Sử dụng vi sử lý, vi điều khiển để nhận dạng tham số và điều khiển động cơ một chiều Nguyễn Viết Truyền.

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VIẾT TRUYỀN SỬ DỤNG VI XỬ LÝ, VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NHẬN DẠNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Động cơ một chiều với ưu điểm về dải điều chỉnh tốc độ rộng, dễ điều chỉnh tốc độ, mô men lớn nên được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền động như , truyền động các máy nghiề ộ Vấn đề đặt ra là phải nhận dạng và thay đổi được các tham số điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ sử dụng để điều khiển chính xác đối tượng. Ngày nay việc ứng dụng các bộ điều khiển số trong kỹ thuật cho ta các khả năng điều chỉnh chính xác, dễ dàng hơn nên việc ứng dụng nó ngày càng được nhân rộng. ộ , Vi xử lý, Vi điều khiển trong công nghi để ớng điều khiển chính xác hơn, linh hoạt hơn cùng các cơ sở khoa học kể trên là lý do tôi chọn đề tài: . Bố cục của luận văn bao gồm ba chương Chƣơng 1: =const trong . Chƣơng 2: =const. Chƣơng 3: m. Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn TS. Cao Xuân Tuyển, sự giúp của các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, , Xưởng Thực hành Điện tử công suất Trường Cao Đẳng Nghề công nghiệp Thanh hóa và các anh chị đồng nghiệp. Do hạn chế về thời gian và tài liệu tham khảo nên luận văn chắc chắn không tránh khỏi sự thiếu sót. Kính mong được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 3 tháng 8 năm 2014 Học viên Nguyễn Viết Truyền 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG I: M=CONST TRONG . 1.1 Tổng quan chung 1.1.1. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu Động cơ một chiều (DC) được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp vì chúng rất dễ điều chỉnh tốc độ, mô men lớn, Vấn đề đặt ra khi sử dụng động cơ DC là các động cơ này là ta phải đi nhận dạng các thông số để biết được các thông tin về chúng, từ đó mới có thể mô hình hóa được các động cơ DC dưới dạng toán học. Mô hình toán học giúp ta có thể dự đoán được hành vi của hệ thống và thiết kế bộ điều khiển cho toàn bộ hệ thống. Do ta không có các tham số của động cơ nên ta phải đối mặt với vấn đề là làm sao để kiểm soát cũng như điều khiển đối tượng này một cách chính xác. 1.1.2. Tổng quan về nhận dạng tham số điều khiển Mục đích của việc nhận dạng các tham số là đi tiến hành xây dựng một mô hình toán chính xác, thiết kế bộ điều khiển chính xác, dự đoán hành vi của đối tượng, nghiên cứu sản xuất khả thi với các tham số tìm được và xác định thông tin còn thiếu. Từ mô hình, ta cần lưu ý rằng có sự thay đổi trong điện cảm của phần ứng với dòng điện phần ứng, do vậy các phương pháp thông thường để nhận dạng tham số động cơ DC là không chính xác và dẫn tới việc điều khiển sẽ kém chất lượng. Do vậy, phải sử dụng các kỹ thuật đánh giá để ước lượng các giá trị tham số chưa biết hoặc thiếu chính xác với độ chính xác theo yêu cầu. Các phương pháp đánh giá có thể được chia thành hai loại như sau: Đánh giá ngoài tuyến (offline) và đánh giá trực tuyến (online) Có rất nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để nhận diện tham số, mỗi kỹ thuật có những ưu và nhược điểm riêng. Ta có thể liệt kê một số kỹ thuật như sau: 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [1] Năm 1975, W. Lord và J. H. Hwang đã chỉ ra rằng các kỹ thuật mô hình hóa tuyến tính có thể được áp dụng cho