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

Cùng với sự phát triển của cácnghành khoa học kỹ thuật khác như điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tựđộng hóa các dây truyền sản xuát vì vậy ngành tự động hóa đang phát triể

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết cua đề tài.

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang được thừa hưởngnhững thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật Cùng với sự phát triển của cácnghành khoa học kỹ thuật khác như điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tựđộng hóa các dây truyền sản xuát vì vậy ngành tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ

nó góp phần tăng năng xuất lao động và giảm chi phí về giá thành của các mặt hàng vìvậy tự động hóa không chỉ hiện đại và đa dạng mà còn có nhiều phương án tối ưunhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả trong sản xuất

Là một giáo viên của khoa Điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp TháiNguyên – Đại học Thái Nguyên trực tiếp tham gia đào tạo, nên tôi rất quan tâm đến

hệ thống sử dụng điều khiển số vào ứng dụng điều khiển, trong đề tài này tôi muốn đềcập đến việc sử dụng TMS320 vào trong điều khiển

Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài : “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”.

2 Mục tiêu của luận văn

Xây dựng hệ thí nghiệm điều khiển động cơ sử dụng vi xử lý TMS phục vụ chocông tác đào tào tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại họcThái Nguyên

Trên cơ sở thiết bị hiện có của trường và nội dung chương trình đào tạo, dựa vàokết quả nghiên cứu này, tiến hành triển khai thành các modul thực hành phục vụ côngtác đào tạo cho Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học TháiNguyên

3 Ý nghĩ khoa học và thực tiễn của đề tài

Nâng cao được chất lượng đào tạo nghề của nhà trường

Đáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất do hiện nay trong thực tế đang sửdụng rộng rãi hệ thông này trong các thiết bị đòi hỏi chất lượng điều khiển

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM 1.1.Tổng quan về tms320

1.1.1 Cấu trúc dsp tms320f2812

1.1.1.1 Giới thiệu chung

TMS320F2812 và TMS320C2812, các thành viên của họ TMS320C28x ™DSP, được tích hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụng điềukhiển

Hình 1 1 Sơ đồ nối chân TMS320F2812

1.1.1.2 Giới thiệu tóm tắt mô tả

C28x ™ DSP thế hệ là thành viên mới nhất của nền tảng TMS320C2000 ™DSP C28x là một công cụ rất hiệu quả của C/C + +, cho phép người dùng để pháttriển không chỉ của hệ thống kiểm soát mềm bằng một ngôn ngữ cấp cao, cũng chophép thực hiện thuật toán được phát triển bằng cách sử dụng C/C++

1 Memory Bus ( Hardvard Bus Architecture ) [6]

2 Peripheral Bus [6]

3 Real – Time JTAG và Analysis [6]

4 External Interface (dao diện bên ngoài) [6]

5 Flash [6]

6 Các khối nhớ M0, M1 SARAMs và L0, L1, H0 SARAMs [6]

7 Boot ROM [6]

8 Bảo mật (Security) [6]

9 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) và PLL [6]

12 bộ giám sát (watchdog) [6]

13 Peripheral Frames 0, 1, 2 (PFn) [6]

14 Bộ xen kênh vào/ra đa năng [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 ra 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 sự kiện (EV )

1.2 Các môi trường phần mềm hỗ trợ phát triển dsp f281x

Môi trường làm việc có thể có sử dụng trình biên dịch CCS, môi trường lập trình đồhọa 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 và gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000

1.3 Ví dụ ứng dụng tms320 vào trong điều khiển

Ví dụ 1: Ứng dụng DSP TMS320F28x và Matlab trong lĩnh vực điều khiển tự động

Việc kết hợp giữa IC DSP TMS320F28x và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điềukhiển linh hoạt, giúp người học nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tựđộng hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng

Ví dụ 2: sử dụng TMS320 trong điều khiển động cơ một chiều

Động cơ này có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí được kết nốivới các chân QEP tương ứng của DSP TMS320F2812

Hình 1 2 Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ DC servo phản hồi

DSP TMS320F12812 nhận và đếm các xung này bằng bộ định thời mục đíchchung Căn cứ trên số xung đếm được và khoảng thời gian lấy mẫu để tính toán ra tốc

độ động cơ và vị trí

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

về kết cấu cơ khí, bên trong nó những dao động riêng, tổn hao năng lượng cũng nhưảnh hưởng đến chất lượng chuyển động của hệ thống Việc sử dụng loại động cơ cókhả năng tạo chuyển động thẳng trực tiếp cho phép loại bỏ những nhược điểm nói trên

Các hệ truyền động dùng động cơ truyền động thẳng phát triển rất nhanh.Những cải tiến vẫn tiếp tục diễn ra trên toàn bộ dải công suất của sản phẩm

2.2 Khái Quát về đối tượng điều khiển

2.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng.

Một hệ thống chuyển động thẳng có thể được thực hiện bằng hai cách trực tiếphoặc gián tiếp, trong đó hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp được xây dựng dựa trênđộng cơ quay và ĐCTT sẽ được sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp:

ĐCTT là một loại động cơ tạo trực tiếp chuyển động thẳng, là một lớp học đặcbiệt của động cơ servo không chổi than đồng bộ, làm việc như động cơ mô-men xoắn

Để hiểu được nguyên lý của ĐCTT, ta chỉ cần hình dung ra một động cơ quay tròn bất

kỳ (một chiều, xoay chiều, từ kháng, bước …) với hai bộ phận: phần tĩnh (stator) vàphần động (rotor) Một trong hai bộ phận đó là nơi dòng năng lượng điện đến (phía sơcấp), bộ phận còn lại là dòng năng lượng rời đi dưới dạng cơ (phía thứ cấp)

Khi hình dung tăng dần bán kính của động cơ tiến tới vô cùng, ta sẽ có phầnstator dưới dạng trải dài và phần rotor sẽ là phần di động trên bề mặt trải dài đó Thôngqua sự tương tác điện từ giữa cuộn dây (phần chính) và nam châm vĩnh cửu (phầnphụ), năng lượng điện được chuyển thành năng lượng cơ học tuyến tính với một mức

độ cao về hiệu quả

Hình 2 1 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

Từ những hình dung trên ta có thể rút ra hai điều sau:

- Có thể tạo ra ĐCTT có nguyên lý từ bất kỳ động cơ quay tròn kinh điển nào

- Có thể áp dụng các phương pháp điều khiển quen biết cho ĐCTT tương ứng

2.2.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính.

ĐCTT có nguyên lý kế thừa từ động cơ quay nên phần lớn những nghiên cứuđối với động cơ này có nguồn gốc từ các nội dung đã thực hiện đối với động cơ quaybởi mối quan hệ tương đương về cấu tạo giữa hai nhóm động cơ này Tuy vậy, do còn

có những đặc điểm riêng đặc trưng cho ĐCTT

2.2.2.1 Nguyên lý điều khiển chung

Cũng như những phương pháp đã được thực hiện đối với động cơ quay, lúc nàyphương pháp điều khiển cho ĐCTT vẫn dựa trên hai hướng chính dựa vào nguyên lýđiều khiển vector và nguyên lý điều khiển vô hướng

2.2.2.2 Phương pháp điều khiển.

Cũng như đối với động cơ quay, nhiệm vụ điều khiển ĐCTT gồm hai nội dungchính, đó là đảm bảo chất lượng về mặt động học và động lực học

2.3 Mô hình hóa ĐCTT

Chất lượng làm việc của hệ thống điều khiển phụ thuộc nhiều vào tính chínhxác của mô hình đối tượng điều khiển mà cụ thể ở đây là ĐCTT Do đó những nghiêncứu liên quan đến bản chất cấu tạo hay phương pháp mô hình hóa động cơ cũng đượcquan tâm Về bản chất cấu tạo của động cơ, các nghiên cứu đi sâu vào việc khai thácđặc điểm tổng quát về động cơ khi họ coi những thành phần như: phân bố mật độ từtrường,… không phải là hàm điều hòa theo vị trí mà chỉ có tính chất tuần hoàn hay xácđịnh mô hình động cơ bằng phương pháp phần tử hữu hạn,…

ĐCTT có nguồn gốc từ động cơ quay nhưng ở ĐCTT vẫn tồn tại những đặcđiểm riêng mà không có ở động cơ quay Không giống như động cơ quay, các điểmphân bố dọc theo bề mặt khe hở có vai trò tương đương nhau thì ở ĐCTT, có sự phânbiệt giữa 2 khu vực đầu, cuối với nhóm các điểm nằm giữa về mặt diễn biến điện từ vàxuất hiện hiện tượng đầu – cuối (Endeffect) trong động cơ loại này, gây ảnh hưởngđến lực, từ thông hình thành trong động cơ kéo theo cần những cấu trúc điều khiển cókhả năng khắc phục hiện tượng này

Vậy ưu thế của việc sử dụng ĐCTT trong hệ chuyển động thẳng nói chung Vớinhững hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao thì sử dụng ĐCTT là phù hợp

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của động cơ tuyến tính

1 Nguyên lý cấu tạo: Về cấu tạo động cơ truyền động thẳng có 3 loại:

Loại stato ngắn được sử dụng nhiều hơn cả Phần tĩnh (stato) không còn ý nghĩanữa mà là phần lấy năng lượng vào là phần sơ cấp còn phần ứng là phần thứ cấp Cuộndây nối với nguồn điện thường được đặt trên phần sơ cấp Động cơ truyền động thẳngđồng bộ được sử dụng khi mạch từ là nam châm vĩnh cửu Phổ biến hơn cả là động cơtruyền động thẳng không đồng bộ

Loại stato ngắn (hình a); Loại stator dài (hình b) ; Loại stator răng lược (hình c)

Hình 2 2 Cấu tạo của động cơ truyền động thẳng

2 Động cơ tuyến tính đồng bộ được sử dụng khi mạch từ là nam châm vĩnh cửu.

Nguyên tắc làm việc của động cơ tuyến tính giống như động cơ quay

ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn Nam châm đặt trên mặt phẳng,như thể hiện trong hình bên dưới Một vận chuyển giữ các cuộn dây có thể chạy trêncác nam châm

Nguyên lý làm việc gắn với các chế độ làm việc

- Chế độ nửa bước (HALF STEP CONTROL)

NS

Coil 1

Coil 2

Coil 3

Coil 4

S

Nguyên lý chuyển đổi:

Hình 2 3: Chuyển mạch của rotor ở chế độ nửa bước

N S

Coil 1 Coil 2 Coil 3 Coil 4

Coil 1 Coil 2 Coil 3 Coil 4

Coil 1 Coil 2 Coil 3 Coil 4

Coil 1 Coil 2 Coil 3 Coil 4

+ Giản đồ xung cho chế độ nửa bước như sau:

Hình 2 4 Giản đồ dạng xung ở chế độ nửa bước

- Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON) (wave drive)

Hình 2 5: Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung

+ Giản đồ xung cho chế độ một pha ON:

Hình 2 6: Giản đồ dạng xung ở chế độ một pha ON

- Chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung (hai pha ON)

Nguyên lí chuyển đổi:

Hình 2 7 :Ché độ bước đủ hai pha được cung cấp xung

Hình 2 8: Giản đồ dạng xung ở chế độ hai pha ON

N S

Coil

1 Coil 2 Coil 3

Coil 4

Coil

1 Coil 2 Coil 3

Coil 4

Coil 1

Coil 2

Coil 3

Coil 4

Coil

1 Coil 2 Coil 3

Coil 4

Step 4

2.3.2 Mô hình toán học động cơ tuyến tính tương tự như động cơ bước unipolar

Các phương trình chuyển động của động cơ: M l

dòng điện qua qua cuộn b (2.12)

2.3.3 Mô hình hóa động cơ tuyến tính ba pha loại ĐB – KTVC

Hình 2 9 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB

Mô tả mô hình động cơ tuyến tính ĐCĐB– KTVC 3 pha trên hệtrục (α,β).)

Ta cũng tìm được mối liên hệ của các đại lượng này trên hệ trục (d, jq) như sau:

sd f

sq

L B

2

0

sq sd sd

sq

L L N

L L

i

i i

i i

i i

i i

2 Khi xét đến hiệu ứng đầu cuối

Hiệu ứng đầu cuối được hình thành là do không giống như động cơ quay, vaitrò của các điểm dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa phần động và phần tĩnh không có sự

tương đương, thể hiện ở diễn biến từ thông ở 2 điểm biên so với các điểm nằm trongkhu vực tiếp xúc [7,8].

Đối với ĐCTT loại KĐB sẽ chịu ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng đầu cuối bởi nókhông chỉ tác động đến phân bố từ thông ở 2 biên mà còn ảnh hưởng dọc theo khe hởgiữa 2 phần động và tĩnh [7] Ảnh hưởng đó sẽ càng lớn khi tốc độ của động cơ càngnhanh Sở dĩ có điều này là do hình thành 2 dòng điện xoáy ở 2 biên sinh ra từ trườngtác động đến từ trường tổng và phân bố từ thông ở khu vực ở giữa 2 biên này sẽ chịutác động của từ thông gây ra bởi dòng điện xoáy khi đã suy giảm [7]

2.4 KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG

Cấu hình phần cứng về cơ bản là sự kết hợp của một động cơ tuyến và vi điềukhiển với một kết nối nối tiếp với PC Mô tả sơ đồ phần cứng mạch hoàn thiện sẽ tiếnhành 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 về TOP2812

2.4.1.3 Thiết bị đo lường

2.4.1.4 Bộ biến đổi (dùng biến tần)

Với động cơ tuyến tính có đặc điểm như động cơ bước mạch cứng sẽ sử dụngTMS320 với ULN2803, với động cơ tuyến tính ĐB-KTVC thì ta sẽ sử dụng biến tầnghép nối với động cơ như hình 2.34 và hình 2.35

2.4.2 Mạch cứng sử dụng TMS320 và ULN2803

Hình 2 10 Mạch cứng sử dụng TMS320 và ULN2803 ghép nối với các cuận dây củađộng cơ

2.5 MÔ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

2.5.1 ĐCTT đồng bộ được sử dụng khi mạch từ là nam châm vĩnh cửu.

1 Sơ đồ chi tiết cho hệ

- mạch hở

ab

dq ab->dq

STEP

DIR

Si gnal Bui lder

Scope1 Scope

180/pi Rad to deg

0 Load torque

STEP

DIR

Si gnal Builder

Scope1 Scope

180/pi Rad to deg

0 Load torque

3 Dạng điện áp, dòng, mô men xoắn, góc bước sau khi mô phỏng cho mạch hở:

Hình 2 13 kết quả mô phỏng trong Matlab của hệ hở

4 Dạng điện áp, dòng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng cho mạch kín.

Hình 2 14 Dạng điện áp , dòng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng

2.5.2 Động cơ tuyến tính đồng bộ - kích thích vĩnh cửu.

Sau khi nghiên cứu với động cơ tuyến tính tương tự như động cơ bước như trên

ta đi xét cho loại động cơ ĐB-KTVC như sau

1 Xác định vận tốc tối ưu và thời gian tối ưu.

Tốc độ được tính tối ưu về thời gian trên cơ sở ta tính tốc độ, xác định vị trí trên

cơ sở tối ưu về thời gian

Mục đích là điều khiển cho động cơ dịch chuyển một đoạn S, với

0

1 dựa vào mối quan hệ quãng đường S vàgia tốc a rất có ý nghĩa, nó đã đưa ra cho chúng ta việc có thể tính toán được thời giantăng và giảm tốc cũng như đặt thời gian làm việc tối ưu…nhằm đưa ra phương pháptối ưu hóa trong việc điều khiển

2 Phương pháp dùng TMS320 và biến tần tạo tín hiệu điều khiển cho động cơ

Sơ đồ khối

Hình 2 15: Sơ đồ ghép nối TMS320 với biến tần

3 Phương pháp tuyến tính hóa chính xác (TTHCX )

Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác, và lấy kết quả của việc nghiêncứu phương pháp này ta đi xây dựng cấu trúc tách kênh trực tiếp thiết kế trên cơ sởphương pháp TTHCX

Hình 2 16 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC 3 pha sử dụng TTHCX

Mô phỏng hệ điều khển ĐCTT 3 pha thiết kế trên cơ sở phương pháp TTHCX

Hình 2 17 Mô hình mô phỏng điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC theo phương pháp TTHCX

Hình 2 18 Kết quả đáp ứng tốc độ mô phỏng theo phương pháp TTHCX

Kết quả mô phỏng cho thấy với phương pháp TTHCX có khả năng làm chochất lượng điều khiển tốt hơn, bám, và ít sai lệch hơn nhiều

2.5.3 Phần mềm điều khiển

Trong phần mềm điều khiển, sử dụng CCS 3.3.0 để lập trình và upload trươngtrình vào TOP2812 để đưa tín hiệu ra cho động cơ cần điều khiển

2.5.3.1 Mã chương trình đối với mạch hở

1 Chương trình trên 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;

}}

const Uint16 Forward[]={0x08,0x10,0x20,0x04};

const Uint16 Backward[]={0x08,0x04,0x20,0x10};

const Uint16 StopCtrl=0x00;

}}

{

for(i=0;i<8;i++){

GpioDataRegs.GPADAT.all=Backward[i];

Delay(300);

}}

lý như động cơ bước, thứ hai là xét cho loại động cơ tuyến tính ĐB-KTVC Đồng thời

đã đi xây dựng được mô hình phục vụ cho việc thí nghiệm cho hai loại ĐCTTkể trênđồng thời tiến hành mô phỏng

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

3.1 THỰC NGHIỆM

Sau quá trình triển khai lắp ráp và thử nghiệm tôi đã hoàn tất được mạch thựcnghiệm có sơ đồ nguyên lí giống trong luận văn, trong quá trình bảo vệ sẽ trình bày cụthể quá trình hoạt động của mạch

Việc kết hợp giữa IC DSP TMS320F28x và CCS sẽ tạo ra nhiều bộ điều khiểnlinh hoạt, giúp người học nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự độnghóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng Thực hành thành công làcung cấp nền tảng cho người học, giúp người học có thể ứng dụng vào thực tế để cho

ra bộ điều khiển phù hợp với từng đối tượng cụ thể Đó chính là mục tiêu của giáo dụctrong thời kỳ mới

Hình 3 1 ghép nối máy tính – TOP2812 và máy hiện sóng trong thí nghiệm

[1] Đối với động cơ tuyến tính đồng bộ được sử dụng khi mạch từ là nam châmvĩnh cửu tương tự như động cơ bước:

Xung tín hiệu đưa vào các cuận dây của động cơ được chạy thực nghiệm vàđược hiển thị trên máy hiện sóng như sau:

- Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON)

Hình 3 2 Xung tín hiệu đưa vào cuận dây của động cơ ở chế độ bước đủ một pha

được cấp xung