Báo cáo Xây dựng mô hình bộ điều khiển tốc độ động cơ dùng card PCI-1711 (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Xây dựng mô hình bộ điều khiển tốc độ động cơ dùng card PCI-1711 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DÙNG CARD PCI-1711 S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2015-33 SKC0 0 5 6 0 5 Tp. Hồ Chí Minh, 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DÙNG CARD PCI-1711 Mã số : T2015 - 33 Chủ nhiệm đề tài : GV. VÕ LÂM CHƯƠNG TP. HCM, Tháng 10 / Năm 2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DÙNG CARD PCI-1711 Mã số : T2015 - 33 Chủ nhiệm đề tài : GV. VÕ LÂM CHƯƠNG TP. HCM, Tháng 10 / Năm 2015
4. T2015 - 33 Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài : 1. Chủ trì đề tài : GV. Võ Lâm Chương Đơn vị phối hợp chính : Phòng TN Tự động hóa và mô phỏng, Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ Khí Máy, Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Trang 1
5. T2015 - 33 MỤC LỤC Phần I: Mở đầu 4 Phần II : Nội dung Chương 1: Phần cứng của mô hình 7 Chương 2: Mô hình hóa và nhận dạng động cơ DC 14 Chương 3: Bộ điều khiển PID nâng cao 19 Chương 4: Nội dung thí nghiệm 24 Chương 5: Kết luận và kiến nghị 34 Tài liệu tham khảo 35 Trang 2
6. T2015 - 33 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ MÁY Tp. HCM, Ngày 28 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung : Tên đề tài: “XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DÙNG CARD PCI-1711” - Mã số: T2015 – 33; - Chủ nhiệm: Võ Lâm Chương - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu : - Thiết kế bộ thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ hoàn chỉnh, sử dụng card thu thập dữ liệu PCI-1711. 3. Kết quả nghiên cứu: - Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm điều khiển động cơ dùng card PCI-1711 - Viết chương trình giao diện điều khiển tốc độ động cơ sử dụng Microsoft Visual Studio 2008. - Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ phục vụ cho môn học TT Điều khiển tự động. 4. Sản phẩm : - Bộ phần cứng mô hình thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ. - Chương trình phần mềm viết bằng Visual Studio 2008, điều khiển tốc độ động cơ. - Bài thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ cho môn học TT Điều khiển tự động. 5. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Phòng Thí nghiệm Mô phỏng và Điều khiển, Khoa Cơ Khí Máy, trường Đại học SPKT Tp.HCM. Trƣởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài Võ Lâm Chƣơng Trang 3
7. T2015 - 33 PHẦN I : MỞ ĐẦU I. Tổng quan tình hình nghiên cứu Trong nước Đề tài điều khiển động cơ DC cũng đã được nghiên cứu và thực hiện ở nhiều trường đại học trong nước. Chủ yếu phục vụ công tác giảng dạy và học tập. Tuy nhiên hầu hết các mô hình đều sử dụng vi điều khiển hoặc PLC. Ngoài nước Động cơ DC servo hiện nay được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng công nghiệp ví dụ như: tay máy (manipulators), máy CNC, các cơ cấu truyền động, Do đó, vấn đề điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ được các nhà nghiên cứu quan tâm phát Trang 4
8. T2015 - 33 triển trong thời gian dài qua [1], [2]. Hiện nay, điều khiển động cơ trở thành một phần không thể thiếu trong việc giảng dạy tại các trường đại học trên thế giới. Đặc biệt trong các ngành học liên quan như: điều khiển tự động, cơ điện tử, Mô hình bộ thí nghiệm điều khiển động cơ đã được quan tâm thiết kế và sử dụng trong giảng dạy đại học [3]. Hình ảnh một số kit thí nghiệm điển hình II. Tính cấp thiết của đề tài : - Phục vụ giảng dạy cho môn học TT Điều khiển tự động, phòng Thí nghiệm mô phỏng và điều khiển, Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí máy. III. Mục tiêu đề tài : - Thiết kế bộ thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ DC dùng card PCI-1711. Trang 5
