Gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet tabanlı darbe üreteci
0 Önsöz
Darbe jeneratörü, güç elektroniği, endüstriyel kontrol, robotik ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan bir tür ekipmandır. Darbe üreteçleri genellikle analog devreler, mikroişlemciler vb. İle tasarlanır. Literatür, işlemsel amplifikatörler ve transistörler gibi ayrık analog cihazlara dayanan bir PWM izolasyon karartma devresi ve LED karartma sürücü güç kaynağı tasarlamıştır.Yazında, HCS12 tek yongalı mikrobilgisayar tabanlı gelişmiş bir zamanlama önerilmektedir. Çoklanmış I / O çıkış frekansı ve görev döngüsü kontrol edilebilir PWM sinyalinin geliştirme planı, donanım sınırlamaları nedeniyle yetersiz PWM çıkış kanalları sorununu çözer. Literatür, esnek kontrol stratejisi yapılandırmasını gerçekleştiren gömülü SoC'ye dayalı genel bir ölü bölge yapılandırılabilir PWM sinyal üreteci tasarlar. Ayrık analog cihazlarla oluşturulan devreler, birçok bileşeni, karmaşık devresi ve zor hata ayıklaması olan PWM sinyalleri üretir. Bir mikroişlemci veya SoC, vb. PWM sinyalleri üretir.Daha az sinyal kanalı olduğunda, mikroişlemci gereksinimleri karşılayabilir.PWM sinyalleri, işlemci talimatlarının sıralı yürütülmesi nedeniyle 4 kanaldan fazla olduğunda, PWM sinyal dalga biçimine neden olacak büyük bir gecikme olacaktır. Kararsız. Bu nedenle, FPGA, PWM sinyal oluşturucuyu tasarlamak için kullanılabilir.FpGA komutları paralel olarak yürütülür ve sinyal kanallarının artışı, yüksek hassasiyetli kontrol sağlamak için darbe sinyalinin hızını ve kararlılığını etkilemez.FpGA tasarımının literatürü ve kullanımı aynı anda çıktı verebilir. Birden çok PWM sinyaline sahip cihazlar farklı durumlarda kullanılır. Yukarıda bahsedilen darbe sinyali üreteçleri yalnızca bağımsız olarak çalıştırılabilir ve esnek ve hızlı konfigürasyonu gerçekleştirmek için veri yolu ağı üzerinden saha kontrol sistemine bağlanamaz Bu nedenle, literatür CAN tabanlı bir darbe sinyali çıkış yöntemi ve cihazı tasarlar ve PWM çıkışını CAN mesajları aracılığıyla günceller. Frekans ve görev döngüsü, ancak CAN veri yolu iletişim hızı nispeten yavaştır ve yüksek hız kontrolünün gerekli olduğu durumlarda uygulanması zordur.
Endüstri 4.0 ve akıllı üretimin ilerlemesi ve gelişmesiyle birlikte, ağa bağlı, akıllı ve dijital endüstriyel İnternet sistemleri yavaş yavaş yaygın olarak kullanılmaya başlandı ve temel kontrol ekipmanı için yeni uygulama gereksinimleri öne sürüldü. Geleneksel tek makineli darbe üreteçleri veya veri yolu tabanlı darbe üreteçleri, Endüstriyel İnternetin yüksek hızlı iletişim ve hızlı yanıt gereksinimlerini karşılayamaz. Bu soruna yanıt olarak, bu makale yüksek hızlı gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet tabanlı darbe sinyali üreteci tasarlar ve cihazı uygulamak için EtherCAT kullanır Yüksek hızlı veri alışverişi ve kararlı kontrol gerçekleştirmek için harici kontrol sistemi ile iletişim.
