Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển vi bước (Micro stepping) ứng dụng bơm dịch đối lưu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM HỌC VIÊN : VÕ CƢỜNG Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN VI BƢỚC ( MICRO STEPPING ) ỨNG DỤNG BƠM DỊCH ĐỐI LƢU LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM HỌC VIÊN : VÕ CƢỜNG Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN VI BƢỚC ( MICRO STEPPING ) ỨNG DỤNG BƠM DỊCH ĐỐI LƢU LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 1 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Ngô Cao Cƣờng Chủ tịch 2 PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Quốc Hƣng Phản biện 2 4 TS. Võ Hoàng Duy Ủy viên 5 TS. Nguyễn Hùng Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Cƣờng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/11/1966. Nơi sinh: Tp. HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840002 I- Tên đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế và Điều Khiển Vi Bƣớc ( Micro stepping) Ứng Dụng Bơm Dịch Đối Lƣu II- Nhiệm vụ và nội dung: Nhiệm vụ: - Thực hiện luận văn đã chọn và đƣợc sự đồng ý chấp thuận giao nhiệm vụ thực hiện từ trƣờng và phòng quản lý sau đại học Nội dung: - Thực hiện nghiên cứu cơ sở lý thuyết của luận văn, giải thuật cần áp dụng - Thi công mô hình III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2013 V- Cán bộ hƣớng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả, mô hình thực nghiệm nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Võ Cƣờng ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt thời gian tham gia học chƣơng trình cao học và thực hiện luận văn thạc sĩ, tôi đã nhận đƣợc sự giảng dạy, giúp đỡ, hƣớng dẫn, góp ý rất nhiều của quý Thầy Cô bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ điện tử Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM cùng quí Thầy Cô Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp HCM. Trƣớc tiên, tôi chân thành cám ơn các quý Thầy đã tham gia giảng dạy chƣơng trình cao học ngành Cơ điện tử, đã giúp chúng tôi tích lũy thêm những kiến thức sâu rộng về chuyên môn, đã cung cấp cho tôi những biện pháp nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển. Tôi chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Duy Anh, ngƣời Thầy đã giảng dạy, hƣớng dẫn và góp ý giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ. Tp.HCM, ngày 17 tháng 11 năm 2013 Học viên Võ Cƣờng iii TÓM TẮT Thiết bị bơm dịch đối lƣu là thiết bị Y tế nên cần đƣợc thiết kế hoạt động với độ ổn định cao, thiết bị này sử dụng động cơ DC không chổi quét (Brushless DC Motor) dùng bơm dịch đối lƣu cần lƣu lƣợng bơm ổn định trong điều kiện áp lực và tải hệ thống phản hồi về luôn thay đổi. Từ nhu cầu điều khiển đối tƣợng có tham số phản hồi luôn bị thay đổi thì bộ điều khiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lƣợng đáp ứng tại mọi điểm làm việc. Vì vậy, việc thay đổi các thông số của bộ điều khiển PID để thích nghi với sự thay đổi của hệ thống theo thời gian là đặc biệt quan trọng. Với lý do đó, luận văn sẽ đƣa ra một phƣơng án thiết kế bộ điều khiển Self-Tuning PID, với các giá trị K p , K d , K i đƣợc tính toán dựa trên nền tảng lý thuyết Fuzzy Logic, ứng dụng trong việc điều khiển động cơ DC không chổi quét (BLDC MOTOR). Mặt khác thiết bị bơm dịch đối lƣu còn đƣợc thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống vận hành nhƣ: theo dõi áp suất trên đƣờng bơm dịch lúc điều trị, áp suất ngƣỡng báo động có thể thiết lập đƣợc bởi ngƣời sử dụng, điều khiển hệ thống van thủy lực đóng mở theo yêu cầu sử dụng, điều khiển ngƣỡng an toàn và báo động khi sự cố. iv ABSTRACT The pump solution in use for medical equipment should be designed to operate with high reliability, this device used a brush DC motor (Brushless DC Motor) solution pump flow convection should stabilize under conditions of pressure and load feedback system is always changing. From demand control subjects with feedback parameters are altered, the classic PID controller can not meet the quality assurance work at any point. So, changing the parameters of the PID controller to adapt to the change of the system over time is particularly important. For this reason, the thesis launched a design project of the Self- Tuning PID controllers, the value of Kp, Kd, Ki is calculated based on Fuzzy Logic Theory and application of control brush DC motors (BLDC MOTOR). Other side pumping equipment services are also designed to save the controller operating system such as monitoring pressure on the pump at the treatment, pressure alarm thresholds can be set by the user, the hydraulic control valve system open request to use, control and alarm threshold when safety incidents. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 1 1.1. Tổng quan về nội dung nghiên cứu 1 1.2. Mục tiêu luận văn 5 1.3. Tóm tắt luận văn 6 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUẬT ĐIỀU KHIỂN 7 2.1. Lý thuyết bộ điều khiển PID 7 2.2. Lý thuyết luật điều khiển Fuzzy 9 2.3. Phƣơng thức điều khiển BLDC motor 10 2.4. Mô hình hoá Brushless DC motor 15 CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN BLDC MOTOR VỚI LUẬT ĐIỀU KHIỂN FUZZY SELF-TUNING PID 21 3.1. Bộ điều khiển Fuzzy Self-Tuning PID ( FST PID) cho BLDCM 21 3.2. Mô hình Fuzzy self-tuning PID trong Simulink 26 3.3. Kết quả mô phỏng 30 vi CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 33 4.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống 33 4.2. Thiết lập chu trình hoạt động của thiết bị 33 4.3. Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển 36 4.4. Mô hình hoàn thiện 40 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 41 5.1. Lƣu lƣợng thực nghiệm 41 5.2. Đánh giá sai số 42 5.3. Dạng sóng : áp, xung kích nhóm fet trên, nhóm fet dƣới, dòng phase A 42 CHƢƠNG 6. ĐÁNH GIÁ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 46 6.1. Kết luận, đánh giá 46 6.2. Hƣớng phát triển đề tài 46 6.3. Các mặt hạn chế 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 48 [...]... NIPRO 4 1.1.4 Tổng quan nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài là thiết kế hệ thống bơm dịch đối lƣu, hệ thống này khi họat động phối hợp với máy HD đã có, với mong muốn kết quả điều trị tƣơng đƣơng máy HDF, nói cách khác là thêm hệ thống bơm dịch đối lƣu cho máy HD để trở thành máy điều trị tƣơng đƣơng chức năng máy HDF Hệ thống thiết kế bao gồm : - Mạch điều khiển động cơ DC không chổi quét... lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm) Tùy vào mục đích và đối tƣợng điều khiển mà bộ điều khiển có thể có thể đƣợc xây dựng từ các thành phần chỉ bao gồm P, PI, PD hoặc đầy đủ PID Bộ điều khiển chỉ có thành phần P *e (2.1.1) : hằng số tỉ lệ e : sai số Bộ điều khiển PD (2.1.2) : hằng số vi phân Bộ điều khiển PID ∫ (2.1.3) : hằng số tích phân Mô hình toán của bộ điều khiển PID trong miền thời... tiễn điều trị bệnh tại các trung tâm TNT Hình 1.3.a Máy TNT SURDIAL 1.2 Hình 1.3.b Thiết bị bơm dịch đối lƣu Mục tiêu luận văn Bằng giải thuật điều khiển Self-Tuning PID, với các giá trị Kp, Kd, Ki đƣợc tính toán dựa trên nền tảng lý thuyết Fuzzy Logic áp dụng điều khiển vi bƣớc cho động cơ bƣớc 3 pha, 6 step ( Brushless