9. T2015 - 33 IV. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu : - Card PCI-1711, thuật toán PID điều khiển động cơ và các vấn đề liên quan. - Điều khiển tốc độ động cơ DC dùng card PCI-1711 V. Cách tiếp cận - Phƣơng pháp nghiên cứu : - Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến phương pháp giao tiếp với card PCI-1711, các thuật toán điều khiển tốc độ động cơ DC. - Tham khảo một số mô hình thí nghiệm. - Xây dựng mô hình thí nghiệm, áp dụng các thuật toán điều khiển trong lý thuyết để viết chương trình điều khiển tốc độ động cơ DC VI. Nội dung nghiên cứu : - Mô hình hóa động cơ DC, nhận dạng thông số của động cơ DC servo. - Khảo sát và thiết kế bộ thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ. - Nghiên cứu viết chương trình giao tiếp với card PCI-1711 dùng Visual C++ . - Thuật toán điều khiển tốc độ cho động cơ DC. - Biên soạn thành bài thí nghiệm hoàn chỉnh. Trang 6
10. T2015 - 33 PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: PHẦN CỨNG CỦA MÔ HÌNH 1. Card PCI-1711 Card PCI 1711 của Advantech được dùng để đo lường, thu thập dữ liệu và điều khiển qua máy tính. Thông số kỹ thuật chính: - 16 ngõ vào analog. - Bộ A/D 12 bit, với tần số lấy mẫu tối đa 100 kHz. - Tự động chuyển kênh. - Bộ nhớ FIFO onboard(1024 mẫu). - 2 ngõ ra analog. - 16 ngõ vào-ra số. - 1 bộ đếm (counter) tốc độ cao (10 Mhz). Hình 1.1: Card PCI 1711 Đề tài sử dụng bộ counter của card PCI để đọc tần số của xung encoder, từ đó tính được tốc độ quay của động cơ. Card PCI 1711 không có ngõ ra PWM mà chỉ có 2 ngõ ra analog, do đó tín hiệu điều khiển được tính toán và xuất ra kênh analog, thông qua 1 vi điều khiển trung gian có A/D và PWM để chuyển hóa tín hiệu analog từ card PCI thành tín hiệu PWM cấp cho mạch công suất (H-Bridge) điều khiển tốc độ động cơ. Sơ đồ kết nối analog output Card PCI 1711 cung cấp 2 kênh analog với tầm điện áp: -5 – 5 VDC or -10 – 10 VDC. Lưu ý dòng tải không được vượt quá 5 mA Trang 7
11. T2015 - 33 Hình 1.2: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog 2. Vi điều khiển dsPic30f4012 2.1 Giới thiệu Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Inc. sản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển Pic 8 bit. Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý dữ liệu có độ dài 16 bit). Với tốc độ tính toán cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp các chức năng điều khiển tiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (high performance 16-bit microcontroller); có thể thực hiện chức năng của một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) nên dsPIC còn có thể được xem là một bộ điều khiển tín hiệu số (Digital Signal Controller – DSC). Họ vi điều khiển dsPic có thể đạt tới tốc độ xử lý 40 MIPS (Mega Instruction Per Second - triệu lệnh trên một giây). Ngoài ra dsPic còn được trang bị bộ nhớ Flash, bộ nhớ dữ liệu EEPROM và các ngoại vi hiệu năng cao và rất đa dạng các thư viện phần mềm cho phép thực hiện các giải thuật nhúng với hiệu suất cao một cách dễ dàng trong một khoảng thời gian ngắn. Chính vì vậy dsPic được ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động. Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử dụng : . Bộ điều khiển số cho điều khiển động cơ và biến đổi nguồn (DSC Motor Control & Power Conversion Family). Trang 8
12. T2015 - 33 . Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family) . Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family) 2.2 Đặc điểm chung  Khối xử lý trung tâm CPU - Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh - Chế độ định địa chỉ linh hoạt - Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit - Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbytes - Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes - Bộ nhớ EEPROM - Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit - Tốc độ làm việc lên tới 40 MIPS  Bộ chuyển đổi tƣơng tự số ADC - Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit - Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second) - Tối đa 10 kênh lối vào ADC - Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle. - Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình - Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình  Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi - Dòng ra, vào ở các chân I/O lớn: 25 mA - 3 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-bit - Chức năng Capture 16-bit - Các bộ so sánh/PWM 16-bit - Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame) - Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-bit - UART có khả năng địa chỉ hoá, hỗ trợ bộ đệm FIFO  Bộ xử lý tín hiệu số - Nạp dữ liệu song song - Hai thanh chứa 40-bit có hỗ trợ bão hoà logic - Thực hiện phép nhân 2 số 17-bit trong một chu kì máy - Tất cả các lệnh DSP đều thực hiện trong một chu kì máy Trang 9
13. T2015 - 33 - Dịch trái hoặc phải 16 bit trong một chu kì máy  Một số đặc điểm khác - Bộ nhớ Flash: ghi/xoá lên tới 10.000 lần (điều kiện công nghiệp) và trên dưới 100.0 00 (thông thường) - Bộ nhớ EEPROM: ghi/xoá lên tới 100.000 lần (điều kiện công nghiệp) và trên dưới 1.000.000 lần (thông thường) - Khả năng tự nạp trình dưới điều khiển của software - Watch Dog Timer mềm dẻo với bộ dao động RC nguồn thấp trên chip. - Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình - Khả năng tự lập trình nối tiếp trên mạch điện (In Circuit Serial Programming – ICSP) - Có thể lựa chọn các chế độ quản lí nguồn: Sleep hoặc Idle 3. Thiết kế mạch điều khiển  Khối nguồn: Từ nguồn +24V DC ngõ vào, khối nguồn tạo các điện áp +12VDC cung cấp cho driver mạch cầu H và điện áp +5VDC cung cấp cho vi điều khiển Hình 1.3: Sơ đồ mạch nguồn  Khối vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển dsPic30f4012, giao tiếp máy tính qua cổng UART (RS232). Mạch có nhiệm vụ nhận tín hiệu analog ngõ ra từ card PCI, chuyển hóa thành tín hiệu PWM cung cấp cho mạch cầu H điều khiển tốc độ động cơ. Trang 10
14. T2015 - 33 Hình 1.4: Sơ đồ mạch vi điều khiển  Khối công suất: Khối công suất sử dụng 4 MOSFET kênh N, IRF3205, thông số kỹ thuật: Hình 1.5: Thông số kỹ thuật của IRF3205 Trang 11
15. T2015 - 33 Mạch sử dụng IC Mosfet driver IR2184 cho một nữa cầu: Hình 1.6: Sơ đồ mạch công suất 4. Kết nối phần cứng +5V +12V +24V E n PC PWM c RE0 o DA0/1 d DC motor PCI 1711 PCLD 8710 AD0 H-Bridge e DIR r CNT0_CLK PIC +5V A/B Hình 1.7: Sơ đồ kết nối phần cứng Trang 12
16. T2015 - 33 Dãi giá trị DA0/1 của PCI 1711 là 0÷5 (V). Sử dụng bộ AD 10 bit của PIC, nên ta có giá trị sau khi chuyển đổi là 0÷1023. Giá trị này được chuyển thành thời gian Ton (duty cycle) của bộ PWM. dsPIC sử dụng thạch anh ngoài 8Mhz với PLLx4, ta có tần số lệnh của PIC, Fcy =8*4/4 = 8 Mhz. Sử dụng bộ tạo xung PWM của dsPIC, ta có công thức tính giá trị đặt vào thanh ghi tạo thời gian Ton ở chế độ free-running: F PTPER cy 1 FPWM Frescaler Lưu ý độ phân giải của duty cycle gấp đôi độ phân giải của timer khi Prescaler = 1 Ta mong muốn khi giá trị của bộ AD lớn nhất (=1023), tương ứng với PWM = 100%. Vậy ta có tần số PWM (với Prescaler =1) : 2 F 2 8 106 F cy 15.6 KHz PWM PTPER 1 1024 Chương trình trên vi điều khiển đã được lập trình và FPWM được chọn bằng 16 KHz. Khi đó giá trị ngõ ra analog bằng khoảng 97% điện áp cực đại (97%*5=4.8 V) thì duty cycle của tín hiệu PWM =100%. Trang 13
17. T2015 - 33 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG ĐỘNG CƠ DC 2.1 Mô hình hóa động cơ DC [4] Điển hình của loại này là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều khiển bằng điện áp phần ứng. Sơ đồ nguyên lý của loại động cơ này được thể hiện trên hình 2.1, trong đó dòng kích từ ik được giữ không đổi. Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện DC - Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng, [V] - Tín hiệu ra là vận tốc góc  của động cơ, [rad/s] Sử dụng ba phương trình cơ bản :  Phương trình mạch điện phần ứng: di u L Ri K  (2.1) dt e Trong đó: R: điện trở phần ứng, [] L: điện cảm phần ứng, [H] I: dòng điện phần ứng, [A] Ke: hằng số sức điện động ngược, [V/rad/s] Kee : sức điện động ngược ở phần ứng, [V]. Biến đổi Laplace hai vế phương trình, ta được: U(s) LsI(s) RI(s) Ke  (s) U(s) Ke  (s) Ls R I(s) Trang 14
18. T2015 - 33 Sơ đồ khối tương ứng : U(s) 1 I(s) Ls R E(s) (s) Ke  Phương trình mômen điện từ: Với dòng kích từ ik không đổi thì từ thông khe khí  ki2k là không đổi và mômen điện từ M của động cơ tỉ lệ với dòng điện phần ứng: M = Km i (2.2) Trong đó Km: hằng số mômen của động cơ , [Nm/A] Km k1  k 1 k2 i k , với k1 là hằng số phụ thuộc kết cấu động cơ, k2 là hằng số đặc trưng đoạn tuyến tính của từ thông thay đổi theo ik . Biến đổi Laplace hai vế ta được: M(s) = Km I(s) Sơ đồ khối tương ứng: I(s) M(s) K m  Phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ: d MJBM  (2.3) dt t Trong đó: J: mô men quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2] B: hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [Nm.s] Mt: mô men phụ tải (nhiễu), [Nm] Biến đổi Laplace hai vế ta được: M(s) Js  (s) B  (s) Mt (s) M(s) Mt (s) Js B  (s) Sơ đồ khối tương ứng : Mt(s) M(s) 1 (s) Js B Trang 15
19. T2015 - 33 Kết nối các sơ đồ khối thành phần ở trên ta có sơ đồ khối của động cơ : Mt(s) U(s) 1 I(s) M(s) 1 (s) K Ls R m Js B E(s) (s) Ke Hình 2.2: Sơ đồ khối mô hình động cơ DC Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu ra vận tốc : Km (s) (Ls R)(Js B) K G(s) m (2.4) U(s)KK (Ls R)(Js B) K K 1 me me (Ls R)(Js B) (s) K Hay: G(s) m (2.5) 2 U(s) LJs (LB RJ)s Kme K RB L Đặt  : hằng số thời gian điện. e R J  : hằng số thời gian cơ. m B (s) K K / RB G(s) mm U(s) RB(e s 1)(  m s 1) Kme K (  e s 1)(  m s 1) (s) K Hay: G(s) (2.6) U(s) (em s 1)(  s 1) Thường trong thực tế em (s) K G(s) (2.7) U(s) m s 1 Nhận xét: - Tổng quát, động cơ DC điều khiển vận tốc được mô tả bằng hàm truyền bậc hai. Bằng phép xấp xỉ gần đúng thì có thể mô tả bằng hàm truyền bậc nhất. - Động cơ DC điều khiển bằng điện áp phần ứng tự bản thân nó là một hệ kín có tín hiệu hồi tiếp là sức điện động. Trang 16
20. T2015 - 33 2.2. Nhận dạng mô hình động cơ DC 2.2.1 Khái niệm Muốn thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng để hệ kín có được chất lượng điều khiển như mong muốn thì trước tiên cần phải hiều biết về đối tượng, tức là cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng đó. Không thể điều khiển đối tượng khi không hiểu biết hoặc hiểu sai lệch về nó. Kết quả thiết kế bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào mô hình mô tả đối tượng. Mô hình càng chính xác, hiệu suất công việc càng cao. Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hóa. Người ta thường phân chia các phương pháp mô hình hóa ra làm ba loại: - Phương pháp lý thuyết: là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên những kiến thức về vật lý về mối quan hệ giữa các phần tử bên trong của đối tượng và các tác động với bên ngoài. Các định luật vật lý, định luật cân bằng năng lượng thường được sử dụng. - Phương pháp thực nghiệm: mô hình hóa đối tượng bằng các khâu cơ bản, ví dụ như khâu quán tính bậc 1, bậc 2, khâu vi phân, khâu trễ , từ đó sử dụng hàm quá độ (đáp ứng của hệ khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị) để tìm kiếm các thông số của các khâu cơ bản đó. - Phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm: khi một số thông số không thể tính toán được bằng lý thuyết, ta kết hợp với các phương pháp thực nghiệm để tìm thông số đó. Phần 2.1, mô hình động cơ DC được xây dựng theo phương pháp lý thuyết với các thông số động cơ được biết trước. Tuy nhiên trong thực tế, đa số các trường hợp ta gặp động cơ không có thông số đầy đủ và khi đó sẽ gặp nhiều khó khăn nêu muốn mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển tương ứng. Động cơ DC có thể được mô hình hóa bằng một khâu quán tính bậc 1 như phương trình (2.7). Do đó trong thực tế thay vì nhận dạng tất cả các thông số mô hình của động cơ, ta có thể chỉ cần tìm 2 thông số K và m ở phương trình (2.7). Ta sử dụng phương pháp thực nghiệm để tính toán. Trang 17
21. T2015 - 33 Cho tín hiệu ngõ vào u(t) =Uo.1(t) U(s) = Uo/s KUo 1m 1 1 Suy ra: ()s KUoo KU s(m s 1) s  m s 1 s s 1  m t/m Vậy: (t ) KUo 1 e () KU o () K (2.8) U0 Mặc khác, tại t  m (  )  ( ) 1 e 1 0.632  ( ) m (2.9) Khảo sát đặc tính vòng hở của động cơ DC với điện áp đặt U0 = 24 VDC Đồ thị của vận tốc ngõ ra động cơ có dạng như sau: Step Response 900 800 700 System: untitled1 600 Time (seconds): 0.0155 Amplitude: 525 500 400 Amplitude 300 200 100 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time (seconds) Hình 2.3: Đặc tính vòng hở của động cơ DC Ta có: ( ) 830 (rad/ s) ( ) 830 K 34.6 U0 24 Mặc khác 0.632 ( ) 525 (rad/ s) Do đó dựa vào đồ thị ta có  m 0.0155 (s) Trang 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4