Puls üreteci, endüstriyel kontrol saha yan ekipmanı için puls kontrol sinyali sağlamak için kullanılır ve yapı şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. Endüstriyel kontrol ekipmanının yüksek gerçek zamanlı gereksinimleri nedeniyle, bu makale iletişim için gerçek zamanlı Ethernet EtherCAT'i seçmektedir. EtherCAT, Ethernet tabanlı açık mimarili bir alan veriyolu sistemidir.Güçlü gerçek zamanlı performans, esnek topoloji, yüksek senkronizasyon doğruluğu ve kablo yedekliliği vardır. , Fonksiyonel güvenlik protokolü fonksiyonları gibi özelliklerle. Darbe üreteci, bir mikroişlemci minimum sistemi, EtherCAT iletişim denetleyicisi, EtherCAT iletişim arayüzü, optokuplör (bundan sonra optokuplör olarak anılacaktır), katı hal güç rölesi ve alan sinyali arayüzü içerir. Bunların arasında, EtherCAT iletişim denetleyicisi, EtherCAT iletişim arayüzü aracılığıyla talimat sinyalini alır ve bir analiz sinyali oluşturmak için talimat sinyalini analiz eder; mikroişlemci, analiz sinyaline göre darbe sinyalinin çıkış modunu yapılandırır ve ilgili modda darbe sinyalini çıkarır. Bağlantı elektriksel olarak izole edildikten sonra, katı hal güç rölesine verilir; katı hal güç rölesi, darbe sinyalinin yük kapasitesini iyileştirmek için kullanılır ve çıkış darbe sinyali, alan sinyali arayüzü aracılığıyla saha tarafındaki ekipmana gönderilir.
Puls üreteci, EtherCAT iletişim denetleyicisi aracılığıyla ana bilgisayarla iletişim kurmak için EtherCAT veriyolunu kullanır.EtherCAT iletişim denetleyicisi, EtherCAT iletişiminin ortam erişim denetimi işlevini gerçekleştirmek için kullanılır, EtherCAT veri çerçevelerini işlemekten sorumludur ve EtherCAT ana ve bağımlı uygulamaları arasındaki veri alışverişini gerçekleştirir. Mikroişlemci, lojik hesaplama ve darbe çıkış kartının koordineli kontrol işlevlerini gerçekleştirmek için kullanılır.
Puls üretecinin EtherCAT iletişim denetleyicisi ve iletişim arayüzü iki yol içerir: MII arayüzü ve EBUS arayüzü. MII arabirimi kullanıldığında, EtherCAT iletişim denetleyicisi MII arabirimi aracılığıyla PHY yongasına bağlanır ve RJ45 arabirimi aracılığıyla dışarıyla iletişim kurar. EBUS arayüzü kullanıldığında, EtherCAT iletişim kontrolörü dışarıyla iletişim kurmak için doğrudan EBUS veriyolunu kullanır.
Katı hal güç rölesi, aşırı ısınma koruması, kısa devre koruması vb.Dahil olmak üzere çıkış devresinin koruma işlevini gerçekleştirebilir ve tanılama sinyalini mikroişlemciye verebilir.This sinyali optokuplör tarafından elektriksel olarak izole edilir ve ardından çıkış devresinin tanılama işlevini gerçekleştirmek için mikroişlemciye girilir. Puls üretecinin çalışma güvenilirliğini artırın. Katı hal güç rölesi tarafından verilen darbe sinyali çıkışı, çıkış koruma devresinden geçtikten sonra saha sinyali arayüzü aracılığıyla saha tarafındaki ekipmana gönderilir.
2 donanım tasarımı
2.1 CPU minimum sistemi
Ekipmanın bağımsız kontrol edilebilirliğine bağlı olarak, darbe sinyali üreteci Loongson işlemci LS1C0300A'yı kullanır.LS1C, GS232 işlemci çekirdeğini temel alır ve çok sayıda çevresel arabirim sağlar. LS1C kullanan minimum sistem devre blok şeması, güç kaynağı, hata ayıklama portu JTAG, seri UART, bellek SDRAM, Nand Flash, SPI Flash, seri iletişim SPI arayüzü, sıfırlama devresi ve genel GPIO arayüzü dahil olmak üzere Şekil 2'de gösterilmektedir. Bunların arasında, SPI arayüzü EtherCAT bağımlı denetleyici ET1100'e bağlanır; GPIO, darbe çıkış devresine ve teşhis devresine bağlanır ve alarm devresini kontrol eder.Bir hata oluştuğunda, alarm işlevi gerçekleştirilir. LS1C, RTC işlevini entegre eder, bu nedenle harici saat kaynağını 32.768 kHz kristal osilatörü RTC_Clk pinine bağlayın ve güç kesintisi koşullarında doğru zamanlamayı korumak için RTC pilini sağlayın. SDRAM, LS1C'ye paralel bir veri yolu üzerinden bağlanır ve işlemcinin çalışması sırasında verileri ve yüklenen programları depolamak için kullanılır. LS1C'nin çeşitli başlatma yöntemleri vardır.Başlangıç yöntemini seçmek için ilgili pinleri yapılandırın Bu tasarımda, Nand_D4 ve Nand_D5 pinleri sırasıyla yüksek ve düşük seviyelere bağlanır.LS1C'yi SPI Flash'tan başlayacak ve PMON önyükleme sistemini yükleyecek şekilde ayarlayın.
