nghiệp, tính năng ưu việt luôn được nâng cao. Một trong những công nghệ hiện đại đó là FPGA (Field Programable Gate Arrays). Với khả năng ứng dụng và nhiều ưu điểm nổi bật, ngôn ngữ VHDL ngày càng thâm nhập sâu và rộng trong nền sản xuất trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Nhận thức được tầm quan trọng đó, nên chúng ta cần áp dụng thực tế dựa trên những kiến thức đã học để tạo nên những module điều khiển, nhằm góp phần vào chủ trương Công nghiệp hóa-Hiện đại hóa đất nước. Chính vì những lý do trên, nhóm chúng em đã chọn đề tài là "XÂY DỰNG MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC TRÊN NỀN FPGA". Nội dung tập báo cáo này bao gồm 3 phần chính : - Phần 1: TỔNG QUAN - Phần 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - Phần 3: KẾT LUẬN Vì là một đề tài rộng và vốn kiến thức, thời gian thực hiện có hạn, cho nên những kết quả, những nhận định của nhóm em dù rất cố gắng khi thực hiện nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em thành thật mong các thầy cô giảng viên trong bộ môn chỉ bảo thêm để đề tài này hoàn thiện hơn, ý nghĩa hơn. Nhóm sinh viên thực hiện HUỲNH TRƯỜNG THỊNH NGUYỄN ĐỨC CHUNG GVHD: Thầy Lê Minh Trí 2 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA LỜI CẢM ƠN Đề tài được hoàn thành với sự hỗ trợ và động viên rất nhiều từ gia đình, người thân, thầy cô cũng như bạn bè thân thuộc. Đó là những tình cảm thật đáng trân trọng không thể nào đền đáp hết, và điều đặc biệt giúp chúng em luôn cảm thấy hào hứng và phấn khởi biết bao khi thấy mọi người luôn bên cạnh mình dù trong những hoàn cảnh khó khăn nhất,chán nản nhất. Dù bất kỳ nơi đâu, chúng em sẽ vẫn nhớ mãi và ghi sâu những tình cảm cao của mà mọi người. Cảm ơn ba mẹ đã luôn cùng chúng con đi suốt những tháng ngày khó khăn. Đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Minh Trí đã tạo điều kiện thuận lợi nhất và nhiệt tình hướng dẫn chúng em cách học tập cũng như thực hiện và thi công thực tế để hoàn thành tốt đề tài Đồ Án C này. Chân thành cảm ơn những người bạn tốt vẫn luôn đồng hành cùng nhóm chúng mình trong những lúc khó khăn, nan giải nhất. Cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông luôn cảm thông và tạo điều kiện tốt nhất có thể cho nhóm chúng em trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện Đồ Án. Sau thời gian dài thưc hiện đồ án, cuối cùng nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cùng với sự nỗ lực tìm tòi thực hiện công việc một cách hết sức mình của bản thân thì đồ án cũng đã hoàn thành, tuy đã cố gắn hết mức nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót, cho nên chúng em rất mong tiếp tục nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy cô. Chúng em cũng xin hứa là sẽ tiếp tục tìm tòi,nghiên cứu và phát triển đồ án này để có thể đem vào ứng dụng thực tiễn trong một ngày không xa. Cuối cùng xin chúc gia đình, thầy cô, người thân cùng những bạn đồng hành nhiều sức khỏe và thành công nhất trong mọi công việc. CHÂN THÀNH CẢM ƠN! GVHD: Thầy Lê Minh Trí 3 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA PHẦN 1: TỔNG QUAN I. Giới Thiệu Sơ Lược Về Đề Tài ......................................................................................... 9 II. Mục Tiêu Của Đề Tài và Phương Pháp Nghiên Cứu Của Nhóm ..................................... 9 III. Ứng dụng .......................................................................................................................... 10 Phần II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN I. Giới thiệu các loại động cơ bước ............................................................... 13 II. Giới thiệu ngôn ngữ VHDL và FPGA ....................................................... 19 III. Giới thiệu Kit DE2-115 .............................................................................. 21 IV. Giới thiệu các module điều khiển .............................................................. 25 V. Máy trạng thái và nguyên lý hoạt động .................................................... 28 VI. So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor và servo motor ........................ 40 PHẦN 3: Hạn chế : KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 42 Phương hướng phát triển tiếp theo ......................................................................................... 42 GVHD: Thầy Lê Minh Trí 4 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Danh mục ảnh Hình 1.1 Máy CNC sử dụng động cơ bước Hình 1.2 Các ứng dụng thực tế của động cơ bước (bàn vị trí, máy cắt) Hình 2.1 Module điều khiển động cơ bước Hình 2.2 Cấu tạo động cơ bước Hình 2.3 Cấu tạo động cơ biến từ trở Hình 2.4 Động cơ bước 1 pha Hình 2.5 Động cơ bước 2 pha Hình 2.6 Động cơ bước 5 pha Hình 2.7 Sơ đồ khối của FPGA Hình 2.8 Kit DE2-115 Hình 2.9 Module GPIO Hình 2.10 Module led Hình 2.11 Module Switch Hình 2.12 Module LCD Hình 2.13 Sơ đồ khối của module điều khiển động cơ bước Hình 2.14 Sơ đồ mạch nguồn 12V-5VDC 3A Hình 2.15 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1 pha Hình 2.16 Mạch đệm dòng sử dụng SN74HC245 Hinh 2.17 Mạch driver động cơ bước 5 pha sử dụng L298N Hình 2.18 Trạng thái Fullstep,Halfstep & Microstep Hình 2.19 Bảng trạng thái Fullstep & Halfstep Hình 2.20 Module xung Clock 1Hz Hình 2.21 Module Fullstep Hình 2.22 Module Halfstep Hình 2.23 Module tổng hợp điều khiển động cơ bước 1 pha Hình 2.24 Máy trạng thái module điều khiển Hình 2.25 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 5 pha Hình 2.26 Bảng trạng thái Fullstep của động cơ bước 5 pha Hình 2.27 Bảng trạng thái Halfstep của động cơ bước 5 pha Hình 2.28 Sơ đồ nối dây của động cơ bước 5 pha Hình 2.29 Máy trạng thái FullStep động cơ 5 pha Hình 2.30 Máy trạng thái Halfstep động cơ bước 5 pha Hình 2.31 Máy trạng thái Microstep động cơ bước 5 pha GVHD: Thầy Lê Minh Trí 5 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Tài Liệu Tham Khảo [1] Copyright © 2010 Terasic Technologies - DE2_115_User_Manual. [2] Douglas W.Jones- Control of Stepping Motors - 1998 - The University of Iowa Department of Computer Science. [3] http://www.altera.com/education/univ/materials/boards/de2-115/unv-de2-115board.html [4] http://www.vhdlcodes.com/2010/08/vhdl-code-for-clock-divider.html [5] http://www.orientalmotor.com/technology/articles/article-new-pentagon-bipolardriver.html GVHD: Thầy Lê Minh Trí 6 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... GVHD: Thầy Lê Minh Trí 7 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... GVHD: Thầy Lê Minh Trí 8 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA PHẦN 1: TỔNG QUAN I/GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ĐỀ TÀI ĐỀ TÀI Công nghệ kĩ thuật ngày càng phát triển, tốc độ hiện đại và tự động hóa trong công nghiệp ngày càng tăng điều đó đặt ra những yêu cầu ngày càng cao về các hệ thống điều khiển tự động, chính xác với mục đích nâng cao năng suất sản xuất đồng thời tiết kiệm được các chi phí phụ cho nhà sản xuất. Một trong những hệ thống thiết bị như thế là máy CNC trong công nghiệp, hay các loại máy xác định vị trí. Từ nhu cầu và thực tế như trên nhóm chúng em đã chọn đề tài Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA. Đây là một mô hình thu nhỏ nhưng có những mối liên hệ sâu sắc với những cơ cấu nêu trên, với mô hình này ta có thể dễ dàng thấy thực tế được cơ cấu hoạt động và vận hành của các quá trình cắt gọt trong máy CNC. II/MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA NHÓM Đồ án Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA là một đề tài thực tế mà hiện nay đang phát triển mạnh mẽ, đa dạng và sinh động, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt trong các nhà máy sản xuất nhằm giảm bớt sức lao động đồng thời nâng chất lượng cũng như số lượng của sản phẩm. Từ đó nhóm chúng em đã đặt ra mục tiêu cho đồ án là có thể ứng dụng mô hình trong nhiều lĩnh vực với giá thành, độ tiện lợi, năng suất hoạt động và mức độ linh hoạt đơn giản khi vận hành đều nằm ở mức tối ưu. Điều đặc biệt, nhóm đã thi công thực tế để tạo nên một khối module điều khiển tốc dộ động cơ bước 1 phase( Unipolar stepper motor) và động cơ bước 5 pha( Pentagon stepper motor), hiển thị trực tiếp trên LCD và bao gồm các chế độ như : Fullstep, HalfStep và Microstep. Qua đó có thể xác định cụ thể số bước trên một vòng quay cho các chế độ đã điều khiển. Tổng hợp các kiến thức liên quan đến đề tài bao gồm các môn Điện tử công suất, Kỹ thuật số nâng cao, Mạch điện tử 2 để thực hiện các mục tiêu như sau :        Tạo nên module điều khiển 5 cấp tốc độ động cơ bước 1 pha và 5 pha . Sử dụng các moodule có sẵn trên kit DE2-115 để điều khiển động cơ. Lập trình FPGA sử dụng ngôn ngữ VHDL. Sử dụng VHDL để tạo xung PWM điều khiển tốc độ động cơ bước 1 pha. Điều khiển đối