Luận văn: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG docx

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc *** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Học viên: Đinh Văn Nghiệp Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD Khoa học:TS. Bùi Chính Minh Ngày giao đề tài: 01/02/2009 Ngày hoàn thành: 31/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN TS. Bùi Chính Minh HỌC VIÊN Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG THÁI NGUYÊN 2009 Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: ĐINH VĂN NGHIỆP Người HD Khoa học: TS. BÙI CHÍNH MINH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐINH VĂN NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đinh Văn Nghiệp Sinh ngày 25 tháng 12 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” do thầy giáo TS. Bùi Chính Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009 Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Bùi Chính Minh, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi Chính Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Tự động hoá – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Trung tâm Thí nghiệm Trường đại học kỹ thuật Công Nghiệp, đặc biệt là các cán bộ phòng thí nghiệm tự động hoá đã tận tình giúp đỡ tác giả xây dựng hệ thực nghiệm. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 11 1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số 11 1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số 11 1.1.2. Cở sở của điều khiển số 21 1.1.2.1. Biến đổi Z 21 1.1.2.2 Tín hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số 24 1.2. Tổng hợp hệ điều khiển số 27 1.2.1. Lý luận chung. 27 1.2.2. Điều kiện để tổng hợp được bộ điều khiển số trong hệ. 29 1.2.3. Chọn tần số lấy mẫu. 30 1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp liên tục. 32 1.2.4.1. Phương pháp vi phân 32 1.2.4.2. Bộ điều khiển số được xác định theo hàm truyền đạt 34 1.2.4.3. Phương pháp dùng biến đổi z 36 1.2.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH) 37 1.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp 38 1.2.5.1. Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z. 1.2.5.2. Bù ảnh hưởng của khâu trễ 38 1.2.5.3. Hệ ổn định vô tận 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1.2.6. Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số 41 1.3. Điều khiển số trong điều khiển chuyển động 41 1.3.1. Một số cấu trúc điều chỉnh được sử dụng 41 1.3.2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính 47 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD DSP DS1104 49 2.1. Giới thiệu chung 49 2.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 51 2.2.1. Cấu trúc tổng quan 51 2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 53 2.2.3. Các thành phần chủ yếu của DS1104 59 2.2.3.1. Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240. 59 2.2.3.2. Hệ con AD (Analog to Digital). 65 2.2.3.3. Hệ con DA (Digital to Analog). 67 2.2.3.4. Hệ con Vào/Ra số (Digital I/O) 70 2.2.3.5. Hệ con bộ mã hoá so lệch 73 2.2.3.6. Thanh ghi điều khiển vào ra IOCTL 75 2.2.3.7. Sơ đồ chân I/O Connector của DS1104 76 2.3. Phần mềm dSPACE 78 2.3.1. Cài đặt dSPACE 79 2.3.2. Các khối dSPACE trong Simulink 80 2.3.2.1. Các điều khiển vào/ra tương tự 81 2.3.2.2. Các điều khiển vào/ra số 81 2.4. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển chuyển động. 81 2.4.1. Các điều khiển vị trí Encoder 81 2.4.2. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 2.5. Tạo ứng dụng với dSPACE và Simulink 88 2.5.1. Tạo ứng dụng với Control Desk 93 2.5.2. Hiển thị các điều khiển, quan sát với Instrumentation Management Tools. 94 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG CARD DS 1104 100 3.1. Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí DC servo(theo phương pháp tương tự) 100 3.1.1. Mô hình toán học của hệ 100 3.1.2. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phương pháp tổng hợp các mạch vòng 104 3.1.3. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều khiển vị trí 110 3.1.4. Mô phỏng hệ trên Matlab 114 3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic ứng dụng Card DS1104 115 3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động 121 3.3.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống thực 121 3.3.2. Lập trình điều khiển hệ 123 3.3.3. Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động 124 KẾ T LUẬ N VÀ KIẾ N NGHỊ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Bảng 2.2. Mô tả thanh ghi trạng thái Bảng 2.3. Mô tả thanh ghi cài đặt Bảng 2.4. Các ngắt cứng của DSP Bảng 2.5. Quản lý các ngát cứng Bảng 2.6. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con AD Bảng 2.7. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con DA Bảng 2.8. Mô tả thanh ghi chế độ DA Bảng 2.9. Thanh ghi cổng vào/ra Bảng 2.10. Tên các chân của DS1104 trên P1A Bảng 2.11. Tên các chân của DS1104 trên P1B Bảng 2.12. Bảng mô tả các chân của DS1104 Bảng 2.13.Các điều khiển vị trí encoder của DS1104 Bảng 2.14. Tên các chân của các kênh phhát xung Bảng 2.15. Tên các xung PWM 3 pha Bảng 2.16.Tên của các kênh phát xung PWM 3 pha Bảng 2.17. Tên các xung PWM 3 pha vector Bảng 2.18.Tên của các kênh phát xung PWM 3vector Bảng 3.1. Các thông số cho trước Bảng 3.2. Luật điều khiển Hình 1.1. Cấu trúc hệ điều khiển số Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4. Tín hiệu ra của bộ DAC Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D Hình 1.8. Sơ đồ chuyển đổi A/D song song Hình 1.9. Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Hình 1.10. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo Hình 1.11 : Hàm thời gian Hình 1.12. Tín hiệu liên tục Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc Hình1.14:Bộ cắt mẫu Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26. Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay Hình 1.27. Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ Hình 1.28. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc Hình 1.29. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản Hình 1.30. Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt Hình1.31. Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu Hình1.32. Cấu trúc điều chỉnh bù ngược Hình 1.33. Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình Hình1.34. Các giai đoạn của một quá trình chuyển động Hình 1.35. Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động Hình 1.37. Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính Hình 2.1- Card DS1104 [...]... điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối... động hiệu chỉnh Do đó tần số lượng tử hoá được chọn trên cơ sở đánh giá động học của quá trình và nhiễu, động học của quá trình và khả năng của máy tính Các bộ điều khiển trên thương trường với ít mạch vòng điều khiển có chu kỳ lượng tử hoá bé và cố định 1.2.4 Thiết kế bộ điều khiển số theo phƣơng pháp liên tục Phương pháp thông thường để thiết kế hệ điều khiển số là chọn bộ điều khiển Gc(s) cho hệ liên... các hệ thống thống điều khiển tuyến tính thông thường và hệ thống điều khiển thời gian bất biến Đối tượng Chương trình điều khiển Máy tính số Hình 1.1: Cấu trúc hệ điều khiển số a Bộ chuyển đổi số- tƣơng tự (D/A converter) Bộ chuyển đổi số- tương tự biển đổi một chuỗi các đại lượng u(kT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống Bộ chuyển đổi D/A được mô phỏng bởi bộ lưu Số hóa bởi Trung tâm... 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số tương tự trong hệ điều khiển số Nguyên tắc làm việc của DAC Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4- Tín hiệu ra của bộ DAC Số hóa bởi Trung tâm... đã sản xuất nhiều Card điều khiển số DSP để ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu, điển hình là các Card DS1102,DS1104, DS1103, DS1105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2 Cở sở của điều khiển số 1.1.2.1 Biến đổi Z Khi phân tích hệ điều khiển tuyến tính liên tục thì ta dùng phép biến đổi Laplace lúc đó hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa hai đa thức...  nT ) n  1.2 Tổng hợp hệ điều khiển số 1.2.1 Lý luận chung Hệ điều khiển số được tổng hợp theo hai hước chủ yếu: trong miền tần số và trong không gian trạng thái Tổng hợp trong miền tần số chủ yếu dựa vào mô tả động học của hệ tầng bằng các biến đổi Laplace và Fourier (còn gọi là phương pháp tổng hợp dùng kỹ thuật biến đổi) Hướng thứ hai là tổng hợp hệ điều khiển số trong không gian trạng thái Phương... trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ Bảng 2.1 Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Lý thuyết về hệ điều khiển số 1.1.1 Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển. .. tính mô phỏng hệ điều khiển chuyển động Hình 3.16 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với Card DS1104 Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.18 Hệ điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.19 Hàm liên thuộc của biến sai lệch vị trí Hình 3.20 Hàm liên thuộc của biến thay đổi sai sốvị trí Hình 3.21 Hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển Hình 3.22 Surface luật điều khiển mờ Hình 3.23... hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2.2.1 Lấy mẫu tín hiệu Trong hệ điều khiển số luôn tồn tại hai loại tín hiệu là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc Tín hiệu đưa vào máy tính là tín hiệu x(t) rời rạc, còn tín hiệu đưa vào đối tượng điều khiển và đối tượng đo lường là tín hiệu liên tục Để tín hiệu đưa vào... Gc(s) cho hệ liên tục tương đương, rồi xấp xỉ hoá bộ điều khiển liên tục ấy với bộ lọc số cần tìm Gc(s) (hay Gc(z)) Có nhiều phương pháp để thực hiện 1.2.4.1 Phƣơng pháp vi phân: Bộ điều khiển số được mô tả bằng phương trình lặp, rất gần với phương trình vi phân của bộ điều khiển tương tự Ví dụ bộ điều khiển PID có hàm truyền và phương trình vi phân tương ứng 1 U(s)  G c (s)=k p +k i +k d s= s E s  . NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐINH VĂN NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa. NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG THÁI NGUYÊN 2009 Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên:. *** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Học viên: Đinh Văn