Thiết kế kit dsPIC33/PIC32 dùng trong nghiên cứu phát triển các hệ truyền động điện

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 VAÁN ÑEÀ TRAO ÑOÅI THIẾT KẾ KIT dsPIC33/PIC32 DÙNG TRONG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DESIGN OF A dsPIC33/PIC32 KIT FOR STUDY ELECTRICAL DRIVE SYSTEMS Nhữ Khải Hoàn1, Quách Đức Cường2 Ngày nhận bài: 30/10/2013; Ngày phản biện thông qua: 15/12/2014; Ngày duyệt đăng: 02/6/2014 TÓM TẮT dsPIC là một họ vi điều khiển số (Digital Signal Controller) 16-bit do hãng Microchip sản xuất. Sự khác biệt của dsPIC so với các vi điều khiển khác là dsPIC được tích hợp các công cụ xử lý tín hiệu số. Tuy mới ra đời (từ năm 2005) nhưng dsPIC đã nhanh chóng chiếm được thị phần lớn trong thị trường chip trên thế giới cũng như tại Việt Nam bởi chip dsPIC có tốc độ xử lý cao, trên phiến tích hợp các module chức năng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, đồng thời giá thành của dsPIC tương đối thấp. Những yếu tố đó cho phép thực hiện các dự án trên dsPIC rất hiệu quả. Trong nội dung bài báo này, chúng tôi trình bày về thiết kế một kit dsPIC đa năng phục vụ thí nghiệm thực hành vi điều khiển của học phần vi điều khiển trong chương trình đào tạo kỹ sư thuộc các chuyên ngành điện. ABSTRACT dsPIC is a 16-bit Digital Signal Controller which is produced by Microchip company. The dsPIC is integrated digital signal processing tool on chip. This is difference between dsPIC and other microcontroller families. Although it was produced in 2005 but now the dsPIC is one off the most popular chip on the World and in Vietnam. Because the dsPIC has high operate speed and many powerful features which are suitable for many different applications. Additionally, it is also low-cost. From the elements above, we can implement effective projects with dsPIC. In this paper we present the design of a general-purpose dsPIC control kit which is used to study PIC microcontroller courses for power engineering training programs. Từ khóa: dsPIC33FJ256MC710, vi điều khiển, Microchip I. MỞ ĐẦU và không đồng bộ), một pha AC, động cơ bước Kit phát triển dsPIC được thiết kế cho (step motor) và động cơ một chiều không chổi than dòng dsPIC điều khiển động cơ chuyên dụng - (BLDC motor). Ngoài ra cũng có thể thực hiện các dsPIC33FJ256MC710. Đây là dòng chip điều khiển nội dung đo lường và điều khiển khác như: thu thập động cơ mới nhất của Microchip. Khi thiết kế, chúng dữ liệu, giao tiếp với PC, MCU, PLC thông qua các tôi đã tham khảo một số kit dsPIC của Microchip, chuẩn giao tiếp CAN, RS232, RS485, I2C... MikroC, Olimex... đồng thời cũng đặt ra một số yêu Kit dsPIC được thiết kế dùng riêng cho chip cầu đối với thiết bị, ví dụ như: tính đa năng (sử dsPIC33FJ256MC710, nhưng board này vẫn có dụng để học tập thực hành, đồng thời cũng có thể thể dùng cho một số chip PIC32 (dòng chip 32 bit) sử dụng Kit dsPIC trong nghiên cứu phát triển các 100 chân ví dụ như chip PIC32MX460F512L. Sự ứng dụng thực tế). Kit dsPIC này được sử dụng để đa dạng này giúp sinh viên có thể thực hành nhiều thực thi các giải thuật điều khiển hiện đại cho hệ dòng chip của Microchip trên bản mạch. Có thể nói thống điều khiển, điều khiển các thiết bị điện tử công kit dsPIC này là một sản phẩm phù hợp với nhu cầu suất như biến tần, chỉnh lưu, băm áp trong các hệ thực hành về kỹ thuật đo lường và điều khiển sử truyền động điện DC, ba pha AC (động cơ đồng bộ dụng vi điều khiển số. 1 ThS. Nhữ Khải Hoàn, 2 TS. Quách Đức Cường: Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 223 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 II. NỘI DUNG 1. Cấu trúc của KIT dsPIC 1.1. Một số tính năng của bộ điều khiển số dsPIC33FJ256MC710 Theo catalog từ hãng Microchip, bộ vi điều khiển số dsPIC33FJ256MC710 có tính năng như trong bảng 1 [1]. Bảng 1. Đặc tính kỹ thuật của chip điều khiển số dsPIC33FJ256MC710 Parameter Name Value Architecture 16-bit CPU Speed 40 MIPS Program Memory 256 KB Flash RAM memory 30,720 Byte Internal Oscillator 7.37 MHz, 512 kHz Digital Communication Peripherals 2 I2C, 2 SPI, 2 CAN, 2 UART Analog Peripherals 2-A/D 24x12-bit CCP Peripherals 8/8 Motor Control PWM 8 channels/16-bit resolution QEI module 1 Parallel Port GPIO Timers 9 x 16-bit 4 x 32-bit DMA 8 Pin Count 100 Temperature Range -40 to 150 C Voltage supply 3.0 to 3.6 V Power Management Idle, Sleep and Doze mode 1.2. Cấu trúc của kit dsPIC RS485, CAN, I2C, SPI, INFRARED, ETHERNET, Hình 1 thể hiện sơ đồ tổng thể của kit dsPIC. WIRELESS, USB. Một số module thiết bị như DC Lõi chip trung tâm là dsPIC33FJ256MC710 hoặc motor drive, SVPWM inverter cho phép thực hành PIC32MX460F512L. Chip trung tâm này sẽ gửi áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại trong hệ dữ liệu hiển thị lên màn hình LCD thông qua chip điều khiển DC motor và kỹ thuật điều chế vector PIC16F877A, giao tiếp giữa dsPIC33FJ256MC710 của biến tần ba pha. Trên kít cũng có sẵn các bus và PIC16F877A được lựa chọn thực hiện theo một điều khiển động cơ và bus truyền dữ liệu mở rộng số chuẩn giao tiếp sau: I2C, SPI và RS232. Các cho phép đa dạng hóa các bài thực hành ứng dụng module giao tiếp của kit dsPIC bao gồm: RS232, cụ thể. Hình 1. Sơ đồ khối thiết bị trên kit dsPIC Hình 2. kit dsPIC 224 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 Điều đặc biệt đối với kit dsPIC là trên bản fi rmware của thiết bị nạp được cập nhật trên trang mạch có module biến tần ba pha. Với module biến web Microchip [2]. tần này sẽ cho phép sinh viên thực hiện, kiểm tra 1.3. Một số module ngoại vi và chỉnh sửa giải thuật điều chế vector trong biến 1.3.1. Module điều khiển động cơ DC tần SVPWM trước khi thực hiện trên hệ biến tần Module điều khiển động cơ DC sử dụng mạch công suất. Module biến tần được thiết kế với sáu cầu tích hợp L6203 chuyên dụng. Vi mạch L6203 Tranzitor C1815 và có chế độ chống ngắn mạch, có điện áp làm việc lên tới 52V, dòng điện 4A, tần chống xung áp ngược. số băm xung 100KHz. Bên trong L6203 tích hợp 4 Nạp chương trình cho chip thông qua kết MOSFET cho phép điều khiển 4 góc phần tư đặc nối ICSP hoặc JTAG. Đây là chuẩn nạp và gỡ lỗi tính tải của động cơ DC. Ngoài ra trên L6203 cũng chương trình onchip của Microchip. Hệ thống nạp có mạch đo lường dòng điện, tín hiệu dòng điện từ và gỡ lỗi này rất thuận lợi cho việc chỉnh sửa và L6203 sẽ qua bộ lọc thông thấp trước khi đưa vào phát triển dự án trên dsPIC. Chúng tôi sử dụng module ADC của dsPIC. Phần cứng mạch drive thiết bị PICKIT2 để nạp chương trình cho kit dsPIC, L6203 thể hiện trên hình 3. Hình 3. Module L6203 cho động cơ DC Hình 4. Module SVPWM trên kit dsPIC 1.3.2. Module SVPWM POP2032 kết hợp với vi điều khiển PIC16F688 tạo Module SVPWM được bố trí