Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - Nguyễn Thị Thúy THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Bùi Thị Hải Linh Thái Nguyên – Năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Thúy Sinh ngày: 16/7/1987 Học viên lớp cao học CH K21 - KTĐK & TĐH- Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng Công nghệ Nông lâm Đông Bắc Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động chiều ứng dụng công nghệ FPGA” Cô giáo TS Bùi Thị Hải Linh hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu giáo hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học trước pháp luật Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Thuý Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình Cơ giáo hướng dẫn TS Bùi Thị Hải Linh, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động chiều ứng dụng công nghệ FPGA” hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Cô giáo hướng dẫn TS Bùi Thị Hải Linh tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Cũng qua đây, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc kính trọng đến thầy giáo khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên giúp đỡ cho suốt thời gian học tập nghiên cứu để hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy cô giáo, đồng nghiệp Khoa Điện- Điện tử trường Cao đẳng Công nghệ Nông lâm Đơng Bắc đóng góp ý kiến q báu chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ công việc thời gian để làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, thực hồn thành luận văn Tuy nhiên, với nhiều khó khăn vấn đề thời gian, kinh nghiệm lực thân cịn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn khơng tránh khỏi sai sót Tơi mong nhận đóng góp ý kiến quý báu Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Thuý Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 13 Lý chọn đề tài 13 Tính cấp thiết đề tài luận văn 13 Phạm vi, đối tượng phương pháp nghiên cứu 14 Mục tiêu luận văn 15 Những đóng góp lý luận thực tiễn luận văn 15 Bố cục luận văn 16 CHƯƠNG 17 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 17 1.1 Cấu tạo, phân loại động điện chiều 17 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều 17 1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm động điện chiều 19 1.1.3 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều .20 1.2 Đặc tính động điện chiều 22 1.2.1 Phương trình đặc tính 22 1.2.2 Đường đặc tính 25 1.3 Xây dựng mơ hình tốn học cho động chiều 26 1.4 Kết luận chương 28 CHƯƠNG 29 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 29 2.1 Tổng quan Logic Mờ 29 2.1.1 Quá trình phát triển Logic Mờ 29 2.1.2 Khái niệm tập Mờ 29 2.2 Tìm hiểu hệ thống điều khiển Mờ 32 2.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 32 2.2.2 Cấu trúc điều khiển Mờ 32 2.2.3 Bộ điều khiển mờ tĩnh 33 2.2.4 Bộ điều khiển mờ động 37 2.3 Hệ thống điều khiển Mờ lai đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho toán ổn định tốc độ động chiều 39 2.3.1 FLC mắc song song với PID kinh điển 40 2.3.2 FLC làm nhiệm vụ khóa mờ 40 2.3.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho toán ổn định tốc độ động chiều 41 2.4 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 42 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 42 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng hai mạch vòng 42 3.1.1 Thiết kế điều chỉnh dòng điện 43 3.1.2 Thiết kế điều chỉnh tốc độ 46 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.2 Mô cấu trúc điều khiển Mờ lai ổn định tốc độ động chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động 49 3.2.1 Thuật toán điều khiển Mờ lai cho mạch vòng tốc độ 50 3.2.2 Mơ thuật tốn điều khiển mờ lai cho mạch vòng tốc độ 54 3.3 Kết luận chương 59 CHƯƠNG 60 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG CỦA FPGA TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 60 4.1 Tổng quan FPGA 60 4.1.1 Khái quát chung 60 4.1.2 Cấu trúc FPGA 61 4.2 Ngôn ngữ VHDL 64 4.2.1 Giới thiệu VHDL 64 4.2.2 Cấu trúc mơ hình hệ thống sử dụng VHDL 65 4.2.3 Mơ hình kiểm tra hoạt động (Testbench) 69 4.2.4 Các đối tượng kiểu liệu VHDL 69 4.2.5 Giới thiệu Broad DE2 - 115 72 4.3 Ứng dụng công nghệ FPGA để điều chỉnh tốc độ động chiều 83 4.4 Kết luận chương 85 CHƯƠNG 86 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA .86 5.1 Sơ đồ khối kết nối vật lý điều khiển tốc độ động chiều sử dụng thuật toán mờ lai FPGA 86 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm 86 5.1.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm 88 5.2 Kết chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động chiều sử dụng thuật toán mờ lai FPGA 93 5.3 Kết luận chương 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Uư điện áp phần ứng động (V) Eư sức điện động phần ứng động (V) Ru điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) Rp điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) Iư dòng điện phần ứng động (A) rư Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) rct Điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp rcb Điện trở cuộn bù (Ω) rcp Điện trở cuộn phụ (Ω)   vận tốc góc rơ to (rad/s) từ thơng qua cực từ p N a KE n0 n M D Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt BĐK Bộ điều khiển FLC Bộ điều khiển Mờ Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn PDL F-PID DUT Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh ASIC ALU CPLD CPU EMF CEMF CLB DSP FPGA HDL IC SoPC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Đầu khối xử lí trung tâm chân kit phát triển FPGA có điện áp 2.5V nên khơng đủ để cấp cho động quay Vì ta cần sử dụng mạch lực transistor, L293D, L298, IBT-2…  Đối tượng cần điều khiển Động điện chiều  Khối cảm biến Khối cảm biến có tác dụng chuyển tín hiệu tốc độ động dạng điện dạng điện, có điện áp tần số … tỉ lệ với tốc độ động Encoder động gắn đồng trục với Điện áp phần ứng encoder phản ánh tốc độ thực tế động Tín hiệu khối cảm biến đưa đến khối xử lí trung tâm để so sánh với giá trị tốc độ đặt ban đầu Nếu sai lệch lớn lượng điều chỉnh điện áp lớn Bộ xử lí xuất tín hiệu để điều khiển tốc độ động 5.1.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm Động chiều gắn Encoder Hình 5.3: Động chiều gắn Encoder Thơng số động cơ:  Điện áp định mức 24V  Công suất định mức 60W  Tốc độ định mức 4500(v/p) Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn  Tỉ số truyền 13.8:1  Tốc độ qua hộp số 326 v/p Nguyên lý encoder, đĩa trịn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xun qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm tăng lên tính số lần ánh sáng bị ngắt Như encoder tạo tín hiệu xung vng tín hiệu xung vng cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số xung đầu phụ thuộc vào tốc độ quay trịn Mạch lực IBT-2 BTS7960 Hình 5.4: Module IBT-2 BTS7960 Thơng số kĩ thuật:  Driver: IBT-2 BTS7960 tích hợp hai mạch cầu H  Điện áp: ~ 27VDC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn  Dòng điện tải: 43A (Tải trở) 15A (Tải cảm)  Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V  Tần số điều khiển tối đa: 25KHz  Tự động shutdown điện áp thấp: để tránh điều khiển động mức điện áp thấp thiết bị tự shutdown Nếu điện áp < 5.5V, driver tự ngắt điện mở lại sau điện áp > 5.5V  Bảo vệ nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống nhiệt cảm biến nhiệt tích hợp bên trong, đầu bị ngắt có tượng nhiệt  Kích thước: 40 x 50 x12mm FPGA DE2-115 Board Hình 5.5: DE2-115 Board Khối nguồn Power Supply: Sử dụng nguồn tổ ong 24VDC-10A Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 5.6: Khối nguồn Xây dựng hệ thống Hình 5.7: Cấu trúc hệ thống điều khiển Mờ lai nhúng FPGA Board  Gán chân cho thiết bị Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn  Hình 5.8: Bảng gán chân thiết bị Biên dịch chương trình: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5.2 Kết chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động chiều sử dụng speed (rpm) thuật toán Mờ lai FPGA error 500 -500 100 Hình 5.10: Kết thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Speed command Speed response 2000 (rpm) 1500 speed 1000 500 1000 500 error -500 -1000 -1500 500 1000 1500 2000 2500 Time (ms) Hình 5.11 Kết thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 600v/p đến 1800v/p Trên hình 5.10 ta thấy với giá trị tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p đáp ứng tốc độ bám sát giá trị tốc độ đặt có lượng điều chỉnh nhỏ Với thay đổi giá trị tốc độ khác hình 5.11 thấy đáp ứng bám sát đường tốc độ đặt với độ điều chỉnh chí nhỏ Code chương trình phần mềm Quartus II Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5.3 Kết luận chương Ở chương viết chương trình điều khiển dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL cho hệ thống điều khiển tốc độ động chiều sử dụng điều khiển Mờ lai Hệ thống bao gồm lõi xử lý NiosII , chương trình ứng dụng sử dụng phần mềm QuartusII giao diện tạo hệ thống SoPC Builder hãng Altera thiết bị đối tượng điều khiển Xây dựng đấu nối thiết bị với đối tượng điều khiển Đánh giá kết thu từ mơ hình thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn có đóng góp sau: Đã đề xuất cấu trúc điều