Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320 trong điều khiển, phục vụ công tác đào tạo tại trung tâm thí nghiệm trường đại học KTCN thái nguyên

1 LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết cua đề tài Chúng ta sống kỷ nguyên đại thừa hưởng thành tiến khoa học kỹ thuật Cùng với phát triển nghành khoa học kỹ thuật khác điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thơng, tự động hóa dây truyền sản xt ngành tự động hóa phát triển mạnh mẽ góp phần tăng xuất lao động giảm chi phí giá thành mặt hàng tự động hóa khơng đại đa dạng mà cịn có nhiều phương án tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí nâng cao hiệu sản xuất Là giáo viên khoa Điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên trực tiếp tham gia đào tạo, nên quan tâm đến hệ thống sử dụng điều khiển số vào ứng dụng điều khiển, đề tài muốn đề cập đến việc sử dụng TMS320 vào điều khiển Xuất phát từ lý chọn đề tài : “Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320 điều khiển, phục vụ cơng tác đào tạo trung tâm thí nghiệm Trường Đại học KTCN Thái Nguyên” Mục tiêu luận văn Xây dựng hệ thí nghiệm điều khiển động sử dụng vi xử lý TMS phục vụ cho công tác đào tào Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Trên sở thiết bị có trường nội dung chương trình đào tạo, dựa vào kết nghiên cứu này, tiến hành triển khai thành modul thực hành phục vụ công tác đào tạo cho Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Ý nghĩ khoa học thực tiễn đề tài Nâng cao chất lượng đào tạo nghề nhà trường Đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất thực tế sử dụng rộng rãi hệ thông thiết bị đòi hỏi chất lượng điều khiển CHƯƠNG KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM 1.1.Tổng quan tms320 1.1.1 Cấu trúc dsp tms320f2812 1.1.1.1 Giới thiệu chung TMS320F2812 TMS320C2812, thành viên họ TMS320C28x ™ DSP, tích hợp cao, hiệu suất cao, giải pháp cho yêu cầu ứng dụng điều khiển Hình 1 Sơ đồ nối chân TMS320F2812 1.1.1.2 Giới thiệu tóm tắt mô tả C28x ™ DSP hệ thành viên tảng TMS320C2000 ™ DSP C28x công cụ hiệu C/C + +, cho phép người dùng để phát triển không hệ thống kiểm sốt mềm ngơn ngữ cấp cao, cho phép thực thuật toán phát triển cách sử dụng C/C++ Memory Bus ( Hardvard Bus Architecture ) [6] Peripheral Bus [6] Real – Time JTAG Analysis [6] External Interface (dao diện bên ngoài) [6] Flash [6] Các khối nhớ M0, M1 SARAMs L0, L1, H0 SARAMs [6] Boot ROM [6] Bảo mật (Security) [6] Thiết bị ngoại vi ngắt khối mở rộng (PIE) [6] 10 External Interrupts (ngắt ngoài) (XINT1, XINT2, XINT13, XNMI) [6] 11 Mạch dao động (Oscillator) PLL [6] 12 giám sát (watchdog) [6] 13 Peripheral Frames 0, 1, (PFn) [6] 14 Bộ xen kênh vào/ra đa [6] 15 32 bit CPU – timer (0, 1, 2) [6] 16 Kiểm soát thiết bị ngoại vi [6] 17 Ngoại vi nối tiếp [6] 18 On- chip ADC [6] 1.1.2 Cổng vào số ( Digital I/O ) 1.1.3 Chuyển đổi tương tự số ( ADC) 1.1.4 Hệ thống ngắt F2812 1.1.5 Modul quản lý kiện (EV ) 1.2 Các môi trường phần mềm hỗ trợ phát triển dsp f281x Mơi trường làm việc có sử dụng trình biên dịch CCS, mơi trường lập trình đồ họa ViSsim, Matlab… 1.2.1 Sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) 1.2.2 Sử dụng môi trường lập trình đồ họa ViSsim 1.2.3 Matlab gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000 1.3 Ví dụ ứng dụng tms320 vào điều khiển Ví dụ 1: Ứng dụng DSP TMS320F28x Matlab lĩnh vực điều khiển tự động Việc kết hợp IC DSP TMS320F28x Matlab tạo nhiều điều khiển linh hoạt, giúp người học nắm rõ giải thuật điều khiển lĩnh vực tự động hóa mà khơng cần thiết phải thí nghiệm nhiều đối tượng Ví dụ 2: sử dụng TMS320 điều khiển động chiều Động có gắn sẵn encoder để phản hồi tốc độ vị trí kết nối với chân QEP tương ứng DSP TMS320F2812 Hình Cấu trúc điều khiển số vị trí động DC servo phản hồi DSP TMS320F12812 nhận đếm xung định thời mục đích chung Căn số xung đếm khoảng thời gian lấy mẫu để tính tốn tốc độ động vị trí CHƯƠNG ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Đặt vấn đề Trong thực tế sản xuất nay, chuyển động thẳng dạng chuyển động phổ biến, xuất nhiều, đặc biệt lĩnh vực khí Cho đến việc tạo chuyển động thẳng hầu hết thực cách gián tiếp thơng qua động quay trịn với ưu bền vững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao,… Tuy nhiên hệ thống phải bổ sung cấu chuyển đổi trung gian hộp số, trục vít,… nên dẫn đến phức tạp kết cấu khí, bên dao động riêng, tổn hao lượng ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động hệ thống Việc sử dụng loại động có khả tạo chuyển động thẳng trực tiếp cho phép loại bỏ nhược điểm nói Các hệ truyền động dùng động truyền động thẳng phát triển nhanh Những cải tiến tiếp tục diễn toàn dải công suất sản phẩm 2.2 Khái Quát đối tượng điều khiển 2.2.1 Đặc điểm hệ chuyển động thẳng Một hệ thống chuyển động thẳng thực hai cách trực tiếp gián tiếp, hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp xây dựng dựa động quay ĐCTT sử dụng hệ chuyển động thẳng trực tiếp: ĐCTT loại động tạo trực tiếp chuyển động thẳng, lớp học đặc biệt động servo không chổi than đồng bộ, làm việc động mô-men xoắn Để hiểu nguyên lý ĐCTT, ta cần hình dung động quay tròn (một chiều, xoay chiều, từ kháng, bước …) với hai phận: phần tĩnh (stator) phần động (rotor) Một hai phận nơi dịng lượng điện đến (phía sơ cấp), phận lại dòng lượng rời dạng (phía thứ cấp) Khi hình dung tăng dần bán kính động tiến tới vơ cùng, ta có phần stator dạng trải dài phần rotor phần di động bề mặt trải dài Thơng qua tương tác điện từ cuộn dây (phần chính) nam châm vĩnh cửu (phần phụ), lượng điện chuyển thành lượng học tuyến tính với mức độ cao hiệu Hình Hình ảnh ĐCTT thu trải dài động quay tròn Từ hình dung ta rút hai điều sau: - Có thể tạo ĐCTT có nguyên lý từ động quay tròn kinh điển - Có thể áp dụng phương pháp điều khiển quen biết cho ĐCTT tương ứng 2.2.2 Khái quát phương pháp điều khiển động tuyến tính ĐCTT có ngun lý kế thừa từ động quay nên phần lớn nghiên cứu động có nguồn gốc từ nội dung thực động quay mối quan hệ tương đương cấu tạo hai nhóm động Tuy vậy, cịn có đặc điểm riêng đặc trưng cho ĐCTT 2.2.2.1 Nguyên lý điều khiển chung Cũng phương pháp thực động quay, lúc phương pháp điều khiển cho ĐCTT dựa hai hướng dựa vào nguyên lý điều khiển vector nguyên lý điều khiển vô hướng 2.2.2.2 Phương pháp điều khiển Cũng động quay, nhiệm vụ điều khiển ĐCTT gồm hai nội dung chính, đảm bảo chất lượng mặt động học động lực học 2.3 Mơ hình hóa ĐCTT Chất lượng làm việc hệ thống điều khiển phụ thuộc nhiều vào tính xác mơ hình đối tượng điều khiển mà cụ thể ĐCTT Do nghiên cứu liên quan đến chất cấu tạo hay phương pháp mô hình hóa động quan tâm Về chất cấu tạo động cơ, nghiên cứu sâu vào việc khai thác đặc điểm tổng quát động họ coi thành phần như: phân bố mật độ từ trường,… hàm điều hịa theo vị trí mà có tính chất tuần hồn hay xác định mơ hình động phương pháp phần tử hữu hạn,… ĐCTT có nguồn gốc từ động quay ĐCTT tồn đặc điểm riêng mà khơng có động quay Không giống động quay, điểm phân bố dọc theo bề mặt khe hở có vai trị tương đương ĐCTT, có phân biệt khu vực đầu, cuối với nhóm điểm nằm mặt diễn biến điện từ xuất hiện tượng đầu – cuối (Endeffect) động loại này, gây ảnh hưởng đến lực, từ thơng hình thành động kéo theo cần cấu trúc điều khiển có khả khắc phục tượng Vậy ưu việc sử dụng ĐCTT hệ chuyển động thẳng nói chung Với hệ thống địi hỏi độ xác cao sử dụng ĐCTT phù hợp 2.3.1 Nguyên lý cấu tạo làm việc động tuyến tính Nguyên lý cấu tạo: Về cấu tạo động truyền động thẳng có loại: Loại stato ngắn sử dụng nhiều Phần tĩnh (stato) khơng cịn ý nghĩa mà phần lấy lượng vào phần sơ cấp phần ứng phần thứ cấp Cuộn dây nối với nguồn điện thường đặt phần sơ cấp Động truyền động thẳng đồng sử dụng mạch từ nam châm vĩnh cửu Phổ biến động truyền động thẳng không đồng Loại stato ngắn (hình a); Loại stator dài (hình b) ; Loại stator lược (hình c) Hình 2 Cấu tạo động truyền động thẳng Động tuyến tính đồng sử dụng mạch từ nam châm vĩnh cửu Nguyên tắc làm việc động tuyến tính giống động quay ĐCTT thu trải dài động quay tròn Nam châm đặt mặt phẳng, thể hình bên Một vận chuyển giữ cuộn dây chạy nam châm Coil Coil Coil Coil S N N S N S N S N Nguyên lý làm việc gắn với chế độ làm việc - Chế độ nửa bước (HALF STEP CONTROL) S Nguyên lý chuyển đổi: Step Coil Coil Coil Coil S S N S N S N N S N Coil Coil Coil Coil Step S S N S N S N S N S N Coil Coil Coil Coil Step S N S N N N S Step S S N N Coil Coil Coil Coil N S S N Step S N Coil Coil Coil Coil N S N N S S Step S N Coil Coil Coil Coil N S Step S N S N S N S N S Coil Coil Coil Coil S S Step N N N S S Coil Coil Coil Coil S S N N S Hình 3: Chuyển mạch rotor chế độ nửa bước + Giản đồ xung cho chế độ nửa bước sau: - Hình Giản đồ dạng xung chế độ nửa bước Chế độ bước đủ pha cấp xung (một pha ON) (wave drive) Step Coil Coil Coil Coil N S N S S N S Step Coil Coil Coil Coil N S N S S N N S Step N S Step N N S N S Coil Coil Coil Coil s N S Coil Coil Coil Coil S N S N N S Hình 5: Sơ đồ mơ tả chế độ bước đủ pha cấp xung + Giản đồ xung cho chế độ pha ON: N 10 Hình 6: Giản đồ dạng xung chế độ pha ON - Chế độ bước đủ hai pha cung cấp xung (hai pha ON) Nguyên lí chuyển đổi: Coil S Step S N S N S N S N Coil N S N S N S N N S N Coil S N Coil N Coil N S Coil S Coil N Coil S Coil S S Coil S Step N S Coil N Step Coil N Coil N N Coil N Step S Coil S Coil S Hình :Ché độ bước đủ hai pha cung cấp xung Hình 8: Giản đồ dạng xung chế độ hai pha ON 13 tương đương, thể diễn biến từ thông điểm biên so với điểm nằm khu vực tiếp xúc [7,8] Đối với ĐCTT loại KĐB chịu ảnh hưởng mạnh hiệu ứng đầu cuối không tác động đến phân bố từ thông biên mà ảnh hưởng dọc theo khe hở phần động tĩnh [7] Ảnh hưởng lớn tốc độ động nhanh Sở dĩ có điều hình thành dịng điện xốy biên sinh từ trường tác động đến từ trường tổng phân bố từ thông khu vực biên chịu tác động từ thông gây dịng điện xốy suy giảm [7] 2.4 KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG Cấu hình phần cứng kết hợp động tuyến vi điều khiển với kết nối nối tiếp với PC Mơ tả sơ đồ phần cứng mạch hồn thiện tiến hành xây dựng thuật toán phần mềm 2.4.1 Mô tả cấu trúc điều khiển 2.4.1.1 Đối tượng điều khiển: 2.4.1.2 Thiết bị điều khiển Giới thiệu chung TOP2812 2.4.1.3 Thiết bị đo lường 2.4.1.4 Bộ biến đổi (dùng biến tần) Với động tuyến tính có đặc điểm động bước mạch cứng sử dụng TMS320 với ULN2803, với động tuyến tính ĐB-KTVC ta sử dụng biến tần ghép nối với động hình 2.34 hình 2.35 14 2.4.2 Mạch cứng sử dụng TMS320 ULN2803 Hình 10 Mạch cứng sử dụng TMS320 ULN2803 ghép nối với cuận dây động 15 2.5 MÔ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 2.5.1 ĐCTT đồng sử dụng mạch từ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ chi tiết cho hệ - mạch hở Signal Builder Ia STEP STEP Ib I a1 Load torque DIR I b1 DIR TL TL A+ A+ A+ A- AA- B+ B+ B+ B- 100 BB- C+ B+ C+ I ref m m V+ ab->dq T heta (degrees) C- C- 28 VDC 180/pi Rad to de g D+ dq Scope1 D+ D- ab Scope D- V- Driver Hybrid Stepper Motor Hình 11 Sơ đồ khối mạch hở - Mạch kín Signal Builder Ia STEP STEP Ib Ia1 Load torque DI R Ib1 D IR TL TL A+ PID(z) AA- B+ B+ B+ B- 100 A+ A+ A- BB- C+ B+ C+ I ref Discrete PID Controll er m m V+ C- 28 VDC 180/pi ab->dq T heta (degrees) CCRad to deg D+ Driver D+ D+ D- V- ab Scope dq Scope1 DDHybrid Stepper Motor Hình 12 Sơ đồ khối mạch kín Chức khối: Dạng điện áp, dòng, mô men xoắn, góc bước sau mơ cho mạch hở: Hình 13 kết mô Matlab hệ hở 16 Dạng điện áp, dòng điện, mô men xoắn, góc bước sau q trình mơ cho mạch kín Hình 14 Dạng điện áp , dịng điện, mơ men xoắn, góc bước sau q trình mơ 2.5.2 Động tuyến tính đồng - kích thích vĩnh cửu Sau nghiên cứu với động tuyến tính tương tự động bước ta xét cho loại động ĐB-KTVC sau Xác định vận tốc tối ưu thời gian tối ưu Tốc độ tính tối ưu thời gian sở ta tính tốc độ, xác định vị trí sở tối ưu thời gian t Mục đích điều khiển cho động dịch chuyển đoạn S, với S = ∫ v.dt Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa xác ta có đường đặc tính hình 2.31 Theo đường đặc tính ta xác định: Với: a.t12 S =2 + vtu t2 = a.t12 + vtu t 2 S = a.t12 + a.t1 t ≤ S ≤ Smax ; t1 ≥ 0; t2 ≥ t1 Hàm mục tiêu cần đạt F = 2.t1 + t → Nên ta có: (2.44) (2.45) Hình 33 17 v yc = a.t1 = a s 2S = a.s → t 12 = − t1 ↔ t1 = a a S a (2.49) Việc đưa cơng thức (2.49) tính t dựa vào mối quan hệ quãng đường S gia tốc a có ý nghĩa, đưa cho việc tính tốn thời gian tăng giảm tốc đặt thời gian làm việc tối ưu…nhằm đưa phương pháp tối ưu hóa việc điều khiển Phương pháp dùng TMS320 biến tần tạo tín hiệu điều khiển cho động Sơ đồ khối Vi xử lý điều Động Biến Tần khiển số tuyến tính TMS320 sơ đồ khối sử dụng biến tần, vi xử lý điều khiển Hình 34: Hình 15: Sơ đồ ghép nối TMS320 với biến tần Phương pháp tuyến tính hóa xác (TTHCX ) 18 Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa xác, lấy kết việc nghiên cứu phương pháp ta xây dựng cấu trúc tách kênh trực tiếp thiết kế sở phương pháp TTHCX Hình 16 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC pha sử dụng TTHCX 19 Mô hệ điều khển ĐCTT pha thiết kế sở phương pháp TTHCX Hình 17 Mơ hình mô điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC theo phương pháp TTHCX 300 250 speed (rad/s) 200 150 100 50 -50 time (s) 10 Hình 18 Kết đáp ứng tốc độ mô theo phương pháp TTHCX Kết mô cho thấy với phương pháp TTHCX có khả làm cho chất lượng điều khiển tốt hơn, bám, sai lệch nhiều 2.5.3 Phần mềm điều khiển Trong phần mềm điều khiển, sử dụng CCS 3.3.0 để lập trình upload trương trình vào TOP2812 để đưa tín hiệu cho động cần điều khiển 2.5.3.1 Mã chương trình mạch hở Chương trình CCS ứng với chế độ full driver (hai pha ON) #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(); 20 DINT; IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieCtrl(); InitPieVectTable(); InitGpio(); EINT; ERTM; for(;;) { for(i=0;i