các động cơ DC kích từ riêng biệt nếu tìm được các tham số mô hình theo điều kiện làm việc động học. Họ sử dụng kỹ thuật của Pasek để xác định kiểu mô hình và tất cả các tham số của mô hình từ một đáp ứng dòng điện của động cơ với đầu vào điện áp kích từ dạng bước. Phương pháp Pasek là một trong số những kỹ thuật đầu tiên được sử dụng trong việc nhận dạng các tham số của động cơ DC. Nó xác định kiểu mô hình mẫu của động cơ DC hiệu suất cao và tất cả các tham số mô hình chỉ dựa trên đáp ứng dòng điện của thiết bị với một đầu vào là điện áp phần ứng dạng bước với tốc độ ở trạng thái xác lập. Nhưng phương pháp này gây ra một số vấn đề về thiết bị đo lường. Kỹ thuật này đòi hỏi phải đọc được chính xác dạng sóng quá độ giữa hai điểm, đây là điều khó có thể thực hiện được khi có nhiễu. Đồng thời phương pháp này cũng đo một số điểm trên đường cong đáp ứng thời gian của dòng điện, điều này khiến cho nó rất nhạy cảm với nhiễu chuyển mạch dòng điện, và do đó phương pháp này là không chính xác đối với các động cơ giá rẻ đang được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp. [2] Năm 1983, R. Schulz đưa ra kỹ thuật đáp ứng tần số để đo các tham số của động cơ hiệu suất cao. Mô hình động cơ bậc hai dưới điều kiện cụ thể được thể hiện tương đương với một mạch điện cộng hưởng mắc nối tiếp. Việc đo đáp ứng tần số của động cơ khi được coi là mạch trở kháng, tạo nên nền tảng của kỹ thuật đo lường có rất nhiều ưu điểm trong thực tế. Các kết quả được so sánh với các phép đo lường được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường. Phương pháp đáp ứng tần số xác định các tham số của động cơ DC hiệu suất cao bằng cách coi mô hình đồng cơ bậc hai là một mạch trở kháng (mạch RLC), và hiệu chỉnh các giá trị của các phần tử trên mạch RLC để tìm ra đáp ứng của động cơ DC và tính đến một số mối liên quan giữa các tham số của động cơ DC. Phương pháp này sử dụng một tín hiệu AC có tần số xác định 1kHz. Tuy nhiên phương pháp này không phù hợp với bài toán khi có nhiễu do nó nhạy cảm với nhiễu. [3] Năm 1991, S. Weerasooriya và M. A. El-Sharkawi đã đưa ra mạng nơron nhân tạo dựa trên hệ thống điều khiển tốc độ hiệu suất cao cho động cơ DC. Mục đích là 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ để đạt được độ điều khiển bám chính xác của tốc độ, đặc biệt là khi chưa biết các tham số tải và động cơ. Động học phi tuyến chưa biết của động cơ và tải được thu thập bằng mạng nơron nhân tạo. Việc thực hiện nhận dạng vàg các thuật toán điều khiển được đánh giá bằng cách mô phỏng chúng dựa trên mô hình động cơ DC thông thường. Cách thông thường được dùng để xác định đặc tính của động cơ DC là đi thực hiện các kiểm tra riêng rẽ cho từng thông số, nhưng cách này không chỉ gây mất thời gian mà còn có thể tạo ra các kết quả sai lệch nếu các tham số được đo ở điều kiện tĩnh hoặc không tải. Phương pháp này giả thiết hệ thống là hệ SISO và không thể tìm được các tham số động cơ DC và không phù hợp với mục đích của luận văn. [4] Năm 2001, S. Saab và R. Abi Kaed-Bey đã chỉ ra rằng các tham số của một động cơ DC có thể ước lượng được bằng thực nghiệm thông qua phép đo rời rạc bằng một đồng hồ đo lực tích hợp sẵn. Các đầu ra của đồng hồ đo lực là các kết quả đo rời rạc của dòng điện phần ứng, vận tốc góc, điện áp phần ứng (đầu vào hệ thống), và các lực do động cơ sinh ra. Họ đã sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu để thực hiện nhận dạng tham số