nằm trên góc trái thành một thiết bị có hai chức năng. của kit dsPIC (hình 4). Chúng ta có thể thực hành Chức năng thứ nhất: Module Wireless đóng vai lập trình các giải thuật điều chế vector cho biến tần trò của Wireless Sensor Node, nó thu thập tín hiệu ba pha thông qua module này. vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, điện áp... và truyền 1.3.3. Module Wireless về trạm trung tâm. Module Wireless sử dụng thiết bị thu phát Chức năng thứ hai: Module Wireless đóng vai wireless POP2032 (hình 5), ở tốc độ thu phát 9600 trò thiết bị trung gian để PC và MCU thực hiện thu baud khoảng cách thu phát có thể đạt tới 500m. phát wireless. Hình 5. Wireless module TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 225 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 Hai chức năng này được thể hiện thông qua sơ đồ ghép nối giao tiếp wireless trên hình 6 và hình 7. Hình 6. Sơ đồ ghép nối thu thập dữ liệu Hình 7. Giao tiếp wireless giữa hai MCU thông qua wireless 2. Trình biên dịch phần cứng của hệ nhúng dsPIC. Điều này rõ Ngôn ngữ lập trình cho dsPIC có hai loại cơ bản ràng vừa có ưu điểm và cũng có nhược điểm của là ngôn ngữ ASM và ngôn ngữ C. Lập trình trên ASM MikroC/CCS. Ưu điểm là phát triển hệ thống dễ cho phép tạo ra mã gọn nhẹ, tốc độ thực thi nhanh. dàng, nhược điểm là người lập trình hoàn toàn phụ Tuy nhiên, nhược điểm của ngôn ngữ ASM là trình thuộc vào hệ thống fi rmware do hãng cung cấp qua bày phức tạp, khó khăn cho việc thực hiện các giải đó làm cho người lập trình “ngần ngại” trong việc tìm thuật tính toán đối với người lập trình không chuyên. hiểu tổ chức phần cứng hệ nhúng. Đối với sinh viên, Trong khi đó ngôn ngữ C với cấu trúc rõ ràng, khả những người đang trong quá trình học tập và nghiên năng module hóa cao, thực hiện thuật toán một cách cứu, điều này hết sức nên tránh. trực quan sáng sủa đã thực sự trở thành một ngôn Ngoài hai ngôn ngữ căn bản ASM và C như đã ngữ lý tưởng cho lập trình hệ nhúng. Hiện nay trình nói ở trên, lập trình tạo mã cho dsPIC còn có thể biên dịch sử dụng ngôn ngữ C cho dsPIC được nhiều thực hiện theo dạng sơ đồ khối chức năng thông hãng cung cấp, như MikroC của MikroElectronika, qua thư viện Embedded Target for Microchip dsPIC MPLAB C30 của Microchip, CCS của CCS Inc [3] của MATLAB & SIMULINK. Cũng giống như các thư Mỗi một trình biên dịch đều có ưu điểm, nhược viện Target for C6000/C2000, Target for Infi neon điểm riêng, ví dụ các trình biên dịch MikroC và CCS C166 trong MATLAB, thư viện Embedded Target cung cấp hệ thống fi rmware đồ sộ, kết quả là đối với for Microchip dsPIC cung cấp các sơ đồ khối chức những người lập trình không chuyên việc phát triển năng trên chip như ADC, PWM, UART cho phép dự án dsPIC hết sức đơn giản. Bởi thông qua hệ người lập trình sử dụng sơ đồ khối SIMULINK thống fi rmware đó MikroC/CCS đã che hết toàn bộ để thực hiện các nội dung lập trình cho dsPIC. 