Hcmute thiết kế chế tạo và điều khiển ổn định hệ pendubot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ÐIỀU KHIỂN ỔN ÐỊNH HỆ PENDUBOT S K C 0 9 MÃ SỐ: T2015-84 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2015 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ PENDUBOT Mã số: T2015 - 84 Chủ nhiệm đề tài: GV ThS Trần Vi Đô TP HCM, Tháng 11 Năm 2015 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ PENDUBOT Mã số: T2015 - 84 Chủ nhiệm đề tài: GV ThS Trần Vi Đô TP HCM, Tháng 11 Năm 2015 Luan van DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ CÁC ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: ThS Trần Vi Đô TS Nguyễn Minh Tâm ThS Nguyễn Phong Lưu CÁC ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Khoa Điện Điện Tử Luan van Mục lục Mục lục Danh mục hình ảnh Mở đầu Tổng quan tình hình nghiên cứu: .7 Tính cấp thiết: Mục tiêu: Cách tiếp cận: .7 Phương pháp nghiên cứu: Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu: Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu 1.1 Đặt vấn đề: 1.2 Các báo có liên quan tới đề tài: 1.3 Giới thiệu đối tượng Pendubot: 11 Chương 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LQR 18 2.1 Tổng quan: 18 2.2 Phương pháp điều khiển LQR: .18 Chương 3: NGUN CỨU MƠ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT 29 3.1 Tổng quan: 29 3.2 Mơ hình động học hệ Pendubot: 29 3.3 Xây dựng điều khiển cân cho Pendubot .33 Chương 4: THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT 37 4.1 Giới thiệu: .37 4.2 Thiết kế khí hệ Pendubot .37 4.3 Mạch điều khiển hệ Pendubot 39 4.4 Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot 49 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56 5.1 Kết luận: 56 5.2 Đóng góp khoa học đề tài 56 Luan van TRANG - 5.3 Hướng phát triển đề tài: 57 Tài liệu tham khảo 58 Luan van TRANG - Danh mục hình ảnh TRANG Danh mục hình ảnh: Hình 1.1: Kết mơ ngỏ q1, q2 dùng điều khiển lai 10 Hình 1.2: Kết mơ ngỏ q1_dot, q2_dot dùng điều khiển Lai .10 Hình 1.3: Đáp ứng góc vận tốc góc hệ thống với phương pháp điều khiển lượng 11 Hình 1.4 : Mơ hình đơng lực Pendubot 12 Hình 1.5: Khối động DC 15 Hình 1.6: Khối động DC sau phân tích hàm truyền 16 Hình 2.1: Khối động DC 24 Hình 2.2: Khối động DC sau phân tích hàm truyền 25 Hình 3.1 : Mơ hình đơng lực Pendubot 29 Hình3.2: Khối mô Pendubot .32 Hình 3.3: Mơ mơ hình trạng thái hệ pendubot simulink 32 Hình 3.8: Mơ hình mơ simulink điều khiển Pendubot khơng có nhiễu tác động 33 Hình 3.9: Đáp ứng vị trí góc link1 hệ pendubot .34 Hình 3.10: Đáp ứng vị trí góc link2 hệ pendubot 34 Hình 3.11: Đáp ứng vận tốc góc link1 hệ pendubot .35 Hình 3.12: Đáp ứng vận tốc góc link2 hệ pendubot .35 Hình 3.13: Ngõ điều khiển .36 Hình 4.1 : Encoder gắn link1 link2 để đo vị trí link2 so với link1 37 Hình 4.2: Mơ hình pendubot thực tế đề tài 38 Hình 4.3: Động DC có tích hợp encoder đo vị trí link1 38 Hình 4.4: Sơ đồ khối chức DSP TMS320F28335 40 Hình 4.5: Board điều khiển TMS320F28335 41 Hình 4.6: Hình vẽ chi tiết chân, kích thước value module 42 Hình 4.7: Hình sơ đồ chân TMS320F28335 value module 43 Hình 4.8: Vị trí xếp chân value module .44 Hình 4.9: IC đệm cho encoder .44 Hình 4.10: Encoder ứng dụng xác định vị trí 45 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch đệm phát xung điều khiển PWM 45 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giao thiếp SCI với máy tính 46 Hình 4.14: Sơ đồ chuyển đổi xung vi sai qua xung NPN 46 Hình 4.15: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 47 Hình 4.16: Bộ nguồn 24vdc thực tế cấp cho pendubot 47 Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H .48 Hình 4.18: Mạch cầu H thực tế 49 Hình 4.19: Quá trình lập trình viết code đổ xuống board vi điều khiển 49 Hình 4.20: Thư viện target Preferences 50 Luan van TRANG - Hình 4.21:Thư viện ngoại vi hổ trợ cho dòng C28x3x 50 Hình 4.24: Khối đọc encoder link1 .51 Hình 4.25 Khối đọc encoder link2 .51 Hình 4.26: Chương trình điều khiển hệ Pendubot thực tế .53 Hình 4.27: Đáp ứng thực tế góc link1 55 Hình 4.28: Đáp ứng thực tế góc link 55 Danh mục bảng biểu: Bảng 3.1 Một thơng số cấu hình hệ Pendubot 29 Luan van TRANG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ Tp HCM, ngày 18 tháng 11 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ PENDUBOT - Mã số: T2015– 84 - Chủ nhiệm: GV ThS Trần Vi Đô - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: tháng 01 năm 2015 đến tháng 12 năm 2015 Mục tiêu: Kiểm chứng giải thuật điều khiển cân ổn định cho hệ pendubot mô thực nghiệm Thực xây dựng khí mạch điện cho hệ thống tự động (ở hệ pendubot), phục vụ cho sinh viên học viên cao học khoa Điện-điện tử Tính sáng tạo: Đối với nước, đề tài mẻ chưa có nhiều nghiên cứu Do đó, việc thực chế tạo thành cơng mơ hình điều khiển thực tế bước tiến nghiên cứu giải thuật nước Kết nghiên cứu: Thiết kế chế tạo thành công hệ thống pendubot thực tế để phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển tự động (bao gồm phần khí mạch điện) Xây dựng thành công giải thuật điều khiển cân mô thực tế để ổn định cho hệ pendubot Viết báo cáo phân tích, kết luận để xuất thông qua việc mô thành công Matlab/Simulink thực nghiệm thành công mơ hình thực tế Sản phẩm: - Một chương trình lập trình điều khiển thành cơng hệ thống thực tế ổn định tốt DSP TMS320F28335 - Một chương trình mơ Matlab/Simulink thành cơng hệ thống giả lập máy tính - Một báo cáo kèm đĩa CD chứa nội dung nghiên cứu đĩa CD chứa video hoạt động hệ thống Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu, khả áp dụng - Đề tài nghiên cứu đạt hiệu tốt, kết áp dụng thực tế Luan van TRANG - - Đáp ứng nhu cầu cho sinh viên học viên cao học khoa Điện-điện tử Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) Luan van TRANG - Hình 4.10: Encoder ứng dụng xác định vị trí 4.3.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối phát xung PWM: Sơ đố khối ngõ phát xung PWM điều khiển động DC: có nhiệm vụ đệm tín hiệu xung PWM ngõ từ TMS230F28335 value module có mức điện áp 3.3v thánh mức điện áp 5v để cấp cho mạch cầu H lái động Khối thiết kế với hai ngõ gồm xung DIR quy định chiều quay xung PWM sử dụng ngõ cho hệ Pendubot Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch đệm phát xung điều khiển PWM 4.3.3.4 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính: sử dụng IC giao tiếp FT232R chuyển đổi tín hiệu giao tiếp SCI/UART từ vi điều khiển thành giao tiếp USB để truyền tín hiệu lên máy tính Luan van TRANG - 45 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giao thiếp SCI với máy tính 4.3.3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi xung vi sai qua xung PNP Hình 4.14: Sơ đồ chuyển đổi xung vi sai qua xung NPN 4.3.3.6 Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển Có nhiệm vụ cung cấp nguồn Dc 24v cho mạch cầu H lái động Để cung cấp đủ công suất cho DSP, encoder, IC đệm mạch giao tiếp máy tính Luan van TRANG - 46 Hình 4.15: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm Hình 4.16: Bộ nguồn 24vdc thực tế cấp cho pendubot Kết thi công board mạch điều khiển thực tế: Sau thi công lắp đặt mạch điều khiển hoạt động tốt, giá trị encoder đo xác khơng bị nhiễu Xung PWM xuất xác, mạch giao tiếp với máy tính chạy ổn định Luan van TRANG - 47 4.3.4 Mạch driver cầu H lái động Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H Kết thi công thực tế mạch cầu H + Board cầu H-Brige dung JC kích MC33833 hang free scale + Phần công suất dung POWER MOSFETs IRF3205 có thơng số VDSS=55v,RDS 100KHz + Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR+ Sử dụng IC kích Fet chuyên dụng MC338833 freescale nên cycle đạt 100% ưu điểm so với IC kích fet khác + Có led báo nguồn, báo xung chiều + Board có hai nút nhấn DIR, PWM thích hợp cho việc test board tay Luan van TRANG - 48 Hình 4.18: Mạch cầu H thực tế 4.4 Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot 4.4.1 Giới thiệu khối điều khiển thư viện hổ trợ simulink Để thiết kế chương trình ta sử dụng thư viện Matlab/simulink hổ trợ lập trình đổ xuoongschip TMS320F28335, taget support packet C2000lib Hổ trợ tất MCU dòng vi điều khiển C2000 TI Trước hết ta phải lập trình khối matlab/ simuink, sau trình biên dịch hỗ trợ phát mọt project mã C liên kết với Code composer studio v3.3 (CCS v3.3), sau đóCCS làm nhiệm vụ mooit trường buid chạy debug chương trình Hình 4.19: Quá trình lập trình viết code v đổ xuống board vi điều khiển Việc kết hợp thư viện Target For TI C2000 tích hợp sẵn Simulink Matlab với Code Composer Studio (CCS) hãng Taxes Intrument cho phép người sử dụng dich chương trình Simulink sang ngơn ngữ C chạy chip Luan van TRANG - 49 DSP C2000 TI C280x fixed point DSP,C281x fixed point DSP, C28x3x floating point DSP, … Hình 4.20: Thư viện target Preferences Các module ngoại vi xuất nhập I/O, đọc xung encoder QEP, điều rộng xung PWM, chuyển đổi ADC, khối truyền I2C, SCI, CAN DSP đọc hỗ trợ đầy đủ config dễ dàng trực quan Hình 4.21:Thư viện ngoại vi hổ trợ cho dòng C28x3x 4.4.2 Khối điều khiển hệ Pendubot thực tế Đây khối chương trình thực việc điều khiển động đo đạc tín hiệu phản hồi từ hệ thống mơ hình hệ Pendubot thực tế Bao gồm khối Motor control module phát xung điều khiển động khối Encoder module đọc tín hiệu encoder xử lý thành tín hiệu vị trí góc vận tốc góc Luan van TRANG - 50 4.4.2.1 Khối đọc xung ( encoder module) Đây khối xử lý đọc tín hiệu phản hồi Pendubot, làm nhiệm vụ đọc xung hai encoder xử lý thành tín hiệu vị trí góc vận tốc góc ( link1 link 2) để cung cấp cho điều khiển Các ngoại vi đọc xung encoder sử dụng mode x4 để tăng độ phân giải tín hiệu Khối đọc encoder link1: Bao gồm ngoại vi đọc encoder đọc vị trí xung sau sử lý tín hiệu góc link đo sau đo đưa qua xử lý từ xung thành giá trị góc radian Hình 4.24: Khối đọc encoder link1 Khối đọc encoder link2: Bao gồm ngoại vi đọc encoder tích hợp động đọc vị trí xung sau đưa qua xử lý từ xung thành giá trị góc radian Do góc q2 góc tương đối link1 link2 nên giá trị đọc phải tính cách lấy giá trị encoder trừ giá trị encoder1 Hình 4.25 Khối đọc encoder link2 4.4.2.2 Khối xử lý điều khiển lái động Luan van TRANG - 51 Là khối có nhiệm vụ chuyển giá trị ngõ điều khiển thành giá trị xung PWM để cấp cho mạch cầu H lái động + Khối ePWM khối xuất tín hiệu PWM board điều khiển + Khối Digital Output khối xuất tín hiệu ngõ chaanI/O xung quy định chiều quay động + Khối U control lập trình với đoạn code xử lý 4.4.3 Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC) Khối nhận tín hiệu từ khối đọc xung khối điều khiển giải thuật từ chuyển giá trị nhận thành mã ASCII truyền lên máy tính thơng qua giao thức SCI/UART Các giá trị truyền thành dạng frame truyền chuỗi kết thúc ký tự xuống dịng Trên máy tính chương trình windows form nhận giá trị gửi lên từ board điều khiển, hiển thị vẻ đò thị online Vì yêu cầu gắt chương trình windows form nên việc hiển thị thực với chu kỳ 50ms, đồ thị đáp ứng phản ánh giá trị đo đạc 4.4.4 Chương trình điều khiển giữ cân hệ pendubot dùng phương pháp điều khiển LQR 4.4.4.1 Chương trình thực tế điều khiển Bộ điều khiển LQR điều khiển hệ pendubot giữ cân góc nằm       tầm điều khiển sau: q1     q2     Nếu góc nằm ngồi  7  7 giới hạn điều khiển cho hệ thống dừng lại Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống rời rạc hóa sau: Luan van TRANG - 52 Hình 4.26: Chương trình điều khiển hệ Pendubot thực tế Trong khối thể mơ hình có ý nghĩa sau: + Khối eQEP1, có tác dụng đọc encoder gắn đọc Do encoder đọc từ giá trị đến giá trị tràn ta đặt quay giá trị ( khơng có giá trị