1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN VIẾT TRUYỀN
SỬ DỤNG VI XỬ LÝ, VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NHẬN DẠNG
THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014
3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên,
, Xưởng Thực hành Điện tử công suất
Trường Cao Đẳng Nghề công nghiệp Thanh hóa và các anh chị đồng nghiệp.
Do hạn chế về thời gian và tài liệu tham khảo nên luận văn chắc chắn không
tránh khỏi sự thiếu sót. Kính mong được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô
và bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 3 tháng 8 năm 2014
Học viên
Nguyễn Viết Truyền
4
5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
[1] Năm 1975, W. Lord và J. H. Hwang đã chỉ ra rằng các kỹ thuật mô hình hóa
tuyến tính có thể được áp dụng cho các động cơ DC kích từ riêng biệt nếu tìm được
các tham số mô hình theo điều kiện làm việc động học. Họ sử dụng kỹ thuật của
Pasek để xác định kiểu mô hình và tất cả các tham số của mô hình từ một đáp ứng
dòng điện của động cơ với đầu vào điện áp kích từ dạng bước. Phương pháp Pasek
là một trong số những kỹ thuật đầu tiên được sử dụng trong việc nhận dạng các
tham số của động cơ DC. Nó xác định kiểu mô hình mẫu của động cơ DC hiệu suất
cao và tất cả các tham số mô hình chỉ dựa trên đáp ứng dòng điện của thiết bị với
một đầu vào là điện áp phần ứng dạng bước với tốc độ ở trạng thái xác lập. Nhưng
phương pháp này gây ra một số vấn đề về thiết bị đo lường. Kỹ thuật này đòi hỏi
phải đọc được chính xác dạng sóng quá độ giữa hai điểm, đây là điều khó có thể
thực hiện được khi có nhiễu. Đồng thời phương pháp này cũng đo một số điểm trên
đường cong đáp ứng thời gian của dòng điện, điều này khiến cho nó rất nhạy cảm
với nhiễu chuyển mạch dòng điện, và do đó phương pháp này là không chính xác
đối với các động cơ giá rẻ đang được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp.
[2] Năm 1983, R. Schulz đưa ra kỹ thuật đáp ứng tần số để đo các tham số của động
cơ hiệu suất cao. Mô hình động cơ bậc hai dưới điều kiện cụ thể được thể hiện
tương đương với một mạch điện cộng hưởng mắc nối tiếp. Việc đo đáp ứng tần số
của động cơ khi được coi là mạch trở kháng, tạo nên nền tảng của kỹ thuật đo lường
có rất nhiều ưu điểm trong thực tế. Các kết quả được so sánh với các phép đo lường
được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường. Phương pháp
đáp ứng tần số xác định các tham số của động cơ DC hiệu suất cao bằng cách coi
mô hình đồng cơ bậc hai là một mạch trở kháng (mạch RLC), và hiệu chỉnh các giá
trị của các phần tử trên mạch RLC để tìm ra đáp ứng của động cơ DC và tính đến
trúc thực của hệ thống vật lý. Thay vì đi tạo ra nghiên cứu chi tiết và phát triển một
mô hình dựa trên mức độ chuyên sâu về vật lý và kiến thức, ta đi đề xuất một mô
hình toán cho phép đủ để mô tả bất cứ phép đo đầu vào và đầu ra nào quan sát
được. Điều này làm giảm khối lượng công việc mô hình hóa đi một cách đáng kể.
[5] Năm 2004, A. Dupuis, M. Ghribi và A. Kaddouri đã đơn giản hóa việc nhận
dạng offline các tham số của động cơ bằng cách đề xuất một phương pháp mới dựa
trên tối ưu hóa bằng cách sử dụng thuật toán gen trội đa mục đích. Thuật toán gen
phân loại không trội (NSGA-11) cũng được sử dụng để cực tiểu hóa sai lệch giữa
các đáp ứng dòng điện và vận tốc của dữ liệu và mô hình ước lượng. Tính bền vững
của phương pháp cũng được thể hiện bằng cách ước lượng các tham số của động cơ
7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
DC theo 4 trường hợp khác nhau. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng phương
pháp này ước lượng một cách thành công các tham số của động cơ và cũng có thể
đồng thời nhận dạng được mômen tải. Nhược điểm của phương pháp này là thường
phải tính toán cả các kiểu hàm giống nhau gây mất nhiều thời gian.
[6] Năm 2006, R. Garrido và R. Miranda đã đề xuất một phương pháp mới để nhận
dạng vòng kín của cơ cấu servo DC điều khiển vị trí. Vòng lặp quanh servo được
khép kín bằng bộ điều khiển tỷ lệ vi phân (PD). Mô hình servo được điều khiển một
cách đồng thời bằng một bộ điều khiển PD thứ hai. Sai lệch và đạo hàm của sai lệch
giữa đầu ra của cả servo thực và servo mẫu được sử dụng để nhận dạng tham số
động cơ, ngược lại các tham số này được sử dụng để cập nhật mô hình mẫu. Các
thuộc tính của tổ hợp nhận dạng được nghiên cứu bằng lý thuyết ổn định Lyapunov,
một nghiên cứu về cách sử dụng mạng nơron đa lớp để đo hàm truyền của hệ thống
điện để sử dụng trong bộ ổn định hệ thống điện (PSS) hiệu chỉnh và đánh giá độ tắt
dần PSS. Mục tiêu đặt ra là đo nhanh chóng và chính xác hàm truyền có liên quan
1.2. Quá trình nhận dạng tham số điều khiển
1.2.1. Cơ sở của phƣơng pháp
Xét các phương trình động cơ DC sau đây : (1.1)
(1.2)
(1.3)
Với: V: là điện áp đặt vào động cơ
Kt: là hằng số mô-men xoắn ,
R: là điện trở phần ứng,
L: điện cảm phần ứng,
J: là hệ số quán tính ,
Tcog: là ma sát động
Đáp ứng tốc độ trong miền Laplace là
9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu (1.4)
Xét hai trường hợp:
- Trường hợp1: Nhiễu mô-men xoắn là không đáng kể
Đầu vào điện áp quá lớn, chúng ta có thể bỏ qua các mô-men xoắn nhiễu trong
đáp ứng tốc độ. Trong trường hợp này , chúng ta có thể xem xét các mô hình động
cơ DC sau đây
(1.9)
(1.10)
(1.11)
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 điều
khiển. Do tính năng ưu việt của nó việc tìm hiểu hoạt động của nó là rất cần thiết để
tiếp cận với kỹ thuật thu thập số liệu bằng máy DAS (Data Acquisition System) .
Dưới đây là các chức năng chính của CARD :
- Chuyển đổi A / D 16 kênh tốc độ lấy mẫu 12-bit 40000 / s
- Chuyển đổi D / A 1 kênh 12 bit
- 16 đầu vào kỹ thuật số TTL
- 1 bộ đếm / định thời 16 bit cho người sử dụng
11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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
12
StartChan As Integer
GainArray As Long ' USHORT far *GainArray
End Type.
Đọc kết quả nhị phân nhiều kênh
status = DRV_MAIBinaryIn(DriverHandle,lpMAIBinaryIn)
Type PT_MAIBinaryIn
NumChan As Integer
StartChan As Integer
TrigMode As Integer
ReadingArray As Long 'USHORT far *Reading
End Type
Đọc kết quả điện áp nhiều kênh
status = DRV_MAIVoltageIn(DriverHandle,lpMAIVoltageIn)
Type PT_MAIVoltageIn
NumChan As Integer
StartChan As Integer
GainArray As Long 'USHORT far *GainArray
TrigMode As Integer
VoltageArray As Long 'FLOAT far *VoltageArray
End Type.
14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Đặt cấu hình xuất điện áp
status = DRV_AOConfig(DriverHandle,lpAOConfig)
Type PT_AOConfig
chan As Integer
status = DRV_DioReadPortByte(DriverHandle,lpDioReadPortByte)
Type PT_ReadPortByte
Port As Integer „ soá cuûa port
ByteData As Long ' USHORT far *ByteData
End Type
Xuất ngõ ra số
status = DRV_DioWritePortByte(DriverHandle,lpDioWritePortByte)
Type PT_DioWritePortByte
Port As Integer
Mask As Integer
state As Integer
End Type
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.
Xét trường hợp sau:
L= 20.25 (mH).
R= 1.64 (Ω).
Te = L / R = 0,00122 (giây).
16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Đầu tiên, áp dụng các thuật toán để không có nhiễu mô-men xoắn. Để áp dụng
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. Dựa trên
các dữ liệu đáp ứng tần số tính toán, tôi sử dụng Matlab nhận dạng hệ thống hộp
công cụ để xác định một mô hình bậc hai. Mô hình tốt nhất tìm thấy là:
(1.12)
Sử dụng hệ số mô hình, chúng ta nhận:
Tm = 0.0177s, te =3ms, kt =0.031 volts/(rad/s).
18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
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.
19
20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
bằng cách so sánh đường đặc tính của tốc độ động cơ thực với đường 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 được các tham số động cơ đạt
được chất lượng theo yêu cầu đặt ra.
21
+ Khối giao tiếp nối tiếp.
+ Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC.
+ Khối các port xuất nhập.
b. Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC18F452.
- Sơ đồ chân
Hình 2.2: Sơ đồ chân chân của PIC18F452
23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
- Chức năng các chân của PIC18F452
Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào
nhận xung clock từ bên ngoài.
Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock.
Chân (1) có 2 chức năng
: ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.
Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC.
Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng
RA0,1,2: xuất/ nhập số.
AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2.
Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh thứ 2/
ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ AD.
Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện
áp chuẩn (cao) của bộ AD.
Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho
Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
Chân RA5/AN4/ / C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào
Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC.
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 14
bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối
đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14
bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng
256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Có 8 kênh chuyển đổi A/D
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).
25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC18F452 là bộ
nhớ flash. Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ
hóa bởi bộ đếm chương trình.
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 độ dùng
encoder, độ phân giải 200xung/vòng.
Hình 2.4: Encoder quang
Copyright: Tài liệu đại học ©