của động cơ DC mà không cần sử dụng bộ chuyển đổi D/A và bộ khuếch đại công suất. Hệ thống vật lý nghiên cứu được mô tả dưới dạng các tham số và sau đó cực tiểu hóa hàm mục tiêu theo các tham số bằng quá trình lặp. Tại cực tiểu của hàm mục tiêu, các giá trị của các tham số mô tả cấu trúc thực của hệ thống vật lý. Thay vì đi tạo ra nghiên cứu chi tiết và phát triển một mô hình dựa trên mức độ chuyên sâu về vật lý và kiến thức, ta đi đề xuất một mô hình toán cho phép đủ để mô tả bất cứ phép đo đầu vào và đầu ra nào quan sát được. Điều này làm giảm khối lượng công việc mô hình hóa đi một cách đáng kể. [5] Năm 2004, A. Dupuis, M. Ghribi và A. Kaddouri đã đơn giản hóa việc nhận dạng offline các tham số của động cơ bằng cách đề xuất một phương pháp mới dựa trên tối ưu hóa bằng cách sử dụng thuật toán gen trội đa mục đích. Thuật toán gen phân loại không trội (NSGA-11) cũng được sử dụng để cực tiểu hóa sai lệch giữa các đáp ứng dòng điện và vận tốc của dữ liệu và mô hình ước lượng. Tính bền vững của phương pháp cũng được thể hiện bằng cách ước lượng các tham số của động cơ 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DC theo 4 trường hợp khác nhau. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng phương pháp này ước lượng một cách thành công các tham số của động cơ và cũng có thể đồng thời nhận dạng được mômen tải. Nhược điểm của phương pháp này là thường phải tính toán cả các kiểu hàm giống nhau gây mất nhiều thời gian. [6] Năm 2006, R. Garrido và R. Miranda đã đề xuất một phương pháp mới để nhận dạng vòng kín của cơ cấu servo DC điều khiển vị trí. Vòng lặp quanh servo được khép kín bằng bộ điều khiển tỷ lệ vi phân (PD). Mô hình servo được điều khiển một cách đồng thời bằng một bộ điều khiển PD thứ hai. Sai lệch và đạo hàm của sai lệch giữa đầu ra của cả servo thực và servo mẫu được sử dụng để nhận dạng tham số động cơ, ngược lại các tham số này được sử dụng để cập nhật mô hình mẫu. Các thuộc tính của tổ hợp nhận dạng được nghiên cứu bằng lý thuyết ổn định Lyapunov, một nghiên cứu về cách sử dụng mạng nơron đa lớp để đo hàm truyền của hệ thống điện để sử dụng trong bộ ổn định hệ thống điện (PSS) hiệu chỉnh và đánh giá độ tắt dần PSS. Mục tiêu đặt ra là đo nhanh chóng và chính xác hàm truyền có liên quan đến đầu ra công suất điện với đầu vào điện áp đặt AVR PSS của hệ thống có đối tượng làm việc dưới điều kiện làm việc bình thường. Tuy nhiên chưa đánh giá được sai lệch khi thực hiện, đặc biệt là khi có biến động về nhiễu hệ thống. [7] Năm 2007, W. Aung đã mô tả phép phân tích dựa trên mô hình mẫu và mô phỏng động cơ DC và các đạp hàm phần hệ thống điều khiển, phần cứng, phần mềm. Với việc mô hình hóa động cơ DC, ta có thể phân tích được động cơ này bằng các kỹ thuật của đáp ứng bước, đáp ứng xung và giản đồ Bode nhờ MATLAB Simulink. Tất cả các dữ liệu dựa trên mạch nội tại của động cơ DC đơn giản và các đặc tính của nó có thể phân tích được bằng cả việc tính toán thiết kế hệ thống điều khiển hoặc bằng phần mềm Matlab. Phương pháp này sử dụng hệ thống nhận dạng phức tạp đòi hỏi các kỹ thuật cao, phức tạp và chi phí thực hiện lớn. Trong luận văn này tôi trình bày thêm một cách tiếp cận hệ thống nhận dạng nhanh chóng và hiệu quả dựa trên luật mở rộng của Taylor (Taylor Alexander) 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trong việc thực hiện, đáp ứng tốc độ động cơ dưới điện áp không đổi được lấy mẫu, sau đó chuẩn hóa các mẫu để