6. Bố cục của luận văn
4.4. Kết luận chương 4
Chương 4 tập trung giới thiệu về công nghệ FPGA, phần mềm hỗ trợ QuartusII, ngôn ngữ lập trình phần cứng VHDL và cách xây dựng một hệ thống kết hợp phần cứng và phần mềm để điều khiển đối tượng cần thực thi.
CHƯƠNG 5
HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA 5.1. Sơ đồ khối kết nối vật lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán mờ lai trên FPGA.
5.1.1. Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm
Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm
Hình 5.2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ ĐK Mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA USB blaster cable Computer (Command Speed) Supply (24VDC) FPGA DE2-115 Board DC motor Driver Board DC
motor Encoder board
Thuyết minh nguyên lý hệ thống
Nguyên lý toàn hệ thống thí nghiệm trên hình 5.2 bao gồm bo mạch FPGA DE2- 115, động cơ một chiều, bộ chuyển đổi A/D, Nguồn điện (khối nguồn). Thứ nhất, nguồn cung cấp điện áp xoay chiều 220V để chuyển đổi điện áp từ tín hiệu AC sang tín hiệu DC 24VDC cung cấp cho IGBT, mạch driver đã được sử dụng để điều khiển động cơ và cách ly các IC khác khỏi các sự cố về điện. Động cơ DC sử dụng nguồn DC 24VDC. FPGA sử dụng Board Altera DE2-115, một thành phần cốt lõi trong hệ thống này và được sử dụng để phát triển bộ điều khiển Mờ lai được đề xuất.
Bộ nguồn
Bộ nguồn có thể là 1 pha hoặc 3 pha có tác dụng cung cấp điện áp vào cho khối xử lí trung tâm, khối nhập dữ liệu, motor…
Khối nhập dữ liệu
Khối nhập dữ liệu có thể sử dụng máy tính để người vận hành có thể giao tiếp với hệ thống hay để nhập giá trị tốc độ đặt ban đầu cho động cơ. Sau đó tín hiệu của khối này sẽ đưa đến khối xử lí trung tâm để xử lí rồi đưa đến bộ điều khiển để điều khiển động cơ.
Khối xử lí trung tâm
- Bộ xử lý tín hiệu có tác dụng: - Thu nhận các tín hiệu phản hồi.
- Tiếp nhận các tín hiệu từ người điều khiển.
- So sánh tín hiệu chuẩn đó với tín hiệu được đưa vào khối cảm biến.
- Đưa ra các tín hiệu cho bộ biến đổi năng lượng (bộ điều khiển) cấp cho động cơ. - Bộ biến đổi nhận tín hiệu từ bộ xử lí có tác dụng thay đổi các giá trị của nguồn để cấp cho động cơ như điện áp, dòng diện, tần số…
Đầu ra của khối xử lí trung tâm là các chân của kit phát triển FPGA có điện áp 2.5V nên không đủ để cấp cho động cơ quay. Vì vậy ta cần sử dụng một mạch lực có thể là transistor, L293D, L298, IBT-2…
Đối tượng cần điều khiển
Động cơ điện một chiều
Khối cảm biến
Khối cảm biến có tác dụng chuyển tín hiệu của tốc độ động cơ ở dạng không phải điện về dạng điện, có điện áp hoặc tần số … tỉ lệ với tốc độ động cơ.
Encoder và động cơ được gắn đồng trục với nhau. Điện áp phần ứng của encoder phản ánh tốc độ thực tế của động cơ. Tín hiệu của khối cảm biến sẽ đưa đến khối xử lí trung tâm để so sánh với giá trị tốc độ đặt ban đầu. Nếu sai lệch lớn thì lượng điều chỉnh điện áp cũng lớn. Bộ xử lí sẽ xuất ra tín hiệu để điều khiển tốc độ động cơ.
5.1.2. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm
1. Động cơ 1 chiều gắn Encoder
Hình 5.3: Động cơ 1 chiều gắn Encoder
Thông số động cơ:
Điện áp định mức 24V.
Công suất định mức 60W.
Tỉ số truyền 13.8:1
Tốc độ qua hộp số 326 v/p
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị ngắt.
Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó.
2. Mạch lực IBT-2 BTS7960
Hình 5.4: Module IBT-2 BTS7960
Thông số kĩ thuật:
Driver: IBT-2 BTS7960 tích hợp hai mạch cầu H.
Dòng điện tải: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm).
Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V.
Tần số điều khiển tối đa: 25KHz.
Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown. Nếu điện áp < 5.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V.
Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong, đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt.
Kích thước: 40 x 50 x12mm.
3. FPGA DE2-115 Board
Hình 5.5: DE2-115 Board
Hình 5.6: Khối nguồn
5. Xây dựng hệ thống
Hình 5.7: Cấu trúc hệ thống bộ điều khiển Mờ lai nhúng trong FPGA Board
Hình 5.8: Bảng gán chân thiết bị
Hình 5.9: Biên dịch thành công chương trình
5.2. Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán Mờ lai trên FPGA thuật toán Mờ lai trên FPGA
Hình 5.10: Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p
0 100 200 300 400 500 600 700 800 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time (ms) sp ee d (r pm ) 100 200 300 400 500 600 700 -500 0 500 Time (ms) er ro r
Hình 5.11. Kết quả 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 được thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p thì đáp ứng tốc độ vẫn bám sát giá trị tốc độ đặt chỉ có 1 lượng quá điều chỉnh nhỏ. Với một sự thay đổi giá trị tốc độ khác trên hình 5.11 thì thấy đáp ứng ra vẫn bám sát đường tốc độ đặt với độ quá điều chỉnh thậm chí rất nhỏ.
Code chương trình trên nền phần mềm Quartus II
0 500 1000 1500 2000 2500 0 500 1000 1500 2000 Time (ms) s p e e d ( rp m ) 500 1000 1500 2000 2500 -1500 -1000 -500 0 500 1000 Time (ms) e rr o r Speed command cocommandM Speed response êreresponse0
5.3. Kết luận chương 5
Ở chương này đã viết được chương trình điều khiển dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển Mờ lai. Hệ thống sẽ bao gồm một bộ lõi xử lý NiosII , một chương trình ứng dụng sử dụng phần mềm QuartusII và giao diện tạo hệ thống SoPC Builder của hãng Altera cùng các thiết bị và đối tượng điều khiển. Xây dựng đấu nối các thiết bị với đối tượng điều khiển. Đánh giá kết quả thu được từ mô hình thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Luận văn đã có những đóng góp mới sau:
1. Đã đề xuất được cấu trúc điều khiển mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều với hai mạch vòng phản hồi có kể đến yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống. Trong đó bộ điều khiển mờ sử dụng với hai chức năng tạo tín hiệu Uđk
động cơ một chiều và thực hiện nhiệm vụ đóng mở Switch chuyển mạch cho phép bộ điều khiển mờ hoặc bộ điều khiển PD trong cấu trúc Mờ lai hoạt động luân phiên.
2. Đã xây dựng được luật điều khiển mờ lai để điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động trên hệ thống.
3. Đã tìm hiểu về thiết bị điều khiển FPGA, từ đó cho phép xây dựng chương trình điều khiển mờ lai đã đề xuất trên card FPGA để điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều thông qua mô hình thực nghiệm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án và kiến nghị
Tiếp tục nghiên cứu các phương pháp điều khiển mờ lai với các cấu trúc khác nhau để điều khiển vị trí trong các hệ thống điều khiển sản xuất.
Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bền vững như mờ trượt, điều khiển
H, điều khiển thích nghi,…Để điều khiển các hệ thống có sử dụng động cơ một chiều.
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 3 (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 trong 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 một 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 bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài dòng điện”, Tạp chí KH & CN, Đại học Đà Nẵng, số 1 (2011).
[9] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiển (1998), “Truyền Động Điện”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[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, Bangladesh, 2018, pp. 1-4.
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), Nagpur, 2018, pp. 388-392.