ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP APPLICATION OF THE DIGITAL SIGNAL PROCESSOR TO THE CONTROL O
Trang 1ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
APPLICATION OF THE DIGITAL SIGNAL PROCESSOR TO THE CONTROL OF ELECTRIC DRIVE SYSTEM USING SEPARATELY EXCITED DC MOTOR
Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xử lý tín hiệu số (DSP) đã và đang trở thành một công nghệ tiên tiến Vì vậy, DSP được ứng dụng mạnh mẽ và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong việc điều khiển tốc độ (có đảo chiều) động cơ 1 chiều Cụ thể là xây dựng bộ điều khiển PID số trên phần mềm Matlab Simulink, kết nối với hệ dSPACE DS1104, tạo giao diện điều khiển bằng phần mềm ControlDesk để xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng analog thông qua cổng DAC của hệ dSPACE DS1104 Qua đó điều khiển hệ thống truyền động điện thực sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập
ABSTRACT
Nowadays, together with the development of science, digital signal processing (DSP) has become an advanced technology Hence, it has been extensively applied in a wide range of fields This article deals with some results of research and application of the DSP technology in the DC motor speed control (reversible) The final part of this study is concerned with a design
of a digital PID controller on Matlab-Simulink, connecting with dSPACE DS1104, creating the control interface by the ControlDesk software to generate control signal in analog via the DAC connector of dSPACE DS1104 Thereby, we can control a real electric drive system using a separately excited DC motor
1 Đặt vấn đề
Ngày nay, động cơ điện một chiều vẫn được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật để thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác cao, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ
Bên cạnh đó, thiết bị xử lý tín hiệu số dSPACE có khả năng xử lý tính toán thời gian thực rất nhanh, nhờ sự tích hợp bộ xử lý tốc độ cao, các giao diện phần cứng phục
vụ cho việc giao tiếp giữa hệ thống chương trình điều khiển mềm với đối tượng điều khiển bên ngoài Hệ dSPACE còn hỗ trợ liên kết lập trình với các ngôn ngữ bậc cao vì vậy người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và có thể chỉ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển Ví dụ như sử dụng Matlab để lập trình thì sẽ có rất nhiều lợi thế bởi lẽ các thư viện của Matlab rất đồ sộ, không mất nhiều thời gian để lập trình cũng bài toán
đó so với các hệ vi điều khiển khác Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng hệ dSPACE nói chung và dSPACEDS1104 nói riêng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Trang 2đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn
2 Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1 Thiết kế và chế tạo phần động lực
2.1.1 Cơ sở lý thuyết:
Hệ truyền động điện T-Đ (Thyristor-Động cơ) cho phép thực hiện các yêu cầu
kỹ thuật của hệ truyền động điện 1 chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng rãi Tác giả sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi đấu song song ngược với nhau Xung điều khiển cùng 1 lúc được đưa vào cả 2 bộ, trong đó có 1 bộ được điều khiển với góc α < π/2, làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ thứ 2 được điều khiển với góc α > π/2, ở chế độ chờ Sự phối hợp giá trị giữa α1 và α2 (góc mở của 2 bộ biến đổi) được thực hiện theo quan hệ α1 + α2
= 180o Sự phối hợp này gọi là phối hợp tuyến tính
Hình 1 Bộ chỉnh lưu đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh
2.1.2 Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển:
Từ lý thuyết về bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều, tác giả đã thiết kế mạch trên phần mềm Orcad, kết quả thiết kế như sau
+12V
R122 10k
ISO23
PC521
+12V_4
1N4007 R123 200
Q50 B772
GND_3 +
-~
~
D37
DIODE BRIDGE
+12V_3 1
12VAC 1000uf1
104pf1
Q51 SCR
1 J45
AC PWR
Q52 SCR
Out1
GND_4
+
-~
~
D38
DIODE BRIDGE +12V_4 1
12VAC 1000uf2
104pf2
Q53 SCR
GND_1 Thy _1 L1
Out1
+12V
R46
R124
10 2W
ISO24
PC521 1N4007
+12V_1
R125 200
Q54 B772 R126 4.7k
Q55 SCR
R127 10k
Q56 SCR
GND_5
Thy _8
Q57 SCR
+
-~
~
D40
DIODE BRIDGE
1 J47
CON4
+12V_5 1
12VAC 1000uf3
104pf3
L2
ISO25
PC521
R129 10k
+12V_1
1N4007 R130 200
Q58 B772
Thy _7
Out4 GND_5
+12V
R131 4.7k
R132
10 2W
1 J48
CON4
ISO26
PC521
+12V_5
1N4007 R133 200
Q59 B772 R134 4.7k
Out2
R135 10k
L3
R1364.7k R137 10k
GND_5 Thy _9
+12V
Out5
R138 4.7k
R139
10 2W
ISO27
PC521
+12V_5
1N4007 R140 200
Q60 B772 R1414.7k
R143 10k
R144 10k
Thy _12 Thy _3
GND_3
GND_2
+12V +12V
Out2
R145 4.7k
R146 4.7k
Out5
R147
10 2W
R148
10 2W +12V_3
ISO28
PC521
ISO29
PC521
+12V_2
1N4007
1N4007 R149 200
R150 200
Q61 B772
Q62 B772
Out3
R1514.7k R152 10k
Thy _11
+12V
Out6 GND_5
R153 4.7k
Out6
R154
10 2W
Out5
ISO30
PC521 1N4007
+12V_5
Thy _10 GND_2
R155 200
Out4
+12V
Q63 B772
R156 4.7k
R157
10 2W
R1584.7k
ISO31
PC521
R159 10k
1N4007
+12V_2
Thy _8
+12V
GND_1
R160 200
Q64 B772
R161 4.7k
Out6
R162
10 2W
GND_1 +
-~
~
D7
DIODE BRIDGE
+12V_1 1
12VAC 1000uf4
104pf4
GND_4
D48 DIODE 10A
Thy _9
Thy _2
R164 10k
Thy _6
+12V
Thy _1
GND_4
R165 4.7k
Out2
R166
10 2W
ISO32
PC521
+12V_4
1N4007 R167 200
1 J46
CON2
Q65 B772
Thy _3
Thy _10
Q66 SCR
Thy _11
Q67 SCR Q68 SCR
Q69 SCR Q70 SCR Q71 SCR
GND_5
D50 DIODE 10A
Thy _7
+12V
Thy _4 Thy _5
Thy _12
GND_2 +
-~
~
D51
DIODE BRIDGE +12V_2 1
12VAC 1000uf11
104pf11
R1684.7k
Thy _6
R169 10k
Thy _5
+12V
Out3 GND_3
R170 4.7k
R171
10 2W
ISO33
PC521 1N4007
+12V_3
GND_4 Thy _4
R172 200
+12V
Out1
Q72 B772
R173 4.7k
R174
10 2W
R1754.7k
ISO34
PC521
R176 10k
1N4007
Thy _2
+12V
+12V_4
GND_4
R177 200
Q73 B772
R178 4.7k
Out3
R179
10 2W
a
b
Trang 3Hình 2 Sơ đồ mạch điều khiển
a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng
2.1.3 Board mạch điều khiển thực tế:
Hình 3 Board mạch thực tế sau khi tiến hành lắp mạch
a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng
2.1.4 Mô hình phần động lực hoàn chỉnh:
Tác giả đã sử dụng động cơ 1 chiều cho phần động lực với các thông số kỹ thuật chính như sau :
a
D5 LED R13 1k D6 LED R14 1k R15
J54 CON3
1
+12V