2.2 EtherCAT iletişim devresi
EtherCAT iletişim devresi, Şekil 3'te gösterildiği gibi, ET1100, PHY, EEPROM, saat, ağ trafosu, RJ45 arayüzü ve diğer parçalar dahil olmak üzere EtherCAT sinyallerini gönderme ve alma işlevini gerçekleştirir. ET1100, EtherCAT veri bağlantı katmanı protokolünü uygulayan, EtherCAT veri çerçevelerini işleyen ve bağımlı kontrol cihazı için bir veri arayüzü sağlayan özel bir çiptir. ET1100, PHY_0 aracılığıyla EtherCAT mesajını alır, kendisine gönderilen komut verilerini mesajdan çıkarır ve dahili depolama alanında saklar ve harici komutları ve slave'leri gerçekleştirmek için yerel verileri dahili depolama alanından ilgili alt mesaja yazar. İstasyonun yerel verilerinin veri alışverişi ve ardından ET1100, EtherCAT mesajını PHY_1 üzerinden sonraki cihaza gönderir.
EEPROM belleği ve EtherCAT iletişim denetleyicisi IIC veri yolu üzerinden bağlanır. ET1100, IIC arayüzü üzerinden EEPROM ile iletişim kurar, EEPROM, ET1100'ün cihaz konfigürasyon bilgilerini depolar. ET1100, iki MII arayüzüne bağlanır ve PHY_Clk saat sinyalini ve sıfırlama sinyalini PHY cihazına çıkarır. ET1100, işleme ve iletme gecikmesini azaltmak için MII arayüzünün tasarımını optimize ettiğinden ve PHY yongası seçiminde kısıtlamalar ortaya koyduğundan, bu tasarımda MICREL'in KSZ8051MLL'si seçilmiştir. ET1100'ün konfigürasyon pinleri MII pinleri ile çoklanmıştır.Bu devrenin çalışma modunu açıkça göstermek için, anahtar konfigürasyon pinleri Şekil 3'te ayrı ayrı gösterilmektedir. Sırasıyla P_MODE ve P_MODE pinlerini toprağa bağlayın ve ET1100 port 0 ve port 0'ı kullanmayı seçin. Port 1 ve P_CONF (0) ve P_CONF (1) pimlerini zemine bağlayın ve PHY yongası ile iletişimi gerçekleştirmek için MII arayüzünü kullanmak için port 0 ve port 1'i ayarlayın.
2.3 Çıkış sürücü devresi
Darbe çıkış devresi, Şekil 4'te gösterildiği gibi optokuplör, sürücü devresi ve koruma devresi içerir. Optokuplör, saha tarafındaki ekipman ile iç devre arasındaki elektriksel izolasyonu gerçekleştirir. Tahrik devresi, darbe sinyalinin güç yükseltme işlevini gerçekleştirir ST şirketinin küçük paket yüksek verimli endüstriyel akıllı katı hal güç rölesi VNI2140J, endüstriyel kullanım gereksinimlerini karşılayan kanal başına 1 A çıkış akımına ulaşabilen seçilmiştir. VNI2140J, dahili yük kesintisi koruma fonksiyonuna sahiptir, her çıkış için bağımsız aktif akım sınırlama fonksiyonu sağlar, yük arızasından kaynaklanan sistem güç kaynağı voltaj düşüşünü önler ve topraklama kablosu arıza koruması ve teşhis fonksiyonları sağlar.Yük çok büyük olduğunda veya kısa devre oluştuğunda, güç rölesi çıkışları Teşhis sinyali, arıza teşhis fonksiyonunu gerçekleştirmek için optokuplör aracılığıyla CPU yongasına geri beslenir.
3 yazılım tasarımı
Darbe sinyali üretecinin çalışma süreci Şekil 5'te gösterilmektedir. Sistem açıldıktan sonra, UART, SPI, genel amaçlı zamanlayıcı, GPIO, ET1100, Flash ve SDRAM gibi çevre birimleri dahil olmak üzere sistem ilk olarak başlatılır. Ardından, çalışma modu, zaman tabanı, dönem ve diğer parametreler dahil olmak üzere cihazın yapılandırma parametrelerini ET1100 aracılığıyla alın; işlemci, cihazı yapılandırma parametrelerine göre ayarlar ve EtherCAT ana istasyonunun görev döngüsü, süre, gecikme vb. Dahil olmak üzere kontrol verilerini alır. Analiz, hesaplama yapın ve ilgili darbe sinyalini verin. Sinyal çıkışı yapılırken cihaz hata bilgisini toplar, eğer bir hata varsa cihaz alarm işlemini gerçekleştirir ve kayıt ve EtherCAT mesajına alarm verilerini yazar.
Ana istasyon tarafından ayarlanan parametreler arasında çalışma modu, görev döngüsü, zaman tabanı, gecikme, süre ve diğer parametreler bulunur. Görev döngüsü, çıkış darbe sinyalinin yüksek seviyeli süresinin darbe süresine oranını gösterir; süre, çıkış darbe sinyalinin frekansını gösterir; zaman tabanı, darbe sinyalinin minimum zaman çözünürlüğünü gösterir; gecikme, sinyal etkinleştirildikten sonra darbe sinyalinin geçtiğini gösterir Gecikme süresinden sonra çıktı.
Çalışma modu, 4 çalışma modu dahil olmak üzere cihazın darbe sinyali çıkış modunu belirler: darbe çıkış modu, darbe genişliği modülasyonu (PWM) modu, darbe dizisi modu ve gecikme modu. Darbe çıkışı modunda, darbe üreteci, belirli bir genliğe ve yüksek seviyeli süreye sahip bir darbe çıkarır ve kalan süre düşüktür. Darbe genişliği modülasyon modunda, darbe üreteci sürekli olarak darbe genliğinin ve süresinin sabitlendiği darbe sinyalleri çıkarır ve darbenin yüksek seviyeli süresi, alınan EtherCAT sinyaline göre otomatik olarak ayarlanabilir. Darbe dizisi modunda, darbe üreteci belirli sayıda darbe çıkarır Darbe genliği, periyodu ve yüksek seviyeli sürenin tümü, alınan EtherCAT sinyalinde belirtilir. Gecikme modu, darbe üreteci tarafından alınan dijital giriş sinyali değiştiğinde (yükselen kenar veya düşen kenar dahil), karşılık gelen darbe sinyalinin belirli bir zaman gecikmesinden sonra çıkarılmasıdır.Dijital giriş sinyali değişim modu, gecikme süresi, çıkış Darbe sinyalinin türü, darbe üreteci tarafından alınan EtherCAT mesaj verileri tarafından belirlenir. Yukarıdaki dört çalışma modu aracılığıyla puls üreteci farklı saha cihazlarının çalışma gereksinimlerini karşılayabilir.
4 Ağ topolojisi
Darbe sinyali üretecinin iki EtherCAT iletişim arabirimi vardır.EtherCAT iletişim arabirimi aracılığıyla, darbe sinyali çıkış kanalının genişletme işlevini gerçekleştirmek için bir sistem oluşturmak üzere birden çok darbe üreteci ağa bağlanabilir.Her darbe üreteci bir EtherCAT slave'idir. Ağ oluşturma modları, sırasıyla Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterildiği gibi papatya zinciri ve halkayı içerir.
Birden fazla darbe üreteci bir halka ağı oluşturduğunda, ağdaki herhangi bir cihaz arızalandığında veya bağlantı kesildiğinde, EtherCAT ana istasyonu, kalan darbe sinyali oluşturuculara halka ağın her iki ucundan erişebilir ve böylece sistemin güvenilirliğini artırır.
5 test
Bu yazıda, gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet EtherCAT'e dayalı bir darbe sinyali üreteci tasarlanmıştır. 4 çalışma moduna sahiptir ve bunları sırasıyla test eder. Sonuçlar Şekil 8'de gösterilmiştir. Şekil (a) darbe çıkış modu test sonuçlarını gösterir, çıkış 1 sn. Seviye sinyali, diğer zaman düşüktür; Şekil (b) darbe genişliği modülasyonu (PWM) modu test sonuçlarını gösterir, çıkış süresi 1 s, görev döngüsü% 60 darbe sinyalidir; Şekil (c) darbe katarı modunu gösterir Test sonuçları 3 pals çıkışı olduğunu, periyodun 1 sn olduğunu ve görev döngüsünün% 60 olduğunu gösterir; Şekil (d) gecikme modunun test sonucunu gösterir.Kanal 2 yüksek seviyeli sinyalleri toplar ve kanal 1 nabız sinyallerini toplar. 1 saniyelik yüksek seviyeden sonra, darbe sinyali üreteci 1 saniyelik bir periyot ve% 50'lik bir görev döngüsü ile 3 darbe sinyali üretir. Test sonuçları, tasarlanan darbe sinyali üretecinin ana istasyonun konfigürasyonuna göre 4 darbe sinyali modu üretebileceğini göstermektedir.
6. Sonuç
Geleneksel darbe sinyali üretecinin zayıf iletişim yeteneği sorununu hedefleyen bu makale, gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet EtherCAT ve Loongson LS1C işlemcisine dayanan yüksek hızlı iletişim yeteneğine sahip bir darbe sinyali üreteci tasarlamaktadır. Tasarlanan puls üreteci, robot hareket kontrolü, araç kontrolü, güç elektroniği ve endüstriyel kontrol gibi birçok uygulamaya uygulanabilen 4 çalışma moduna sahiptir.
Referanslar
Qi Yue, Yang Geng, Dou Yuexuan, vb. PWM kontrolü altında çok seviyeli hibrit inverter devresinin darbe genişlik modülasyonu ve topoloji analizi Journal of Electrotechnical Technology, 2003, 18 (2): 13-17, 26.
Zhong Shaoqiang. PWM izolasyon karartma devresi ve LED karartma sürücü güç kaynağı: Çin, 201610819177.3
.2016-09-12.
Fan Qifu, Zhang Wenfeng, Wen Chao.FpGA'ya dayalı çok işlevli çok kanallı direksiyon dişli kontrol cihazının uygulanması Kontrol Mühendisliği, 2008, 15 (6): 696-698.
Feng Daoning, Liu Zhaodu, Ye Yang. HCS12 zamanlayıcıya dayalı 3 PWM dalga formu üretecinin tasarımı. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34 (2): 140-143.
Zhang Yueling, Wang Jian, Zhao Zhonghui, vb. Gömülü SOC sisteminde genel bir ölü bölge yapılandırılabilir PWM dalga üreteci devresi, Çin, 201610842367.7
.2016-09-22.
POORANI S, URMILAPRIYA T, KUMAR K, ve diğerleri.Elektrikli araç için FPGA temel bulanık mantık denetleyicisi.Mühendisler Enstitüsü, 2005, 45 (5): 1-14.
Yang Xiaofeng, Li Yaogan, Zheng Qionglin ve diğerleri DSP-FPGA tabanlı modüler çok düzeyli dönüştürücüler için PWM darbe şemalarının karşılaştırması. Pekin Jiaotong Üniversitesi Dergisi, 2015, 39 (5): 61-68.
He Dandan, Ji Lijun, Zhang Jinming, vb. Bir sinyal çıkış yöntemi ve cihazı, Çin, 201710134107.9
.2017-03-08.
Industrial Internet Industry Alliance.Endüstriyel İnternet Sistem Mimarisi. 2016.
Beckhoff, EtherCAT bağımlı kontrolör ET1100 donanım veri sayfası.2010.
yazar bilgileri:
Lin Hao, Han Qingmin, Song Dong, Chen Hai
(The Sixth Research Institute of China Electronics Information Industry Group Co., Ltd., Beijing 100083)
