Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320 để điểu khiển động cơ bước phục vụ công tác đào tạo tại trung tâm thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và trường Cao đẳng công nghiệp Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HẢI YẾN ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TMS320 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC PHỤC VỤ CƠNG TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP VÀ TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HẢI YẾN ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TMS320 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP VÀ TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Cao Xuân Tuyển THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu riêng tơi, luận văn khơng giống hồn tồn luận văn cơng trình có trước Thái Nguyên, tháng năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Hải Yến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ii Danh mục bảng iii Danh mục hình iv MỞ ĐẦU 1.Lí chọn đề tài 2.Mục tiêu 3.Đối tượng nghiên cứu 4.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu 5.Phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ TMS320F2812 1.1 Tổng quan phần cứng TMS320F2812 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các đặc điểm F2812 1.1.3 Sơ đồ chân F2812 1.1.4 Sơ đồ khối chức F2812 1.1.5 Tổ chức không gian nhớ 15 1.2 Các môi trường phần mềm hỗ trợ phát triển TMS320F2812 18 1.2.1 Sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) 18 1.2.2 Sử dụng mơi trường lập trình đồ họa ViSsim 19 1.2.3 Matlab gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000 20 1.3 Một số ví dụ TMS320F2812 điều khiển 27 1.3.1 Ứng dụng DSP TMS320F28x Matlab lĩnh vực điều khiển tự động 27 1.3.2 Ví dụ sử dụng TMS320 điều khiển động chiều 27 1.4 Kết luận chương 28 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ BƢỚC 29 Cấu tạo động bước 29 2.1.1 Động bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet): 29 2.1.2 Động biến từ trở (Variable Reluctance) 31 1.3 Động bước lai (hybrid) 32 2.2 Nguyên lí làm việc 33 2.2.1 Nguyên lí làm việc 33 2.2.2 Chế độ chuyển mạch động bước 34 2.2.3 Các đại lượng điều khiển 37 2.2.4 Đặc trưng tín hiệu điều khiển động bước 40 2.3 Mơ hình tốn học động bước 41 2.4 Đặc điểm hệ truyền động động bước 43 2.5 Kết luận chương 43 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC DÙNG VI XỬ LÍ TMS320F2812 44 3.1 Các cấu trúc điều khiển 44 3.1.1 Điều hiển hở 44 3.1.2 Điều khiển phản hồi trạng thái 44 3.1.3 Điều khiển phản hồi tín hiệu 45 3.2 Cấu trúc điều khiển động bước 45 3.2.1 Đối tượng điều khiển 47 3.2.2 Thiết bị điều khiển 48 3.3 Sơ đồ kết nối TMS320 động bước 56 3.4 Kết nối thiết bị 56 3.5 Kết luận chương 57 CHƢƠNG 4: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 58 4.1 Kết mô MATLAB 58 4.1.1 Sơ đồ chi tiết 58 4.1.2 Kết mô 60 4.2 Thí nghiệm 61 4.2.1 Chế độ bước đủ (2 pha on) 61 4.2.2.Chế độ bước đủ (1 pha on) 63 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i 4.2.3 Chế độ nửa bước 66 4.2.4 Chế độ vi bước 68 4.3 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Động bước dung nam châm vĩnh cửu: PM Động biến từ trở: VR Vận tốc trung bình động cơ: V Số đôi cực rotor: P Hệ số không đổi động cơ: Km Vị trí thực tế rotor: Dịng điện cuộn dây: Vị trí cuộn dây j stator: Tổng quán tính rotor: Jm Momen xoắn tải: Tl Hệ số ma sát: F Vận tốc rotor: Điện trở cuộn dây: R Điện cảm cuộn dây: L Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ bố trí 176 chân vi xử lí tín hiệu số TMS320F2812 Hình 1.2 Sơ đồ bố trí khối cấu trúc TMS320F2812 Hình 1.3 Tổ chức không gian nhớ 16 Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động chiều 27 Hình 2.1 :Sơ đồ động bước dùng nam châm vĩnh cửu 30 Hình 2.2 Động bước đơn cực 31 Hình 2.3 Động bước lưỡng cực 31 Hình 2.4Mặt cắt ngangcủađộng bướcbiến từ trở 32 Hình 2.5 Sơ đồ mặt cắt ngang động bước lai 32 Hình 2.6 Sơ đồ ngun lí động bước m pha với rotor cực lực điện từ điều khiển xung cực 33 Hình 2.8 Giản đồ xung chế độ half drive 36 Hình 2.9 giản đồ xung chế độ ware drive 36 Hình 2.10 Giản đồ xung chế độ vi bước 37 Hình 2.11 Mơ hình động bước 41 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vòng hở 44 Hình 3.2 Cấu trúc phản hồi trạng thái 45 Hình 3.3 Cấu trúc phản hồi tín hiệu 45 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động bước 46 Hình 3.7 Mạch ghép nối UART 50 Hình 3.8 Mạch ghép nối cổng CAN 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Hình 3.10 Sơ đồ mạch cứng khối tạo xung 52 Hình 3.11 Khối chuyển đổi ADC 53 Hình 3.12 Sơ đồ chân IS61LV2561AL 54 Hình 3.13 Sơ đồ chân SST39VF800A 55 Hình 3.14 Sơ đồ kết nối TMS320,ULL2003 động bước 56 Hình 3.15 Kết nối máy tính, máy sóng TMS320 56 Hình 3.16 Đối tượng điều khiển 57 Hình 4.3 Sơ đồ chi tiết mạch kín 59 Hình 4.4 Kết mơ mạch hở 60 Hình 4.7 Xung áp cuộn dây chế độ bước đủ( pha on) 66 Hình 4.8 Xung cấp cho cuộn dây chế độ nửa bước 68 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii DANH MỤC CÁC B ẢNG Bảng 1.1 Các chân cho phép vùng nhớ tương ứng kích hoạt 17 Bảng 2.1 Chuyển mạch cuộn dây chế độ bước đủ 35 Bảng 2.2 Chuyển mạch cuộn dây chế độ nửa bước 35 Bảng 3.1 Bảng thông số động bước 47 Bảng 4.1 Thứ tự cấp xung vào cuộn dây chế độ bước đủ (2 pha on) 61 Bảng 4.2 Thứ tự cấp xung điều khiển cho cuộn dây chế độ bước đủ (1 pha on) 64 Bảng 4.3 Thứ tự cấp xung điều khiển vào cuộn dây chế độ nửa bước 66 Bảng 4.4 Thứ tự cấp xung điều khiển vào cuộn dây chế độ vi bước 68 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 4.1.1.2 Sơ đồ chi tiết TBLA Convert DIR -1 K LPF mod RT STEP Iref g + V- Ia Converter A V+ z-1 RT NOT - + B i - + i - + i - + A i - A- A+ OI TBLB Convert NOT Converter B g + A Ib - B LPF1 B+ B- OI TBLC Convert NOT Converter C g + A Ia1 - LPF2 B C- C+ OI TBLD Convert NOT Converter D g + A Ib1 - B LPF3 D+ 10 D- OI Hình 4.3 Sơ đồ chi tiết mạch kín -K dừng ộng - Động , - Khối out1 dùng cài đặt tốc độ định trước - Mạch cộng tiến hành so sánh tốc độ cài đặt với tốc độ thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 - PID mạch tích phân tỉ lệ tín hiệu đầu mạch tích phân tỉ lệ đưa vào đầu vào lỗi mạch driver 4.1.2 Kết mơ Hình 4.4 Kết mơ mạch hở Khi thay đổi tần số xung góc bước khơng đáp ứng đươc góc bước định trước ễ ó ầ (100) Hình 4.5 Kết mơ mạch kín Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 Dạng tín hiệu hình cho thấy góc bước giai đoạn đầu đường khơng tuyến tính đỉnh góc bước khơng đặt giá trị đặt ban đầu 4.2 Thí nghiệm Hiện thực tế việc điều khiển động bước có nhiều phương pháp, tùy thuộc vào mục đích sử dụng, tùy thuộc vào yêu cầu mà có phương pháp điều khiển động bước cho phù hợp Dựa vào nguyên lí làm hoạt động đặc tính động bước, người ta thiết kế sẵn mạch số, IC chuyên dụng để điều khiển động bước, kết hợp với modul khác để có sản phẩm hồn thiện Ngồi việc sử dụng vi mạch chun dụng hồn tồn sử dụng vi xử lí, kết hợp với IC khác để điều khiển Việc sử dụng vi xử lí tích hợp thêm nhiều chức khác cho ứng dụng cụ thể mà không cần tốn thêm nhiều modul khác Trên sở thơng qua việc điều chỉnh xung cấp cho động để điều khiển động chế độ, điều khiển tốc độ chiều quay động 4.2.1 Chế độ bước đủ (2 pha on) Xung cấp cho cuộn dây theo thứ tự sau: Bảng 4.1 Thứ tự cấp xung vào cuộn dây chế độ bước đủ (2 pha on) Địa Thứ tự xung Xung cấp cho cuộn dây 0x30 00110000 AB 0x24 00100100 AD 0x0c 00001100 CD 0x18 00011000 BC Nếu cấp xung theo địa : 0x30;0x18;0x0c;0x24 động quay theo chiều ngược lại Thời gian trễ 300, thay đổi thời gian tốc độ động thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 4.2.1.1Mã ccs( ex24) #include "DSP28_Device.h" const Uint16 Forward[]={0X30,0X24,0X0C,0X18}; const Uint16 Backward[]={0X30,0X18,0X0C,0X24}; const Uint16 StopCtrl=0x00; void Delay(Uint16); void main(void) { unsigned int i; InitSysCtrl(); DINT; IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieCtrl(); InitPieVectTable(); InitGpio(); EINT; ERTM; for(;;) { for(i=0;i