DC motor) tạo vòng xoay ổn định và chính xác trên cơ sở kiểm soát và điều khiển. .. của ngƣời sử dụng, nhằm cung cấp lƣợng dịch đối lƣu chính xác trên phút và áp lực dịch nằm trong ngƣỡng an toàn theo yêu cầu điều trị HDF cho bệnh nhân suy thận mãn trên cơ sở máy điều trị HD đã có 6 Lƣu lƣợng dịch đối lƣu của BLDCM bơm đạt theo yêu cầu thiết kế chuẩn tham khảo từ máy TNT SURDIAL của hãng NIPRO dùng BLDCM và dây truyền cùng loại Bảng 1.2 Đƣờng kính dây bơm, lƣu lƣợng và sai số Specifications... Tóm tắt luận văn Tổng quan của vấn đề nghiên cứu, cũng nhƣ mục tiêu và ý nghĩa của luận văn đƣợc trình bày trong nội dung của chƣơng 1 Phần chƣơng 2 tiếp theo là nội dung lý thuyết điều khiển cơ sở bộ điều khiển PID, phƣơng thức điều khiển BLDCM, mô hình hóa BLDCM Chƣơng 3, thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Self-tuning PID cho BLDCM, mô phỏng Simulink trên Matlab và kết quả mô phỏng Chƣơng 4, trình bày... Luật điều khiển Seft – tuning Fuzzy PID - Mạch kiểm soát áp lực, mạch điều khiển hệ thống valve, mạch hiển thị LCD và led 7 đoạn Lý do chọn BLDC M là động cơ loại này có thể điều khiển theo step thuận lợi cho bộ điều khiển số, từ cấu trúc trục lăn ngoài của BLDCM nên muốn có lƣu lƣợng ổn định thì cần tốc độ ổn định hay nói cách khác điều khiển tốc độ không điều khiển vị trí, mặt khác BLDCM có thiết kế. .. hoạt động hệ thống thủy lực, thiết kế sơ đồ mạch điện, lƣu đồ giải thuật cho chƣơng trình vi điều khiển, mô hình hoàn thiện Chƣơng 5, là kết quả thực nghiệm từ mô hình Đánh giá những vấn đề đã thực hiện đƣợc và hƣớng phát triển của luận văn cũng nhƣ kết luận đƣợc trình bày ở chƣơng 6 7 CHƢƠNG 2 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUẬT ĐIỀU KHIỂN Lý thuyết bộ điều khiển PID PID là cách vi t tắt của các từ Propotional... cho vi c điều khiển có hồi tiếp nhƣ 1 Servo motor, đồng thời trên cơ sở tham khảo máy NCU 18 có chức năng HDF của hãng NIPRO đã sử dụng BLDCM cho chức năng bơm máu và bơm dịch đối lƣu 1.1.5 Ý nghĩa luận văn Tại Vi t Nam từ những năm cuối thập kỷ 90 kỹ thuật chạy thận nhân tạo (HD : HemoDialysic) điều trị bệnh cho những bệnh nhân suy thận mãn bắt đầu đƣợc áp dụng, đầu tiên kỹ thuật này đƣợc áp dụng. .. hiện các đáp ứng phức tạp, ngay cả với hệ phi tuyến không chắc chắn Khác với điều khiển thông thƣờng, thiết kế FLC không đòi hỏi mô hình toán học cụ thể và chính xác của hệ thống, mà thay vào đó sẽ sử dụng sai lệch (Error) của tín hiệu đầu ra so với tín hiệu mong muốn và đạo hàm 10 của sai lệch (Derivative Error) giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động liên tục của đối tƣợng Cấu... loại ứng dụng các nhà sản xuất thiết kế số cặp cực, cuộn dây đấu kiểu sao, cuộn dây đấu kiểu tam giác… Để tiện vi c điều khiển BLDCM thƣờng đƣợc thiết kế ba hall sensor để giám sát pha hiện hành và vị trí hiện hành của rotor Hình 2.4 Cấu trúc BLDCM đấu sao 11 Do cấu trúc nhƣ một động cơ bƣớc dạng 3 pha nên BLDCM có thể đƣợc điều khiển bằng phƣơng pháp số hóa và kỹ thuật điều rộng xung (PMW) làm motor . I- Tên đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế và Điều Khiển Vi Bƣớc ( Micro stepping) Ứng Dụng Bơm Dịch Đối Lƣu II- Nhiệm vụ và nội dung: Nhiệm vụ: - Thực hiện luận văn đã chọn và đƣợc sự đồng ý. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM HỌC VI N : VÕ CƢỜNG Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN VI BƢỚC ( MICRO STEPPING ) ỨNG DỤNG BƠM DỊCH ĐỐI LƢU LUẬN VĂN. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM HỌC VI N : VÕ CƢỜNG Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN VI BƢỚC ( MICRO STEPPING ) ỨNG DỤNG BƠM DỊCH ĐỐI LƢU LUẬN