Nghiên cứu thực hiện bộ điều khiển số trên nền tảng DSP TMS320F2812

1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay máy tính dần trở thành một phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống điều khiển thời gian thực .Với sự ra đời của các vi xử lý  P (ARM ,DSP,FPGA…. ) với tốc độ xử lý và tần số hệ thống ngày càng cao làm cho sự xuất hiện máy tính trong các hệ thống điều khiển tăng lên đáng kể. Chúng ta có thể gặp các hệ thống điều khiển số trong nhiều ứng dụng điều khiển quá trình , điều khiển giao thông , điều khiển máy bay, điều khiển ra đa,máy công cụ ,…Ưu điểm lớn nhất của các hệ thống điều khiển số thể hiện qua tính khả trình của nó, dễ dàng xây dựng và sửa đổi thuật toán điều khiển ,độ chính xác cao giá thành phù hợp .Hơn nữa có một số bộ điều khiển chỉ có thể áp dụng được trong hệ thống điều khiển số ,đặc trưng là điều khiển Dead beat [4]. Nhược điểm duy nhất của hệ thống điều khiển số là tốc độ xử lý phụ thuộc vào năng lực tính toán của các vi xử lý.Tuy nhiên vấn đề này đã được cải thiện đáng kể trong các máy tính số ngày nay đảm bảo thực hiện tốt tất cả các lý thuyết điêu khiển hiện đại với chất lượng cao .Các yếu tố trên đây đã chứng tỏ điều khiển số là một bước phát triển hoàn toàn phù hợp với xu thế phát triển của điều khiển tự động và tự động hoá. Điều khiển số ngày càng chiếm ưu thế và làm nền tảng cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển thông minh . TMS320C2000 là họ vi xử lý tí hiệu số ( DSP ) của Texas Intruments đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay do có thể hoạt động ở tốc độ cao,năng lực tính toán mạnh mẽ ,tích hợp các ngoại vi hỗ trợ chuyên dụng trong việc điều khiển số tốc độ động cơ và năng lượng [16].Chính vì lý do này em đã chọn họ vi xử lý TMS320C2000 đại diện là TMS320F2812 làm đối tượng nghiên cứu để thực hiện các bộ điều khiển số và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thực hiện bộ điều khiển số trên nền tảng DSP TMS320C2000S” nội dung báo cáo gồm 3 chương Chương 1 : Tổng quan về điều khiển số Chương 2 DSP TMS320F2812 và các công cụ hỗ trợ phát triển 2 Chương 3 Thực hiện bộ điều khiển số sử dụng DSP TMS320F2812 Đề tài này được nghiên cứu nhằm nắm vững hơn các lý thuyết về điều khiển số đồng thời giúp cho việc thực hiện các bộ điều khiển số ( thông thường và hiện đại ) được thuận lợi hơn trong thực tế . Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án do kiến thức có hạn ,khả năng lĩnh hội các kiến thức mới còn hạn chế ,em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô để có một kiến thức vững vàng hơn ,tự tin tham gia vào thực tế sản xuất . Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp ,các bạn Lớp ĐTĐ47 đặc biệt là sự hướng dẫn , chỉ bảo tận tình thầy giáo – TH.S Phạm Tuấn Anh đã giúp em hoàn thành đồ án này . Sinh viên thực hiện Phạm Văn Khánh 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1.1 Khái quát chung về điều khiển số Trong các hệ thống cơ khí hiện đại, để điều khiển khiển hệ thống thay đổi theo thời gian đạt được chất lượng mong muốn theo yêu cầu với độ ổn định và sự chính xác cao thì cần thiết phải đưa bộ điều khiển vào. Vai trò của bộ điều khiển sẽ làm cho đầu ra của hệ thống đạt được chất lượng mong muốn theo yêu cầu. Để đảm bảo sự xuất hiện của nhiễu trong mô hình, hầu hết các bộ điều khiển thường có cấu trúc dạng phản hồi âm. Khi đó người ta dùng 1 cảm biến để đo đầu ra của hệ thống được điều khiển và so sánh nó so với tín hiệu đặt. Hoạt động của bộ điều khiển dựa trên giá trị tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đặt và giá trị đo được của cảm biến. Bộ điều khiển dựa vào tín hiệu sai lệch để đưa ra tín hiệu điều khiển mong muốn cho hệ thống. Các đối tượng được điều khiển thường là các hệ thống tương tự bao gồm: Điện, thủy lực, khí nén hay các thành phần cơ khí. Đầu vào và đầu ra của đối tượng đều là các tín hiệu tương tự. Trong vài thập kỷ gần đây các bộ điều khiển số đã thay thế các bộ điều khiển tương tự thông thường. Chúng có thể là các mạch kỹ thuật số, các máy tính số hay các vi xử lý. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển số so với hệ thống điều khiển tương tự thông thường [13]  Độ chính xác: Điều khiển số được biểu diễn với những số 0 và 1 với 12 bit hay nhiều hơn để biểu diễn một số đơn. Điều này làm cho sai lệch điều chỉnh sẽ nhỏ hơn so với điều khiển bằng tín hiệu tương tự. Bởi vì tín hiệu tương tự sẽ bị sự tác động của nhiễu làm cho việc điều khiển sẽ không còn chính xác nữa.  Triệt tiêu các sai lệch: Quá trình xử lý số của các tín hiệu điều khiển bao gồm đến phép cộng và phép nhân được thực hiện bằng cách lưu trữ các giá trị số. Các giá trị sai lệch của việc biểu diễn bằng kỹ thuật số và số học là không đáng kể. Ngược lại, với bộ điều khiển tương tự được thực hiện 4 với các phần tử kỹ thuật điện thông thường như: điện trở và tụ điện mà các giá trị thực của chúng luôn bị biến đổi do các tác động bên ngoài. Do vậy, so với bộ điều khiển tương tự thì bộ điều khiển số gần như đã triệt tiêu được các sai lệch đó.  Tính linh hoạt: Một bộ điều khiển tương tự rất khó có thể thay đổi được thiết kế trong phần cứng. Ngược lại bộ điều khiển số được viết bằng phần mềm do đó ta có thể thay đổi cấu trúc chương trình của nó so với chương trình gốc mà không làm ảnh hưởng tới hệ thống.  Tốc độ: Kể từ năm 1980 đến nay tốc độ phần cứng trong máy tính tăng lên theo hàm mũ. Điều này đã làm tăng tốc độ xử lý quá trình, do đó hệ thống có thể lấy mẫu hay tạo ra các tín hiệu điều khiển ở tốc độ rất cao. Đồng thời chất lượng điều khiển sẽ tăng lên đáng kể dựa trên sự giám sát liên tục các biến được điều khiển.  Chi phí: Hiện nay mặc dù giá cả của các loại hàng hóa và dịch vụ đều tăng, tuy nhiên chi phí cho các mạch kỹ thuật số lại giảm. Có được điều này là do sự tiến bộ của công nghệ VLSI trong những năm gần đây đã làm cho khả năng sản xuất các mạch số trở nên tốt hơn, chất lượng tốt với độ tin cậy cao. Người tiêu dùng có thể mua được các sản phẩm với chi phí thấp. Điều này sẽ làm cho việc sử dụng các bộ điều khiển số trở nên kinh tế và phổ biến hơn. 1.1.2 Cấu trúc của một hệ thống điều khiển số Để điều khiển một hệ thống hay quá trình thì hệ thống điều khiển phải đo được các tín hiệu đầu ra của hệ thống hay quá trình đó, từ đó mới gửi các tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Hầu hết các ứng dụng trong thực tế thì đối tượng và cơ cấu chấp hành đều là các hệ thống tương tự. Như vậy ở đây ta thấy ngay được một vấn đề là bộ điều khiển và đối tượng điều khiển không “nói cùng một ngôn ngữ” . Ngôn ngữ của bộ điều khiển số là tín hiệu số, còn ngôn ngữ của đối tượng điều khiển là tín hiệu tương tự. Để chuyển đổi từ ngôn ngữ của bộ điều khiển sang ngôn ngữ của quá trình người ta thường dùng một 5 bộ biến đổi từ số sang tương tự được gọi là DAC. Ngược lại để chuyển đổi ngôn ngữ của quá trình sang ngôn ngữ của bộ điều khiển người ta dùng một bộ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được gọi là ADC. Để đo được đầu ra của quá trình được điều khiển người ta dùng một cảm biến lắp ở mạch phản hồi. Như vậy gộp tất cả các vấn đề đã bàn luận ở trên lại ta được một mạch vòng kín của hệ thống điều khiển số được trình bày như hình 1.1 . Hình 1.1 Cấu trúc của 1 hệ thống điều khiển số 1.1.3 Một vài hệ thống ứng điều khiển số trong thực tế a) Hệ thống chăm sóc y tế Một vài bệnh mãn tính có qui định khi truyền thuốc hoặc hóc môn và trong cơ thể tương ứng với mức độ nặng nhẹ khác nhau của căn bệnh. Nổi bật trong số này là bệnh tiểu đường khi việc sản xuất hóc môn insulin giúp điều tiết nồng độ đường trong máu bị suy giảm. Khi đó người ta đã nghĩ ngay đến việc thiết kế một hệ thống truyền hóc môn insulin vào cơ thể giúp điều hòa lượng đường trong máu áp dụng điều khiển số. Với hệ thống này thì cần có một cảm biến để đo lượng hóc môn hay lượng chất dinh dưỡng có trong cơ thể. Thông tin đo được từ cảm biến được truyền đến máy tính số, ở đây sẽ tính toán lượng hóc môn cần thiết để truyền vào cơ thể của bệnh nhân. Sơ đồ khối của hệ thống được biểu diễn ở hình 1.2 . 