226 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 Trong thực tế, công việc lập trình cho dsPIC thông 3.2. Điều khiển tốc độ, góc quay động cơ DC bằng qua thư viện SIMULINK của MATLAB chỉ phù hợp giải thuật điều khiển mờ thích nghi trực tiếp cho việc kiểm nghiệm giải thuật điều khiển. Khi thiết Trong phần này chúng tôi sẽ giới thiệu một kế một dự án - ứng dụng hoàn chỉnh, đa phần người vài kết quả điều khiển hệ DC motor sử dụng kit lập trình vẫn phải viết mã chương trình trong ASM dsPIC. Động cơ sử dụng trong thí nghiệm là loại hoặc C. D06D03 của Hitachi có thông số của động cơ ghi Trong những trình biên dịch kể trên, MPLAB trong bảng 2. C30 là trình biên dịch do chính hãng Microchip cung Bảng 2. Thông số của DC motor cấp. Với trình biên dịch MPLAB C30, người lập trình sẽ nắm vững được tổ chức phần cứng và phần Thông số định mức Giá trị mềm trên hệ nhúng dsPIC từ đó có thể phát triển Điện áp 30V những fi rmware riêng cho dự án của mình hoặc sử dụng những fi rmware do chính hãng cung cấp. Do Dòng điện 2A đó chúng tôi lựa chọn MPLAB C30 làm trình biên Công suất 53W dịch phát triển hệ thống nhúng dsPIC. Tốc độ 3100 rpm 3. Một số kết quả thực hành thu thập dữ liệu và điều khiển trên kit dsPIC Sử dụng giải thuật điều khiển mờ thích 3.1. Thực hiện giải thuật điều chế vector cho biến nghi trực tiếp để điều khiển tốc độ và góc quay tần 3 pha của động cơ. Sơ đồ điều khiển như trên hình 9. Điều chế vector cho biến tần ba pha thực hiện dsPIC33FJ256MC710 hoạt động ở tần số 40 MHz ở tần số băm xung 3KHz, tần số điện áp ba pha là Tần số lấy mẫu dữ liệu là 400 Hz, bộ PWM hoạt 10Hz. Giản đồ điện áp ba pha quan sát từ máy hiện động ở tần số băm xung của PWM 9,775 KHz, độ sóng thể hiện trên hình 8. phân giải của PWM là 12-bit. Thông số của encoder là 2000 pps. Hình 9. Sơ đồ điều khiển động cơ DC sử dụng kit dsPIC Trường hợp điều khiển tốc độ: Hình 10 thể hiện đáp ứng tốc độ của động cơ DC bám theo hàm step mẫu. Trường hợp điều khiển góc quay: Đáp ứng vị trí Hình 8. Điện áp pha của biến tần SVPWM bám theo một tín hiệu analog thể hiện trên hình 11. Hình 10. Đáp ứng tốc độ của động cơ DC Hình 11. Đáp ứng vị trí của động cơ DC TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 227 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 3.3. Thu thập dữ liệu thông qua Wireless module IV. KẾT LUẬN Thực hành truyền tin wireless với tốc độ truyền Bài báo này chúng tôi đã đưa ra để trao đổi vấn tin và khoảng cách truyền xa nhất mà wireless đề nghiên cứu và phát triển một kit vi xử lý 16-bit module có thể thực hiện được ghi trong bảng 3. Các dsPIC dùng trong nghiên cứu - thực hành phát triển giá trị này được thí nghiệm dưới điều kiện không các hệ truyền động điện DC và AC. Kết quả nghiên gian truyền tin không bị cản trở bởi các chướng ngại cứu trên kit bước đầu thực hiện một số ví dụ như: vật như tòa nhà, dãy núi điều chế vector cho biến tần ba pha, hệ thống điều Bảng 3. Tốc độ truyền và khoảng cách khiển tốc độ và vị trí động cơ DC với giải thuật điều thu - phát của Wireless module khiển mờ thích nghi trực tiếp, giao tiếp truyền dữ Khoảng cách xa nhất có thể Tốc độ truyền liệu thông qua wireless module cho thấy kit dsPIC thu - phát dữ liệu hoạt động chính xác và ổn định. 1200 baud 1100m Trong tương lai, chúng tôi sẽ nghiên cứu phát 2400 baud 900m triển hệ điều khiển vector cho động cơ điện AC với 9600 baud 650m board điều khiển trung tâm là kit dsPIC. Những kết 19200 baud 320m quả nghiên cứu đó, chúng tôi sẽ trình bày trong 38400 baud 270m những nội dung báo cáo sau. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Microchip, 2011. 16-bit language tools getting started. 2. Microchip, 2011. MPLAB C Complier for PIC24 MCUs and dsPIC DSCs User’s Guide. 228 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG