Thiết kế được phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320

Tính cấp thiết của đề tài - Xuất phát từ những ứng dụng của động cơ một chiều cùng các bộ Vi xử lý, Vi điều khiển ngày càng rộng rãi trong tự động hoá, và việcnhận dạng tha

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Xuất phát từ những ứng dụng của động cơ một chiều cùng các bộ Vi

xử lý, Vi điều khiển ngày càng rộng rãi trong tự động hoá, và việcnhận dạng tham số động cơ trong điều khiển

- Xuất phát từ yêu cầu nghiên cứu, đào tạo thực hành thí nghiệm tạitrung tâm thí nghiệm trường đại học kĩ thuật công nghiệp TháiNguyên

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Mục tiêu chung: sử dụng Vi xử lý, Vi điều khiển đẻ nhận dạng tham số

và điều khiển tốc đọ động cơ một chiều với tải có M = const

- Các mục tiêu cụ thể:

+ Xây dựng mô hình, thuật toán nhận dạng tham số điều khiển

+ Thiết kế phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiều trên

cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320

+ Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua mô phỏng vàthực nghiệm

3 Các kết quả đạt được trong luận văn

- Xây dựng được mô hình, thuật toán nhận dạng tham số điều khiển

- Thiết kế được phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ một chiềutrên cơ sở sử dụng VXL PIC18 và TMS 320

- Mô phỏng được hệ thống bằng Matlab

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ NHẬN DẠNG THAM SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU, VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI TẢI

CÓ M=CONST TRONG ĐIỀU KHIỂN.

1.1 Tổng quan chung

1.1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu

Động cơ một chiều (DC) được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển côngnghiệp vì chúng rất dễ điều chỉnh tốc độ, mô men lớn, Vấn đề đặt ra khi sửdụng động cơ DC là các động cơ này là ta phải đi nhận dạng các thông số để biếtđược các thông tin về chúng, từ đó mới có thể mô hình hóa được các động cơ

DC dưới dạng toán học Mô hình toán học giúp ta có thể dự đoán được hành vicủa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển cho toàn bộ hệ thống Do ta không có cáctham số của động cơ nên ta phải đối mặt với vấn đề là làm sao để kiểm soátcũng như điều khiển đối tượng này một cách chính xác

1.1.2 Tổng quan về nhận dạng tham số điều khiển

Mục đích của việc nhận dạng các tham số là đi tiến hành xây dựng một môhình toán chính xác, thiết kế bộ điều khiển chính xác, dự đoán hành vi của đốitượng, nghiên cứu sản xuất khả thi với các tham số tìm được và xác định thôngtin còn thiếu

Có rất nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để nhận diện tham số, mỗi kỹ thuật cónhững ưu và nhược điểm riêng Ta có thể liệt kê một số kỹ thuật như:

[1] Năm 1975, W Lord và J H Hwang đã chỉ ra rằng các kỹ thuật mô hình hóatuyến tính có thể được áp dụng cho các động cơ DC kích từ riêng biệt nếu tìmđược các tham số mô hình theo điều kiện làm việc động học Kỹ thuật này đòihỏi phải đọc được chính xác dạng sóng quá độ giữa hai điểm, đây là điều khó cóthể thực hiện được khi có nhiễu Đồng thời phương pháp này cũng đo một sốđiểm trên đường cong đáp ứng thời gian của dòng điện, điều này khiến cho nórất nhạy cảm với nhiễu chuyển mạch dòng điện, và do đó phương pháp này làkhông chính xác đối với các động cơ giá rẻ đang được sử dụng một cách rộngrãi trong công nghiệp

[2] Năm 1983, R Schulz đưa ra kỹ thuật đáp ứng tần số để đo các tham số củađộng cơ hiệu suất cao Mô hình động cơ bậc hai dưới điều kiện cụ thể được thểhiện tương đương với một mạch điện cộng hưởng mắc nối tiếp Các kết quảđược so sánh với các phép đo lường được thực hiện bằng cách sử dụng các

phương pháp thông thường Tuy nhiên phương pháp này không phù hợp với bàitoán khi có nhiễu do nó nhạy cảm với nhiễu.

[3] Năm 1991, S Weerasooriya và M A El-Sharkawi đã đưa ra mạng nơronnhân tạo dựa trên hệ thống điều khiển tốc độ hiệu suất cao cho động cơ DC.Mục đích là để đạt được độ điều khiển bám chính xác của tốc độ, đặc biệt là khichưa biết các tham số tải và động cơ Động học phi tuyến chưa biết của động cơ

và tải được thu thập bằng mạng nơron nhân tạo Việc thực hiện nhận dạng vàgcác thuật toán điều khiển được đánh giá bằng cách mô phỏng chúng dựa trên môhình động cơ DC thông thường Phương pháp này giả thiết hệ thống là hệ SISO

và không thể tìm được các tham số động cơ DC và không phù hợp với mục đíchcủa luận văn

Trong luận văn này tôi trình bày thêm một cách tiếp cận hệ thống nhận dạngnhanh chóng và hiệu quả dựa trên luật mở rộng của Taylor (Taylor Alexander) Trong việc thực hiện, đáp ứng tốc độ động cơ dưới điện áp không đổi đượclấy mẫu, sau đó chuẩn hóa các mẫu để có được hệ số trong chuỗi Taylor Vớiviệc thu thập đầy đủ về các thông số cần thiết, động cơ được mô hình hóa phụcvụ cho việc thiết kế bộ điều khiển

Phương pháp này có các đặc điểm sau:

- Tất cả các tham số động cơ đáng kể đến đều được xác định đồng thời trongmột điều kiện tải và động

- Không cần phải đo các đại lượng không điện

- Các kết quả là các giá trị đầu ra trung bình để cực tiểu hóa các sai lệch donhiễu gây ra

- Không cần dùng đến các thiết bị đo lường phức tạp

1.2 Quá trình nhận dạng tham số điều khiển

1.2.1 Cơ sở của phương pháp

Đáp ứng tốc độ trong miền Laplace là

(1.4)

Xét hai trường hợp:

- Trường hợp1: Nhiễu mô-men xoắn là không đáng kể

- Trường hợp 2: Tính toán có kể đến nhiễu Mô-men xoắn

1.2.2 CARD thu thập tín hiệu và điều khiển: Sử dụng card ADVANTECH

PCL - 818L

PCL - 818L là CARD với nhiều chức năng được sử dụng để đo lường và điềukhiển do đó rất phù hợp với kỹ thuật thu thập số liệu bằng máy DAS (DataAcquisition System).

Hình 1.1: Vị trí cầu nối, biến trở và đầu nối của Card PCL -818L

Hình 1.2 : Sơ đồ khối của CARD PCL - 818L

Lập trình cho Card PCL818L

Xem Phụ lục 1: Lập trình cho Card PCL818L

1.3 Thực hiện và kết quả

Để thực hiện các thuật toán , một giao diện chương trình LabVIEW được tạo ra

để điều chế độ rộng xung (PWM) và một bộ mã hóa quang học với kết quả đầu

ra số gắn trên trục động cơ Đầu tiên, áp dụng các thuật toán để không có nhiễumô-men xoắn Để áp dụng thuật toán này, một phần đáp ứng tốc độ do điện áp đầu vào được giả định chiếm ưu thế Ta có

Hình 1.4: Đáp ứng dòng điện (đầu vào : đen, đo lường : đỏ,)

Để chứng minh tính hiệu quả của thuật toán, tôi đã cấp hai điện áp 2 volt và 10volt cho động cơ, động cơ ở hai cấp điện áp khác nhau có ma sát động thay đổitheo tốc độ, cũng có thể cho phép chúng ta tính toán hệ số giảm chấn Để ướclượng Tm, đồng thời tốc độ động cơ trong cả hai giai đoạn quá độ và trạng thái

ổn định được lấy mẫu tại 1 kHz trong một giây Trong mỗi thử nghiệm, động cơđược điều khiển nhiều lần và ước lượng tham số được tính trung bình Thí nghiệm với 3 trường hợp cụ thể đó là :

Trường hợp không tải

Trường hợp tải = định mức

Trường hợp tải = 1,2 định mức

Sau đó, đáp ứng tần số đã được tính toán thông qua quang phổ phân tích Dựatrên các dữ liệu đáp ứng tần số tính toán, tôi sử dụng Matlab nhận dạng hệ thốnghộp công cụ để xác định một mô hình bậc hai

Và kết quả nhận được là:

- Trường hợp không tải:

Hình 1.5: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ trường hợp không tải

- Trường hợp khi tải là định mức

Hình 1.6: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ tải định mức.

Trường hợp với tải = 1,2 đm

Hình 1.7: Đáp ứng dòng khi điện áp đưa vào là 10(V)/ tải =1,2đm

Nhận thấy đáp ứng dòng điện giữa đầu vào và đo lường không chênh lệch nhaunhiều ở các trường hợp đã xét Như vậy, thực hiện quá trình nhận dạng trên ta

xác định được các tham số động cơ Ke, Kt, J để phục vụ cho quá trình môhình hóa, mô phỏng động cơ và thay đổi các tham số điều khiển để thay đổi tốcđộ động cơ.

Kết luận: Phương pháp nhận dạng này cho phép chúng ta nhận dạng được cáctham số động cơ đơn giản hơn và sử dụng được các thiết bị sẵn có để thực hiện.Tính khả thi của phương pháp được đề xuất đã được thể hiện qua mô phỏng vàthử nghiệm bằng cách so sánh đường đặc tính của tốc độ động cơ thực vớiđường đặc tính của tốc độ của mô hình nghiên cứu trong miền z và miền s Từ

đó có thể kết luận rằng việc nhận dạng tham số động cơ DC đã xác định đượccác tham số động cơ đạt được chất lượng theo yêu cầu đặt ra

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VI XỬ LÝ, VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC VỚI TẢI CÓ M=CONST.

2.1 Sử dụng Vi điều khiển PIC18F452.

2.1.1 Cấu trúc phần cứng.

2.1.1.1 Giới thiệu chung

a Sơ đồ khối vi điều khiển PIC18F452

Hình 2.1: Sơ đồ khối của PIC 18F452

b Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC18F452.

- Sơ đồ

chân

Hình 2.2: Sơ đồ chân chân của PIC18F452

c Đặc điểm của vi điều khiển PIC18F452

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC18Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns

d Tổ chức bộ nhớ: Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC18F452 bao gồm bộ

nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory)

2.1.1.2 Thiết kế sơ đồ mạch.

a Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Đối tượng điều khiển : Động cơ 1 chiều, Udm=21,5V, có phản hồi tốc độdùng encoder, độ phân giải 200xung/vòng

Hình 2.4: Encoder quang

Về mạch gồm 2 phần: Mạch lực và mạch điều khiển

Mạch lực sử dụng linh kiện công suất Tranzitor để điều khiển trực tiếp động cơthông qua xung từ mạch điều khiển

b Sơ đồ nguyên lý các khối, sơ đồ mạch in và xây dựng mạch thực.

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý các khối

Hình 2.7: Sơ đồ mạch in

Hình 2.8 Hình ảnh mạch thực

c Thuyết minh nguyên lý làm việc của mạch

Giả sử ta cần điều khiển động cơ quay theo chiều thuận thì khi đó ta điềukhiển tín hiệu PMW cho MOFET A và D mở, khi đó dòng điện sẽ đi từ VCCqua MOFET A đến động cơ rồi về GND qua MOFET D Tốc độ động cơ sẽđược điều khiển bằng tín hiệu PMW có độ rộng tương ứng từ 0%-99%

- Mạch điều khiển

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F452 để điều khiển tốc độ động

cơ bằng thuật toán PID, sử dụng chức năng PMW để điều khiển dòng điện cấpcho động cơ

Mạch điều khiển có hai chế độ hoạt động là AUTO mà MANUAL được lựachọn thông qua nút bấm AUTO/MANUAL

Bộ điều khiển đo tốc độ động cơ bằng ngắt INT0 đọc encoder, đo dòng đưa

về ở dạng analog bằng ADC Từ tốc độ đọc về kết hợp với tốc độ đặt, VĐK đưa

ra giá trị PWM phù hợp để điều khiển động cơ

2.1.2 Chương trình điều khiển

Xem phụ lục 2: Code lập trình điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng Viđiều khiển PIC18F452

2.2 Sử dụng Vi điều khiển TMS320F2812.

2.2.1 Cấu trúc phần cứng.

2.2.1.1 Giới thiệu chung

TMS320F2812 và TMS320C2812 là các thành viên của họ TMS320C28x ™DSP, được tích hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụngđiều khiển

a Các tài nguyên của TMS320F2812

• DSP xử lý TMS320F2812, 32 bit xử lý kỹ thuật số tốc độ cao

• Có thể được lập trình ít nhất 100.000 lần hoặc nhiều hơn

• Cung cấp giao diện điều khiển động cơ DC

• Cung cấp 6 kênh giao diện đầu ra sóng PWM

b Kiểu đóng gói

TMS320F2812 có 2 kiểu đóng gói là kiểu GHH (179 chân ) và ZHH ( 176chân) hình dưới là kiểu GHH

Hình 2.10 Kiểu đóng gói GHH của F2812

c Sơ đồ cấu trúc các chức năng của F2812

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc các chức năng của F2812

2.2.1.2 Board EZDSP F2812

Hình dạng bên ngoài của board mạch

Kết nối của board mạch với PC thông qua bộ JTAG có sẵn (kết nối qua cổngsong song):

Hình 2.16 Kết nối board EZDSPF2812 với máy tính

b Thiết lập chế độ hoạt động của board mạch với các Jumper

Trước khi thực hiện chương trình trên board mạch, chúng ta phải chú ý đến việcthiết lập Jumper trước tiên Việc thiết lập jumper sai có thể dẫn đến chương trìnhchạy không đúng mục đích

2.2.1.3 Thực hiện các cấu trúc điều khiển

Động cơ có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí Encoder này cóđộ phân giải là 1000xung/vòng, các pha A,B và Z được kết nối với các chânQEP tương ứng của DSP TMS320F2812

Hình 2.18 Ghép nối encoder tương đối với TMS320F2812

Bộ biến đổi công suất làm nhiệm vụ biến đổi điện áp PWM 0-5V thành 0-24V ởđầu ra để cung cấp cho động cơ nhằm mục đích điều chỉnh tốc độ động cơ

Hình 2.19 Phản hồi vị trí bằng cách lấy tích phân tốc độ theo thời gian

- Cấu trúc cơ sở hệ thống điều khiển số

Hình 2.20 Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển số

- Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi công suất

2.2.1.4 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển thực

Đối tượng điều khiển: động cơ DC servo RH-14 có gắn sẵn một encoder đểphản hồi tốc độ và vị trí

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển- động cơ

2.2.2 Chương trình điều khiển

2.2.2.1 Các phần mềm hỗ trợ phát triển DSP C2000

Sử dụng trình biên dịch CCS: CCS–Code Composer Studio là môi trườngsoạn thảo IDE của Texas Instrument cho các thế hệ DSP cũng như MCU của

TI, bao gồm việc soạn thảo mã lệnh, dịch, liên kết và debug chương trình Ưuđiểm rất lớn của CCS là khả năng kết nối với phần cứng, debug online, vẽ đồ thịthời gian thực CCS sẽ giúp cho quá trình phát triển giải thuật cải thiện đáng kể

về thời gian

2.2.2.2 Điều khiển tốc độ động cơ DC

- Mở c2812speedcontrolDC.mdl và lưu nó là " DCMotorControlc2812.mdl "

- Kích đúp vào tốc độ Correction Block, ta có cấu hình khối PWM C28x

→ Kích đúp vào tốc độ Correction Block

→ Chọn khối đánh dấu, xóa chúng và thay thế bằng các khối ADC:

→ Mở khối ADC từ nhóm hỗ trợ C281x Chip từ Preferences C2000 mục tiêu

- Bây giờ mô hình đã sẵn sàng cho thời gian thực, tuy nhiên chúng ta cần phải cập nhật các kịch bản MATLAB

Mở mô hình tính ‖ từ menu File - ‖ Thay đổi gọi lại PostLoadFcn để

runc2812speedcontrolIDC,

- Bước tiếp theo là để thay đổi phạm vi PWM ban đầu (lên đến 64000 ) đến phạm vi mong muốn (lên đến 4000 ) Mở tập tin ‖ the- speddControlIDCLoop.mvới trình biên tập MATLAB, một sự thay đổi trên dòng 48 lệnh:

chu kỳ = (double ( pid ) * 100./64000 ) ;

- Nạp chương trình vào phần cứng: > File> Load Program, chọn thư mục

Debug, rồi chọn file nạp vào DSP

- Chạy chương trình: > Debug > Run

+ Thực hiện kết nối phần cứng dễ dàng

+ Thay đổi chương trình điều khiển linh hoạt, debug online giúp cho quá trìnhphát triển giải thuật cải thiện đáng kể về thời gian

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM.

3.1 Mạch sử dụng Vi điều khiển PIC18F452.

3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển, mô phỏng offline và thí nghiệm.

+) Đáp ứng dòng

điện:

Hình 3.5 Đáp ứng dòng điện của động cơ khi chạy thực

+) Đáp ứng tốc độ

Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ của động cơ khi chạy thực

Nhận xét: Sau khi khởi động khoảng 0,6s thì dòng điện và tốc độ động cơdần ổn đinh Sau khi động cơ nhận tải thì khoảng 0,3s tốc độ của động cơ vàdòng điện của động cơ cùng đạt giá trị định mức Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng

và khi chạy thực không chênh lệch nhau nhiều, như vậy bộ điều khiển thiết kếđạt được các chỉ tiêu cơ bản

3.2 Mạch sử dụng DSP TMS320F2812

3.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng offline

a) Xây dựng hệ phương trình toán học động cơ DC servo RH-14, có:

Ra= 2.7Ω, La =1.1mH, Kt= 5.76 Nm/A, Kb= 0.6 V/rpm, Bf = 0.15, J=81.6e-3