Sử dụng vi sử lý, vi điều khiển để nhận dạng tham số và điều khiển động cơ một chiều

1 Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VIẾT TRUYỀN SỬ DỤNG VI XỬ LÝ, VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NHẬN DẠNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014 MỞ ĐẦU Động chiều với ưu điểm dải điều chỉnh tốc độ rộng, dễ điều chỉnh tốc độ, mô men lớn nên sử dụng nhiều hệ thống truyền động , truyền động máy nghiề ộ Vấn đề đặt phải nhận dạng thay đổi tham số điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ sử dụng để điều khiển xác đối tượng Ngày việc ứng dụng điều khiển số kỹ thuật cho ta khả điều chỉnh xác, dễ dàng nên việc ứng dụng ngày nhân rộng ộ Vi điều khiển công nghi , Vi xử lý, để ớng điều khiển xác hơn, linh hoạt sở khoa học kể lý chọn đề tài: Bố cục luận văn bao gồm ba chương Chương 1: =const Chương 2: =const Chương 3: m Trong q trình thực luận văn, tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn TS Cao Xuân Tuyển, giúp thầy mơn Tự động hố Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phòng sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, , Xưởng Thực hành Điện tử công suất Trường Cao Đẳng Nghề cơng nghiệp Thanh hóa anh chị đồng nghiệp Do hạn chế thời gian tài liệu tham khảo nên luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót Kính mong quan tâm, góp ý thầy bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Viết Truyền CHƯƠNG I: M=CONST TRONG 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Tính cấp thiết mục tiêu nghiên cứu Động chiều (DC) ứng dụng hệ thống điều khiển cơng nghiệp chúng dễ điều chỉnh tốc độ, mô men lớn, Vấn đề đặt sử dụng động DC động ta phải nhận dạng thông số để biết thơng tin chúng, từ mơ hình hóa động DC dạng tốn học Mơ hình tốn học giúp ta dự đốn hành vi hệ thống thiết kế điều khiển cho toàn hệ thống Do ta khơng có tham số động nên ta phải đối mặt với vấn đề để kiểm soát điều khiển đối tượng cách xác 1.1.2 Tổng quan nhận dạng tham số điều khiển Mục đích việc nhận dạng tham số tiến hành xây dựng mơ hình tốn xác, thiết kế điều khiển xác, dự đốn hành vi đối tượng, nghiên cứu sản xuất khả thi với tham số tìm xác định thơng tin thiếu Từ mơ hình, ta cần lưu ý có thay đổi điện cảm phần ứng với dòng điện phần ứng, phương pháp thông thường để nhận dạng tham số động DC không xác dẫn tới việc điều khiển chất lượng Do vậy, phải sử dụng kỹ thuật đánh giá để ước lượng giá trị tham số chưa biết thiếu xác với độ xác theo yêu cầu Các phương pháp đánh giá chia thành hai loại sau: Đánh giá tuyến (ofline) đánh giá trực tuyến (online) Có nhiều kỹ thuật sử dụng để nhận diện tham số, kỹ thuật có ưu nhược điểm riêng Ta liệt kê số kỹ thuật sau: [1] Năm 1975, W Lord J H Hwang kỹ thuật mô hình hóa tuyến tnh áp dụng cho động DC kích từ riêng biệt tìm tham số mơ hình theo điều kiện làm việc động học Họ sử dụng kỹ thuật Pasek để xác định kiểu mơ hình tất tham số mơ hình từ đáp ứng dòng điện động với đầu vào điện áp kích từ dạng bước Phương pháp Pasek số kỹ thuật sử dụng việc nhận dạng tham số động DC Nó xác định kiểu mơ hình mẫu động DC hiệu suất cao tất tham số mô hình dựa đáp ứng dòng điện thiết bị với đầu vào điện áp phần ứng dạng bước với tốc độ trạng thái xác lập Nhưng phương pháp gây số vấn đề thiết bị đo lường Kỹ thuật đòi hỏi phải đọc xác dạng sóng q độ hai điểm, điều khó thực có nhiễu Đồng thời phương pháp đo số điểm đường cong đáp ứng thời gian dòng điện, điều khiến cho nhạy cảm với nhiễu chuyển mạch dòng điện, phương pháp khơng xác động giá rẻ sử dụng cách rộng rãi công nghiệp [2] Năm 1983, R Schulz đưa kỹ thuật đáp ứng tần số để đo tham số động hiệu suất cao Mơ hình động bậc hai điều kiện cụ thể thể tương đương với mạch điện cộng hưởng mắc nối tiếp Việc đo đáp ứng tần số động coi mạch trở kháng, tạo nên tảng kỹ thuật đo lường có nhiều ưu điểm thực tế Các kết so sánh với phép đo lường thực cách sử dụng phương pháp thông thường Phương pháp đáp ứng tần số xác định tham số động DC hiệu suất cao cách coi mơ hình đồng bậc hai mạch trở kháng (mạch RLC), hiệu chỉnh giá trị phần tử mạch RLC để tìm đáp ứng động DC tnh đến số mối liên quan tham số động DC Phương pháp sử dụng tn hiệu AC có tần số xác định 1kHz Tuy nhiên phương pháp khơng phù hợp với tốn có nhiễu nhạy cảm với nhiễu [3] Năm 1991, S Weerasooriya M A El-Sharkawi đưa mạng nơron nhân tạo dựa hệ thống điều khiển tốc độ hiệu suất cao cho động DC Mục đích để đạt độ điều khiển bám xác tốc độ, đặc biệt chưa biết tham số tải động Động học phi tuyến chưa biết động tải thu thập mạng nơron nhân tạo Việc thực nhận dạng vàg thuật toán điều khiển đánh giá cách mơ chúng dựa mơ hình động DC thông thường Cách thông thường dùng để xác định đặc tính động DC thực kiểm tra riêng rẽ cho thông số, cách không gây thời gian mà tạo kết sai lệch tham số đo điều kiện tĩnh không tải Phương pháp giả thiết hệ thống hệ SISO khơng thể tìm tham số động DC không phù hợp với mục đích luận văn [4] Năm 2001, S Saab R Abi Kaed-Bey tham số động DC ước lượng thực nghiệm thông qua phép đo rời rạc đồng hồ đo lực tch hợp sẵn Các đầu đồng hồ đo lực kết đo rời rạc dòng điện phần ứng, vận tốc góc, điện áp phần ứng (đầu vào hệ thống), lực động sinh Họ sử dụng thuật tốn bình phương cực tiểu để thực nhận dạng tham số động DC mà không cần sử dụng chuyển đổi D/A khuếch đại công suất Hệ thống vật lý nghiên cứu mô tả dạng tham số sau cực tiểu hóa hàm mục tiêu theo tham số trình lặp Tại cực tiểu hàm mục tiêu, giá trị tham số mô tả cấu trúc thực hệ thống vật lý Thay tạo nghiên cứu chi tiết phát triển mơ hình dựa mức độ chun sâu vật lý kiến thức, ta đề xuất mơ hình tốn cho phép đủ để mơ tả phép đo đầu vào đầu quan sát Điều làm giảm khối lượng công việc mơ hình hóa cách đáng kể [5] Năm 2004, A Dupuis, M Ghribi A Kaddouri đơn giản hóa việc nhận dạng ofline tham số động cách đề xuất phương pháp dựa tối ưu hóa cách sử dụng thuật tốn gen trội đa mục đích Thuật tốn gen phân loại không trội (NSGA-11) sử dụng để cực tiểu hóa sai lệch đáp ứng dòng điện vận tốc liệu mơ hình ước lượng Tính bền vững phương pháp thể cách ước lượng tham số động DC theo trường hợp khác Các kết mô phương pháp ước lượng cách thành công tham số động đồng thời nhận dạng mômen tải Nhược điểm phương pháp thường phải tnh toán kiểu hàm giống gây nhiều thời gian [6] Năm 2006, R Garrido R Miranda đề xuất phương pháp để nhận dạng vòng kín cấu servo DC điều khiển vị trí Vòng lặp quanh servo khép kín điều khiển tỷ lệ vi phân (PD) Mơ hình servo điều khiển cách đồng thời điều khiển PD thứ hai Sai lệch đạo hàm sai lệch đầu servo thực servo mẫu sử dụng để nhận dạng tham số động cơ, ngược lại tham số sử dụng để cập nhật mô hình mẫu Các thuộc tnh tổ hợp nhận dạng nghiên cứu lý thuyết ổn định Lyapunov, nghiên cứu cách sử dụng mạng nơron đa lớp để đo hàm truyền hệ thống điện để sử dụng ổn định hệ thống điện (PSS) hiệu chỉnh đánh giá độ tắt dần PSS Mục tiêu đặt đo nhanh chóng xác hàm truyền có liên quan đến đầu cơng suất điện với đầu vào điện áp đặt AVR PSS hệ thống có đối tượng làm việc điều kiện làm việc bình thường Tuy nhiên chưa đánh giá sai lệch thực hiện, đặc biệt có biến động nhiễu hệ thống [7] Năm 2007, W Aung mơ tả phép phân tch dựa mơ hình mẫu mô động DC đạp hàm phần hệ thống điều khiển, phần cứng, phần mềm Với việc mơ hình hóa động DC, ta phân tch động kỹ thuật đáp ứng bước, đáp ứng xung giản đồ Bode nhờ MATLAB Simulink Tất liệu dựa mạch nội động DC đơn giản đặc tnh phân tch việc tnh toán thiết kế hệ thống điều khiển phần mềm Matlab Phương pháp sử dụng hệ thống nhận dạng phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao, phức tạp chi phí thực lớn Nhận xét: Sau khởi động khoảng 0,6s dòng điện tốc độ động dần ổn đinh Sau động nhận tải khoảng 0,3s tốc độ động dòng điện động đạt giá trị định mức Đáp ứng tốc độ mô chạy thực không chênh lệch nhiều, điều khiển thiết kế đạt tiêu 3.2 Mạch sử dụng DSP TMS320F2812 3.2.1 Tổng hợp điều khiển mô offline a) Xây dựng hệ phương trình tốn học động DC servo RH-14 Các tham số động Ra= 2.7Ω, La =1.1mH, Kt= 5.76 Nm/A, Kb= 0.6 V/rpm, Bf = 0.15, J= 81.6e-3 Ta có: (3.7) Chuyển sang miền ảnh laplace (3.9) (3.8) (3.10) (3.11) Từ hệ phương trình ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động sau: Hình 3.7 Cấu trúc động DC servo Thay thơng số vào ta mơ hình động DC servo sau Hình 3.8 Cấu trúc động DC servo RH-14D 3002 Đặc tnh độ tốc độ dòng sau Hình 3.9 Đặc tính dòng phần ứng động Hình 3.10 Đặc tính tốc độ động DC servo b) Thiết kế điều chỉnh vị trí cho động DC servo Để điều khiển vị trí động DC servo thơng thường ta dùng hệ thống ba vòng điều chỉnh, Tuy nhiên động DC servo RH-14D 3002 loại động cỡ nhỏ nên bỏ qua mạch vòng dòng Chu kỳ trích mẫu chon theo định lý Shamnon-Nyquist tần số lấy mẫu > lần bandwith hệ Tuy nhiên thực khó đáp ứng tần số - Ta chọn chu kỳ trích mẫu mạch tốc độ : Tw=0.001s - Chu kỳ trích mẫu mạch vòng vị trí : Tφ=0.1s Hình 3.11 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh Để thuận lợi trình tổng hợp điều khiển ta coi gần biến đổi công suất (PWM) khâu quán tính bậc với số thời gian Tf = 1/f với f= 30000HZ tần số băm xung Hàm truyền biến đổi công suất : (3.12) Hàm truyền đạt động (3.13) Biểu diễn toán tử Z (3.14) (3.15) (3.16) (3.17) Hình 3.12 Hệ tọa độ cực đáp ứng hệ thống SISO design Tổng hợp điều khiển vị trí Tiến trình tổng hợp điều khiển vị trí Rφ tương tự mạch vòng khác Tuy nhiên với cấu trúc hàm truyền điều khiển vị trí khơng có thành phần PI mà P hay PD Bộ điêu khiển vị trí thường tnh theo điều kiện gia tốc hãm cực đại εhmax quãng đường hãm cực đại Δφhmax cho thờigian hãm không vượt thời gian tmax Tại thời điểm hãm, tương ứng với tn hiệu sai lệch tốc độ Δω đầu vào điều chỉnh tốc độ không Để đơn giản ta coi điều khiển vị trí khâu khuếch đại với hệ số k= 400 thời gian lấy mẫu T = 0,1s Khi cấu trúc điều khiển vị trí xây dựng DSP C2000 Hình 3.13 Mạch vòng điều khiển tốc độ đáp ứng 3.2.2 Điều khiển realtime với DSP F2812 Từ kết mô ta tiến hành xây dựng điều khiển DSP Bộ điều khiển điều khiển mơ phần trước nhiên