Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi​

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CƠNG NGHIỆP HỒNG TRỌNG DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 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 Tơi Hồng Trọng Diễn 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 Hiện công tác khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số - BQP 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 thích nghi” 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 thích nghi” hồn 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 Hoàng Trọng Diễn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI x 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 động bước nguyên lý cấu tạo 1.1.1 Giới thiệu .2 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 15 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 Mô 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 2.3.2 Phần cứng vi xử lý F2812 .37 v 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 51 2.6 Thiết kế phần mềm cho động bước dùng vi xử lý TMS320F2812 52 2.6.1 Mã ccs (ex 24 ) chế độ bước đủ pha on 52 2.6.2 Mã ccs chết độ bước đủ pha on 54 2.6.3 Mã ccs chét độ nửa bước 55 2.6.4 Chế độ vi bước 56 2.7 Thao tác với chương trình dịch Ccstudio .58 2.7.1 Màn hình khởi động chương trình .58 2.7.2 Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 58 2.7.3 Mở Project 59 2.7.4 Dịch chương trình 60 2.7.5 Nạp mã chương trình vào nhớ 61 2.7.6 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động bước 62 2.8 Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM 62 2.8.1 Sơ đồ mạch phần cứng 62 2.8.2 Phần mềm điều khiển hệ thống 64 2.9 Thiết kế điều khiển hệ kín gồm điều khiển dòng điện phi tuyến Backstepping điều khiển vị trí PID mờ cho động PMSM 69 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 69 2.9.2 Thiết kế điều khiển Backstepping mạch vịng điều khiển vị trí động PMSM 71 2.9.3 Thiết kế điều chỉnh thành phần Iq 75 2.9.4 Thiết kế điều khiển thích nghi Backstepping mạch vịng điều khiển vị trí động PMSM .77 vi 2.9.5.Kết luận 79 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .81 3.1 Kết mô MATLAB 81 3.1.1 Sơ đồ mô hệ thống kín 81 3.2 Kết thí nghiệm 85 3.2.1 Mô hình thí nghiệm .85 3.2.2 Kết thí nghiệm 86 3.3 Kết luận 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 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 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 Hình 1.21 G p Hình 1.22 C Hình 1.23 G Hình 1.24 C Hình 1.25 G Hình 1.26 G viii 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 Hình 2.20 C Hình 2.21 T Hình 2.22 S Hình 2.23 S Hình 2.24 S Hình 2.25 S Hình 2.26 S B ix Hình 2.27 S B Hình 3.1 S Hình 3.2 S Hình 3.3 Q Hình 3.4 S v Hình 3.5 V Hình 3.6 S B Hình 3.7 T t Hình 3.8 M Hình 3.9 D n Hình 3.10 D t Hình 3.11 K Hình 3.12 Đ Hình 3.13 A T Hình 3.14 V đ Hình 3.15 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) 79 ˆ Ve = e1e1 + e2 e2 + eˆ3 eˆ3 + Từ (2.14), (2.48), (2.50 (2.56), ta có: ˆ = − k1e1 Ve + e1e2 + B B ∗ v − v θ r e2 + J J r m k2B k3J v − − e1eˆ3 N rψ m k 1TL N rψ m k 1T L − Nψ eˆ3 + Nψ r m r m + k1 Bv k1 Bv + e eˆ N rψ m N rψ m ˆ J TL −N ψ eˆ3 − m r Nψ r (2.57) Từ (2.57), để  L V q = − e1e2 −  eˆ3 ψω m r + N r ωr I d eˆ3 + k1TL + eˆ3 + Nψ r m J N k1 −  + e eˆ N rψ m (2.58) Với luật thích nghi sau: ˆ B v  =γ − k  1  e1 e2 + e22 J J (2.59) ˆ TL (2.60) + θr * + θ r θ r = ∫ωr dt ωr d dt Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến 2.9.5.Kế 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 81 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 3.1 Kết mô MATLAB 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 mô toàn hệ thống 3.1.1.2 Sơ đồ khối mạch Driver DIR -1 3.1.1.3 Kết mô Kết việc mô cho trường hợp động quay theo chiều thuận, vị trí góc đặt 60 , sau động dừng, đến 0.5(s) động bắt đầu quay ngược lại với góc đặt 20 , mô men tải 0.3Nm, chế độ làm việc động chế độ bước đủ với hai pha cấp xungTham số mô sau: R = 0.7 Ω; L = 0.0014 H ; ψm = 0.005 Vs; N r = 50; J = 0.0000057 Kg m ; Bv = 0.001 Nm.s / rad 82 Hình 3.4 Sự thay đổi hệ số ma sát động trình làm việc 60 50 40 30 20 10 0 Hình 3.6 Sai lệch vị trí với điều khiển thích nghi phi tuyến Backstepping 60 40 20 -20 -40 -60 Hình 3.7 Tốc độ động với điều khiển hệ kín thích nghi phi tuyến 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.10 Hình 3.8 Mô men động -1 -2 -30 Hình 3.9 Dịng điện pha động với điều khiển hệ kín thích nghi phi tuyến Backstepping -1 -2 -3 -40 Hình 3.10 Dịng điện pha động với điều khiển hệ kín phi tuyến Backstepping Nhận xét: Qua kết mơ chohệ hở, hệ kín PID, hệ kín phi tuyến Backstepping hệ kín thích nghi phi tuyến Backstepping, ta thấy: với vị trí góc 0 0 đặt 60 , vị trí thực động đạt tương ứng 59 , 59.4 ,59.7 , 59,9 Như chất lượng điều khiển tăng dần áp dụng điều khiển nói Hệ thống với điều khiển hệ kín thích nghi phi tuyến Backstepping cho chất lượng cao với sai số 0.17%, thời gian 0.1(s) thời gian độ ngắn 85 3.2 Kết thí nghiệm 3.2.1 Mơ hình thí nghiệm Hình 3.11 Kết nối máy tính, máy sóng TMS320 Hình 3.12 Đối tượng điều khiển Hình 3.13 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG Bo mạch TOP2812 86 3.2.2 Kết thí nghiệm Động bước sử dụng thí nghiệm động PMSM có góc bước 0 1,8 , chế độ bước đủ với hai pha cấp xung Khi vị trí đặt 60 , với hệ thống điều khiển mạch hở vị trí góc đạt 59 , nghĩa với sai số 1.6%; với hệ thống điều khiển PID mạch kín vị trí góc rotor đạt 59,4 , nghĩa với sai số 1% 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 PID 0.2 (s), tron thời gian độ hệ điều khiển mạch hở 0.4 (s) Cả hai trường hợp, hệ kín PID 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 PID nhỏ hệ điều khiển mạch hở Điều phản ánh tính ưu việt hệ kín so với hệ hở Vị trí góc (0) Điều khiển Thời (s) gian Hình 3.14 Vị trí thực rotor với hệ điều khiển mạch kín PID hệ điều khiển mạch hở 87 Hình 3.15 Các tín hiệu Encoder dòng điện pha động 3.3 Kết luận Qua kết mơ thí nghiệm ta nhận thấy rằng, với hệ kín chất lượng điều khiển vị trí cao hệ hở Với hệ kín: chất lượng điều khiển hệ kín thích nghi phi tuyến Backstepping cao hệ kín phi tuyến Backstepping hai cao hệ kín PID hai tiêu sai lệch tĩnh thời gian độ Hệ điều khiển vị trí động PMSM hệ hở hệ kín khơng có q điều chỉnh vị trí 88 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 thích nghi phi tuyến để nghiên cứu ứng dụng Với phương pháp tiến hành xây dưng mơ hình tốn động bước tổng hợp hệ điều khiển ổn định phục vụ cho hệ điều khiển xác động bước, sở chọn điều khiển PID tuyến tính đánh giá sơ chất lượng hệ thống, từ chọn phương pháp điều khiển hệ kín thích nghi 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 - Nâng cao chất lượng hệ truyền động thiết kế điều khiển hệ kín thích nghi nhằm nâng cao chất lượng hệ, qua so sánh với hệ PID tuyến tính kết tốt 89 * 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 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà (2014), Lý thuyết điều khiển đại, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM [2] Nguyễn Quang Hùng- Trần Ngọc Bình (2003), Động bước kĩ thuật điều khiển ứng dụng , NXB Khoa học kĩ thuật [3] PGS Đào Hoa Việt- Thạc sĩ Vũ Đức Thoan (2004), Giáo trình máy điện,NXB giáo dục [4] Nguyễn Trọng Thắng (2007), 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 [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 [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 91 [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 ... cách đặt vấn đề nên đề tài luận văn chọn là: ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” Nội dung luận văn chia làm chương: Chương... đoan: Đề tài ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” hướng dẫn TS Cao Xuân Tuyển cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài... 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