Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển mờ​

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS CAO XUÂN TUYỂN PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thị Minh học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp điều khiển mờ” hướng dẫn TS Cao Xuân Tuyển công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo ghi danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu khác mà không ghi danh mục Tôi xin cam đoan tất nội dung luân văn đề cương yêu cầu giáo viên hướng dẫn Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy TS Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp điều khiển mờ” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS Cao Xuân Tuyển tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Khoa sau đại học, thầy giáo, cô giáo khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập trình nghiên cứu thực luận văn Toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Tác giả Nguyễn Thị Minh iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC .2 1.1 Các loại độngcơ bước nguyên lý cấu tạo .2 1.1.1 Giới Thiệu 1.1.2 Các loại đông bước 1.1.3 Động bước dùng nam châm vĩnh cửu 1.1.4 Động bước từ kháng (Variable Reluctance) 1.1.5 Động bước lai (Hybrid) 1.2 Ứng dụng động bước 1.3 Nguyên lí mạch động lực điều khiển động bước 1.3.1 Nguyên lí mạch động lực điều khiển động bước lưỡng cực 1.3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch động lực nguyên lí điều khiển động bước đơn cực 14 1.3.3 Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí đảo chiều động bước 24 1.3.4.Kết luận ………………………………… …… 28 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC30 2.1 Mơ hình tốn học động bước .30 2.2 Bộ điều khiển vị trí hệ hở .33 2.3.Tổng quan phàn cứng vi xử lý TMS 320 F2812 34 2.3.1 Giới thiệu chung vi xử lý TMS 320 F2812 34 v 2.3.2 Phần cứng vi xử lý F2812 .37 2.3.3 Sơ đồ chức vi xử lý TMS320F2812 .38 2.4 Động bước đơn cực (unipolar) 48 2.5 Mạch động lực điều khiển động bước .48 2.5.1 động bước đơn cực 48 2.5.2 Sơ đồ kết nối TMS320 vào động bước 52 2.6 Thiết kế phần mềm cho động bước dùng vi xử lý TMS320F2812 53 2.6.1 Mã ccs (ex 24 ) chế độ bước đủ pha on 53 2.6.2 Mã ccs chết độ bước đủ pha on 55 2.6.3 Mã ccs chét độ nửa bước 56 2.6.4 Chế độ vi bước 58 2.7 Thao tác với chương trình dịch Ccstudio .60 2.7.1 Màn hình khởi động chương trình .60 2.7.2 Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 60 2.7.3 Mở Project 61 2.7.4 Dịch chương trình 62 2.7.5 Nạp mã chương trình vào nhớ 63 2.7.6 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động bước 64 2.8 Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM 65 2.8.1 Sơ đồ mạch phần cứng 65 2.8.2 Phần mềm điều khiển hệ thống 66 2.9 Thiết kế điều khiển hệ kín gồm điều khiển dịng điện phi tuyến Backstepping điều khiển vị trí PID mờ cho động PMSM 72 2.9.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ kín, sơ đồ nguyên lý sơ đồ khối mạch phần cứng cho hệ thống điều khiển PMSM 72 2.9.2 Thiết kế điều chỉnh dòng Backstepping 74 2.9.3 Thiết kế điều khiển PID mờ cho mạch vịng điều chỉnh vị trí .84 vi 2.9.4 Kết luận ……………… …… 86 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .87 3.1 Kết mô MATLAB 87 3.1.1 Sơ đồ mô hệ thống kín 87 3.2 Kết thí nghiệm 90 3.2.1 Mơ hình thí nghiệm .90 3.2.2 Kết thí nghiệm 91 3.3 Kết luận 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Hình 1.1 S Hình 1.2 Đ Hình 1.3 M Hình 1.4 S Hình 1.5 C Hình 1.6 S