mơ hình động biến đổi cơng suất khơng khơng mà động biến đổi nằm phía ngồi Bộ điều khiển khơng phải thực matlab mà nằm DSP.Việc đo tốc độ vị trí động khơng phải tính tốn dựa mơ hình mà đo từ encoder kênh ADC ta cần xây xựng khối đo riêng để xác định tốc độ vị trí encoder Mơ hình điều khiển vị trí Hình 3.14 Cấu trúc điều khiển realtime với DSP F2812 Trong khối “transmit to host”, “setpoint to host” “receive from host” khối làm nhiệm vụ giao tiếp với matlab thông qua cổng truyền thông RTDX Khối “Position control” “speed control” điều khiển vị trí tốc độ Khối “measure” có chức đo tốc độ vị trí động Đầu vào khối giá trị đếm xung encoder counter, đầu giá tốc độ quay (RPM) động vị trí (mm) truyền động vít me Khối “measure” xây dựng sau: Hình 3.15 Khâu đo lường (a.cấu trúc, b khối QEP clock) Nguyên lý hoạt động: Số xung đếm counter có giá trị từ - 65535 tràn đếm lại quay trở Xung đếm đưa vào khối QEP clock, Khối QEP clock làm nhiệm vụ tnh toán số xung đếm chiều quay chu kỳ lấy mẫu (0,001s) Nếu chiều thuận đầu delta clock mang giá trị dương, chiều ngược mang giá trị âm trị tuyệt đối số xung đếm chu kỳ Giá trị delta clock đưa qua hai khối riêng biệt để xác định vị trí tốc độ động 3.2.3 Kết thực nghiệm Trường hợp tín hiệu đặt vị trí 100mm từ vị trí gốc (0 mm) Đáp ứng tốc độ mơ Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ mơ với giá trị đặt ví trí 100mm Tốc độ đo chạy thực Hình 3.17 Đáp ứng tốc độ mô với giá trị đặt ví trí 100m Đáp ứng vị trí mơ Hình 3.18 Đáp ứng vị trí chạy thực với giá trị đặt ví trí 100mm Đáp ứng vị trí chạy thực Hình 3.19 Đáp ứng vị trí chạy thực với giá trị đặt ví trí 100mm Ghi chú: Các khối Scope chạy mơ có đơn vị trục đơn vị chuẩn, Vì thời gian (Time) có đơn vị giây (s), Tốc độ (Speed) vòng/phút (RPM), vị trí (Position) mm Còn chạy thực vector scope nên đơn vị trục tung phụ thuộc vào tốc độ Frame Nhận xét : - Hệ thống khơng có sai lệch tĩnh Đáp ứng vị trí bám sát với tn hiệu đặt 100 mm - Thời gian tăng tốc đến 3000(V/p) 0,7s giảm tốc 3,5s - Thời gian đáp ứng vị trí 100mm 22s - Khơng có q điều chỉnh - Đáp ứng vị trí tốc độ thực nghiệm mơ hồn tồn giống Trường hợp tín hiệu đặt vị trí -100mm từ vị trí gốc (0 mm) Đáp ứng tốc độ mô Hình 3.20 Đáp ứng tốc độ mơ với giá trị đặt ví trí -100mm Tốc độ đo chạy thực Hình 3.21 Đáp ứng tốc độ chạy thực với giá trị đặt ví trí - 100mm Đáp ứng vị trí mơ Hình 3.22 Đáp ứng vị trí mơ với giá trị đặt ví trí -100mm Đáp ứng vị trí chạy thực Hình 3.23 Đáp ứng vị trí chạy thực với giá trị đặt ví trí -100mm Trường hợp tín hiệu đạt hàm nhẩy bậc Đáp ứng vị trí mơ Hình 3.24 Đáp ứng vị trí mơ với giá trị đặt tín hiệu nhẩy bậc Đáp ứng vị trí chạy thực Hình 3.25 Đáp ứng vị trí chạy thực với giá trị đặt tín hiệu nhẩy bậc Các lần chạy thử nghiệm mô thực với chu kỳ lấy mẫu mạch vòng tốc độ 0,001s mạch vòng vị trí 0,1s Thời gian lấy mẫu nhỏ hệ thống đáp ứng nhanh nhiên gây sai số nhiều đo lường làm cho kết đáp ứng khơng xác Mạch vòng vị trí khâu P với hệ số Kp= 400 mạch vòng tốc độ khâu PI với Kp=0,05 Ki=0,0 Kết thực nghiệm có kết xác so với mơ phỏng, nhiên thực phải quan tâm đến lực tnh toán phép toán xử lý số học vi xử lý điều matlab hệ vi xử lý độc lập thơng thường có sai khác Đôi bất cẩn việc thực điều khiển số gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống (ví dụ tượng tràn liệu hay thực phép tốn làm đáp ứng bị ngược lại so với mong muốn) Như vậy, so sánh kết lần chạy thử nghiệm ta dễ dàng thấy đặc tính mơ gần trùng khít hồn tồn với đặc tnh điều khiển thực Do điều khiển thiết kế đáp ứng tiêu kỹ thuật theo yêu cầu đặt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian làm việc cần cù, sáng tạo nghiêm túc luận, văn hoàn thành với kết sau: - Tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp nhận dạng tham số điều khiển tốc độ động chiều, chọn nêu ưu điểm phương pháp sử dụng Nghiên cứu hệ thống điều khiển có xây dựng hệ thống theo hướng cải tiến mức độ tch hợp tnh linh hoạt - Xây dựng mơ hình nhận dạng tham số ứng với phương pháp tiếp cận theo luật mở Taylor - Thiết kế điều khiển sử dụng vi điều khiển để điều khiển tốc độ động chiều ứng với dòng Vi điều khiển khác (PIC TMS320) - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống điều khiển – động ứng với dòng Vi điều khiển PIC TMS320 - Cài đặt chương trình tiến hành thực nghiệm Matlab/Simulink điều khiển thời gian thực, kết thực nghiệm phản ánh tnh đắn nội dung nghiên cứu, nhiên kết dừng lại bước đầu, tiền đề cải tiến sau Kiến nghị: Đây hướng đề tài mở, công nghệ thay đổi liên tục, nên cần có thêm cập nhật ứng dụng điều khiển theo hướng tiếp cận với kỹ thuật công nghệ đồng nghiệp, bạn bè thân để phục vụ cho cải tiến sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Văn Kiểm Bài giảng tóm tắt mơn điện tử cơng suất [2] Lập trình C với vi điều khiển - Ngơ Diên Tập [3] Đà Nẵng) (Trần Đình Khơi Quốc-Đại học (Huỳnh Thái Hồng) [5] Parameters Identification of Nonlinear DC Motor Model Using Compound Evolution Algorithms (Shuang Cong, Guodong Li, Xianyong Feng) [6] H Razik, C Defranoux, and A Rezzoug, “Identifcation of induction motor using a genetic algorithm and a quasi-Newton algorithm”, in Proc IEEE Power Electronics Congress CIEP [7] S Cong, X Feng, Parameters Identification of DC Motor Based on GA and Simplex Method (in Chinese), Control Engineering of China, vol 16, no 1, pp.09112, 2009 [8] R Krneta, S Antic, and D Stojanovic, “Recursive least square method in parameters identification of DC motors models,” Facta Universitatis, vol 18, no 3, pp 467–478, 2005 [9] M Hadef and M R Mekideche, “Parameter identification of a separately excited DC motor via inverse problem methodology,” inProceedings of the Ecologic Vehicles andRenewable Energies, Monaco, France, 2009 [10] Rev.F, ―Technical Reference – eZdsp F2812, Spectrum Digital, 2003 [11] Anil K.Maini, ―Digital Electron ics – Principles, Devices and Applications, John Wiley and Sons, 2007 [12] B.L.Theraja ―Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics, S.Chand, 2006 [13] Website : www.spectrumdigital.com ... servo mẫu sử dụng để nhận dạng tham số động cơ, ngược lại tham số sử dụng để cập nhật mơ hình mẫu Các thuộc tnh tổ hợp nhận dạng nghiên cứu lý thuyết ổn định Lyapunov, nghiên cứu cách sử dụng mạng... =CONST Điều khiển tốc độ động chiều sử dụng nhiều cấu trúc điều khiển khác nhau, nhiều hệ điều khiển khác Trong nội dung luận văn này, tơi xin trình bày cách sử dụng Vi xử lý, Vi điều khiển để thiết... đổi tham số điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ sử dụng để điều khiển xác đối tượng Ngày vi c ứng dụng điều khiển số kỹ thuật cho ta khả điều chỉnh xác, dễ dàng nên vi c ứng dụng ngày nhân