tượng động cơ bước qua nhiều chế độ hoạt động của động cơ. Lập trình LCD bằng VHDL. Hình thức giao tiếp chủ yếu là công tắc,đèn Led và LCD. GVHD: Thầy Lê Minh Trí 9 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA III/ỨNG DỤNG Hình 1.1 Máy CNC sử dụng động cơ bước Hiện nay ngôn ngữ VHDL trên nền FPGA đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, có chức năng tạo ra các module điều khiển động cơ bước thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Đi sâu vào vấn đề hơn, ứng dụng của động cơ bước trên nền FPGA cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước hiện nay trong thực tế được ứng dụng rất nhiều : Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay... Hình 1.2 Các ứng dụng thực tế của động cơ bước (bàn vị trí, máy cắt...) Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in... GVHD: Thầy Lê Minh Trí 10 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Lợi thế của động cơ bước 1.Góc quay của động cơ bước tỷ lệ thuận với số xung vào. 2.Động cơ bước có lực momen toàn phần tại trạng thái dừng (nếu cuộn dây được cung cấp năng lượng) 3.Độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình điều khiển, sai số nhỏ (3 đến 5%) và không cộng dồn cho bước di chuyển tiếp theo. 4.Có đáp ứng tốt khi ra lệnh bắt đầu, dừng lại hoặc chuyển hướng. 5.Rất tin cậy so với động cơ cổ góp do không có phần cổ góp. Do đó độ bền của động cơ bước chỉ phụ thuộc vào độ bền của vòng bi. 6.Động cơ bước chỉ phụ thuộc vào xung số điều khiển trong vòng điều khiển hở, giúp cho quá trình điều khiển rẻ và đơn giản hơn. 7.Nó có thể đạt được vòng quay rất thấp, tốc độ đồng bộ với tải trực tiếp cùng với trục. 8.Động cơ bước đáp ứng trong một giải rộng tốc độ tương ứng với tỷ lệ tần số xung ngõ vào. Chế độ hoạt động của động cơ bước Ngôn ngữ điều khiển Các ưu điểm của VHDL - Chương trình trong VHDL có thể được viết theo nhiều cấu trúc khác nhau: Ngẫu nhiên, tuần tự, nối chân, định thời chỉ rõ, ngôn ngữ sinh dạng sóng. - VHDL là một ngôn ngữ phân cấp, hệ thống số có thể được mô phỏng như một kết nối các khối mà các khối này được thực hiện bởi các khối con khác nhỏ hơn. - Cung cấp một cách mềm dẻo các phương thức thiết kế trên xuống, dưới lên, hoặc tổ hợp cả hai. - Cung cấp cả hai mode đồng bộ và không đồng bộ. - Linh hoạt trong kĩ thuật mô phỏng số như sử dụng biểu đồ trạng thái, thuật toán, các hàm Boolean. - Có tính đại chúng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE. VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống. - VHDL cung cấp 3 kiểu mẫu viết khác nhau: structural, dataflow và behavioral. - Không giới hạn về độ lớn của thiết kế khi sử dụng ngôn ngữ. - VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế . - Khả năng định nghĩa kiểu dữ liệu mới cung cấp một công cụ hữu hiệu cho thiết kế và mô phỏng công nghệ mới với một mức rất cao. GVHD: Thầy Lê Minh Trí 11 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Tổng kết đạt được Thiết kế và thi công được mạch điểu khiển động cơ bước 1 pha và 5 pha Điều khiển được 3 chế độ hoạt động của động cơ 1 pha là : full step, half step, micro step Mở rộng thêm chế độ cosine step cho động cơ bước Điều khiển tần số hoạt động của động cơ bước 1 pha Sử dụng VHDL để hiển thị LCD 16x2 Điều khiển 3 chế độ full half micro của động cơ 5 pha sử dụng được kit DE2-115 Thiếu sót ứng dụng của đồ án là thiết kế thi công .... Thông qua những lợi thế trên, ta thấy sự kế hợp giữa động cơ bước và FPGA mang lại rất nhiều sự tối ưu so với khi sử dụng lập trình PLC hay vi xử lý, đặc biệt FPGA có lợi thế hơn về phần cứng, ta có th63 tạo ra những module với những công dụng khác nhau bằng một ngôn ngữ VHDL duy nhất, năng cao tính đồng bộ hóa. Trong khi đó, khi sử dụng PLC hay vi sử lý ta cần lập trình rất dài và nhiều phần để thay thế những module phần cứng như ở FPGA, đó là lý do tại sao khi sử dụng vyi xử lý,độ chính xác khi hoạt động của động cơ bước không còn cao nữa. Đó là những lý do nhóm em đã chọn lập trình VHDL cho động cơ bước 1 pha và 5 pha. *Hướng phát triển tương lai - Thiết kế ứng dụng của module điều khiển tạo sản phẩm GVHD: Thầy Lê Minh Trí 12 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Phần II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hệ thống điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong một hệ thống điều khiển tự động, nó quyết định đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Để