Việc chỉnh định các tham số PID theo kinh nghiệm không dựa trên các số liệu đo đạc vật lý, vì vậy khó có thể đạt đƣợc chất lƣợng mong muốn và tùy thuộc vào kinh nghiệm của ngƣời chỉnh. Với các phân tích trên đây ta có thể đƣa ra quy trình chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID theo kinh nghiệm nhƣ sau:
• Chỉ cho thành phần P tác động.
• Chỉnh độ lợi của thành phần P sao cho hệ thống có đáp ứng nhanh và ở gần biên giới dao động với tín hiệu vào là một hàm 1(t).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
• Chỉnh lại độ lợi của thành phần P bằng khoảng 1/2 so với giá trị ở gần biên giới ổn định.
• Cho thành phần I tác động và điều chỉnh độ lợi của thành phần này sao cho hệ thống kín có độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập chấp nhận đƣợc.
2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm
Phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là phƣơng pháp Ziegler-Nichole thứ hai [2] p.297.
• Chỉ cho thành phần P tác động.
• Chỉnh độ lợi của thành phần P tới giá trị Kpmax sao cho hệ kín có đáp ứng với tín hiệu đặt 1(t) dƣới dạng dao động điều hòa với chu kỳ Th (hệ ở trạng thái biên giới ổn định).
• Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn Kp = 1/2Kpmax.
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn Kp = 0.45Kpmax và Ki = 0.53Kpmax.
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn Kp = 0.6Kpmax, Ki = 0.9Kpmax và Kd = 0.054Kpmax.
2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols
Việc chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols còn đƣợc gọi là phƣơng pháp tƣơng tác quá trình là phƣơng pháp chỉnh định vòng hở thực nghiệm. Phƣơng pháp này đƣợc phát triển với mục tiêu sao cho hệ kín có khả năng kháng nhiễu tốt [3].
Phƣơng pháp này áp dụng cho các đối tƣợng có hàm truyền ổn định và đƣợc xấp xỉ bởi một mô hình bậc nhất có trễ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nếu đối tƣợng có đáp ứng quá độ nhƣ hình 8 thì việc xác định các tham số của bộ điều khiển PID đƣợc thực hiện nhƣ sau:
• Xác định giá trị giới hạn:
• Xác định hoành độ của giao điểm giữa h(t) và tiếp tuyến của nó tại điểm uốn.
• T là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với đƣờng thẳng h(t) = k. • Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn:
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn: và • Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P
2.6 Hệ thống tự chỉnh
Có thể áp dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols trên đây để thực hiện một hệ thống tự chỉnh.
Các bƣớc thực hiện nhƣ sau:
• Ngắt bỏ đƣờng phản hồi (đối với các bộ PID đƣợc thực hiện bằng vi xử lý, vi điều khiển hay PLC thì điều này có thể thực dễ dàng bằng phần mềm).
• Đƣa một tín hiệu step tới đầu vào của đối tƣợng cần điều khiển (ví dụ, xuất một tín hiệu analog ở đầu ra của bộ chuyển đổi DA đƣa đến đầu vào của đối tƣợng cần điều khiển).
• Đo các giá trị đầu ra hiện tại y(k), giá trị đầu ra đƣợc lƣu ở lần lấy mẫu trƣớc y(k−1) và tìm tiếp tuyến có độ dốc lớn nhất.
Hệ số góc của các đƣờng tiếp tuyến đƣợc xác định theo biểu thức:
Trong đó Ts là chu kỳ lấy mẫu.
Một chƣơng trình phần mềm sẽ đảm nhiệm việc tính toán các hệ số góc và tìm ra đƣờng tiếp tuyến có độ dốc lớn nhất.
• Xác định và T.
• Xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo phƣơng pháp Ziegler- Nichols nhƣ trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.9 Lưu đồ tự chỉnh các tham số PID
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong Chƣơng này tác giả đã xây dựng đƣợc mô hình toán học cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập, đồng thời cũng phân tích bộ điều khiển PID kinh điển, các quy luật điều chỉnh P, PI, PD, PID và các bộ điều khiển tự chỉnh dùng cho hệ thống. Trong Chƣơng 3, tác giả sẽ tiến hành xây dựng cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống động cơ điện một chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -
TMS320F28069.
Để tiến hành điều khiển động cơ một chiều ta đi xây dựng sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển động cơ một chiều bằng DSP – TMS320F28069.
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hệ thống lấy giá trị đặt nref do ngƣời sử dụng thiết lập từ lập trình. Giá trị thực tế của động cơ đo đƣợc là tốc độ thông qua cảm biến (lấy tín hiệu qua máy phát tốc), sau đó bộ điều khiển sẽ tính sai lệch e giữa giá trị đặt và giá trị phản hồi để tính ra đầu ra của bộ điều khiển theo luật PID để xuất tín hiệu điều khiển đối tƣợng. Hệ thống với thuật toán PID số (trình bày trong phần 3.2) sẽ có xu hƣớng luôn đƣa sai lệch e về giá trị 0, tức là giá trị đạt đƣợc sau một thời gian sẽ bằng giá trị đặt. Do đó tốc độ của động cơ luôn ổn định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2 Các luật điều khiển số.
Yêu cầu thiết kế đƣợc đặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có nghĩa là phải có luật điều khiển các đối tƣợng công nghiệp theo P, I, PI, PD, và có thể lựa chọn tham số của các luật phù hợp với đối tƣợng thiết kế. Luật PID số phải đƣợc thiết kế gọn gàng, ngƣời sử dụng có thể chọn luật điều khiển dễ dàng. Ví dụ nhƣ có thể xử lý nhanh để làm tăng tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển.
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số
Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số
Đây là luật điều khiển có thể thiết kế đơn giản nhất. Dãy u(k) đƣợc tính từ dãy e(k) theo công thức:
( ) p ( )
u k k e k k=0, 1, 2 … (3.1)
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số
Ta có phƣơng trình sai phân:
( ) ( ) ( 1)
i
T
u k e k u k
T (3.2)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.3 Cấu trúc luật I số
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số
Hình 3.4 Cấu trúc luật D số
Thƣờng các bộ điều khiển theo luật vi phân số đƣợc cài đặt theo các phƣơng trình sai phân sau:
( ) TD[ ( ) ( 1)]
u k e k e k T
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2.4 Luật điều khiển PID số
Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số
Từ cấu trúc PID số trong Hình 3.5, ta có
( ) ( ) ( ( ) ( 1)) D( ( ) ( 1)) p I i T T u k k e k e k u k e k e k T T ( ) (1 D ) ( ) D ( 1) ( 1) p I i T T T u k k e k e k u k T T T
Luật điều khiển PID số trong công thức trên đƣợc lựa chọn để lập trình cho bộ điều khiển trong TMS320F28069.
3.3 Phần mềm CCS v5
CCS – Code Composer Studio là môi trƣờng soạn thảo IDE của Texas Instrument cho các thế hệ DSP cũng nhƣ MCU của TI, bao gồm việc soạn thảo mã lệnh, dịch, liên kết và debug chƣơng trình. Ngoài ra với khả năng kết nối với phần cứng, debug online, vẽ đồ thị thời gian thực ... CCS là sẽ giúp cho quá trình phát triển giải thuật cải thiện đáng kể về thời gian. [13]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.6 Code Composer Studio v5
Tuy nhiên để CCS kết nối đƣợc với phần cứng khác nhau thì cần phải thiếp lập kết nối CCS với phần cứng đó
3.4 Giới thiệu TMS320F28069
Hiện nay có nhiều giải pháp điều khiển số động cơ một chiều, nhƣng nổi bật nhất là sử dụng chip xử lý tín hiệu số - Digital Signal Processor (DSP), việc thực thi thuật toán trên kit DSP cũng có những đặc điểm nổi bật:
- DSP có khả năng thực hiện đa tác vụ từ điều khiển đến xử lý tín hiệu - Để đạt đƣợc hiệu suất tối đa cho FPGA cần nhiều thời gian và kiến thức để tối ƣu, trong khi đó tốc độ xử lý của kit DSP chỉ phụ thuộc chủ yếu vào xung nhịp của chip, do đó có thể đạt đƣợc hiệu suất cao hơn trong thời gian ngắn
- DSP sử dụng ngôn ngữ lập trình C, ASM tƣơng đối phổ dụng, không đòi hỏi hiểu biết ngôn ngữ mô phỏng phần cứng nhƣ FPGA, khi cần thay đổi, lập trình lại, chip DSP cũng tỏ ra mềm dẻo hơn do chỉ cần chỉnh sửa code, trong khi đó với FPGA gặp khó khăn hơn do phải tái cấu trúc lại các cổng logic.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Dựa trên những phân tích trên, cùng với thực tế quá trình làm luận văn trong thời gian ngắn, tập trung vào mục tiêu nghiên cứu, không đòi hỏi tối ƣu điện năng tiêu thụ, ta chọn giải pháp thực thi trên chip DSP, cụ thể là kit DSP TMS320F28069 của Texas Instrument.
TMS320F28069 DSP là giải pháp tất cả trong một cho việc lập trình trên nền DSP, cụ thể ở đây là lập trình trên chip TMS320F28069 của Texas Instrument. Các thành phần của kit bao gồm: bảng mạch sử dụng thiết kế chuẩn cho chip C28xTM của TI, đĩa phần mềm chứa driver và phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình và giao tiếp với chip DSP. Hình ảnh tổng quan về kit nhƣ hình dƣới:
Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments
Họ vi điều khiển F2806x Piccolo ™ cung cấp công suất của lõi C28x ™ và bộ gia tốc luật điều khiển (CLA) kết hợp với thiết bị ngoại vi điều khiển tích hợp cao trong các thiết bị số lƣợng chân cắm thấp. Họ này là tƣơng thích mã với mã dựa trên C28x trƣớc đó, cũng nhƣ cung cấp mức độ cao của tích hợp tƣơng tự.
Một bộ điều chỉnh điện áp nội bộ cho phép hoạt động theo đƣờng đơn. Các cải tiến đã đƣợc thực hiện cho modul HRPWM cho phép điều khiển hai sƣờn (điều chế tần số). Các bộ so sánh tƣơng tự với các giá trị đặt 10-bit nội tại đã
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
đƣợc thêm vào và có thể đƣợc chuyển trực tiếp để điều khiển các đầu ra PWM. Bộ ADC chuyển đổi từ dải cố định 0-3.3V. Giao diện ADC đã đƣợc tối ƣu cho độ vƣợt trƣớc/ độ trễ thấp.[13]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bảng 3.1 Tính năng TMS320F28069
CPU 32 bit hiệu suất cao
- Chu kỳ: 12.5 ns (f = 80MHz) - Các phép MAC 16x16 và 32x32 - MAC kép 16x16
- Cấu trúc Bus Harvard
- Xử lý và đáp ứng ngắt nhanh - Mô hình lập trình bộ nhớ hợp nhất - Lập trình C/C++ và Assembly Bộ xử lý dấu phẩy động - 32 bit
Bộ gia tốc luật điều khiển lập trình
(CLA) - 32 bit Bộ nhớ tích hợp - 256KB bộ nhớ Flash - 100KB RAM - 2KB OTP ROM 6 kênh DMA Ba bộ Timers 32 bit
8 modules ePWM - Tổng 16 kênh PWM (8 HRPWM –
khả năng)
- Timer 16bit trên mỗi modul
Bộ ADC 12 bit - 3 MSPS
- 16 kênh
Cổng ngoại vi - Hai cổng giao tiếp nối tiếp (SCI)
- Hai modul giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI)
- Một bus (I2C)
- Một bus cổng nối tiếp đệm đa kênh (McBSP)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069
- Trung tâm của bảng mạch là chip xử lý tín hiệu TMS320F28069, chạy ở xung nhịp 80MHz. TMS320 là tên chung cho một loạt các bộ xử lý số đến từ Texas Instrument. Dòng chip TMS320F28069 của TI là dòng vi xử lý tốc độ cao, sử dụng kiến trúc đặc biệt để đáp ứng các tác vụ xử lý tín hiệu. Dựa trên kiến trúc Harvard, TMS320F28069 đƣợc coi là dòng chip xử lý tín hiệu mạnh nhất của TI hiện nay.
- Bộ biến đổi tín hiệu ADC sử dụng để biến đổi tƣơng tự - số và ngƣợc lại. - Các cổng kết nối tín hiệu vào ra: AIO Mux, GPIO Mux, DMA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.10 Các khối ngoại vi
Nhƣ vậy trong Chƣơng 3 ta đã đi xây dựng và thuyết minh xong cấu trúc điều khiển của toàn bộ hệ thống, bây giờ tác giả sẽ tiến hành mô phỏng và thực nghiệm trong Chƣơng 4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4.1 Mô phỏng
Mô phỏng là một phƣơng pháp hiện đại đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi ngày nay. Mô phỏng đã giúp cho ta rút ngắn đƣợc quá trình từ nghiên cứu lý thuyết chuyển sang mô hình thực nghiệm. Vì mục đích đó trƣớc khi tiến hành xây dựng mô hình hệ thống điều khiển động cơ một chiều dùng bộ biến đổi điều khiển bằng vi điều khiển tác giả tiến hành mô phỏng hệ thống truyền động điện này trên nền Matlab-Simulink
Hệ thống mô phỏng gồm các khâu trên hình vẽ sau +
-
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều
- Tính toán các thông số hệ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
Ta tiến hành mô phỏng hệ truyền động đối với động cơ một chiều kích từ độc lập có các tham số động cơ nhƣ sau:
Các thông số cho trƣớc:
Pđm: Công suất định mức của động cơ =200W Uđm: Điện áp định mức phần ứng = 36V nđm: Tốc độ quay định mức = 3000v/ph
đm: Hiệu suất danh định của động cơ = 90% L : Điện cảm phần ứng = 0,2H Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng = 0,002s Tv : Hằng số thời gian bộ chỉnh lƣu = 0,0025s Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lƣu = 0,0001s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tw : Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,001s
Các phƣơng trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều:
( ). u u u f u U E R R I (4.1) Uƣ: Điện áp phần ứng Eƣ: Suất điện động phần ứng Rƣ: Điện trở mạch phần ứng Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng Iƣ: Dòng điện mạch phần ứng u u cf b ct R r r r r (4.2)
rƣ: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cực từ phụ
rb: Điện trở cuộn bù
rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện
2
u
pN
E K (4.3)
p: Số đôi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuôn dây phần ứng : Từ thông kích từ dƣới một cực từ
: Tốc độ góc
2
pN K
a : Hệ số cấu tạo của động cơ
. u e E K n (4.4) n: Tốc độ rôto 2 60 9.55 n n
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3000 314.13 / 9.55 dm rad s 0.105 9.55 e K K K
Phƣơng trình đặc tính cơ điện:
u f u u R R U I K K Phƣơng trình đặc tính cơ: 2 u f u R R U M K K (4.5) Trong đó: dt u M I K dt co M M M Tính mômen định mức: . dm dm dm P M 200 0.637