Hình 1.7 M c Hình 1.8 S Hình 1.9 D Hình 1.10 C Hình 1.11 C Hình 1.12 D Hình 1.13 c Hình 1.14 G Hình 1.15 P Hình 1.16 M Hình 1.17 C Hình 1.18 S Hình 1.19 G Hình 1.20 C c Hình 1.21 G đ viii Hình 1.22 C Hình 1.23 G Hình 1.24 C Hình 1.25 G Hình 1.26 G Hình 1.27 Đ Hình 1.28 Đ Hình 2.1 C Hình 2.2 S Hình 2.3 S Hình 2.4 S Hình 2.5 M Hình 2.6 M Hình 2.7 S Hình 2.8 S Hình 2.9 S Hình 2.10 M Hình 2.11 K Hình 2.12 M Hình 2.13 M Hình 2.14 M Hình 2.15 D Hình 2.16 D Hình 2.17 M Hình 2.18 R Hình 2.19 S ix Hình 2.20 C Hình 2.21 S Hình 2.22 S Hình 2.23 S P Hình 2.24 C Hình 2.25 D Hình 3.1 S Hình 3.2 S Hình 3.3 V Hình 3.4 T Hình 3.5 M Hình 3.6 D Hình 3.7 M Hình 3.8 V h Hình 3.9 C x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI Controller : Bộ điều khiển VR : Động bước từ kháng (Variable Reluctance) Hybrid : Động bước lai Bipola : Động bước lưỡng cực Uniporla : Động bước đơn cực PMSM : Động bước nam châm vĩnh cửu PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm) Hình 2.24 Cấu trúc điều khiển vị trí kiểu PID mờ 85 2.9.3.2 Xác định dạng hàm liên thuộc giá trị biến ngôn ngữ Ở đây, để đơn giản ta lựa chọn hàm liên thuộc dạng hình thang hình tam giác, dạng hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính Dạng hàm liên thuộc giá trị biến ngôn ngữ đầu vào ra hình a) Biến vào SLVT(ΔS) c) Biến v b) Biến vào VT(∆e) * Hình 2.25 Dạng hàm liên thuộc giá trị biến ngôn ngữ vào – 2.9.3.3 Xây dựng luật điều khiển “ “ Căn vào chất vật lý, số liệu kinh nghiệm, ta chọn luật sau: Luật 1: if SLVT is PH ( dương cao), then V* is PH (dương cao); Luật * 2: if SLVT is PL ( dương thấp), then V is PM (dương trung bình); Luật 3: if * ( SLVT is ZE (bằng 0)) and ( VT is PS (dương)), then V is PL (dương thấp); * Luật 4: if ( SLVT is ZE (bằng 0)) and ( VT is NE (âm)), then V is NC (không thay đổi); Luật 5: if ( SLVT is ZE (bằng 0)) and ( VT is ZE (bằng 0)), then V* is NC (không thay đổi); Luật 6: if SLVT is NL ( âm thấp), then V* is NL (âm thấp); Luật 7: if SLVT is NH ( âm cao), then V* is NH (âm cao) 86 2.9.3.4 Chọn luật hợp thành giải mờ Ở đây, ta chọn luật hợp thành max-min giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 2.9.4 Kết luận Qua phân tích chương em thấy với ưu, nhược điểm động bước cho phép điều chỉnh vị trí với mạch hở nhiên số trường hợp tải lớn, tốc độ yêu cầu cao để có thời gian chuyển từ vị trí sang vị trí xảy bước phải dùng mạch kín PID Và để nâng cao chất lượng mạch kín em lựa chọn hệ kín thích nghi phi tuyến để nghiên cứu điều chỉnh vị trí động bước 87 CHƯƠNG III : MƠ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 3.1 Kết mô MATLAB hệ thống điều khiển hệ kín gồm điều khiển dịng điện phi tuyến Backstepping điều khiển vị trí PID mờ cho động PMSM 3.1.1 Sơ đồ mơ hệ thống kín 3.1.1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống Stepper Motor Drive This demo requires the Control System Toolbox Hinh 3.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống 3.1.1.2 Sơ đồ khối mạch Driver DIR -1 3.1.1.3 Kết mô -Kết việc mô v khoảng thời gian 0.1s quay theo chiều thuận, sau động dừng khoảng 0.05s tiếp theo, Vị trí góc đặt 600 89 0.4 Mo men 0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -1 -2 Hình 3.6 Dịng điện pha động Nhận xét: Qua kết mô cho hệ kín gồm mạch vịng điều chỉnh dịng điện Backstepping mạc vịng điều chỉnh vị trí dùng điều khển PID mờ, ta thấy: với vị trí góc đặt 60 0, vị trí thực động hình 4.3 đẫ đạt 59,50, nghĩa điều khiển vị trí với sai số 0.0083% Thời gian độ 0.1 (s) 90 3.2 Kết thí nghiệm 3.2.1 Mơ hình thí nghiệm Hình 3.7 Kết nối máy tính, máy sóng TMS320 Hình 3.8 Đối tượng điều khiển 91 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG Bo mạch TOP2812 Hình 3.9 Mơ hình hệ thống thí nghiệm 3.2.2 Kết thí nghiệm với hệ thống điều khiển PID mạch kín hệ thống điều khiển mạch hở Động bước sử dụng thí nghiệm động PMSM có góc bước 1,80, động làm việc chế độ bước đủ, hai pha ON Khi vị trí đặt 60 0, với hệ thống điều khiển mạch hở vị trí góc đạt 57,68 0, nghĩa với sai số 0.045%; với hệ thống điều khiển PID mạch kín vị trí góc rotor đạt 58,840., nghĩa với sai số 0.02% Với hệ thống điều khiển mạch kín, hệ số điều khiển chọn là: Kp=0.7; KI-1; Kp=0 Qua kết thí nghiệm, ta thấy, thời gian độ với hệ thống điều khiển mạch kín 0.2 (s), tron thời gian độ hệ điều khiển mạch hở 0.4 (s) Cả hai trường hợp, hệ kín hệ hở khơng có q điều chỉnh vị trí Như vậy, sai lệch tĩnh thời gian độ điều khiển vị trí hệ điều khiển mạch kín nhỏ hệ điều khiển mạch hở Điều phản ánh tính ưu việt hệ kín so với hệ hở 92 Vị trí góc (0) Điều khiển mạch hở Thời gian (s) Hình 3.10 Vị trí thực rotor với hệ điều khiển mạch kín PID hệ điều khiển mạch hở Hình 3.11 Các tín hiệu Encoder dịng điện pha động điều khiển hệ kín PID 93 3.3 Kết luận Qua kết mơ thí nghiệm ta nhận thấy rằng, với hệ kín gồm mạch vòng điều chỉnh dòng điện Backstepping mạc vòng điều chỉnh vị trí dùng điều khển PID mờ có chất lượng điều khiển vị trí tốt nhất, sau hệ điều khiển mạch kín với điều chỉnh vị trí PID Cả hai hệ điều khiển mạch kín cho chất lượng điều khiển cao mạch hở sai số tĩnh thời gian độ Cụ thể, sai số vị trí hệ hệ kín gồm mạch vịng điều chỉnh dịng điện Backstepping mạc vịng điều chỉnh vị trí dùng điều khển PID mờ 0.0083% nhỏ sai số vị trí hệ kín dùng điều khiển PID cho mạch vịng vị trí (0.02%) nhỏ hơ sai số vị trí mạch hở (0.045%) Thời gian độ hệ kín gồm mạch vịng điều chỉnh dịng điện Backstepping mạc vịng điều chỉnh vị trí dùng điều khển PID mờ 0.1 (s) nhỏ mạch kín dùng PID (0.2 s) nhỏ thời gian độ mạch hở (0.4 s) Các tiêu nêu trên, chứng tỏ tính ưu việt hệ kín gồm mạch vòng điều chỉnh dòng điện Backstepping mạc vòng điều chỉnh vị trí dùng điều khển PID mờ 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận: Với đề tài cho, luận văn nghiên cứu, giải tương đối hoàn chỉnh hợp lý thể mặt lý thuyết nghiên cứu cách tổng quan ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí động bước Đây phương pháp tương đối phức tạp, thực tế sử dụng phổ biến, với yêu cầu đề tài nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển vị trí động bước chọn phương pháp điều khiển mờ để nghiên cứu ứng dụng Với phương pháp tiến hành xây dưng mơ hình toán động bước tổng hợp hệ điều khiển ổn định phục vụ cho hệ điều khiển xác động bước, sở chọn điều khiển PID mờ đánh giá sơ chất lượng hệ thống, từ chọn phương pháp điều khiển hệ kín để nâng cao chất lượng hệ điều khiển, phương pháp điều khiển ứng dụng hợp lý cho hệ truyền động Bên cạnh hoàn chỉnh lý thuyết luận văn tiến hành kiểm chứng thông qua mô phần mềm Matlab Simulink để xác định ổn định vị trí động bước kiểm định đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước Từ kết tổng quát luận văn giải cho số kết sau: - Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc, phương pháp điều khiển ứng dụng động bước, từ chọn loại động bước để điều chỉnh vị trí xác - Xây dựng, thiết kế điều khiển vị trí động bước tổng hợp, mơ đánh giá chất lượng ổn định, đảm bảo cho việc ứng dụng điều khiển vị trí động bước 95 - Nâng cao chất lượng hệ truyền động thiết kế điều khiển hệ kín nhằm nâng cao chất lượng hệ, qua so sánh với hệ PID mờ kết tốt * Kiến nghị: Do điều kiện thời gian thiết bị nên luận văn dừng lại nghiên cứu lý thuyết kiểm nghiệm mô máy tính Để ứng dụng vào thực tế cần tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm mơ hình hí nghiệm thực, từ tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tế 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển đại”, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM [2] Nguyễn Quang Hùng- Trần Ngọc Bình ,”Động bước kĩ thuật điều khiển ứng dụng ”, NXB Khoa học kĩ thuật [3] PGS Đào Hoa Việt- Thạc sĩ Vũ Đức Thoan, ”Giáo trình máy điện”, NXB giáo dục [4] Nguyễn Trọng Thắng,” Giáo trình máy điện đặc biệt”, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM [5] Bishop R, “The Mechatronics Handbook" , Texas 2002 [6] Paul Acarnley, “Stepping Motors - A Guide to Theory and Practice”, Institution of Engineering and Technology, 4th Edition, London, United Kingdom, 2007 [7] Sagarika Pal, and Niladri S Tripathy, “Remote Position Control System of Stepper Motor Using DTMF Technology,” International Journal of Control and Automation, Vol 4, No 2, June, 2011 [8].M Bodson, Carnegie Mellon, J N Chiasson, R T Novotnak and R B Rekowski, “High Performance Nonlinear Feedback Control of a Permanent Magnet Stepper Motor”, First IEEE Conference on Control Applications, Vol 1, pp 505 – 515, Sep 1992 [9] Jean-Jacques E Slotine, and Weiping LI, “Applied Nonlinear Control”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1991 [10] M Zribi, and J Chiasson, “Position Control of a PM Stepper Motor by Exact Linearization”, Transaction on automatic control, Vol 36, No 5, May, 1991 97 [11] D.G Taylor, M Ilic-Spong, R Marino, and S Peresada, “Feedback Linearizing Control of Switched Reluctance Motors,” 1986 25th IEEE Conference on Decision and Control, Vol 25, pp 388-396, May, 1987 [12] M Bodson, Carnegie Mellon, J N Chiasson, R T Novotnak and R B Rekowski, “High Performance Nonlinear Feedback Control of a Permanent Magnet Stepper Motor”, First IEEE Conference on Control Applications, Vol 1, pp 505 – 515, Sep 1992 [13[ Sang-Hoon Chu, In-Joong Ha, Sung-Joon Lee, and Joon-Hyuk Kang “Feedback-Linearizing Control of Hybrid Step Motors” IEEE Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1994 IECON 4, 20th International, Vol 3, pp 2039-2044, 1994 [14] C Lascu, I Boldea, and F Blaabjerg, “Direct Torque Control via Feedback Linearization for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives”, 2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment , pp.338 – 343, May, 2012 [15] W Mielczarskia and A.M Zajaczkowskib, “Nonlinear Field Voltage Control of a Synchronous Generator Using Feedback Linearization”, Automatica, Vol 30, pp 1625 – 1630, Oct 1994 ... ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp điều khiển mờ” Nội dung luận văn chia làm chương: Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phương pháp điều. .. thể ứng dụng điều khiển tốc độ động bước yêu cầu cần thiết máy sản xuất Từ yêu cầu trên, đề tài luận văn nghiên cứu hệ điều khiển vị trí động bước, đồng thời nâng cao chất lượng hệ điều khiển Với... gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy TS Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp