Quantum Szervo DSP
(QDSP részletes leírása)

Módosítva: 2010. március 14. vasárnap

Firmware V1.6.0
Nyomtatható verzió (pdf)

Felelősség nyilatkozat:
Jelen ismertető nem teljes CNC Vezérlő leírás és csak a vezérlő DSP IC-t tartalmazza. Nem tekinthető egy- az egyben utánépíthető, referencia könyvnek! A szerző nem vállal felelősséget az esetlegesen ebből adódó károkért! A vezérlőáramkör (DSP) nem használható járművekben, orvosi felszerelésekben és olyan egyéb berendezésekben, melyek meghibásodása esetén, fokozottan veszélyesé válhatnak az emberi testi épségre! Jelen dokumentáció szakembereknek készült. Nem taglalja részletesen a berendezések biztonságtechnikai és zavarvédelmi előírásait, ezért mindenki csak saját felelőségére használhatja!

Belső felépítés és működés:

A dsPIC30F4012-es mikrokontrollerben teljes sebességen futó szoftver - kihasználva a hardver adta lehető legtöbb támogatást - végzi el a PC által megkívánt pozíciómozgatást. A Mozgatás egy DC, kefés motorral, és egy incrementáló (növekményes), kétcsatornás encoder visszacsatolással - zárt hurkó pozícionálás - valósul meg. A motor elmozdulását az encoder jelzi vissza a DSP-nek, mely ezt összehasonlítja a PC által megkívánt értékkel és ha eltérés mutatkozik, azt folyamatosan korrigálja.

A Számítógép a DSP Step/Dir bemenetein keresztül lépteti a motort. A Step jel negatív logikájú (lefutó élre léptet). Minden Step élre a DSP belső hibaszámlálóját a Dír jelnek megfelelő irányba lépteti. A léptetés mértékét a Step multiplier regiszter is befolyásolja. E regiszterrel többszörözni lehet a bejövő Step impulzusokat (1× -10×). Erre azért van szükség, hogy nagy felbontású encoderrel szerelt motorokat is lehessen elfogadható fordulatszámmal hajtatni, viszonylag alacsony léptetési frekvenciát kiadni képes CNC szoftverekkel is! A lépés többszörözés a CNC gép felbontását csökkenti, cserébe az elérhető max. fordulatszámot emeli. Egyensúlyba hozható vele a nagy encoder felbontás ↔ max. sebesség konfliktus.

A mechanikai visszacsatolást a motorra szerelt encoder jelei biztosítják.
Az Encoder egy fényáteresztő tárcsára két sorban felhordott sötét vonalakat tartalmaz. A két sor egymáshoz képest eltolva helyezkedik el. Két optikai fotocella segítségével a két sort egyenként leolvassák és logikai jellé alakítják. A két jel fázishelyzetéből lekérdezhető a lépés iránya, a jelek számából az elmozdulás mértéke.

A DSP az Encoder jeleit kétféle üzemmódban tudja feldolgozni: 2× és 4× módok. E két mód befolyásolja ugyanazon encoderrel elérhető motor felbontásokat!

2×-es módban a DSP csak a vonalak belépő élét (pirossal jelöltet) kezeli. Ilyenkor az Encoder alapfelbontása (PPR) duplázódik.
4×-es módban a DSP minden élét feldolgozza a vonalaknak. Ebben az esetben az Encoder alapfelbontása (PPR) négyszereződik.

Javasolt beállítások:
200-1000 PPR esetén 4×-mód,
felette 2×-mód.

Pozícióhiba mentes helyzetben a két jel különbsége nulla (a differenciálszámláló 0-án áll). A két jel (számláló) különbsége és iránya szolgáltatja a hibajelet. E hibajel olvasható le a soros porton keresztül (MON_ portokon). A hibajel szolgál kiinduló alapként az összetett PID algoritmusnak. A PID állítja elő a hídvezérlőnek biztosított irány és PWM adatokat.

A PWM adatokat tilthatja a külső áramkorlátozó jel. E jel számos védelemnek alapja. A PWM generátor vezérli a hídkimeneteket (PWM_..). A „H” híd minden ágát a DSP egyenként vezérli, így motormozgatásakor PWM szabályzás, míg vészmegállás esetén (lásd védelmek), motorfékes üzemmód valósul meg.
Kétszintű védelmi rendszer van kiépítve, melyek mind a motort, mind a DSP-vel épített CNC Vezérlőt védik. Néhány védelem csak jelzést ad, néhány a DSP-t blokkolja és csak Reset-el lehet kihozni belőle. Minden védelmi működés szöveges üzenetet küld a Status regiszteren keresztül, így mindig pontosan nyomon követhető az esetleges leoldás oka. A két LED-es kimenet (LED_A és LED_B) tájékoztató jelzéseket ad az aktuális állapotról. Részletes ismertetése a védelmi rendszereknél olvasható!
A belső regiszterek konfigurálására és az Online hibaszint monitorozásra a soros kimenet (MON_RX és MON_TX) szolgál. Szabványos RS232 ASCII vagy Bináris kommunikációja révén, bármilyen (OP-redszertől független) terminál program használható. Windows esetén a beépített Hyperterminál, vagy a QDSP számára kifejlesztett Quantum Sentinel program javasolt. USB átalakító használata esetén van lehetőség USB-n keresztüli kommunikációra is!

QDSP lábkiosztásai:

Hídvezérlés:

A hídvezérlési kimenetek IR2112 driver IC-re lettek tervezve. A Firmware belső „Dead time” generátort tartalmaz mely 4µS-os. Normál üzemmódban átlósan vezéreltek a FET-ek. Az alsó FET-ek PWM módban, a felsők statikus módban gerjesztődnek. Motorfékes üzemmódban az alsó FET-ek statikusan vezéreltek. A felső FET-ek Gate töltő kondenzátorát 2s-os frissítő algoritmus tartja életben (kikapcsolható). 47uF-os töltőkondenzátor javasolt! A töltő dióda BAV21 vagy gyorsabb legyen (<100nS)! A töltési idő 16µS.
A túláram korlátozáshoz a TTL jelet egy komparátorral kell biztosítani.
Túláram korlátozáskor az össze PWM kimenet 0-ba vált.

p100 teszt parancs (100%-os PWM előre irányba):

(töltési ciklus)

1CH = 2L, 2CH = 2H, ΔT= töltési idő (16µS), töltési periódus=2s.

(dead time)

1CH = 2L, 2CH = 2H, ΔT= dead time (4µS), szimmetrikus.

Csatlakozások ismertetése:

(P; I; D)_AN bemenetek:
Javasolt trimmer érték 1kOhm (a GND és a VCC közé kötve).

T_SENSOR bemenet:
Alkalmazható thermosenzor: 640-es sorozatú, 4k7 NTK a hűtőbordához szorítva. A bemenet és a VCC közé kell kötni. A bemenet és a GND közé 1kOhmos ellenállás és egy 100nF-os kondenzátor párhuzamosan szükséges.

STEP/DIR bemenetek:
A STEP jel negatív logikájú, lefutó élre lépteti a belső számlálót. A DIR jelnek a STEP léptetése előtt 100nS-al stabilizálódnia kell. A minimális STEP impulzus hossza 5nS.

TEST bemenet:
Két funkciójú bemenet.
1. Magas_alacsony_magas szintváltozás sorozatra, a „Test way” regiszter által előírt mértékű egységugrást hajtja végre (Encoder step-ben mérve). A bemenet felhúzására tipikusan 3k Ohmmos ellenállás ajánlott. Közvetlenül ráköthető a nyomógombra (szoftveresen pergésmentesített).
2. 2s-on keresztül nyomva tartva, a DSP újraindul (reset). Az újraindulás tényét a két LED kimenet "felvillanása" is jelzi.

STOP bemenet:
Vész-stop funkciót lát el. Nem pergésmentesített, negatív logikájú, TTL bemenet! Hatására mindenkor letilt a DSP és a motort motorfékes üzembe viszi, valamint a FAULT kimenetet magasra állítja. Láncolt hibabemenet. Kihozni belőle csak Reset-el lehet.

FAULT kimenet:
Hibajelző TTL kimenet. A STOP bemenet és a belső védelmi rendszer működteti. Javasolt nyitott kollektoros, tranzisztoros meghajtása, így logikai OR kapcsolat hozható létre a többi tengellyel és a PC-vel is!

LED_A és LED_B kimenetek:
Negatív logikájú TTL kimenetek, akár közvetlen LED meghajtásokra is (a LED+ellenállását a VCC és a kimenet közé kell kötni)! Gyűjtött állapotjelző LED-ek (Status). A védelem működése esetén a kiolvasható „Status” regiszter tartalmazza az okot, szöveges formában.

 A DSP kétszintű védelmi rendszerre:

1. Önálló védelmek. Működésbe lépésük esetén a motort motorfékkel megállítják, és a DSP-t letiltják. LED-es ("A" és "B") fényjelzést, valamint a „Status” regiszterben szöveges üzeneteket adnak. A DSP újraindításával lehet csak kihozni belőle. Minden önálló védelem hibajelet generál a FAULT kimeneten. Ezzel a PC-n futó CNC vezérlőszoftvert (pl. Mach3-at) is le lehet állítani.

- Hard limit (Error*) regiszter túlfutás védelme (mérete állítható):
Ha a hibajel (Error*) meghaladja a beállított értéket, a DSP motorfékkel megállítja a motort és letiltja további működését.
Elsősorban fordított Encoder bekötés és a motormegszorulás védelmét látja el.

* Error regiszter = hibaszint regiszter, mely a kért és a tényleges mechanikai pozíciók közötti eltérést méri Encoder Step-ben. Ha nincs eltérés, értéke 0.

- Motor túlterhelés védelem:
Ha motor túláram korlátozása folyamatosan működik, és ideje meghaladja az "Overcurrent time" regiszter értékét, a védelem megállítja a motort és letiltja további működését.

- Vezérlő túlterhelés védelem:
A Hűtőborda hőmérsékletét egy thermo szenzor folyamatosan méri és kb. 60/80/100°C-nál letiltja a DSP további működését. Szerviz kóddal állítható.

- Stop bemenet aktív (alacsony). Hatására a DSP letilt.

2. PC-n keresztüli védelmek. Önmagában nem állítja meg a Vezérlőt, csak hibajelet generál a FAULT kimeneten. Ha ez a kimenet össze van kötve a PC egyik Input bemenetével és a vezérlő szoftver megfelelően fel van konfigurálva, akkor ez a jel képes megállítani a végrehajtást úgy, hogy nem történik impulzus vesztés! Bizonyos feltételek mellet a hiba kijavítása után, selejt nélkül folytatható a munka.

- Soft limit (Error*) regiszter túllépése. Az állapot fennállásáig jelzést ad a "A" LED-en is. E jelzés elsősorban az alakhű pályakövetés ellenőrzésére szolgál. Folyamatosan figyeli a motor és a CNC szoftver együttfutását. Szétcsúszásuk esetén megállíthatja a végrehajtást és jelzést ad. Szerviz kóddal tiltható a Fault jelzése.

- Motor csúcsáram korlátozás:
A DSP folyamatosan ellenőrzi a C_LIMIT bemenet állapotát, és magas szintje esetén a PWM-es kimeneteket korlátozza. A korlátozás tényét a "B" LED kigyújtásával jelzi. Ez a jelzés nem működteti a FAULT kimenetet.

LED jelzések és Fault kimeneti táblázat: 

* t-1 megtartja előző állapotát.

MON_TX és MON_RX portok:
RS232C illesztéshez a MAX232 IC alapkapcsolása javasolt. Adatátvitele 115200,8,N,1 átvitelvezérlés nélkül, ASCII módban. USB átalakítóval használható USB portra is. Megjelenítő szoftver: bármely szabványos ASCII Terminal program (pl. a Windows-os Hyperterminal), vagy a sokkal fejlettebb Quantum Sentinel.

J3: 1=Vcc; 2=GND; 3=MON_RX; 4=GND; 5=MON_TX

Kommunikáció a QDSP-ve:

A DSP beállítása nagyrészt a P-I-D _AN analóg bemenetein keresztül történik, trimmerpotencióméterek segítségével. A többi beállító regiszterek és összetett funkciók eléréséhez, soros kommunikáció szükséges. A kommunikáció a MON_RX (vételi) és MON_TX (adási) lábakon keresztül zajlik soros formában (115200 bit/sec, 8-bites adatok, paritás nélkül és 1 stop bittel). Illesztése a PC-hez történhet RS232C (lásd fentebb), vagy RS232C-USB átalakítóval, USB vonalakon keresztül.

A beállításhoz szükséges szoftver lehet egy egyszerű terminál program (pl. a Windows-os Hyperterminal), vagy a sokkal fejlettebb képességű Quantum Sentinel.
A szabványos ASCII kommunikáció révén bármilyen operációs rendszeren (DOS, Linux, stb.) elvégezhető a beállítás és hibaszint analízis egy sima terminál program segítségével. Windows-os környezetben a fejlettebb Quantum Sentinel programot javasoljuk használni. A Sentinel erőforrás igénye jóval nagyobb mint az egyszerűbb terminálprogramoké, ezért külön PC-n javasolt azt futtatni (pl. laptopon). Ha szükséges az egyazon PC-n való futtatás, akkor a Hyperterminalt javasoljuk használni.

Használat Hyperterminalon keresztül:

Sikeres kommunikáció beállítás után, ha a Terminalt hamarabb indítjuk ell mint a Vezérlőt, akkor a következő bemutatkozó szöveg jelenik meg a Vezérlő bekapcsolását követően:

(bemutatkozó képernyő)

Leolvasható a beégetett DSP Firmware verziója.
 Ha a DSP hamarabb lett bekapcsolva, mint ahogyan a csatlakozás létrejött, akkor ez a képernyő nem jelenik meg (üres), de egy ENTER lenyomása után listázódnak a regiszterek!!!

ENTER után egy részletes segítség (HELP) jelenik meg:

(aktuális állapot lekérdezése)

Itt kilistázva megtaláljuk a legfontosabb regisztereket és azok értékeit. Az írható regiszterek neveiben szereplő zárójeles betűk a hozzá tartozó parancsok, melyekkel értékeik megváltoztathatóak.

(írható regiszterek)

Egy példa:

            m5 (+ENTER)

A „Step multiplier” (lépés szorzó) regisztert 5-re állítja. Ezzel a PC felöl érkező Step jeleket meg 5×-özi.

Ha bármikor kíváncsiak vagyunk az aktuális értékekre, akkor egy üres ENTER-t kel nyomnunk!
Ha helytelen értéket adunk meg, akkor ezt a Vezérlő hibaüzenettel jelzi és egyben megadja a használható értéktartományt is! Néhány érték megváltoztatása esetén a Vezérlőt újra kell indítani, ezt szintén jelzi nekünk üzenettel!

Az alsó részben (Read only regiszters), csak olvasható regiszterek találhatóak. Ezek a regiszterek a Vezérlő aktuális állapotáról tájékoztatnak és értékük nem változtatható meg. Jelentésük lentebb megtalálható.

 A Speciális parancsok listájához az  s  (+ENTER) paranccsal férhetünk hozzá.

Regiszterek és konfigurálásuk:

Írható-olvasható regiszterek:

A regiszterek kiolvasását egy üres ENTER leütésével kérhetjük.
A regiszterek értékei a "betű+új érték" formulával módosíthatóak. Pl.: f4 az Encoder digitális szűrőjét 4-es értékre állítja. Néhány regiszter megváltoztatása a DSP újraindítását kívánja, ezt üzenettel jelzi is. Mértékegységük (értelmezésük) szögletes zárójelben van jelezve [ ... ].

Néhány regiszter megváltoztatása csak szakembereknek javasolt (ezt pirossal jelezem)!
A regiszterek módosítása motorfutás közben NEM javasolt!

Regiszterek és funkciójuk:

e - PID kiértékelés gyakorisága (periódusa) regiszter. A tényleges sebesség a regiszter értéke×95.45uS. Ennek reciproka a PID frekvencia (alapértéke 1/(3×95.45us)=3492.22 Hz). A motor időállandójához lehet igazítani a DSP-t. Tartománya: 1 - 5.
Figyelem! Megváltoztatása esetén a PID tagokat lehet, hogy újra kell hangolni!

n - Encoder használati mód. Kétféle üzemmód lehetséges: 2×-es és 4×-es mód. Az encoder alaposztását 2×-ezi, vagy 4×-ezi (pl. egy 500-as PPR alaposztású encoderből, 4×-es módban 2000-res felbontású lesz). Az érték változtatása befolyásolja a CNC gép felbontását és végsebességét. Tartománya: 2; 4.
Figyelem! Megváltoztatása esetén a PID tagokat lehet, hogy újra kell hangolni!

f - Encoder digitális zajszűrő értéke (EDF). Az Encoder bemenet zajszűrője, mely a csúszás mentes kezelésért felel. Zajos, gyengébb minőségű Encoder vagy vonala esetén értékét növelni kell, de ez az Encoder sávszélességének csökkenésével jár. A rendszer csak a filter idejét meghaladó jelváltozást tekinti stabilizált Encoder változásnak, alatta figyelmen kívül hagyja (zajszűrés). Tartománya: 1 - 7.
Figyelem! 7-es értéken az Encoder bemenet sávszélessége 75 kHz-re zuhan!

m - Step-jel szorzó. A PC felöl érkező Step (léptető) jeleket többszörözi. Segítségével a CNC vezérlő szoftver maximális sebességét lehet növelni és így a rendszerre optimalizálni. Az érték változtatása befolyásolja a CNC gép felbontását és végsebességét. Tartománya: 1 - 10.

o - "Soft" hibahatár regiszter. Ha a pozíció hiba nagyobb e regiszter értékétől, akkor a DSP FAULT kimenete aktív lesz (programozható) és az "A" LED kigyullad. Ha az FAULT kimenet össze van kötve a P2B kártya egyik bemenetével és a szoftver megfelelően be van konfigurálva, akkor ez a jelzés leállítja a CNC gép megmunkálását, pozíció szétcsúszás nélkül (korrigálható hiba)! Értékének alacsonyabbnak kell lennie a „Hard” limit regiszter értékétől! Tartománya: 1 - 200.

a - "Hard" hibahatár regiszter. Működése ugyan az mint az "Soft limit" regiszteré, de ez a DSP-t le is állítja (motorfékkel) és csak a DSP újraindításával oldható fel! Értékének magasabbnak kell lennie, mint a Soft limit regiszter értékének! Tartománya: 1 - 30000.

w - TEST bemenet aktív állapotára történő elmozdulás úthossza. Beállítható vele a még biztonságos út hossz (ütközés elkerülése), melyet a "stresz-gombra" elmozdul a Vezérlő. Értékének alacsonyabbnak kell lennie, mint a "Hard" hibahatár regiszteréé! Tartománya: 1 - 2999

t - Túlterhelés időkorlátja. Ha e regiszter értékét meghaladó ideig, folyamatosan fennáll az áramkorlátozás, akkor a DSP leállítja és kikapcsolja a motort (túlterhelés védelem) és FAULT jelet generál! Feloldásához újra kell indítani a DSP-t. Tartománya: 1 - 7.

i - A bináris hibaszint monitorozás triger szintje, abszolút értékben (Sentinel használja). Tartománya: 1 - 100.

l - Motor remegés csökkentés mértéke. Tartománya: 0 - 4.

Csak olvasható regiszterek:

Proportional, Integral, Derival - a hozzájuk tartozó trimmer-potenciométerek (P_AN, I_AN, D_AN bemenetek) értékei.

Thermo - a senzor (hűtőborda) hőmérséklete. A korlátozási határa háromféle fix érték lehet (60, 80, 100 [°C]).

Position error - a kiolvasás pillanatában aktuális mechanikai eltérés értéke.

Current limit sense - a kiolvasás pillanatában aktuális áramkorlátozás állapota.

Resolution - az eredő felbontás szorzója a jelenlegi konfigurációból (Jelenlegi felbontás[PPR]= Resolution × Encoder alap felbontása[CRP]).

Status - a jelenlegi DSP állapota és az esetleges teendők, hibák.

Speciális parancsok:

s - Listázza a speciális parancsokat.

y1 - Indítja a valósidejű pozícióhiba monitorozást. Kilépni belőle a q + ENTER-el lehet. A kijelzés ± irányú csúcsindikátor, 3s-os kimerevítéssel. Mértékegysége: PC-Step.

(ASCII módú hibaszint analízis)

PWM State = A PWM kitöltési tényező állapota. OK esetén értéke < 100%, Max. esetén 100%. Többlet információ a hajtás minőségéről.

p - fix PWM-es motor gerjesztés (irányított) kitöltési tényezője. Hibakeresés és teszt célokra. Tartománya: 0 ... +-100 [%]

J – (NAGY J!) Szerviz kódok. Hibakeresés és speciális konfigurálási célokra (Fuse-k).

C1 – (NAGY C!) törli az összes regiszter változtatását, és alapértékre állít mindent (reset).

r - P trimmer előerősítése. Korrigálható vele a trimmer szabályzási tartománya.

x - D trimmer előerősítése. Korrigálható vele a trimmer szabályzási tartománya.

Szerviz kódok (Fuse-k) (J-kapcsolók):

1100 : Kiküldi az aktuáli PID periódus értékét ASCII karakterben (Sentinel),
1028 : AC mód (híd frissítés ki),
1027 : DC mód (híd frissítés be),
1026 : Soft limit FAULT jelzés nélkül (alapállapot),
1025 : Soft limit FAULT jelzéssel,
1024 : ideiglenet motor túlterhelés védelem bénítás,
1023 : Vezérlő hőfokvédelme 60°C-ra (alapállapot),
1022 : Vezérlő hőfokvédelme 80°C-ra,
1021 : Vezérlő hőfokvédelme 100°C-ra,
1002 : Triger mód ki (Sentinel),
1001 : Triger mód be (Sentinel),
1000 : Bináris hibaszint adatfolyam indítása (Sentinel). Leállítása q + ENTER.

8 bites (0-255) hibaszint adatok. 128 képviseli a 0 hibát (-tartomány <128< +tartomány).
Külső szoftverből indítani : J1000+CR ASCII adatokkal lehet.

A belső EEprom-ba tárolódó Fuse-k:

1026 vagy 1025,
1023 vagy 1022 vagy 1021,
1001 vagy 1002.