R16
-12V
D7DIODE D8 DIODE
D2DIODE C4 104
J50 CON3
1
C5 104
+12V
C2 1000u C1 1000u
+12V
J49 input
1
-12V
-U1A LM324
3 1
-U1B LM324
5 7
-U1C LM324
10
-U1D LM324
12 14
-12V
+12V
D3 DIODE D4 DIODE R9
10k
R10 10k R1110k
R12 10k
J51 output
1
+12V
R27 4k7
~select
out1
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vs y nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U8
TCA 785 1N5 0.47uf5
out4
2.2uf5 R28 10k
Vsy nc 1
out2
C3 CAP NP
select
out3
1
J51
CON2
~s elect
out5
+12V
R29 4k7
~select
C4 CAP NP
out6
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U9
TCA 785 1N6 0.47uf6
out5
2.2uf6 R30 10k
Vsy nc2
+12V
R31 4k7
~select
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U10
TCA 785 1N7 0.47uf7
1
J50
CON3
out6
2.2uf7 R33 10k
Vsy nc3
+12V +12V
Vsy nc 2
+12V
R23 4k7
1
18VAC
select
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U3
TCA 785
1N1
0.47uf1
47nf1 0.1uf1 22k
150pf1
out 2
2.2uf1 R24 10k
IN
1 OUT 3
U7 7805
Vsy nc3
+12V
R25 4k7
1
22k
Udk
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U4
TCA 785
1N3
0.47uf3
out3
2.2uf3
C1 1000u
R26 10k
C2
1
U10.15
HOLE
1
U10.16
HOLE
1
U10.1
HOLE
1
U10 2
HOLE
1
J49
CON2
+12V
+12V
2.2k
1
J26
SW
Udk
R22 4k7
1
18VAC
D54 DIODE BRIDGE
+12V
1B
1
2B
2
3B
3
4B
4
5B
5
6B
6
7B
7
1C 7C COM
9
U11
ULN2003A
select
Q1
R9 9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc
5
6
QZ
7
Vref
8
L 13
V11 11
C12 12
C10 10
U2
TCA 785
1N4007
0.47uf
out 1
2.2uf 10k
1
J52
CON4
1
J53
CON4
Trang 4Tác giả đã kết nối mạch điều khiển với động cơ, từ đó có được mô hình phần động lực hoàn chỉnh sau đây :
Hình 4 Mô hình phần động lực 2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID số trên Matlab-Simulink
2.2.1 Cơ sở lý thuyết:
Trong phạm vi bài báo, tác giả chỉ sử dụng hệ thống truyền động một vòng kín (mạch vòng tốc độ) Vì Tư << Tc nên tích số Tu.Tc rất bé nên có thể bỏ qua thành phần này trong hàm truyền của động cơ, ta có :
1 p T
2 c T u T
dc
K (p)
dc
W
+ +
1 p T dc
K p dc W
+
≈
tức là ta xem động cơ là khâu quán tính bậc 1
Ta có hàm truyền của đối tượng như sau :
K p
S
+ +
=
∑
Sử dụng nguyên lý tối ưu Modul, chọn bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau:
Gc(p)=K ⎜⎜⎝⎛1+ T1p⎟⎟⎠⎞
I P
p
I P
K
=
Rời rạc hoá bằng biến đổi z, ta có được bộ điều khiển PI số có hàm truyền như sau :
Gc(z)
1 z
A z
−
+
2
T K K
2
T K K
A1 = − p + I
2.2.2 Xây dựng bộ điều khiển PI số trên Matlab-Simulink:
Sau khi đã lắp đặt card dSPACE DS1104 vào phần cứng máy tính, dựa vào cơ
sở lý thuyết về PID số và thư viện của dSPACE DS1104 tác giả đã thiết kế được bộ PI
số trên Matlab-Simulink để chuẩn bị kết nối, điều khiển mô hình hệ T-Đ
Trang 5Hình 5 Bộ PI số (có đảo chiều) được xây dựng trên Matlab-Simulink 2.3 Thiết kế giao diện bằng ControlDesk
Chạy biểu tượng dSPACE ControlDesk trên màn hình của máy tính, tiến hành thiết kế giao diện bằng ControlDesk Sau khi thiết kế, tác giả có được giao diện điều khiển như sau :
Hình 6 Giao diện điều khiển trên ControlDesk 2.4 Kết nối mô hình hệ T-Đ với dSPACE DS1104
Mô hình hệ T-Đ kết nối với card dSPACE DS1104 thông qua Expansion Box (được nối với phần cứng máy tính qua cổng PCI)
Hình 7 Expansion Box
Tín hiệu số sau khi qua bộ điều khiển sẽ có giá trị từ -1 đến 1, sau khi qua xử lý
Trang 6sẽ xuất tín hiệu có giá trị từ -10V đến 10V thông qua cổng DAC1 trên Expansion Box
Từ DAC1, qua dây cáp đồng trục chống nhiễu sẽ đưa thẳng tín hiệu -10V đến 10V (U điều khiển) vào mạch điều khiển
0V 10V : Động cơ quay thuận
-10V → 0V : Động cơ quay ngược
Encoder phản hồi về thông qua cổng
ENC_POS_C1
Tác giả dùng các chân gồm :
Chân 1,9 : VCC (+5V)
Chân 2 : signal A, Chân 4 :signal
Chân 11 : GND
3 Kết quả và đánh giá
Nạp chương trình từ Simulink xuống card DSP bằng cách nhấn Ctrl+B Sau khi nạp chương trình xong, mở giao diện điều khiển trên ControlDesk, chuyển sang chế độ Animation Mode để điều khiển động cơ
Kết quả điều khiển động cơ cho cả 2 chế độ chạy thuận và chạy ngược như sau :
Hình 9 Động cơ ở chế độ chạy thuận
Hình 10 Động cơ ở chế độ chạy ngược
Kết quả thực nghiệm cho thấy, thông qua bộ PID số, tốc độ động cơ thực tế ở cả
Hình 8 Sơ đồ chân cổng ENC_POS_C1
Trang 72 chế độ thuận, ngược đều đạt giá trị sát với tốc độ đặt và động cơ đạt trạng thái ổn
định nhanh
4 Kết luận
Dựa vào các kết quả của mô hình thực nghiệm, kết luận được rằng hệ thống
truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập dùng thiết bị xử lý tín hiệu
số dSPACE DS1104 có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng, ổn
định được tốc độ động cơ, đồng thời thời gian quá độ khi điều chỉnh ngắn, động cơ đạt
được trạng thái xác lập rất nhanh Từ đó cho ta thấy rằng, với sự phát triển của các vi
mạch số, các bộ điều khiển số có thể thay thế được các bộ điều khiển tương tự trong các
hệ thống truyền động điện Việc kết nối các hệ thống dùng bộ điều khiển số với máy
tính dễ dàng mở rộng khả năng giám sát hệ thống khi làm việc
Ngoài ra, ta cũng thấy rằng việc xây dựng mô hình mô phỏng trên
Matlab-Simulink phù hợp cho giai đoạn phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế, giảm chi
phí trong quá trình nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển Việc mô phỏng thời gian thực
giúp cho việc kiểm nghiệm các mô hình đã thiết kế làm việc với thời gian thực để chọn
ra được các thông số tối ưu cho bộ điều khiển khi sản xuất mạch phần cứng
Mô hình thực nghiệm đã xây dựng cũng tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình
nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho các đối tượng khác nhau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006),
Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[2] PGS-TS Đoàn Quang Vinh, Giáo trình Điều khiển số, trường Đại học Bách Khoa
Đà Nẵng
[3] Nguyến Phùng Quang (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và Kỹ
thuật Hà Nội
[4] dSPACE Systems, First Work Steps , For Release 6.0(6.1), November 2007
[5] dSPACE Release, Quick Software Installation Guide, For Release 6.1, March
2008
[6] DS1104 R&D Controller Board, Hardware Installation and Configuration, For
Release 5.2(6.1), December 2006
