Thiết kế được phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320

1 LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Xuất phát từ những ứng dụng của động cơ một chiều cùng các bộ Vi xử lý, Vi điều khiển ngày càng rộng rãi trong tự động hoá, và việc nhận dạng tham số động cơ trong điều khiển. - Xuất phát từ yêu cầu nghiên cứu, đào tạo thực hành thí nghiệm tại trung tâm thí nghiệm trường đại học kĩ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 2. Mục tiêu nghiên cứu: - Mục tiêu chung: sử dụng Vi xử lý, Vi điều khiển đẻ nhận dạng tham số và điều khiển tốc đọ động cơ một chiều với tải có M = const. - Các mục tiêu cụ thể: + Xây dựng mô hình, thuật toán nhận dạng tham số điều khiển. + Thiết kế phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320. + Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua mô phỏng và thực nghiệm. 3. Các kết quả đạt được trong luận văn - Xây dựng được mô hình, thuật toán nhận dạng tham số điều khiển. - Thiết kế được phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320. - Mô phỏng được hệ thống bằng Matlab. CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ NHẬN DẠNG THAM SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU, VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI TẢI CÓ M=CONST TRONG ĐIỀU KHIỂN. 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 1 2 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. 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: [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. 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. Các kết quả được so sánh với các phép đo lường được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường. 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 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 2 3 hình động cơ DC thông thường. 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. 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) 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 phương pháp Đáp ứng tốc độ trong miền Laplace là (1.4) Xét hai trường hợp: - Trường hợp1: Nhiễu mô-men xoắn là không đáng kể - Trường hợp 2: Tính toán có kể đến nhiễu Mô-men xoắn . 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 đó rất phù hợp với kỹ thuật thu thập số liệu bằng máy DAS (Data Acquisition System). 3 4 Hình 1.1: Vị trí cầu nối, biến trở và đầu nối của Card PCL -818L Hình 1.2 : Sơ đồ khối của CARD PCL - 818L 4 5 Lập trình cho Card PCL818L Xem Phụ lục 1: Lập trình cho Card PCL818L. 1.3. Thực hiện và kết quả Để thực hiện các thuật toán , một giao diện chương trình LabVIEW được tạo ra để điều chế độ rộng xung (PWM) và một bộ mã hóa quang học với kết quả đầu ra số gắn trên trục động cơ. Đầu tiên, áp dụng các thuật toán để không có nhiễu mô-men xoắn. Để áp dụng thuật toán này, một phần đáp ứng tốc độ do điện áp đầu vào được giả định chiếm ưu thế. Ta có Hình 1.4: Đáp ứng dòng điện (đầu vào : đen, đo lường : đỏ,) Để chứng minh tính hiệu quả của thuật toán, tôi đã cấp hai điện áp 2 volt và 10 volt cho động cơ, động cơ ở hai cấp điện áp khác nhau có ma sát động thay đổi theo tốc độ, cũng có thể cho phép chúng ta tính toán hệ số giảm chấn. Để ước lượng Tm, đồng thời tốc độ động cơ trong cả hai giai đoạn quá độ và trạng thái ổn định được lấy mẫu tại 1 kHz trong một giây. Trong mỗi thử nghiệm, động cơ được điều khiển nhiều lần và ước lượng tham số được tính trung bình. Thí nghiệm với 3 trường hợp cụ thể đó là : Trường hợp không tải Trường hợp tải = định mức Trường hợp tải = 1,2 định mức. Sau đó, đáp ứng tần số đã được tính toán thông qua quang phổ phân tích. Dựa trên các dữ liệu đáp ứng tần số tính toán, tôi sử dụng Matlab nhận dạng hệ thống hộp công cụ để xác định một mô hình bậc hai. Và kết quả nhận được là: - Trường hợp không tải: 5 6 Hình 1.5: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ trường hợp không tải - Trường hợp khi tải là định mức Hình 1.6: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ tải định mức. Trường hợp với tải = 1,2 đm Hình 1.7: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ tải =1,2đm Nhận thấy đáp ứng dòng điện giữa đầu vào và đo lường không chênh lệch nhau nhiều ở các trường hợp đã xét. Như vậy, thực hiện quá trình nhận dạng trên ta 6 7 xác định được các tham số động cơ K e, K t, J để phục vụ cho quá trình mô hình hóa, mô 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. Tính khả thi của phương pháp được đề xuất đã được thể hiện qua mô phỏng và thử nghiệm bằng cách so sánh đường đặc tính của tốc độ động cơ thực với đường đặc tính của tốc độ của mô hình nghiên cứu trong miền z và miền s. Từ đó có thể kết luận rằng việc nhận dạng tham số động cơ DC đã xác định được các tham số động cơ đạt được chất lượng theo yêu cầu đặt ra. 7 8 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VI XỬ LÝ, VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC VỚI TẢI CÓ M=CONST. 2.1 Sử dụng Vi điều khiển PIC18F452. 2.1.1 Cấu trúc phần cứng. 2.1.1.1 Giới thiệu chung a. Sơ đồ khối vi điều khiển PIC18F452 Hình 2.1: Sơ đồ khối của PIC 18F452 8 9 b. Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC18F452. - Sơ đồ chân Hình 2.2: Sơ đồ chân chân của PIC18F452 c. Đặc điểm của vi điều khiển PIC18F452 Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC18Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. d. Tổ chức bộ nhớ: Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC18F452 bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory). 2.1.1.2. Thiết kế sơ đồ mạch. a. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Đối tượng điều khiển : Động cơ 1 chiều, Udm=21,5V, có phản hồi tốc độ dùng encoder, độ phân giải 200xung/vòng. 9 10 Hình 2.4: Encoder quang Về mạch gồm 2 phần: Mạch lực và mạch điều khiển Mạch lực sử dụng linh kiện công suất Tranzitor để điều khiển trực tiếp động cơ thông qua xung từ mạch điều khiển. b. Sơ đồ nguyên lý các khối, sơ đồ mạch in và xây dựng mạch thực. 10 [...]... chiều sử dụng Vi điều khiển PIC18F452 2.2 Sử dụng Vi điều khiển TMS3 20F2812 2.2.1 Cấu trúc phần cứng 2.2.1.1 Giới thiệu chung TMS3 20F2812 và TMS3 20C2812 là các thành viên của họ TMS3 20C28x ™ DSP, được tích hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụng điều khiển a Các tài nguyên của TMS3 20F2812 • DSP xử lý TMS3 20F2812, 32 bit xử lý kỹ thuật số tốc độ cao • Có thể được lập trình ít nhất 100.000... MATLAB, một sự thay đổi trên dòng 48 lệnh: chu kỳ = (double ( pid ) * 100./64000 ) ; - Nạp chương trình vào phần cứng: > File> Load Program, chọn thư mục Debug, rồi chọn file nạp vào DSP - Chạy chương trình: > Debug > Run Kết luận: Sử dụng Vi điều khiển PIC18F452 hay TMS3 20 F2812 ta cũng đều thiết kế được bộ điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ một chiều đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc và nguyên... chọn và nêu được ưu điểm của phương pháp được sử dụng Nghiên cứu các hệ thống điều khiển đã có và xây dựng hệ thống mới theo hướng cải tiến về mức độ tích hợp và tính linh hoạt - Xây dựng được mô hình nhận dạng tham số ứng với phương pháp tiếp cận theo luật mở Taylor - Thiết kế được bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng với 2 dòng Vi điều khiển khác nhau (PIC và. .. Vi điều khiển khác nhau (PIC và TMS3 20) - Xây dựng được mô hình thực nghiệm hệ thống bộ điều khiển – động cơ ứng với 2 dòng Vi điều khiển PIC và TMS3 20 - Cài đặt được chương trình và tiến hành thực nghiệm bằng Matlab/Simulink điều khiển thời gian thực, các kết quả thực nghiệm phản ánh tính đúng đắn của nội dung nghiên cứu, tuy nhiên kết quả mới dừng lại ở bước đầu, và là tiền đề để cho các cải tiến... động cơ + Đáp ứng tốc độ: Hình 3.4 Đáp ứng tốc độ của động cơ 3.1.3 Kết quả đáp ứng khi chạy thực 19 (3.5) 20 +) Đáp ứng dòng điện: Hình 3.5 Đáp ứng dòng điện của động cơ khi chạy thực +) Đáp ứng tốc độ Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ của động cơ khi chạy thực Nhận xét: Sau khi khởi động khoảng 0,6s thì dòng điện và tốc độ động cơ dần ổn đinh Sau khi động cơ nhận tải thì khoảng 0,3s tốc độ của động cơ và dòng... thấy được là đặc tính mô phỏng gần như trùng khít hoàn toàn với đặc tính điều khiển thực Do đó các bộ điều khiển đã được thiết kế đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật theo yêu cầu đặt ra KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận Sau khi hoàn thành nội dung nghiên cứu, luận văn của tôi đã được những kết quả sau: - Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp nhận dạng tham số và điều khiển tốc độ động cơ một chiều, ... mạch Giả sử ta cần điều khiển động cơ quay theo chiều thuận thì khi đó ta điều khiển tín hiệu 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% - Mạch điều khiển Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F452 để điều khiển tốc độ động cơ bằng thuật toán PID, sử dụng chức... hiện chương trình trên board mạch, chúng ta phải chú ý đến việc thiết lập Jumper trước tiên Việc thiết lập jumper sai có thể dẫn đến chương trình chạy không đúng mục đích 2.2.1.3 Thực hiện các cấu trúc điều khiển Động cơ có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí Encoder này có độ phân giải là 1000xung/vòng, các pha A,B và Z được kết nối với các chân QEP tương ứng của DSP TMS3 20F2812 15 16 Hình... thì khoảng 0,3s tốc độ của động cơ và dòng điện của động cơ cùng đạt giá trị định mức Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng và khi chạy thực không chênh lệch nhau nhiều, như vậy bộ điều khiển thiết kế đạt được các chỉ tiêu cơ bản 3.2 Mạch sử dụng DSP TMS3 20F2812 3.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng offline a) Xây dựng hệ phương trình toán học động cơ DC servo RH-14, có: Ra= 2.7Ω, La =1.1mH, Kt= 5.76 Nm/A,... động cơ Mạch điều khiển có hai chế độ hoạt động là AUTO mà MANUAL được lựa chọn thông qua nút bấm AUTO/MANUAL 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 12 13 2.1.2 Chương trình điều khiển Xem phụ lục 2: Code lập trình điều khiển tốc độ động cơ một chiều . dựng được mô hình, thuật toán nhận dạng tham số điều khiển. - Thiết kế được phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320. - Mô phỏng được. điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320. + Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua mô phỏng và thực nghiệm. 3. Các kết quả đạt được trong. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU, VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI TẢI CÓ M=CONST TRONG ĐIỀU KHIỂN. 1.1 Tổng quan chung 1.1.1. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu Động cơ một chiều