6 (a) (b) Hình 1.2 Hệ thống chăm sóc y tế (a) Cấu trúc của hệ thống điều khiển (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển b) Hệ thống điều khiển máy bay phản lực Các máy bay phản lực hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển số được trang bị các máy tính điều khiển tối tân. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển số sử dụng máy tính dùng trên máy bay phản lực được trình bày trên hình 1.3. Ta thấy rằng ở sơ đồ hình 1.3 để có thể điều khiển được cần có các thông tin trạng thái của động cơ (tốc độ, nhiệt độ và áp suất) và thông tin trạng thái của máy bay (tốc độ và hướng) và lệnh của phi công . 7 (a) (b) Hình 1.3 Hệ thống điều khiển động cơ phản lực (a) Máy bay phản lực F-22 dùng trong chiến đấu (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển c) Hệ thống điều khiển cánh tay máy Robot Cánh tay robot có thể thực hiện được các công việc lặp đi lặp lại với các tốc độ và độ chính xác cao mà không người không thể làm được. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp trong quá trình hàn và sơn. Có được điều này chính là nhờ việc áp dụng điều khiển số để điều khiển tốc độ và vị trí của cánh tay robot. Tất cả các khớp trong tay máy robot thì được điều phối bằng một máy tính giám sát, mà sự chuyển động của mỗi khớp trong tay máy sẽ được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng biệt. Máy tính sẽ cung cấp một giao diện người – máy cho phép lập trình các bộ điều khiển để điều khiển chuyển động của tay máy. Các thuật toán điều khiển được tải xuống từ máy tính giám sát 8 xuống các vi xử lý hay còn gọi là các chip xử lý tín hiệu số DSP. Các chip DSP này sẽ thực thi các thuật toán điều khiển và tạo nên vòng điều khiển kín cho tay máy. Hình vẽ và sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy được biểu diễn ở hình 1.4 . (a) (b) Hình 1.4 Hệ thống điều khiển tay máy robot (a) Tay máy Robot có 3 bậc tự do (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy d) Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng Sơ đồ về hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng được minh họa như hình 1.5. Từ hình 1.5 ta thấy tín hiệu đầu ra từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu, điện trở nhiệt, .v.v ) được so sánh với nhiệt độ đặt. Khi có sự sai lệch giữa 2 giá trị nhiệt độ thì 9 bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển để đóng mở van điện từ điều chỉnh lượng gas cấp vào. Tín hiệu nhiệt độ đặt thì được điều chỉnh bằng một chiết áp . (a) (b) Hình 1.5 Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển e) Máy gia công được điều khiển bởi máy tính số (CNC) Thông tin về hình dạng của vật thể và hành trình chuyển động của bàn máy được lưu trữ trong một chương trình máy tính. Trong quá trình hoạt động, các thông tin này sẽ được so sánh với tín hiệu phản hồi, khi đó sẽ xuất hiện tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch này chính là tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển, tại đầu ra của bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này sẽ điều khiển biến đổi nguồn công suất để điều khiển động cơ DC Servo truyền động 10 bàn máy dịch chuyển theo đúng hành trình đặt trước. Sơ đồ của hệ thống này được biểu diễn trên hình 1.6 . (a) (b) Hình 1.6 Hệ thống điều khiển máy gia công CNC (a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển f) Hệ thống lái tàu tự động Hầu hết các tàu chở hàng chạy trên biển đều được trang bị hệ thống lái tàu tự động. Hệ thống này được thiết kế sao cho con tàu đi đúng hướng mong muốn, thậm chí có gió hay sóng. Sơ đồ của hệ thống được biểu diễn trên hình 1.7. Hướng đi của con tàu được xác định bằng la bàn. Khi có một sự tác động nào đó như gió hay sóng làm thay đổi hướng đi của con tàu thì bộ điều khiển sẽ tính toán một góc lái phù hợp gửi tới cơ cấu lái. Góc lái của con tàu được đo bằng