Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều

LỜI CAM ĐOAN Kính gửi :- Ban giám hiệu trƣờng Đại học Hàng hải - Các thầy, cô Khoa Điện – Điện tử trƣờng ĐHHH Việt Nam - Viện đàotạo sau đại học trƣờng ĐHHH Việt Nam Em tên Nguyễn Thị Hồng Ngân, học viên lớp tự động hóa khóa 20132015/ đợt Em đƣợc nhận đề tài luận văn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động điện chiều” Em xin cam đoan rằng: Các nội dung luận văn em tự nghiên cứu trình bày dƣới hƣớng dẫn thầy PGS TS Trần Anh Dũng, phần tham khảo đƣợc trích dẫn rõ ràng , không chép từ nghiên cứu ngƣời khác Nếu có gian dối nội dung luận văn, em xin chụi trách nhiệm trƣớc Khoa, Nhà trƣờng pháp luật Em xin chân thành cảm ơn Hải phòng, ngày tháng năm 2015 Ngƣời viết cam đoan KS Nguyễn Thị Hồng Ngân i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa - Khoa sau đại học - Trƣờng Đại học Hàng hải, đƣợc dạy dỗ hƣớng dẫn nhiệt tình thầy cô đến hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trong trình làm luận văn, bên cạnh cố gắng nỗ lực không ngừng thân điều kiện vừa học tập, vừa công tác, nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS TS Trần Anh Dũngngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa sau đại học thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử, Ban giám hiệu- Trƣờng Đại học Hàng hải tạo điều kiện thuận lợi để giúp hoàn thành luận văn Song với thời gian kinh nghiệm hạn chế nên luận văn tránh khỏi khiếm khuyết, mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy, bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện Tác giả KS Nguyễn Thị Hồng Ngân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH iv MỞ ĐẦU CHƢƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 Những khái niệm điều khiển mờ 1.2 Cấu trúc điều khiển mờ 10 1.3 Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ CHƢƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24 2.1 Tổng quan động điện chiều 24 2.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều 2.3 Mô điều khiển hệ thống Matlab CHƢƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG 45 3.1 Thiết kế, xây dựng mạch công suất 45 3.2 Đề xuất lƣu đồ thuật toán xây dựng điều khiển mờ 3.3 Xây dựng điều khiển mờ miền thời gian thực 57 3.4 Xây dựng điều khiển mờ Matlab điều khiển động điện chiều KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Miền xác định miền tin cậy tập mờ 1.2 Phép hợp hai tập mờ có sở 1.3 Hàm liên thuộc tập mờ không sở 1.4 Phép giao hai tập mờ 1.5 Giao hai tập mờ không sở 1.6 Phép bù tập mờ 10 1.7 Nguyên lý điều khiển mờ 12 1.8 Cấu trúc điều khiển mờ 14 1.9 Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err) 14 1.10 Hàm thuộc biến đầu vào thay đổi sai lệch tốc độ 14 speed_err_var 1.11 Hàm thuộc biến đầu pwm_var 15 1.12 Mô hình ma trận luật hợp thành 18 1.13 Xác định giá trị rõ từ miền 19 1.14 Giải mờ theo phƣơng pháp độ cao nguyên lý cận phải 19 1.15 Giải mờ theo phƣơng pháp độ cao nguyên lý cận trái 20 1.16 Mô hình thực việc giải mờ 20 2.1 Cấu tạo stato động điện chiều 25 2.2 Cấu tạo roto động điện chiều 26 2.3 Cấu tạo cổ góp động điện chiều 27 2.4 Cấu tạo chổi than động điện chiều 27 2.5 Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều 28 2.6 Sơ đồ động điện chiều kích từ độc lập 29 2.7 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 31 độc lập 2.8 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập iv 33 thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 2.9 Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc 34 lập giảm từ thông 2.10 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 35 độc lập điện áp phần ứng thay đổi 2.11 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 36 độc lập điện áp phần ứng thay đổi 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ xung áp – động 37 2.13 Đồ thị đặc tính hệ xung áp – động 38 2.14 Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động 39 điện chiều 2.15 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 41 2.16 Mô hình toán động điện chiều kích từ độc lập 42 2.17 Xây dựng hệ đánh dấu mô hình động điện 43 chiều 2.18 Mô hình toán động điện chiều Simulnk 43 2.19 Đặc tính tốc độ động 43 2.20 Đặc tính dòng điện động 44 2.21 Xây dựng biến vào điều khiển 44 2.22 Tạo hàm liên thuộc cho biến vào/ra 45 2.23 Xây dựng luật điều khiển mờ 46 2.24 View Rules cho phép kiểm tra lại kêt luật mờ xây 46 dựng 2.25 Kiểm tra lại luật điều khiển View Surface 47 2.26 Mô hình hệ thống Simulink 47 3.1 Sơ lƣợc hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển tốc độ 48 độiều Đối tƣợng điều khiển: sử dụng động chiều có thông số nhƣ sau : Uđm = 24V, nđm = 1200 vòng/phút, P = 25W Khối phản hồi tốc độ: sử dụng encoder tƣơng đối IE để thực đo tốc độ động Hình 3.1 Sơ lược hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển tốc độ động điện chiều 3.1.1 Khối mạch cấp nguồn Khối mạch cấp nguồn gồm có mạch: cấp nguồn 5V chiều cấp nguồn24V chiều 45 Mạch cấp nguồn 5VDC: để tạo điện áp chiều 5VDC cấp cho vi điều khiển Atmega IC MAX232 sử dụng IC ổn áp LM7805 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn nhƣ sau: Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn Nguyên lý hoạt động mạch nhƣ sau: điện áp 220VAC đƣa qua Adaptor hạ áp xuống 12VAC Điện áp xoay chiều đƣa tới cầu chỉnh lƣu để có đƣợc điện áp chiều Điện áp chiều đƣa tới chân VIN LM7805 đầu VOUT ta có đƣợc điện áp 5VDC Đôi đƣờng cấp nguồn bị nhiễu, để san phẳng nhiễu ta sử dụng lọc trƣớc lọc sau IC ổn áp để có đƣợc nguồn 5VDC ổn định Các tụ sử dụng mạch : tụ gốm 104pF tụ hóa 2200mF Ngoài có 1LED báo cấp nguồn Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC Mạch cấp nguồn 24VDC cho động cơ: chất lƣợng điện áp cấp cho động không đòi hỏi qua cao nên ta sử dụng mạch đơn giản nhƣ sau: 46 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC Nguyên lý hoạt động: điện áp 220VAC đƣa qua biến áp hạ áp xuống 24VAC Điện áp xoay chiều đƣa tới cầu chỉnh lƣu để có đƣợc điện áp chiều Điện áp sau cầu chỉnh lƣu nhấp nhô, để san phẳng điện áp ta sử dụng tụ hóa có dung lƣợng 10000mF Điện áp cấp cho đối tƣợng động cần điều khiển 3.1.2 Mạch công suất L298N driver chip tích hợp sẵn hai mạch cầu H bên với chuẩn điều khiển TTL, diode nội bảo vệ Mosfet Chịu tải tối đa cầu 2A, điện áp 40VDC Logic „0‟ ngõ vào lên tới 1.5V (khả khử nhiễu cao) Sử dụng dạng đóng gói Multiwatt15 Các thông số cần thiết khác L298N đƣợc tìm thấy trang web hãng STMicroelectronics Hình 3.5 Hình dạng IC L298N Thiết kế điều khiển mở sử dụng cho động lên đến 4A cách nối song song cầu H bên L298N Hình dạng IC L298N đƣợc thể nhƣ hình 3.5 47 Hình 3.6 Nối song song hai mạch cầu H L298N Việc hạn dòng cho động cần thiết, động hoạt động, có nhiều tình không mong đợi xảy ra, cần phải có chế độ hạn dòng phần mềm Trong trƣờng hợp nguy hiểm nhƣ ngắn mạch va chạm, tuột dây nối, cần có mạch bảo vệ chống ngắn mạch phần cứng để đáp ứng kịp thời Cần điều khiển PWM tần số cao để tránh tiếng ồn động gây ra, tiếng kêu nghe rõ khoảng tần số 1KHz đến 3KHz Bộ điều khiển PWM thông thƣờng đƣợc dùng 5KHz Tuy nhiên, ứng dụng này, ta dùng mức 10.8KHz Hai chế độ dừng L298N thuận lợi Dừng tự (free stop) đƣợc thực chân “enable” đƣợc kéo xuống mass Dừng nhanh hay phanh (fast stop – break) đƣợc thực hai ngõ vào có logic Trƣờng hợp dừng tự đƣợc dùng điện áp hồi tiếp đo dòng tải chân “sense” vƣợt cho phép đƣợc dừng chƣơng trình điều khiển Tất trƣờng hợp dừng khác dùng biện pháp dừng nhanh Nhƣ vậy, trƣờng hợp ngắn mạch, động đƣợc trì trạng thái phanh L298N diode nội để bảo vệ mosfet nằm bên trong, đó, cần có diode để bảo vệ (xem Mạch nguyên lý) Để đảm bảo điều khiển tần 48 sốPWM cao, cần dùng diode nhanh có điện trở thấp Diode chuyên dụng để điều khiển động diode fast recovery Schottky Nhƣng tần số thấp nhƣ ứng dụng này, dùng loại 1N4007 Một lƣu ý L298N hoạt động nóng, nhiệt độ làm tay chạm vào L298N Do vậy, cần có miếng tản nhiệt để giải nhiệt cho L298N Khi tản nhiệt, L298N nóng nhanh tự động ngắt điều khiển Trong thí nghiệm, L298N ngắt mạch vòng 45 đến 60 giây tản nhiệt Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 3.1.3 Đối tượng điều khiển Đối tƣợng thực điều khiển động chiều (hình 3.10) có thông số nhƣ sau: sử dụng động MINERTIA tập đoàn điện tử YASKAWA Nhật Bản Một số thông số động nhƣ sau: F SERIES; UGFMEDD9MRI 1; 829919-1; AX06015 A; 21 99.01, Uđm = 24V, Pđm = 25W, nđm = 1200 vòng/phút Hình 3.10 Động chiều thực điều khiển 49 3.1.4 Khối phản hồi tốc độ Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động thiết phải đọc đƣợc góc quay motor Một số phƣơng pháp đƣợc dùng để xác định góc quay motor bao gồm tachometer (máy phát tốc), dùng biến trở xoay dùng encoder Trong phƣơng pháp phƣơng pháp analog dùng optiacal encoder (encoder quang) thuộc nhóm phƣơng pháp digital Hệ thống optical encoder bao gồm nguồn phát quang (thƣờng hồng ngoại – infrared), cảm biến quang đĩa có chia rãnh Optical encoder lại đƣợc chia thành loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) encoder tƣơng đối (incremental optical encoder) Trong đa số DC Motor, encoder tƣơng đối đƣợc dùng mô hình động đò án không ngoại lệ Hình 3.11 Mô hình encoder tương đối Encoder thƣờng có kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B kênh I (Index) Kênh I: Trong hình ta thấy lỗ nhỏ bên phía đĩa quay cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ Cứ lần motor quay đƣợc vòng, lỗ nhỏ xuất vị trí cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, tín hiệu xuất cảm biến Nhƣ kênh I xuất “xung” vòng quay motor Kênh A: bên đĩa quay đƣợc chia thành rãnh nhỏ cặp thuphát khác dành cho rãnh Hoạt động kênh A tƣơng tự kênh I, điểm khác vòng quay motor, có n “xung” xuất kênh A với n số rãnh đĩa đƣợc gọi độ phân giải (resolution) encoder Mỗi 50 ... cứu ứng dụng điều khiển mờ vào điều khiển tốc độ động điện chiều - Xây dựng điều khiển mờ phần mềm MATLAB - Xây dựng mô hình ứng dụng điều khiển mờ thƣc điều khiển tốc độ động điện chiều Kiến nghị... chiều Chƣơng trình điều khiển động điện chiều dùng điều khiển mờ đƣợc xây dựng phần mềm Matlab – Simulink Chƣơng trình điều khiển động điện chiều dùng điều khiển mờ đƣợc xây dựng phần mềm Matlab... trình điều khiển động điện chiều dùng điều khiển mờ 58 Mô hình mô động điện chiều đƣợc thể nhƣ hình 3.18 Hình 3.18 Mô hình động điện chiều xây dựng Simulink Từ hai chƣơng trình, mô điều khiển động