khiển mờ lai để điều khiển tốc độ động chiều với hai mạch vịng phản hồi có kể đến yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống Trong điều khiển mờ sử dụng với hai chức tạo tín hiệu Uđk động chiều thực nhiệm vụ đóng mở Switch chuyển mạch cho phép điều khiển mờ điều khiển PD cấu trúc Mờ lai hoạt động luân phiên Đã xây dựng luật điều khiển mờ lai để điều khiển ổn định tốc độ động chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động hệ thống Đã tìm hiểu thiết bị điều khiển FPGA, từ cho phép xây dựng chương trình điều khiển mờ lai đề xuất card FPGA để điều khiển ổn định tốc độ động chiều thơng qua mơ hình thực nghiệm Hướng nghiên cứu luận án kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu phương pháp điều khiển mờ lai với cấu trúc khác để điều khiển vị trí hệ thống điều khiển sản xuất Nghiên cứu phương pháp điều khiển bền vững mờ trượt, điều khiển H  , điều khiển thích nghi,…Để điều khiển hệ thống có sử dụng động chiều Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Hữu Phước, “Điều khiển mờ lai PI cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi”, Tạp chí KH & CN, Đại học Đà Nẵng, số (2010) [2] Engin Yesil, “Fuzzy PID controllers: An overview”, The 3rd Triennial ETAI International Conference on Applied Automatic Systems, At Ohrid, Macedonia, October 2003 [3] Bharat Bhushan, Nupur Jha, Sangeeta Devra, Sarath S Pillai, "Performance analysis of PID and Fuzzy PD+I controller on nonlinear systems", Advance Computing Conference (IACC) 2014 IEEE International, pp 1195-1200, 2014 [4] W A Wali, J D Cullen, K H Hassan, A Mason, A I Al-Shamma'a, "Comparison between PID and Fuzzy logic controllers for advance microwave biodiesel reactor", Computers & Informatics (ISCI) 2011 IEEE Symposium on, pp 346-351, 2011 [5] Nguyễn Như Hiền & Lại Khắc Lãi “Hệ Mờ & Nơron kỹ thuật điều khiển” Sách Chuyên khảo dùng cho đào tạo Sau đại học ngành Điều khiển & Tự động hoá NXB KHTN&CNHN – 2007 [6] Trần Anh Dũng, Phạm Tuấn Anh, “Thiết kế điều khiển mờ lai cho hệ truyền động điện chiều”, Tạp chí KHCN Hàng Hải, số 20 (11-2009) [7] Sana Iqbal, Mohammad Ayyub, "Improved Performance of Fuzzy Logic Controller to Control Dynamical Systems: A Comparative Study", Computational and Characterization Techniques in Engineering & Sciences (CCTES) 2018 International Conference on, pp 122-126, 2018 [8] Phan Văn Hiền, Huỳnh Ngọc Thuận, “Ứng dụng logic mờ điều khiển lọc tích cực cho việc giảm sóng hài dịng điện”, Tạp chí KH & CN, Đại học Đà Nẵng, số (2011) [9] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiển (1998), “Truyền Động Điện”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [10] Subhajit Samanta, Tanya Tanesha, D Vijayakumar, "Design and simulation of speed controller using ac-dc buck boost converter for dc motor drive with soft starter", Energy Efficient Technologies for Sustainability (ICEETS) 2013 [11] Santanu Mondal, Arunabha Mitra, Madhurima Chattopadhyay, Debjyoti Chowdhury, "A New Approach of Sensorless Control Methodology for Achieving Ideal Characteristics of Brushless DC Motor Using MATLAB/Simulink", Third International Conference on Computer communi cation Control and Imformation Technology (C3IT), 2015 [12] K Giridharan, R Gautham, "FPGA based digital controllers for BLDC motor", International Journal of Engineering research and applications, vol 3, no 2, pp 1615-1619, March-April 2013 [13] J Barua and M A Abedin, "Design and Implementation of a FPGA Based Closed Loop Speed Controller for DC Motor using PWM Technique," 2018 International Conference on Advancement in Electrical and Electronic Engineering (ICAEEE), Gazipur, doi: 10.1109/ICAEEE.2018.8642965 [14] A R Bhavsar and P S V Patil, "Advance Speed Control Technique of Permanent Magnet Brushless DC Motor Drive Using MATLAB Simulation and FPGA Controller," 2018 International Conference on Smart Electric Drives and Power System (ICSEDPS), doi: 10.1109/ICSEDPS.2018.8536003 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... dung luận văn đưa kết thí nghiệm thu Mục tiêu luận văn  Thiết kế điều khiển Mờ lai để điều khiển tốc độ động chiều  Mô hệ thống điều khiển tốc độ động chiều sử dụng điều khiển Mờ lai phần mềm MATLAB-simulink... 4.3 Ứng dụng công nghệ FPGA để điều chỉnh tốc độ động chiều 83 4.4 Kết luận chương 85 CHƯƠNG 86 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN... ứng giữa điều khiển PI điều khiển mờ lai mạch vòng tốc độ thay đổi giá trị tốc độ đặt (tốc độ đặt dạng xung vng) 56 Hình 3.17: Mô đáp ứng điều khiển PI điều khiển mờ lai toán ổn định tốc độ động