có được hệ số trong chuỗi Taylor. Với việc thu thập đầy đủ về các thông số cần thiết, động cơ được mô hình hóa phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển. Phương pháp này có các đặc điểm sau: - Tất cả các tham số động cơ đáng kể đến đều được xác định đồng thời trong một điều kiện tải và động. - Không cần phải đo các đại lượng không điện. - Các kết quả là các giá trị đầu ra trung bình để cực tiểu hóa các sai lệch do nhiễu gây ra. - Không cần dùng đến các thiết bị đo lường phức tạp. 1.2. Quá trình nhận dạng tham số điều khiển 1.2.1. Cơ sở của phƣơng pháp Xét các phương trình động cơ DC sau đây : (1.1) (1.2) (1.3) Với: V: là điện áp đặt vào động cơ Kt: là hằng số mô-men xoắn , R: là điện trở phần ứng, L: điện cảm phần ứng, J: là hệ số quán tính , Tcog: là ma sát động Đáp ứng tốc độ trong miền Laplace là 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (1.4) Xét hai trường hợp: - Trường hợp1: Nhiễu mô-men xoắn là không đáng kể Đầu vào điện áp quá lớn, chúng ta có thể bỏ qua các mô-men xoắn nhiễu trong đáp ứng tốc độ. Trong trường hợp này , chúng ta có thể xem xét các mô hình động cơ DC sau đây (1.5) Các hệ số thu được từ phương trình trên tạo chuỗi đường cong phù hợp với dữ liệu đápứng tốc độ động. - Trường hợp 2: Tính toán có kể đến nhiễu Mô-men xoắn . Cho rằng nhiễu mô-men xoắn trong động cơ DC là đáng kể. (1.6) Nhiễu mô-men xoắn thông thường bao gồm các mô-men xoắn cogging (nhớt) và mô-men xoắn ma sát. Các mô-men xoắn cogging là khá phức tạp và không được đề cập ở đây. Cả hai động và nhớt va chạm được coi và được giả định là liên tục trên trung bình dưới một tốc độ động cơ không đổi. Với một động cơ cấp điện áp ổn định và nhiễu thay đổi liên tục (bỏ qua các mô-men xoắn cogging hoặc xem ảnh hưởng cogging mô-men xoắn ở tốc độ nhỏ hơn trung bình), đáp ứng tốc độ: (1.7) 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Như trong phần trước, áp dụng các phần mở rộng các đáp ứng trong miền Laplace, sau đó mở rộng theo cấp số nhân trong miền thời gian sử dụng luật Taylor, ta có được đáp ứng theo thời gian: (1.8) Dựa trên các hệ số, chúng ta có (1.9) (1.10) (1.11) 1.2.2. CARD thu thập tín hiệu và điều khiển Sử dụng card ADVANTECH PCL - 818L PCL - 818L là CARD với nhiều chức năng được sử dụng để đo lường và điều khiển. Do tính năng ưu việt của nó việc tìm hiểu hoạt động của nó là rất cần thiết để tiếp cận với kỹ thuật thu thập số liệu bằng máy DAS (Data Acquisition System) . Dưới đây là các chức năng chính của CARD : - Chuyển đổi A / D 16 kênh tốc độ lấy mẫu 12-bit 40000 / s - Chuyển đổi D / A 1 kênh 12 bit - 16 đầu vào kỹ thuật số TTL - 1 bộ đếm / định thời 16 bit cho người sử dụng [...]... khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F452 để điều khiển tốc độ động cơ bằng thuật tốn PID, sử dụng chức năng PMW để điều khiển dòng điện cấp cho động cơ + Sử dụng LCD để hiển thị tốc độ động cơ và các thơng số PID + Sử dụng động cơ có gắn encoder để đọc tốc độ của động cơ + Vi điều khiển sẽ đọc tốc độ động cơ từ tín hiệu phản hồi encoder thơng qua chức năng ngắt ngồi + Vi điều khiển sử dụng chức năng ADC để. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 21 =CONST Điều khiển tốc độ động cơ một chiều có thể sử dụng bằng nhiều cấu trúc điều khiển khác nhau, nhiều hệ điều khiển khác nhau Trong nội dung luận văn này, tơi xin trình bày cách sử dụng Vi xử lý, Vi điều khiển để thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều theo hướng điều khiển tích hợp và linh hoạt hơn từ vi c sử dụng Vi điều khiển PIC18F452 tới bộ điều khiển tích hợp mới DSP... lý làm vi c của mạch - Khối cơng suất Chức năng chính của khối cơng suất là cách ly giữa động cơ và mạch điều khiển, mạch điều khiển sử dụng cầu H để điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ Sơ đồ cầu H Cầu H được điều khiển bằng tín hiệu PMW từ vi điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 31 Giả sử ta cần điều khiển động cơ quay theo chiều thuận thì khi đó ta điều khiển. .. hiện q trình nhận dạng trên ta xác định được các tham số động cơ Ke Hằng số sức phản điện động Kt Hằng số momen quay J Momen qn tính của rotor để phục vụ cho q trình mơ hình hóa, mơ phỏng động cơ và thay đổi các tham số điều khiển để thay đổi tốc độ động cơ Kết luận: Phương pháp nhận dạng này cho phép chúng ta nhận dạng được các tham số động cơ đơn giản hơn và sử dụng được các thiết bị sẵn có để thực hiện... nút SET một lần nữa để xác nhận bộ thơng số P I D mới Bộ điều khiển đo tốc độ động cơ bằng ngắt INT0 đọc encoder, đo dòng đưa về ở dạng analog bằng ADC Từ tốc độ đọc về kết hợp với tốc độ đặt, VĐK đưa ra giá trị PWM phù hợp để điều khiển động cơ 2.1.2 Chƣơng trình điều khiển Xem phụ lục 2: Code lập trình điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng Vi điều khiển PIC18F452 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... dụng vi điều khiển PIC 18F452 Có LCD để hiển thị tốc độ Hình 2.5: Text LCD Trong hệ thống này chúng ta sử dụng LCD 16x2 điều khiển bởi chíp HD44780U giao tiếp song song Nó chứa sẵn 208 kí tự mẫu, kích thước font 5x8 và 32 kí tự mẫu 5x10 Sử dụng phương pháp điều khiển PMW (điều chế độ rộng xung), và sử dụng phương pháp điều khiển PID, PI hoặc PID Mạch điều khiển có thể lựa chọn 1 trong 3 phương pháp điều. .. được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát - thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xun qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Về mạch gồm 2 phần: Mạch lực và mạch điều khiển Mạch lực sử dụng linh kiện cơng suất Tranzitor để điều khiển trực tiếp động cơ thơng qua xung từ mạch điều khiển Mạch điều khiển sử dụng. .. thứ tư là tính bằng cách sử dụng các giá trị từ bảng 1 Lưu ý: Kb = 0,0233 volt /(rad/s), và kt = 0,0183 Nm / A được sử dụng để tính tốn cột thứ tư của bảng Bảng tham số 2: Để chứng minh thêm hiệu quả của đề xuất các thuật tốn, tơi so sánh với các phương pháp nhận dạng thơng thường Đầu tiên, tơi cấp cho động cơ điện áp đầu vào (10 volt tối đa ) và đo tốc độ động cơ tốc độ tại một tỷ lệ lấy mẫu 10 kHz... PMW cho MOFET A và D mở, khi đó dòng điện sẽ đi từ VCC qua MOFET A đến động cơ rồi về GND qua MOFET D Tốc độ động cơ sẽ được điều khiển bằng tín hiệu PMW có độ rộng tương ứng từ 0%-99% Khi cần điều chỉnh theo chiều quay nghịch thì khi đó ta điều khiển tín hiệu PMW cho MOFET B và C mở, khi đó dòng điện sẽ đi từ VCC qua MOFET B đến động cơ rồi về GND qua MOFET C Tốc độ động cơ sẽ được điều khiển bằng tín... đã được thể hiện qua mơ phỏng và thử nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 20 bằng cách so sánh đường đặc tính của tốc độ động cơ thực với đường đặc tính của tốc độ của mơ hình nghiên cứu trong miền z và miền s Từ đó có thể kết luận rằng vi c nhận dạng tham số động cơ DC đã xác định được các tham số động cơ đạt được chất lượng theo u cầu đặt ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu