Điều khiển I/O Can Bus động cơ không chổi than servo BLDC

IO Mode (Chế độ vận hành Stand-alone)

1.1. Tổng quan về IO Mode

IO Mode là chế độ vận hành stand-alone (độc lập) của động cơ BG 66, cho phép động cơ hoạt động mà không cần kết nối bus truyền thông. Đây là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đơn giản, chi phí thấp, hoặc các hệ thống không có sẵn mạng truyền thông công nghiệp.

Trong IO Mode, động cơ được điều khiển trực tiếp thông qua digital inputs và analog inputs. Các tham số vận hành được cấu hình trước bằng phần mềm Drive Assistant 5 qua giao diện CANopen (được sử dụng như cổng tham số hóa), sau đó động cơ có thể hoạt động hoàn toàn độc lập.

Đặc điểm chính của IO Mode:

1.2. Nguyên lý hoạt động của IO Mode

Trong IO Mode, động cơ BG 66 hoạt động theo nguyên lý sau:

1. Cấu hình ban đầu: Kết nối động cơ với PC qua Starter Kit (USB-CAN adapter). Sử dụng Drive Assistant 5 để thiết lập các tham số vận hành.

2. Gán chức năng cho I/O: Tối đa 14 tốc độ, vị trí, ramp, dòng điện khác nhau có thể được gán cho các digital inputs. Mỗi input có thể kích hoạt một chức năng cụ thể.

3. Vận hành stand-alone: Sau khi cấu hình, động cơ có thể hoạt động độc lập. Các digital inputs được kích hoạt bằng tín hiệu điện áp (24V DC hoặc 12V DC tùy phiên bản).

4. Điều khiển analog: Analog input (0…10V) có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ hoặc dòng điện một cách liên tục.

5. Điều khiển digital: Digital inputs có thể được sử dụng để chọn tốc độ cố định, kích hoạt positioning, hoặc thực hiện các lệnh khác.

1.3. Cấu trúc phần cứng IO Mode

1.3.1. Sơ đồ chân Hybrid Connector 12+3 (IO Mode)

Lưu ý: Số lượng digital inputs và outputs khác nhau giữa dMove và dPro:

1.3.2. Sơ đồ nguyên lý Digital Input

        Uin
         |
         |
    IN X o----+----[ Rin ]----+---- GND Logic
              |               |
              |               |
              +----[ Schmitt ]----+---- Internal
                    Trigger      |
                                 |
                              Digital Signal

Thông số kỹ thuật Digital Input:

Nguyên lý: Khi điện áp đầu vào vượt ngưỡng high, tín hiệu được nhận là logic 1. Khi điện áp dưới ngưỡng low, tín hiệu là logic 0. Schmitt trigger đảm bảo chống nhiễu và tín hiệu sạch.

1.3.3. Sơ đồ nguyên lý Analog Input

        Uin
         |
    AI+ o----[ Rin ]----+----[ Op-Amp + ]----+---- Internal
                        |                     |
    AI- o----[ Rin ]----+----[ Op-Amp - ]----+---- Signal
                        |
                     GND Logic

Thông số kỹ thuật Analog Input:

Nguyên lý: Analog input sử dụng op-amp vi sai để đo điện áp chênh lệch giữa AI+ và AI-. Điện áp này được chuyển đổi thành tín hiệu số bên trong động cơ.

1.3.4. Sơ đồ nguyên lý Digital Output

        U Logic
           |
           |
           +----[ Transistor ]----+---- OUT X
           |        NPN           |
           |                      |
           |                   [ R1 ]
           |                      |
        GND Logic ---------------+---- GND

Thông số kỹ thuật Digital Output:

Nguyên lý: Digital output sử dụng transistor NPN để kéo đầu ra xuống mass khi active. Đầu ra có thể được cấu hình để điều khiển relay, đèn báo, hoặc các thiết bị ngoại vi khác.

1.4. Cấu hình IO Mode với Drive Assistant 5

1.4.1. Quy trình cấu hình

Kết nối phần cứng:

• • Kết nối Starter Kit (USB-CAN adapter) với PC
  • Kết nối cáp CAN với động cơ (qua M12 connector hoặc dây Litzen)
  • Cấp nguồn cho động cơ

Khởi động Drive Assistant 5:

• • Phần mềm tự động tìm kiếm thiết bị
  • Kết nối với động cơ qua CANopen

Tham số hóa:

• • Gán chức năng cho digital inputs
  • Cấu hình analog input
  • Thiết lập các tham số vận hành (tốc độ, dòng điện, ramp, vị trí)
  • Lưu tham số vào bộ nhớ không bay hơi (non-volatile memory)

Ngắt kết nối và vận hành:

• • Ngắt kết nối PC
  • Động cơ hoạt động stand-alone với cấu hình đã lưu

1.4.2. Gán chức năng cho Digital Inputs

Drive Assistant 5 cho phép gán tối đa 14 chức năng khác nhau cho các digital inputs. Mỗi chức năng có thể bao gồm:

Bảng ví dụ gán chức năng:

1.4.3. Cấu hình Analog Input

Analog input có thể được cấu hình cho các mục đích sau:

1.5. Các chế độ vận hành trong IO Mode

1.5.1. Speed Control Mode

Trong chế độ này, tốc độ động cơ được điều khiển thông qua:

• Digital inputs: Chọn tốc độ cố định (tối đa 14 tốc độ)
• Analog input: Điều khiển tốc độ liên tục (0-10V)

Đặc điểm:

• Tốc độ được điều khiển vòng kín (closed-loop)
• Độ chính xác cao
• Đáp ứng nhanh

1.5.2. Positioning Mode

Trong chế độ này, động cơ di chuyển đến vị trí mục tiêu:

1.5.3. Current Control Mode

Trong chế độ này, dòng điện (tương ứng mô-men) được điều khiển:

Lưu ý: Mô-men chỉ được điều khiển gián tiếp qua dòng điện pha. Điều này thêm dung sai vào điều khiển mô-men.

1.5.4. Kết hợp các chế độ

Các chế độ Speed, Positioning và Current có thể được kết hợp trong IO Mode. Ví dụ:

• Digital input 0: Start
• Digital input 1: Chọn Speed Mode
• Digital input 2: Chọn Positioning Mode
• Analog input: Điều khiển giá trị mục tiêu

1.6. Ưu điểm và hạn chế của IO Mode

1.6.1. Ưu điểm

1.6.2. Hạn chế

1.7. Bảng so sánh IO Mode giữa dMove và dPro

1.8. Ví dụ ứng dụng IO Mode

1.8.1. Ứng dụng băng tải đơn giản

Yêu cầu: Băng tải chạy 2 tốc độ (chậm/nhanh), dừng khẩn cấp.

Cấu hình:

• IN0: Start/Stop

• IN1: Chọn tốc độ chậm (500 rpm)

• IN2: Chọn tốc độ nhanh (1500 rpm)

• IN3: Emergency Stop

• OUT1: Báo lỗi

1.8.2. Ứng dụng định vị đơn giản

Yêu cầu: Động cơ di chuyển đến 3 vị trí khác nhau.

Cấu hình:

• IN0: Start

• IN1: Chọn vị trí 1 (1000 counts)

• IN2: Chọn vị trí 2 (5000 counts)

• IN3: Chọn vị trí 3 (10000 counts)

• AI+: Điều khiển tốc độ di chuyển (0-10V)

1.8.3. Ứng dụng điều khiển mô-men

Yêu cầu: Động cơ siết bu-lông với mô-men có thể điều chỉnh.

Cấu hình:

• IN0: Start

• AI+: Điều khiển mô-men (0-10V tương ứng 0-Imax)

• OUT1: Báo hoàn thành

1.9. Lưu ý quan trọng khi sử dụng IO Mode

1. Điện áp logic: Đảm bảo điện áp logic (9-30 VDC) ổn định. Điện áp thấp có thể gây lỗi.

2. Chống nhiễu: Sử dụng cáp có màn chắn cho analog input và digital input để tránh nhiễu.

3. Bảo vệ quá tải: Cấu hình giới hạn dòng I²t phù hợp để bảo vệ động cơ.

4. Ballast circuit: Nếu có tải quán tính lớn, cần kết nối điện trở ballast để tiêu tán năng lượng hãm.

5. Firmware: Có thể update firmware qua CAN interface ngay cả khi ở IO Mode.

6. Drive Assistant 5: Luôn sử dụng phiên bản mới nhất để có đầy đủ tính năng.

II. CAN Bus Mode (Chế độ CANopen)

2.1. Tổng quan về CANopen

CANopen là giao thức truyền thông công nghiệp dựa trên CAN bus (Controller Area Network), được phát triển bởi CiA (CAN in Automation). Đây là một trong những giao thức phổ biến nhất trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt là ở châu Âu.

Dòng BG 66 hỗ trợ CANopen theo tiêu chuẩn CiA 301 (Application Layer) và CiA 402 (Drives and Motion Control). Điều này cho phép động cơ tích hợp dễ dàng vào các hệ thống điều khiển từ nhiều nhà sản xuất khác nhau như Beckhoff, Omron, Siemens, v.v.

Đặc điểm chính của CANopen:

2.2. Kiến trúc CANopen

2.2.1. Các loại đối tượng truyền thông

CANopen sử dụng nhiều loại đối tượng truyền thông khác nhau:

2.2.2. Phân loại PDO

Ví dụ về PDO mapping:

2.3. CiA 402 – Drives and Motion Control Profile

CiA 402 là profile chuẩn cho các thiết bị truyền động (drives) trong mạng CANopen. Profile này định nghĩa các trạng thái (states) và chế độ vận hành (modes) của drive.

2.3.1. State Machine của CiA 402

CiA 402 định nghĩa một máy trạng thái (state machine) với các trạng thái sau:

Sơ đồ chuyển trạng thái:

Not Ready to Switch On
        |
        v
Switch On Disabled <----+
        |                |
        v                |
Ready to Switch On       |
        |                |
        v                |
Switched On              |
        |                |
        v                |
Operation Enabled -------+
        |
        v
Quick Stop Active
        |
        v
Fault Reaction Active
        |
        v
      Fault

2.3.2. Các chế độ vận hành CiA 402

Dòng BG 66 hỗ trợ các chế độ vận hành sau theo CiA 402:

2.4. Chi tiết các chế độ vận hành CANopen

2.4.1. Profile Position Mode (Mode 1)

Mục đích: Định vị từ điểm bắt đầu đến điểm mục tiêu.

Đặc điểm:

• Định vị tuyệt đối (absolute) hoặc tương đối (relative)

• Tốc độ di chuyển có thể cấu hình

• Ramp gia tốc có thể cấu hình

Các tham số chính:

Các bit điều khiển trong Controlword:

Các bit trạng thái trong Statusword:

2.4.2. Velocity Mode (Mode 2)

Mục đích: Duy trì tốc độ động cơ cho đến khi có tốc độ mới.

Đặc điểm:

• Tốc độ được điều khiển vòng kín

• Không có ramp (thay đổi tốc độ tức thời)

• Đơn giản, phù hợp cho ứng dụng cơ bản

Tham số chính:

2.4.3. Profile Velocity Mode (Mode 3)

Mục đích: Tốc độ với ramp gia tốc/giảm tốc.

Đặc điểm:

• Tốc độ được điều khiển vòng kín

• Có ramp gia tốc/giảm tốc

• Phù hợp cho ứng dụng cần thay đổi tốc độ êm ái

Tham số chính:

2.4.4. Torque Profile Mode (Mode 4)

Mục đích: Duy trì mô-men xoắn đặt trước.

Đặc điểm:

• Mô-men được điều khiển vòng kín

• Tốc độ phụ thuộc vào tải

• Phù hợp cho ứng dụng siết, kẹp, nâng

Tham số chính:

2.4.5. Homing Mode (Mode 6)

Mục đích: Tham chiếu về điểm gốc (reference point).

Các phương pháp Homing:

Tham số chính:

2.4.6. Interpolated Position Mode (Mode 7) – Chỉ dPro

Mục đích: Nội suy vị trí giữa các điểm cơ bản.

Đặc điểm:

• Master gửi các điểm cơ bản (Position and Velocity versus Time – PVT)

• Drive nội suy các giá trị trung gian

• Hỗ trợ đồng bộ đa trục

Tham số chính:

2.4.7. Cyclic Sync Position Mode (Mode 8) – Chỉ dPro

Mục đích: Đồng bộ vị trí theo chu kỳ.

Đặc điểm:

• Master tính toán quỹ đạo

• Master gửi vị trí mục tiêu theo chu kỳ và đồng bộ

• Vòng điều khiển vị trí chạy trong drive

• Drive gửi lại vị trí, tốc độ, dòng điện thực tế

Tham số chính:

2.5. Quick Start Commands

Ngoài các chế độ CiA 402 tiêu chuẩn, Dunkermotoren cung cấp Quick Start Commands – các lệnh đặc thù giúp khởi động và điều khiển động cơ nhanh chóng.

2.5.1. Nguyên lý Quick Start

Quick Start sử dụng một lệnh duy nhất bao gồm ba tham số:

Ba tham số này có thể được tóm tắt trong một PDO duy nhất, cho phép điều khiển động cơ chỉ với một PDO.

2.5.2. Các lệnh Quick Start

2.5.3. Ưu điểm của Quick Start

2.6. Object Dictionary

CANopen sử dụng Object Dictionary – một cấu trúc dữ liệu chuẩn hóa chứa tất cả các tham số của thiết bị. Mỗi tham số được định danh bằng một Index (16-bit) và Sub-index (8-bit).

2.6.1. Cấu trúc Object Dictionary

2.6.2. Các Object quan trọng

2.7. Cấu hình CANopen cho BG 66

2.7.1. Cài đặt Node ID và Baud Rate

Mỗi node trong mạng CANopen cần có Node ID duy nhất (1-127) và Baud Rate phù hợp.

Cài đặt qua Drive Assistant 5:

• Tự động phát hiện Node ID và Baud Rate

• Có thể thay đổi qua SDO

2.7.2. Cấu hình PDO Mapping

PDO mapping xác định dữ liệu nào được truyền trong mỗi PDO.

Ví dụ cấu hình RPDO1:

Ví dụ cấu hình TPDO1:

2.7.3. Cấu hình SYNC

SYNC được sử dụng để đồng bộ hóa các node trong mạng.

2.8. Kết nối vật lý CANopen

2.8.1. Sơ đồ chân CANopen M12 5-pin

2.8.2. Kết nối CAN IN và CAN OUT

BG 66 dMove CO có hai đầu nối CAN:

• CAN IN: Đầu nối đực (male) M12 5-pin

• CAN OUT: Đầu nối cái (female) M12 5-pin

Sơ đồ kết nối nội bộ:

CAN IN                    CAN OUT
Pin 1 (N.C.) ----------- Pin 1 (N.C.)
Pin 2 (N.C.) ----------- Pin 2 (N.C.)
Pin 3 (GND)  ----------- Pin 3 (GND)
Pin 4 (CAN-H) ---------- Pin 4 (CAN-H)
Pin 5 (CAN-L) ---------- Pin 5 (CAN-L)
              |
              +---- Đến motor electronics

2.8.3. Cáp kết nối CANopen

2.9. LED Indicators cho CANopen

BG 66 dMove CO có các LED indicator để hiển thị trạng thái:

2.10. Ưu điểm và hạn chế của CANopen

2.10.1. Ưu điểm

2.10.2. Hạn chế

2.11. So sánh CANopen với các giao thức khác

2.12. Ví dụ ứng dụng CANopen

2.12.1. Ứng dụng đồng bộ đa trục

Yêu cầu: 4 động cơ BG 66 dPro hoạt động đồng bộ trong dây chuyền sản xuất.

Cấu hình:

• Sử dụng EtherCAT (nếu cần đồng bộ cao)

• Hoặc CANopen với SYNC

• Mỗi động cơ có Node ID riêng

• Sử dụng Interpolated Position Mode hoặc Cyclic Sync Position Mode

2.12.2. Ứng dụng robot

Yêu cầu: Robot 6 trục sử dụng động cơ BG 66 dPro.

Cấu hình:

• Mỗi trục là một node CANopen

• Sử dụng Cyclic Sync Position Mode

• Master tính toán quỹ đạo

• Gửi vị trí mục tiêu theo chu kỳ

2.12.3. Ứng dụng băng tải

Yêu cầu: Băng tải với tốc độ thay đổi.

Cấu hình:

• Sử dụng Profile Velocity Mode

• Master gửi tốc độ mục tiêu

• Ramp gia tốc/giảm tốc được cấu hình

2.13. Lưu ý quan trọng khi sử dụng CANopen

1. Termination: Cần kết thúc bus (termination) ở hai đầu bằng điện trở 120Ω.

2. Chiều dài cáp: Giảm chiều dài cáp khi tăng tốc độ. Ví dụ: 1000 kbit/s → 25m; 250 kbit/s → 250m.

3. Node ID: Đảm bảo Node ID duy nhất cho mỗi node.

4. Baud Rate: Tất cả các node phải cùng Baud Rate.

5. Shield: Sử dụng cáp có màn chắn, kết nối màn chắn hai đầu.

6. Ground: Kết nối GND CAN đúng cách để tránh nhiễu.

7. PDO Mapping: Cấu hình PDO mapping phù hợp với ứng dụng.

8. SYNC: Sử dụng SYNC nếu cần đồng bộ hóa.

9. Error Handling: Cấu hình EMCY để báo lỗi kịp thời.

10. Drive Assistant 5: Sử dụng để cấu hình và chẩn đoán.

2.14. Bảng tóm tắt các chế độ vận hành CANopen

2.15. Bảng tóm tắt các đối tượng truyền thông CANopen

2.16. Bảng tóm tắt các tham số cấu hình CANopen

2.17. Bảng tóm tắt các phương pháp Homing

2.18. Bảng tóm tắt các lệnh Quick Start