thiết kế được một hệ thống điều khiển ổn định, linh hoạt và thực hiện đúng những yêu cầu mong muốn thì nó đòi hỏi người thực hiện phải có những kiến thức cần thiết về lý thuyết điều khiển, mạch điện tử và lập trình máy tính. Hình 2.1 Module điều khiển động cơ bước I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 1. Tổng quan về động cơ bước Hình 2.2 Cấu tạo động cơ bước Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyện mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cữu hoặc trong trường hợp động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất các các mạch đảo phải được điều khiển từ bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển đực thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyện động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với bộ điều GVHD: Thầy Lê Minh Trí 13 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA khiển tương thích, động cơ bước có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ. Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực. Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước. Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ. 2. Động cơ biến từ trở Hình 2.3 Cấu tạo động cơ biến từ trở Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 2.3, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở. Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục. Dấu thập trong hình 2.3 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước. Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2. GVHD: Thầy Lê Minh Trí 14 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: Cuộn 1 1001001001001001001001001 Cuộn 2 0100100100100100100100100 Cuộn 3 0010010010010010010010010 thời gian ‐‐> Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần các mạch điều khiển bàn về việc đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế. Hình dạng động cơ được mô tả trong hình, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ. 3. Động cơ đơn cực Hình 2.4 Động cơ bước 1 pha Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.4, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây, khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự. Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen kẽ trên vòng tròn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn. Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ. Như trong hình, dòng điện đi GVHD: Thầy Lê Minh Trí 15 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy. Mấu 1a Mấu 1b Mấu 2a Mấu 2b 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian ‐‐> thời gian ‐‐> Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau: Mấu 1a Mấu 1b Mấu 2a Mấu 2b 11000001110000011100000111 00011100000111000001110000 01110000011100000111000001 00000111000001110000011100 Thời gian ‐‐> 4.Động cơ hai cực Hình 2.5 Động cơ bước 2 pha Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh hoạ ở hình 2.5 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở hình 2.5. Mạch điều khiển cho GVHD: Thầy Lê Minh Trí 16 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu; điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển. Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và ‐ để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ: Đầu 1a Đầu 1b Đầu 2a Đầu 2b +‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐ ‐‐+‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐+‐ ‐+‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐+‐‐ ‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐+‐‐‐+ ++‐‐++‐‐++‐‐++‐‐ ‐‐++‐‐++‐‐++‐‐++ ‐++‐‐++‐‐++‐‐++‐ +‐‐++‐‐++‐‐++‐‐+ thời gian ‐‐> Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau. Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên: Enable 1 Hướng 1 Enable 2 Hướng 2 1010101010101010 1x0x1x0x1x0x1x0x 0101010101010101 x1x0x1x0x1x0x1x0 1111111111111111 1100110011001100 1111111111111111 0110011001100110 thời gian ‐‐> Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp. 5.Động cơ nhiều pha Hình 2.6 Động cơ bước 5 pha GVHD: Thầy Lê Minh Trí 17 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 2.6. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: Đầu 1 Đầu 2 Đầu 3 Đầu 4 Đầu 5 +++‐‐‐‐‐+++++‐‐‐‐‐++ ‐‐+++++‐‐‐‐‐+++++‐‐‐ +‐‐‐‐‐+++++‐‐‐‐‐++++ +++++‐‐‐‐‐+++++‐‐‐‐‐ ‐‐‐‐+++++‐‐‐‐‐+++++‐ thời gian ‐‐> Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 2.6, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng. Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R. Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng. GVHD: Thầy Lê Minh Trí 18 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA II. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ VHDL VÀ CÔNG NGHỆ FPGA 1. Ngôn ngữ VHDL Hình 2.7 Sơ đồ khối của FPGA VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng (hardware description language), mô tả hành vi của mạch điện hoặc hệ thống, từ đó mạch điện vật lý hoặc hệ thống có thể thực thi. VHDL là loại ngôn ngữ viết tắt từ VHSIC( Very High Speed Intergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ. VHDL được phát triển để giải quyết để giải quyết các khó khăn trong việc phát triển,, thay đổi và lập tài liệu cho hệ thống số. VHDL là một ngôn ngử độc lập không gắn với bất kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào. Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương phá thiết kế trong khi chỉ sử dụng một ngôn ngữ duy nhất. Và khi đem so sánh với các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng khác ta thấy VHDL có một số ưu điểm hơn hẳn là: - Thứ nhất là tính công cộng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay một tiêu chuẩn của IEEE. VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết bị mô phỏng. - Thứ hai là khả năng được hỗ trợ bởi nhiều công nghệ và nhiều phương pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp ví dụ thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào thư viện có sẵn. VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như như sữ dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên. - Thứ ba là tính độc lập công nghệ: VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tùy thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đả thiết kế. GVHD: Thầy Lê Minh Trí 19 Lớp: 11ACE3101 Đề Tài : Xây dựng module điều khiển động cơ bước trên nền FPGA - Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số đến mức cổng. VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức. Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết. - Thứ năm là khả năng trao đổi kết quả: Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL. Các kết quả mô tả hệ thống co1 thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuna6 thủ tiêu chuẩn VHDL. Cũng như một nhóm thiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của hệ thống con trong một hệ thống lớn (trong đó các hệ con đó được thiết kế độc lập). - Thứ sáu là khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế: VHDL được phát triển như một ngôn ngử lập trình bậc cao, vì vậy nó có thể được sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiều người. Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẽ thiết kế. Và nó cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn. 2. FPGA FPGA(Field Programable Gate Arrays) là một thiết bị bán dẫn bao gồm khối logic lập trình được gọi là "Logic Block", và các kết nối khả trình. Các khối logic có thể được lập trình để thực hiện các chức năng của các khối logic cơ bản như AND, XOR, hoặc các chức năng kết hợp phức tạp như decoder hoặc các phép tính toán học. Trong hầu hết các kiến trúc FPGA, các khối logic cũng bao gồm cả các phần tử nhớ. Đó là các Flip-flop hoặc những bộ nhớ hoàn chỉnh hơn. Các kết nối khả trình cho phép các khối logic có thể kết nối với nhau thepo thiết kế của người xây dựng hệ thống, giống như một bảng mạch khả trình. Một số kiến trúc FPGA hiện nay còn có thể cho phép cấu hình lại từng phần (partial re-configuration). Có nghĩa là cho phép một phần thiết kế được cấu hình lại trong khi những thiết kế khác vẫn tiếp tục hoạt động. Một ưu điểm khác của FPGA là người thiết kế có thể tích hợp vào đó các bộ sử lý mềm(soft processor) hay vi xử lý tích hợp (embedded processor). Các vi xử lý này có thể được thiết kế như các khối logic thông thường, ma mã nguồn do các hãng cung cấp, thực thi các lệnh theo chương trình được nạp riêng biệt, và có các ngoại vi được thiết kế linh động(khối giao tiếp UART, ra vào chức năng GPIO, thernet...). Các vi xử lý này cũng có thể lập trình lại (ra-configurable computing) ngay trong khi đang chạy. FPGA được ứng dụng điển hình trong các lĩnh vực như: xử lý tín hiện số, xử lý ảnh, thĩ giác máy, nhận dạng giọng nói, mã hóa, mô phỏng(emulation)... FPGA đặc biệt GVHD: Thầy Lê Minh Trí 20 Lớp: 11ACE3101