Luận văn Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ DC không chổi quét

Luận văn Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ DC không chổi quét Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một...

HUTECH B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM NGUYN THANH HÙNG IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT LUN VN THC S THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN MÃ S: 60 52 50 TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012 HUTECH B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM NGUYN THANH HÙNG IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT LUN VN THC S THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN MÃ S: 60 52 50 HNG DN KHOA HC TS. VÕ HOÀNG DUY TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012 HUTECH HUTECH IU KHIN TI U BN VNG CHO NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT “PID OPTIMAL AND STABLE CONTROLLER FOR BRUSHLESS DC MOTOR IS SCANNED Nguyn Thanh Hùng -Võ Hoàng Duy -Trng i HcăTônăc Thng Khoa C in t Trng i hc k Thut Công Ngh TP.HCM, Vit Nam TÓM TT Mtăphngăpháp hn hp gia H2 và H ∞ đc áp dng rng rãi cho các h thng có thông s và mô hình đ cóăđc mt b điu khin tiău hoàn ho. (BLDC) đng c mt chiu không chi quét đc s dng rng rãi cho các ng dng kim soát hiu sut cao. B điu khin PID thông thng ch cung cp hiu sut thaăđángăcho đim thit lp quyăđnh. Tuy nhiên, vi s hin din nó trong h thng, thôngăthng PID là không đ đ đtăđc mt b điu khin ti u. Bài báo này trình bày mt cách tip cn d dàng thit k mt hn hp H2 / H ∞ PID b điu khin đ kim soát tcăđ ca đng c DC không chi quét và các thut toán di truyn đc s dngăđ gii quyt nhng vnăđ tiăuăhóa. Kt qu th nghim đc th hin đ chng minh rng hiu sut trong b điu khin này là ttăhnăsoă vi trong b điu khin PID tiău bng cách s dng phngăphápătip cn LQR. ABSTRACT A mixed method between H 2 and H ∞ control are widely applied to systems which has parameter perturbation and uncertain model to obtain an optimal robust controller. Brushless Direct Current (BLDC) motors are widely used for high performance control applications. Conventional PID controller only provides satisfactory performance for set-point regulation. However, with the presence of nonlinearities, uncertainties and perturbations in the system, conventional PID is not sufficient to achieve an optimal robust controller. This paper presents an approach to ease designing a Mixed H 2 /H ∞ PID controller for controlling speed of Brushless DC motors and the genetic algorithm is used to solve the optimized problems. Numerical and experimental results are shown to prove that the performance in the proposed controller is better than that in the optimal PID controller using LQR approach. 1. GII THIU: Ngày nay, th giiăđangăchng kin s thayăđi to ln ca nn sn xut công nghip do vic áp dng nhng thành tu ca cuc cách mng khoa hc công ngh.ă Trongă đóă Vit Nam chúng ta đangă thc hină theoă hng công nghip hóa, hinăđiăhóaăđtănc vi s thayă đi ca nn sn xut công nghip, ngành khoa hc công ngh v t đngăhoáăcngăcóănhngăbc phát trinăvt bc và tr thƠnhăngƠnhămiănhn ca th gii nói chung và nn công nghip Vit Nam nói riêng. Các h thngă điu khin có tính t đng hoá s dngă đngă că đină thngă đc thit k vi nhng phn t tngăt tngăđi cng kn r tin. Nhngă đim yu ca các h thngătngăt là chúng nhy cm vi s thay điăđiu kin thi gian, thi tit, nhităđ cngă HUTECH nhă tui th ca các thành phn trong điu khin. Vnăđ là chúng ta phi bităđc nhng uăvƠăkhuytăđim ca tngăphng phápăđiu khin, trong đóănghiên cu gii thut di truyn đ tìm các thông s ca b điu khin PID và mô phng và thit k b điu khin PID. Nghiên cuăđiu khin PID ti uăbn vngăchoăđngăcă mt chiu không chi quét nhmăđtăđc hiu sut cao và gimăđc tn tht công sut, không cn boă dngă vƠă lƠmă tngă nhuă cu s dng đngă că nƠyă trongă nhng ng dng rô bt và servo công sut ln.ăLƠmăcăs phát minh ra các thit b công sut hinăđi và ng dng caăđng că nƠyă trongăcácă truynă đng có yêu cuăđiu chnh tcăđ. Xây dng thut toán di truynăđ tìm các thông s ca b điu khin và ng dng thut toán di truyn đ thit k b điu khin PID tiă uă H 2 /H  . ơyălƠă mtăphngăphápă hnăhp gia H2 và H ∞ đc ápădngărngă rƣi choă cácăhă thng bă điuă khin tiă u. (BLDC) đngă c đc să dngă rngă rƣi choă cácă ngă dng hiuă sută cao. Băđiuă khin PID thông thng chă cungăcp hiu sut thaăđángăcho đimăthitălp quy đnh. 2. NG C BLDC ngăcă mtă chiuă(CMC)ă thôngă thngă cóă hiuă sută caoă vƠă cácă đcă tínhă caăchúngă thíchă hpăviăcácătruynăđngăservo.ăTuyănhiên,ăhnă chăduyănhtălƠătrongăcuătoăcaăchúngăcnăcóă că gópă vƠă chiă quét,ă nhngăthă dă bă mònăvƠă yêu cuă boă trì,ăboă dngă thngă xuyên.ă ă khcăphcănhcăđimănƠyăngiătaăchătoăloiă đngăcăkhôngăcnăboădngăbngăcáchăthayă thăchcănngăcaăcăgópăvƠăchiăquét biăcácă chuynă mchă sădngă thităbă bánădnă (chngă hnă nhă bină tnă să dngă transitoră côngă sută chuynămchătheoăvătríărotor).ăNhngăđngăcă nƠyăđcăbităđnănhălƠăđngăcăđngăbăkíchă thíchăbngănamăchơmăvnhăcuă hayăcònă giălƠă đngă că mtă chiuă khôngă chiă quét BLDC (BrushlessăDCăMotor).ăDoăkhôngăcóăcăgópăvƠă chiăquét nênăđngăcănƠyăkhcăphcăđcăhuă htăcácănhcăđimăcaăđngăcămtăchiuăcóă vƠnhăgópăthôngăthng. Huă htă cácă đngă că BLDCă cóă baă cună dơyă startoră dngă hìnhă sao,ă miă cună dơyă startoră cóă nhiuăbiădơyănh,ăcácăbiădơyănhănƠyăđcăđtă trongăcácărnhă vƠă đcă ktă viă nhauă toăthƠnhă cunădơyăstartor.ăCóăhaiăloiăstartorălƠăloaiătoăraă cácăphaăsóngădngăsinăvƠăsóngăhìnhăthang. 3. IU KHIN TI U BN VNG NG C DC KHỌNG CHI QUÉT. Cho h thngă điu khină nhă hìnhă điă tng P 0 (s). ngăcăDCăkhôngăchi quét có các thông s nhăsau: Bng 4.2: Thông s caăđngăcăBLDC Thông s Giá tr R 21.2  K b 0.1433 V s/rad D 1x10 -4 kg-m s/rad L 0.052H K t 0.1433 kg-m/A J 1x10 -5 kg-m s 2 /rad Hàm truynă đt caă đngă că DCă khôngă chi quét: 5.435677.417 36.275577 )( 2   ss sP HUTECH Sai lch mô hình  0 (s), b chnănhăsau: 101.0 1.0 )( 2 0   ss s Vi ngõ vào là hàm nc, thì ipd ksksks ss se 36.275577)36.2755775.43567()36.2755777.417( 5.435677.417 )( 23 2    Ràng buc năđnh bn vng: 1 )( )( max ),0[      Trong ví d này ta có m = 3, vì vy phim hàm H 2 ca h thng là J 3 : )(2 )2( 213030 32 2 03020 2 110 2 2 3 aaaaaa aabaabbbaab J    Thut toán di truyn btăđu bng vic to ngu nhiên mt qun th bao gm 200 nhim sc th, sau 15 th h,ătìmăđc b điu khin PID thích hp vi các thông s nhăsau,ăk p = 180.1755, k i = 4.6997, k d = 0.0353. ápăng nc ca h thng: 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) Speed (rpm) Hình 1: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID vi các thông s (k p =30, k i =15, k d =0.001) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) Speed (rpm) Hình 2: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID ti u H 2 /H  0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) Speed (rpm) Hình 3: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID ti u H 2 /H  khi có sai s mô hình 4. THIT K MCH IU KHIN: 4.1 S đ điu khin vn tc ca đng c DC không chi quét PWM Commutation Sequence 3-Phase Inverter Bridge BLDC Motor E PID + Speed Reference r(t) Speed Feedback Hall Sensors 6 3 Speed Error e(t) PIC18F4431 u(t) Encoder y(t) Hình 4: Mch điu khin HUTECH 4.2 S đ khi tng quát ca h thng Hình 5: S đ khi tng quát ca h thng 4.3 S đ mch điu khin ca h thng 5V R16 33R PGD SW4 NHAN 1 D4 LED C15 33 pF 5V DC- IMOTOR HALLB DC+ SDA C12 104 J13 HEADER 5 1 2 3 4 5 J6 CON6 1 2 3 4 5 6 PWM5 D9 LED C4 3.3 uF D7 SCL PWM1 SW1 PWM4 HALLC FAULTA 5V 5V R14 33R Y1 CRY STAL R45 300 R19 R R8 300 SW2 R50 0.1R SW2 RESET R11 33R J17 CON2 1 2 J7 CON6 1 2 3 4 5 6 INDX R22 R - + U8A LM324 3 2 1 411 J2 CON2 1 2 DC+ 12V PWM2 R5 300 J11 HEADER 3 1 2 3 Vpp R30 1OK C16 47 uF 5V M3 R51 1k C3 3.3 UF 5V Q5 IRF540N /TO 12V PGC D6 SW5 NHAN 2 D14 LED C7 CAP NP HALLB 5V J22 CON3 1 2 3 R28 10k Q6 IRF540N /TO DC+ PWM1 R36 1K Q2 IRF540N /TO 5V C11 104 D12 LED 5V R43 2k4 R15 33R C14 47 uF PWM0 12V C8 0.1uf R1 R R10 300 D7 LED J10 CON3 1 2 3 HALLC PIC18F4431 9 18 19 20 29 30 31 401 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RE1/AN7 RC3/T0CLK/ INT0 RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD6/PW M6 RD7/PW M7 VSS RB7/PGDMCLR/VPP RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/ INDX RA3/AN3/ QEA RA4/AN4/ QEB RA5/AN5 RE0/AN6 RD2/PSP2/ SDA RD3/PSP3/ SCL RC4/I NT1 RC5/I NT2 RC6/TX/CK RC7/R X/DT RD4/PSP4 RD5/PSP5 RE2/AN8 VDD VSS OSC1/CLKI N OSC2/CLKOU T RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/ CCP2 RC2/C CP1 RB6/PGC RB5/PWM4 RB4/PWM5 RB3/PWM3 RB2/PWM2 RB1/PWM1 RB0/PWM0 VDD QEB QEA 12V D8 LED 12V PWM2 J3 HEADER 2 1 2 HALLA SW1 D1 DIODE PGD PWM4 5V DC+ Q4 IRF540N /TO R38 1K R4 10k R53 10k R20 R D11 LED R33 10K C10 0.1uF R52 1k R21 R U5 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB 5V 5V - + U9A LM339 5 4 2 312 J4 HEADER 3 1 2 3 5V U6 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB M3 R17 R U4 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB R34 10K R6 300 PWM3 INDX Vpp 12V R9 300 R42 1M 5V R24 R D10 LED D5 HALLA PWM5 PWM0 R27 2k 12V DC- C9 1000uf R41 1k R23 R R29 10k R13 33R R31 10K J12 HEADER 5 1 2 3 4 5 DC- D3 DIODE QEA M1 M2 R18 R R7 300 R35 10K D2 DIODE PWM3 Q3 IRF540N /TO D6 LED R39 1K R32 10K R12 33R M2 R25 R R40 300 C5 3.3 uF IMOTOR J14 CON2 1 2 J9 ICPS 1 2 3 4 5 R2 100 D4 FAULTA J8 CON3 1 2 3 C6 CAP NP 5V 5V DC- C1 1000uf D5 LED 12V PGC Q1 IRF540N /TO M1 QEB SW2 R44 5k Hình 6: Mch điu khin ca h thng 4.4 S đ mch driver vƠ đng lc R10 300 DC+ 12V D1 DIODE PWM4 Q4 IRF540N /TO DC+ PWM0 M3 U5 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB M1 U6 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB U4 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB R6 300 12V R9 300 PWM5 J3 HEADER 2 1 2 12V PWM3 M2 R13 33R D3 DIODE R7 300 D2 DIODE R12 33R DC- C5 3.3 uF PWM2 M1 12V Q1 IRF540N /TO R16 33R M3 Q3 IRF540N /TO DC- C4 3.3 uF DC- R14 33R R11 33R R8 300 DC+ PWM1 12V R5 300 J11 HEADER 3 1 2 3 C3 3.3 UF Q5 IRF540N /TO Q6 IRF540N /TO Q2 IRF540N /TO DC+ R15 33R M2 12V Hình 7: Mch driver và đng lc Linh kin chính ca mch gmăICăđiu khin IR2101 và Mosfet IRF 540. IC IR 2101 có nhngăđtăđim chính sau: ngun cp t 10ăđn 20ăVDC,ăđuă vƠoătngăthíchăvi 3.3, 5 và 15 VDC,ăkhóaăđin áp thp, kt hp trì hoãn truyn ca c haiăkênh,ăcácăđu vào caăIR2101ăđc ni tiă6ăkênhăđiu rng xung ca PIC18F4431 t PWM0ăđn PWM5 theo tng cp mt.PWM0 và PWM1, PWM2 và PWM3, PWM4 và PWM5 đuăraăthiăđc ni vi chân G ca IRF540. IRF 540 có kh nngă đóngă ngt nhanh và tn hao đóngăngt thp có th s dngăđinăápăđn 100V và dòng 20A. Nhim v chính ca mch này nhă lƠă mt b nghchă luă đ to t dòngăđin DCăraădòngăđin vi 3 pha khác nhau, lch nhau 120ăđ đ điu khinăđng căBLDC.ăKhiătngă tn s điu rng xung IR2101 s kích vào m các IRF540 thích hp nhiuăhn,ădòngăđin qua đngăcălnăhnădoăđóăchyănhanhăhn.ăNgc li khi tn s điu rng xung gim IRF540 m ít hnădòngăquaăđngăcănh hnădoăđóăchy chm hn. 4 4.5 Mô hình thc t: Hình 8: Mô hình thc t 5. KT LUN Trong bài báo này, H 2 /H ∞ hn hp PID đƣ đc áp dng đ kim soát tc đ ca đngăcăBLDC. Hiu sut ca PID ti u đc phân tích và so sánh vi PID thôngăthng. Mt mô hình đƣ đc xem là th hin s vng mnh ca b điu khin PID tiăuăbn vng. 6. TÀI LIU THAM KHO [1]. NEWTON G.C., GOULD L.A, KAISER J.F., (1957), Analytic Design of Linear HUTECH Feedback Controls, New York, John Wiley & Sons. [2]. CHEN B S., CHENG Y M., LEE C H., (1995), A Genetic Approach to Mixed H 2 /H  Optimal PID Control, IEEE Control System, 15, 51-60. [3]. Microchip Technology Inc (2003) Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals [4]. K.ASTROM, T.HAGGLUND, PID Controller: Theory, Design, and Tuning, 2 ND Edition. [5]. CHIN. TENG. LIN, CS GEORGE LEE, (1996) Neural Fuzzy Systems, Prentice-Hall International Edition. [6].ă NGUYNă ÌNHă THÚC,ă ÀOă TRNGă VN,ă TRNă Tă HNG,ă HOÀNGă Că HI,ă(2001)ăLp Trình Tin Hóa, NhƠăxutăbnă giáoădc. [7].ăHOÀNGăKIM,ăLểăHOÀNGăTHỄI,ă(2001)ă Thut Gii Di Truyn Cách Gii T Nhiên Các Bài Toán Trên Máy Tính, NhƠă xută bnă giáoă dc. HUTECH IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT Hc  Hng dn khoa hc TS. VÕ HOÀNG DUY 1  TÀI HUTECH 2 Ngành khoa hc công ngh v t đng hoá có nhng bc phát trin vt bc và tr thành ngành mi nhn ca th gii nói chung và nn công nghip Vit Nam nói riêng Các h thng điu khin có tính t đng hoá s dng đng c đin thng đc thit k vi nhng phn t tng t tng đi cng kn r tin [...]... b khi rãi và ph bi PID ra cách c th t c nh xã h k thu òi h và phát tri ph khi không vì th mà cùng v c s nay B ã khá lâu nghiên c khoa h khi hi H U TE không còn tri PID là b C H Trong có nh S phát nhu c nh khi PID( proportional integral derivative) t và b b v 4 nh v b v quét ” th cho trên cho nên tôi ti tài : H U TE hành nghiên c thi C H T m khi chi PID t không ch 5 2.M chi (DC) không ch trình c gi... hi tài di truy PID và thi c quét, xây d b v Nghiên tìm các thông s c k b khi các b PID 6 khi m không ch cao và gi b l Làm t hi truy và th nhu c d s có yêu c cho hi rô b công su s không c d và servo công su phát minh ra các thi d v quét nh và làm này trong nh b H U TE su chi PID t C H Nghiên c c b công su này trong các ch t 7 không ch H U TE C H 1 Gi thi v m chi quét BLDC (Brushless DC Motor) Hình... nghi; khi t khi PID (proportional integral derivative) H U TE C H 2 11 H U TE H 12 C H 13 H U TE C H 14 H U TE C H 15 H U TE C H 16 H U TE C H 17 H U TE C H 18 H U TE C H 19 H U TE C H 20 H U TE C H khi PID có d sau: C H B H U TE (4.4) Sai s mô hình 0(s) xem không bi rõ ràng Gi s sau: (j ) là hàm ch bi 0 trên c 0(s) b ch (4.5) 0(j ), và 21 b v cho th r n b C(s) ch sao cho h th vòng kín (không tính 0(s))... m motor BLDC bao g x trên các rãnh c quanh tr h startor d hình sao, m b các b r và Có hai lo các k v lên nhau bên m trong c BLDC có ba cu H U TE startor H dây nh ch C H thép mõng, cong các mi cu dây startor có nhi dây nh này nhau t startor là loai t dây thành cu trong các dây startor ra các pha sóng d sin và sóng hình thang 10 v các pháp khi m chi không ch than Ngày nay có r nhi pháp khi không ch than... trong hình ti c và th mãn b th C H qu khi danh 4.3 sau: (4.6) H U TE K 22 C H H U TE (4.8) 23 pháp thi k : H U TE C H Ph này s trình bày pháp xác các thông s (k1, k2, k3) c b khi PID cho hai bài toán trên b thu toán di truy , sao cho th giá tr c ti c phi hàm H2, th mãn ràng bu b v H 24 25 H U TE C H 26 H U TE C H 27 H U TE C H 28 H U TE C H . b điu khin PID và mô phng và thit k b điu khin PID. Nghiên cuăđiu khin PID ti uăbn vng cho đngăcă mt chiu không chi quét nhmăđtăđc. hayăcònă giălƠă đngă că mtă chiuă không chiă quét BLDC (Brushless DC Motor).ăDo không cóăcăgópăvƠă chi quét nênăđngăcănƠyăkhcăphcăđcăhuă htăcácănhcăđimăcaăđngăcămtăchiuăcóă vƠnhăgópăthôngăthng.