Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------***-----------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP
ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG Học viên: Đinh Văn Nghiệp
Lớp: CHK10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD Khoa học:TS. Bùi Chính Minh
Ngày giao đề tài: 01/02/2009
Ngày hoàn thành: 31/07/2009

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN
TS. Bùi Chính Minh

THÁI NGUYÊN 2009
Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: ĐINH VĂN NGHIỆP
Người HD Khoa học: TS. BÙI CHÍNH MINH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------***----------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU
KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009
Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2
LỜI CẢM ƠN
Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ
và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Bùi Chính Minh, luận văn với đề tài
“Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết
kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi Chính Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Tự động hoá
– Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác
giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Trung tâm Thí nghiệm Trường đại học kỹ thuật Công Nghiệp, đặc biệt là các
cán bộ phòng thí nghiệm tự động hoá đã tận tình giúp đỡ tác giả xây dựng hệ thực
nghiệm.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.


1.2.3. Chọn tần số lấy mẫu. 30
1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp liên tục. 32
1.2.4.1. Phương pháp vi phân 32
1.2.4.2. Bộ điều khiển số được xác định theo hàm truyền đạt 34
1.2.4.3. Phương pháp dùng biến đổi z 36
1.2.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH) 37
1.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp 38
1.2.5.1. Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z.
1.2.5.2. Bù ảnh hưởng của khâu trễ
38
1.2.5.3. Hệ ổn định vô tận 40
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4
1.2.6. Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số 41
1.3. Điều khiển số trong điều khiển chuyển động 41
1.3.1. Một số cấu trúc điều chỉnh được sử dụng 41
1.3.2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính 47
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD DSP DS1104
49
2.1. Giới thiệu chung
49
2.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104
51
2.2.1. Cấu trúc tổng quan 51
2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface)
53
2.2.3. Các thành phần chủ yếu của DS1104 59
2.2.3.1. Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240. 59
2.2.3.2. Hệ con AD (Analog to Digital). 65

3.1. Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí DC servo(theo phương
pháp tương tự)
100
3.1.1. Mô hình toán học của hệ 100
3.1.2. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phương pháp tổng hợp các
mạch vòng
104
3.1.3. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều
khiển vị trí
110
3.1.4. Mô phỏng hệ trên Matlab 114
3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic
ứng dụng Card DS1104
115
3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động 121
3.3.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống thực
121
3.3.2. Lập trình điều khiển hệ 123
3.3.3. Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động 124
KẾ T LUẬ N VÀ KIẾ N NGHỊ
129
TÀI LIỆU THAM KHẢO
129 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7
Hình 1.10. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo
Hình 1.11 : Hàm thời gian
Hình 1.12. Tín hiệu liên tục
Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc
Hình1.14:Bộ cắt mẫu
Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 1.20
Hình 1.21
Hình 1.22
Hình 1.23
Hình 1.24
Hình 1.25
Hình 1.26. Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay
Hình 1.27. Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ
Hình 1.28. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc
Hình 1.29. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản
Hình 1.30. Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt
Hình1.31. Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu
Hình1.32. Cấu trúc điều chỉnh bù ngược
Hình 1.33. Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình
Hình1.34. Các giai đoạn của một quá trình chuyển động
Hình 1.35. Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động
Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động

Hình 2.26. Các vector SPWM1, SPWM3, SPWM5 của DS1104
Hình 2.27. Lưu đồ thuật toán thực hiện một ứng dụng với Simulink và Control
Desk: (a)- Bước 1; (b)- Bước 2
Hình 2.28. Ví dụ minh hoạ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9
Hình 2.29. Thay đổi tham số khối Transfer Fcn
Hình 2.30. Kết quả mô phỏng
Hình 2.31. Cấu trúc điều khiển trên Matlab Simulink
Hình 2.32. Downloading and Building
Hình 2.33. Giao diện Control Desk
Hình 2.34. Cửa sổ New Experiment
Hình 2.35. Thẻ Variable Manager và các biến mô phỏng
Hình 2.36. Cửa sổ New Layout
Hình 2.37. Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1
Hình 2.38. Thay đổi tham số của Slider
Hình 2.9. Điều khiển Slider sau khi gán biến cần điều khiển
Hình 2.40. Vẽ một Plotter để quan sát tín hiệu
Hình 2.41.Thiết lập đặc tính cho đồ thị
Hình 2.42. Thiết lập thông số quan sát
Hình 2.43. Điều khiển sự thực thi của DSP (a) và điều khiển Animation (b)
Hình 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí
Hình 3.2. Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều
Hình 3.3. Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng

Hình 3.4. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một
Hình 3.5. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một
Hình 3.6. Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển

Hình 3.35. Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ
Bảng 2.1. Dung lượng các bộ nhớ của DS1104
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số.
1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số.
Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có
thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển
truyền thống. Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị
điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số. Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ
trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc
thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống. Mặt khác chúng ta cũng cần sự
giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính. Cụ thể như:
- các phép đo được thực hiện tại các thời điểm rời rạc
- các dữ liệu cũng phải được rời rạc hoá để cho phép xử lý dữ liệu số
Mặt khác các bộ điều khiển số có thể xử lý được dữ liệu rời rạc theo không gian và
thời gian. Cách rời rạc hoá thường được thực hiện bằng cách lấy mẫu và sau đó là
lượng tử hoá. Với hai đặc điểm này khiến hệ thống điều khiển số khác hẳn với các
hệ thống thống điều khiển tuyến tính thông thường và hệ thống điều khiển thời gian
bất biến.
Nguyên tắc làm việc của DAC
Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết
của tín hiệu số. Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song
song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra.
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số -
tương tự trong hệ điều khiển số
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ DAC
Hình 1.4- Tín hiệu ra của bộ DAC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi
là thời gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một
DAC.

Một số mạch DAC điển hình
Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lƣợng
Mạch gồm một nguồn
điện áp chuẩn U
ch
, các
bộ chuyển mạch và điện
trở có giá trị R, R/2,
R/4... và một mạch
khuếch đại thuật toán.
Khi một khoá điện nào
đó được nối với nguồn
điện thế chuẩn thì sẽ
Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

14
cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là:

ch
i
i
U
I=
R.2
(i=0…n-1)

mạch (mỗi chuyển mạch cho 1 bitm) và một nguồn điện áp chuẩn U
ch
. Đại lượng
cần tìm là I
th

vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với U
ch
.
Lúc đó ta có: U
ra
=-I
th
.R
f
Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

15
Xét tại chuyển mạch tương ứng với bit thứ i, nút tương ứng trên mạch là nút 2
i
. Khi
bộ chuyển đổi đóng vào U
ch
thì điện thế tương đương tại nút 2
i

sẽ là U
ch
/ 2 và nguồn

do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây được coi là 0V.
Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit
(từ B
0

ữ B
n-1
) với mạng điện trở R - 2R.
 
n-1 n-2 0
f
ra ch n-i n-2 0
n
R
U =-U 2 B +2 B +...+2 B
2R

Trong đó B
0

ữ B
n-1

có giá trị 0 hoặc 1.
Các DAC theo phương pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ như
DAC n bit thì phải dùng 2 (n-1) điện trở, trong khi theo phương pháp điện trở trọng
lượng chỉ phải dùng n điện trở. Nhưng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2
loại điện trở mà thôi. Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm
bảo.
b. Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (A/D Converter)

đổi AD.

Các tham số cơ bản của ADC
Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tương tự ở
đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi.
- Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0
đến một số dương hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính:
-U
A
U
A
.
- Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là
độ phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị được sắp xếp theo một
quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra (số bits trong từ
mã nhị phâns) tương ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác
của phép chuyển đổi. Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt
được 2
8

mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Như vậy trong thực tế dùng số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

17
bits để đánh giá độ chính xác của một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không
đổi.
Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác như: méo phi
tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lượng tử hoá.
- Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được gọi là tần
số chuyển đổi f

được đưa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so
sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận
khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S
1

đến S
m
. Đầu ra của các bộ so
sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic "1", các
đầu ra còn lại có mức logic "0". Các đầu ra của mạch so sánh được nối với mạch
AND, một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp
đưa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đưa vào mạch
nhớ Flip_Flop (FF). Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp
lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so
sánh kết thúc mới đưa xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và
dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân.
Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên được gọi là ADC nhanh
nhưng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ như ADC n bits cần phải dùng 2
n
-1 bộ so
sánh. Vì vậy phương pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi
cao nhưng số bit nhỏ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

18
qua cổng AND được đưa vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ
Q
0
…Q
m-1

đồng thời qua bộ biến đổi D /A sẽ có điện áp U
0

cho đến khi U
0

= U
A
thì
bộ so sánh lật giá trị
, đầu ra của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ
dừng. Trên đầu ra bộ đếm Q
0
…Q
m-1
ở dạng số tỉ lệ với điện áp vào U
A
, số này được
xếp vào bộ ghi. Tiếp theo bộ đếm được xoá và chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp
Hình 1.8. Sơ đồ chuyển đổi A/D song song
Hình 1.9. Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

19



Trong đó N là tổng số bước của bộ đếm và dung lượng của nó đầy sau khi kết thúc
qúa trình đếm.
Thời gian biến đổi:
A
n
N
T=
f
,Trong đó f
n

là tần số xung nhịp.
Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá
trị cực đại.
Amax Amax
A A n
n
mm
max
U.ΔN U
dU ΔU f
= = . = f
dt ΔT 2 -1 ΔN 2 -1




Nếu tốc độ biến đổi điện áp U

0

thì bộ biến đếm
đếm theo chiều tiến. Nếu U
A

< U
0

thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi U
A

=
U
0

thì bộ đếm dừng, tương tự như cơ cấu servo. Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào
U
A

luôn luôn phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D /A. Nên thời gian
biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp f
H

và phản ứng của bộ so sánh.

c. Máy tính số hoặc bộ vi xử lý.
Máy tính thực hiện các thuật toán như: dịch chuyển, cộng, nhân, lưu giữ: nó
tạo nên tín hiệu điều khiển u
k

đặt x
d
(kT) là thích hợp mặc dù có nhiễu tác động đến hệ thống hay đến cảm biến.
Trong angorit, sai lệch e(kT) xuất hiện đồng thời với điều khiển, đòi hỏi chu kì
lượng tử hoá T đủ lớn (ít nhất là 20 lần ) so với thời gian tính u(kT). Thời gian lấy
mẫu và thời gian biến đổi tín hiệu đều cần tính đến để chộ T.
Chu kì lấy mẫu T ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng của hệ kín. Nếu T quá lớn
hệ có thể mất ổn định. Nếu T và mức lượng tử hoá (mà quá trình phân tích không
quan tâm đến) đủ bé thì tín hiệu số cũng như tín hiệu rời rạc có thể xem như liên
tục.
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin, điện tử các nhà
sản xuất đã tích hợp các hệ vi xử lý tín hiệu số để thay thế các máy tính trong hệ
điều khiển số. Các hệ vi xử cùng với các bộ chuyển đổi A/D,D/A được tích hợp trên
một Board đơn (Card). Có nhiều hãng đã sản xuất nhiều Card điều khiển số DSP để
ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu, điển hình là các Card DS1102,DS1104,
DS1103, DS1105.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

21
1.1.2. Cở sở của điều khiển số.
1.1.2.1. Biến đổi Z
Khi phân tích hệ điều khiển tuyến tính liên tục thì ta dùng phép biến đổi Laplace
lúc đó hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa hai đa thức theo biến t. Trong hệ điều
khiển số thì hàm truyền của hệ thống không còn là một đa thức đại số theo p mà đa
thức đại số theo
Tp
e
. Để đơn giản ta đặt
ze
Tp

)()( nTttf

Trong đó
)nTt( 
là xung Đirăc
Biến đổi Laplace ta có:
dte)nTt()t(fdte)nT(f)p(F
0
0
tptp
0
*












0
*
)()(
nTp
enTfpF
Với Z = e

f(nT) = 1(n) với T = 1


Z
 
)(1 t
=



0
2)(1
n
n
= 1 +
2
11
zz

+ … =
1z
z

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

22
Biến đổi Z của hàm f(t) = e
-aT
với a = const
f(nT) = f(n) với T = 1 = e

Vậy Z
 
at
e

=
q1
1
=
ze
a
1
1
1

=
1ze
ze
a
a
=
a
ez
z



1.1.2.1.2. Các tính chất của biến đổi Z
a. Tính dịch gốc
Nếu hàm f(n) có biến đổi Z là F(z) thì hàm f(n + 1) có ảnh là:

)z(FLim)0(f)0n(f
z 


Xuất phát từ biến đổi Z: Vì
 
n1
0
n
n
z)n(f...z)1(f)0(fz)n(ffZ






)n(flim)0(f)z(FLim
0nz 


d. Giá trị cuối của hàm gốc rời rạc
 
zF)z1(lim)n(flim
1
1zn


