Đề tài Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống truyền đông điện động cơ một chiều điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển vạn năng sử dụng vi điều khiển PSOC

ng các chân vào ra tuỳ thuộc vào ngƣời sử dụng khi thiết kế và lập trình cho chip PSoC. Bộ khiển vạn năng trong đề tài này đã sử dụng chịp PSoC CY8C27443 thuộc họ CY8C27xxx. 1.2.2. Các thông số cơ bản của chip CY8C27443. Trên Hình 1.1 là sơ đồ khối cấu trúc chip PSOC (cy8c27xxx) chip gồm:  Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard. Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24 MHz. Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích lũy ACC là 32 bit. Hoạt động ở tốc độ cao mà năng lƣợng tiêu hao ít. Dải điện áp hoạt động từ 3.0 tới 5.25V. Điện áp hoạt động có thể giảm tới 1.0V khi sử dụng chế độ kích điện áp. Hoạt động trong dải nhiệt độ -40ºC đến 85ºC.  Các khối ngoại vi có thể đƣợc sử dụng độc lập hoặc kết hợp. 12 khối tƣơng tự cú thể đƣợc thiết lập để làm cỏc nhiệm vụ:  Các bộ ADC lên tới 14 bit.  Các bộ DAC lên tới 9 bit. 5  Các bộ khuếch đại có thể lập trình đƣợc hệ số khuếch đại.  Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình đƣợc. Hình 1.1. Sơ đồ khối cấu trúc chip PSOC (cy8c27xxx) 8 khối số có thể đƣợc thiết lập để làm các nhiệm vụ:  Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband). 6  Các module kiểm tra lỗi (CRC modules).  Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiều (UART).  Các bộ truyền thông SPI Master và SPI Slave có thể cấu hình đƣợc.  Có thể kết nối với tất cả các chân vào ra.  Bộ nhớ linh hoạt trên chip. Không gian bộ nhớ chƣơng trình Flash từ 4K đến 16K, phụ thuộc vào từng loại chip với chu kì ghi xóa bộ nhớ Flash là 50.000 lần Không gian bộ nhớ RAM là 256 bytes. Chip có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (issp). Bộ nhớ flash có thể đƣợc nâng cấp từng phần. Chế độ bảo mật đa năng, tin cậy. Có thể tạo đƣợc không gian bộ nhớ flash trên chip lên tới 2,304 bytes.  Có thể lập trình đƣợc cấu hình cho từng chân của chip. Các chân vào ra ba trạng thái sử dụng trigger schmitt. Đầu ra logic cung cấp dòng 25ma với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong. Thay đổi đƣợc ngắt trên từng chân. Đầu ra tƣơng tự có thể cung cấp dòng tới 40ma.  Xung nhịp của chip có thể lập trình đƣợc. Bộ tạo dao động nội tại 24/28mhz (độ chính xác 2,5%,). Có thể lựa chọn bộ tạo dao động ngoài lên tới 24mhz. Bộ tạo dao động thạch anh 32,768 khz bên trong. Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho watchdog và sleep.  Ngoại vi đƣợc thiết lập sẵn. Bộ định thời watchdog và sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ. Module truyền thông IC master và IC slave tốc độ lên tới 400khz. 7 Module phát hiện điện áp thấp đƣợc cấu hình bởi ngƣời sử dụng.  Công cụ phát triển. Phần mềm phát triển miễn phí (psoctm designer). Bộ lập trình và mô phỏng với đầy đủ chức năng. Mụ phỏng ở tốc độ cao. 1.2.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của chip psoc.  Ƣu điểm Tích hợp cpu, ram, rom và các ngoại vi thời gian thực (adc, dac, timer, counter, các cổng vào ra đa chức năng, các cổng truyền thông ) trên một chip. Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể thay đổi trong quá trình hoạt động. Có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ trợ kĩ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng. khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này. Thu gọn kích thƣớc sản phẩm, hạn chế các chip chuyên dụng hỗ trợ. Hạ giá thành sản phẩm, đẩy nhanh việc đƣa sản phẩm ra thị trƣờng. Cho phép lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ c hoặc assembly. Có khả năng tái cấu hình (reconfiguration) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng. Có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tƣơng tự và số.  Nhƣợc điểm: bên cạnh những tính năng ƣu việt trên, chip psoc vẫn tồn tại những nhƣợc điểm sau: Thời gian chuyển đổi tín hiệu từ tƣơng tự sang số (adc) còn khá lớn (nhất là bộ adc có độ rộng bit lớn) và phụ thuộc nhiều vào cpu – m8c. Không hỗ trợ giao tiếp với bộ nhớ ngoài. 8 Không thể sử dụng toàn bộ các tính năng một lúc do hạn chế về không gian chứa tài nguyên. Tất cả các chân vào ra đều sử dụng chung một ngắt. 1.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ. Yêu cầu thiết kế đƣợc đặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có nghĩa là phải có giao diện thân thiện với ngƣời sử dụng. Thông qua HMI, ngƣời sử dụng có thể chọn luật điều khiển dễ dàng. Ví dụ nhƣ có thể điều khiển các đối tƣợng công nghiệp theo luật P, I, PI, PD và có thể lựa chọn tham số của các luật phù hợp với đối tƣợng thiết kế. Luật PID số phải đƣợc thiết kế gọn gàng, thời gian xử lý lệnh phải nhanh để làm tăng tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển. 1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ số. Hình 1.2. Cấu trúc luật P số. Đây là luật điều khiển có thể thiết kế đơn giản nhất. Dãy u(k) đƣợc tính từ dãy e(k) theo công thức: ( ) ( )Pu k k e k k=0,1,2. 1.3.2. Luật điều khiển tích phân số. Ta có phƣơng trình sai phân: ( ) ( ) ( 1) I T u k e k u k T Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time) 1.3.3. Luật điều khiển vi phân số. Hình 1.3. Cấu trúc luật I số Hình 1.4. Cấu trúc luật D số. 9 Thƣờng các bộ điều khiển theo luật vi phân số đƣợc cài đặt theo các phƣơng trình sai phân sau: ( ) [ ( ) ( 1)]D T u k e k e k T Trong đó T là thời gian trích mẫu. 1.3.4. Luật điều khiển PID số. Từ cấu trúc PID số trong hình 1.5 ta có ( ) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( 1)DP I I TT u k k e k e k u k e k e k T T ( ) (1 ) ( ) ( 1) ( ) ( 1)D DP I I T T T u k k e k e k e k u k T T T ( ) (1 ) ( ) ( 1) ( 1)D DP I I T TT u k k e k e k u k T T T Luật điều khiển PID số trong công thức trên đƣợc lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển đƣợc chế tạo trên nền PSoC. 1.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ. 1.4.1. Bộ điều khiển mờ. Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 phần chính (H.1.6): Hình 1.5. Cấu trúc luật PID số 10 Khâu mờ hóa: Làm nhiệm vụ chuyển đổi từ giá trị rõ đầu vào xác định sang trạng thái đầu vào mờ. Đây là giao diện đầu vào của bộ điều khiển mờ. Thiết bị hợp thành: Triển khai luật hợp thành trên cơ sở luật điều khiển IFTHEN. Khâu giải mờ: Chuyển đổi từ giá trị mờ nhận đƣợc của thiết bị hợp thành sang giá trị thực để điều khiển đối tƣợng. Đây là giao diện đầu ra của bộ điều khiển mờ. Trong đó: x: Là tập giá trị thực cần điều khiển đầu vào m: Tập mờ của giá trị đầu vào. B: Tập giá trị mờ của giá trị điều khiển thực. y: Giá trị điều khiển thực. Bộ điều khiển mờ cơ bản là một bộ điều khiển mờ tĩnh, nó chỉ có khả năng xử lý các giá trị hiện thời. Để giải quyết đƣợc các bài toán điều khiển động, bộ điều khiển mờ cơ bản phải đƣợc nối thêm các khâu động học thích hợp. Ví dụ, khâu tỷ lệ, vi phân hoặc tích phân (H.1.7). Hình 1.6. Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản Hình 1.7. Cấu trúc bộ điều khiển mờ động. 11 Hệ thống điều khiển mờ đảm nhiệm chức năng nhƣ một hệ thống điều khiển thông thƣờng. Sự khác biệt chủ yếu ở chỗ: khi hệ thống điều khiển truyền thống dựa vào logic kinh điển {0,1}, thì hệ thống điều khiển mờ thực hiện chức năng điều khiển dựa trên kinh nghiệm và những kết luận theo tƣ duy của con ngƣời, quá trình xử lí đó thông qua bộ logic mờ. Để thực hiện đƣợc quá trình điều khiển, đối tƣợng phải đƣợc điều khiển bằng các tín hiệu rõ u. Do vậy, tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ phải đƣợc giải mờ trƣớc khi đƣa vào đối tƣợng. Cũng tƣơng tự nhƣ vậy, tín hiệu ra của đối tƣợng qua các bộ cảm biến đo lƣờng phải đƣợc mờ hóa trƣớc khi đƣa vào bộ điều khiển mờ . Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phƣơng pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra, và sự lựa chọn những luật điều khiển trong bộ điều khiển mờ. Thiết bị hợp thành triển khai các luật điều khiển theo một nguyên tắc nhất định (MAX–MIN, MAX–PROD,...), đây là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ. Để cho thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ thì phải chọn các biến ngôn ngữ sao cho phù hợp. Các đại lƣợng vào ra chuẩn và phù hợp với luật điều khiển. Tất cả vần đề đó đƣợc hình thành trên quá trình thử nghiệm và thiết kế. Tuy thiết bị hợp thành là bộ phận quan trọng nhất của bộ điều khiển mờ, nhƣng khi giải quyết các bài toán động, trong nhiều trƣờng hợp nó cần các thông tin về đạo hàm hay tích phân của sai lệch. Khi đó tín hiệu vào phải đƣợc xử lí sơ qua bằng các khâu động học. Đối với một bài toán có độ phức tạp cao, đôi lúc còn Hình 1.8. Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển mờ 12 cần đến nhiều bộ điều khiển mờ với các khâu mắc nối tiếp hoặc song song theo kiểu mạng. a) Quá trình mờ hóa Mờ hóa là một ánh xạ từ một giá trị rõ x U Rn sang một tập mờ A trong tập nền U. Mờ hóa phải đảm bảo: Độ phụ thuộc là lớn nhất, đảm bảo tính khử nhiễu, tính toán đơn giản. Trong điều khiển, với mục đích sử dụng các hàm thuộc sao cho khả năng tích hợp chúng là đơn giản, ngƣời ta chỉ quan tâm đến 3 kiểu mờ hóa cơ bản sau: - Hàm Singleton (cũng gọi là hàm Kronecker). - Hàm hình tam giác. - Hàm hình thang. Trong ba cách trên, mờ hóa theo hàm tam giác đảm bảo khử nhiễu nhƣng tính toán và khử nhiễu khó, lâu. Chỉ có mờ hóa theo kiểu Singleton là đƣợc sử dụng nhiều nhất mặc dù nó không có tính khử nhiễu nhƣng tính toán đơn giản và nhanh. b) Thiết bị hợp thành. Thiết bị hợp thành đƣợc hiểu là sự ghép nối chung giữa bản thân nội dung luật hợp thành và thuật toán xác định giá trị mờ của luật hợp thành khi biết trƣớc giá trị rõ của tín hiệu đầu vào. Trọng tâm của hệ mờ chính là mệnh đề hợp thành IF THEN. Ta xét hệ MISO (n đầu vào, 1 đầu ra), mệnh đề hợp thành mô tả hệ MISO là: Ri: IF x1=A1 1 and and xn=An 1 THEN y= Bj 1 (*) Với: x= (x1,,xn) T là vector đầu vào. y là đầu ra. Ai 1 là các tập mờ của biến đầu vào (i=1 n). Bj 1 là các tập mờ của biến đầu ra. Dạng (*) là dạng chuẩn của mệnh đề hợp thành vỡ tất cả các dạng mô tả 13 khác đều có thể đƣa về dạng này. Chẳng hạn nếu hệ mờ là MIMO thì nó chính là tổng của các hệ con MISO mà chúng đƣợc mô tả dƣới dạng (*). Gọi R là luật hợp thành chung cho các mệnh đề Ri (i=1 n) ở trên: R= n i i R (phép tích hợp các tập mờ Ri) Thiết bị hợp thành đƣợc gọi bằng tên của quy tắc thực hiện luật hợp thành. Trong điều khiển có 4 thiết bị chính sau : Thiết bị hợp thành Max – Min  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min: B( ) min{H, (y)}.A B y  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: A B( ) max{ (y), (y)}.A B y Thiết bị hợp thành Max – Prod  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod: B( ) . (y).A B y H  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: A B( ) max{ (y), (y)}.A B y Thiết bị hợp thành Sum – Prod  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod: B( ) . (y).A B y H  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: A B ( ) min{1, (y)+ (y)}.A B y Thiết bị hợp thành Sum – Min  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min: B( ) min{H, (y)}.A B y 14  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: A B ( ) min{1, (y)+ (y)}.A B y c) Giải mờ. Thông thƣờng đầu ra của các bộ điều khiển mờ thƣờng là các tập mờ cho dù với một hay nhiều luật điều khiển (mệnh đề hợp thành), nên ta chƣa thể áp dụng cho đối tƣợng điều khiển. Một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh cần phải có thêm khâu giải mờ (quá trình rõ hóa tập mờ đầu ra B’). Có hai phƣơng pháp giải mờ chính : Phƣơng pháp cực đại Phƣơng pháp trung bình trọng tâm.  Phƣơng pháp cực đại : Tƣ tƣởng chính của phƣơng pháp này là tìm trong tập mờ có hàm thuộc ( )R y một phần tử rõ yo với độ phụ thuộc lớn nhất. 0 ( )argmax R y y y Khi có một miền giá trị yo cùng thỏa mãn điều kiện trên thì chúng ta phải áp dụng các nguyên tắc sau để có giá trị yo cụ thể chấp nhận đƣợc:  Nguyên lý cận tráị  Nguyên lý cận phải  Nguyên lý trung bình. Nhƣ vậy, việc giải mờ theo phƣơng pháp cực đại sẽ bao gồm hai bƣớc: Bƣớc 1: Xác định miền chứa giá trị rõ yo . Giá trị rõ yo là giá trị mà tại đó hàm thuộc đạt giá trị cực đại, tức là miền. Với H là độ thỏa mãn đầu vào. Bƣớc 2: Xác định yo có thể chấp nhận đƣợc từ G. Luật hợp thành Ri nào chứa miền y0 thì gọi là luật hợp thành quyết định. 15 Trong trƣờng hợp có nhiều luật hợp thành cùng hàm thuộc đạt giá trị bằng nhau thì phải chọn một trong số các luật hợp thành làm luật hợp thành cho bài toán.  Phƣơng pháp điểm trọng tâm: Phƣơng pháp giải mờ cũng ảnh hƣởng đến độ phức tạp cũng nhƣ trạng thái làm việc của toàn hệ thống. Thƣờng thì phƣơng pháp điểm trọng tâm đƣơc ƣa dùng hơn do phƣơng pháp giải mờ này có sự tham gia bình đẳng và chính xác của tất cả các luật điều khiển Ri. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại không để ý đƣợc tới độ thỏa mãn của mệnh đề điều khiển cũng nhƣ thời gian tính lâu. Một nhƣợc điểm nữa của phƣơng pháp này là điểm trọng tâm mà chúng ta tìm đƣợc có thể có độ phụ thuộc bằng không hoặc có giá trị rất bé. Để tránh đƣợc nhƣợc điểm trên khi định nghĩa hàm thuộc phải cho miền xác định của các giá trị mờ đầu ra là hàm liên thông. Công thức xác định điểm trọng tâm : ( ) ( ) R S o R S y y dy y y dy Với i sup ( ) ( ) 0R RS p y y y là miền xác định của tập mờ R. Khi diện tích các Bi là nhƣ nhau thì hình dạng của chúng không ảnh hƣởng tới việc xác định điểm trọng tâm mà khi ấy chỉ có vị trí của các điểm trọng tâm là ảnh hƣởng tới việc xác định điểm trọng tâm. Mô hình Sugeno cho phép chúng ta xác định đƣợc điểm trọng tâm một cách đơn giản và nhanh chóng. Công thức xác định điểm trọng tâm: 1 1 ( ) ( ) n i i o n i h x C y h x  Phƣơng pháp điểm trọng tâm với luật hợp thành SUM- MIN Giả sử ta có q luật điều khiển đƣợc triển khai. Vậy thì mỗi giá trị R tại đầu ra 16 của bộ điều khiển sẽ là tổng của q giá trị mờ đầu ra của từng luật hợp thành. Ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ i (i=1 n) là ( )R y , theo quy tắc SUM- MIN thì hàm liên thuộc ( )R y là : 1 ( ) ( ) i q R R i y y Và giá trị ra yo là: 11 1 1 11 ( )( ) ( ) ( ) i i i nn n RRi i ii SS i o n nn R iR i iS i S y y dyy y dy M y y dy Ay dy ; Trong đó: ( ) ii R S M y y dy và ( ) ii R S A y dy , i=1,,n 1.4.2. Các nguyên tắc chung thiết kế bộ điều khiển mờ. Ta giả thiết rằng, ngƣời thiết kế đã thu thập đủ các kinh nghiệm cũng nhƣ ý kiến của các chuyên gia và muốn chuyển nó thành các bộ điều khiển thì phải tiến hành các bƣớc sau đây: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra Định nghĩa các tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho từng biến vào ra, tức là thực hiện công việc mờ hóa. Xây dựng luật hợp thành. Chọn quy tắc thực hiện lệnh hợp thành (thiết bị hợp thành), hay còn gọi là động cơ suy diễn. Chọn các phƣơng pháp giải mờ. 1.4.3. Một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ tiêu biểu. Điều khiển mờ là một trong những bộ điều khiển thông minh do Zahde đặt nền móng mà sự phát triển của nó dựa vào sự phát triển mạnh mẽ của kỹ 17 thuật tính toán của các bộ vi xử lý. Điều khiển mờ có hai lớp bài toán đó là: Ước lượng mờ: đƣợc áp dụng cho các bài toán điều khiển mà đối tƣợng điều khiển có mô hình không chính xác hoặc không tƣờng minh hay nói một cách khác là lƣợng thông tin về đối tƣợng không đầy đủ. Mô hình mờ: là bài toán xây dựng mô hình cho đối tƣợng theo phƣơng pháp mờ. Có nhiều thuật toán mờ đang đƣợc áp dụng và gặt hái nhiều thành công trong công nghiệp nhƣ: Điều khiển Madani (Mamdani Control). Điều khiển mờ trƣợt (Sliding Mode Fuzzy Control). Điều khiển Tagai/Sugeno(TS Control. Điều khiển tra bảng (Cell Mapping Control). Điều khiển Takagi/Sugeno với phƣơng pháp tuyến tính hóa của Lyapunov. 1.4.4. Chỉnh định mờ bộ điều khiển PID Trong lý thuyết điều khiển tuyến tính, có nhiều phƣơng pháp hữu hiệu để xác định tham số kR, TI, TD cho bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, hạn chế chung của các phƣơng pháp này là chỉ tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển (PID) cho một đối tƣợng xác định. Với một đối tƣợng khác cần phải tổng hợp một bộ điều khiển khác. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID cho phép một bộ điều khiển (PID) có thể làm việc với nhiều đối tƣợng khác nhau. Tƣ tƣởng cơ bản của phƣơng pháp là ứng dụng lý thuyết tập mờ vào việc chỉnh định tham số kR, TI, TD của bộ điều khiển PID sao cho phù hợp với đối tƣợng hiện tại. Có hai phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID: Phƣơng pháp thứ nhất là phƣơng pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka. Phƣơng pháp thứ hai là phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số . 18 1.4.4.1. Phƣơng pháp chỉnh định của Zhao, Tomizuka và Isaka. Ta có mô hình toán học của một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t). dt tde Tde T tektu t D I R ] )( )( 1 )([)( 0 Hàm truyền của bộ điều khiển: GPID(s)= ] 1 1[ sT sT k D I R Hoặc GPID(s)= sT s K K D I R Trong đó: KR=kR , KI= IT Rk , KD=kR.TD Các tham số kR, TI, TD hay KR , KI, KD của bộ điều khiển PID đƣợc chỉnh định mờ trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch dt tde )( . Sơ đồ hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID có các tham số đƣợc chỉnh định theo phƣơng pháp mờ đƣợc chỉ ra ở hình sau(h.1.10): Hình 1.10. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID của Zhao, Tomizuka và Isaka. 19 -Bộ chỉnh định mờ I (chỉnh định KR). Bộ chỉnh định mờ 1 có hai đầu vào là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch dt tde )( . Đầu ra là giá trị chỉnh định KR. Đầu vào 1 (sai lệch e(t)): Chọn dải sai lệch và tập mờ nhƣ h. 1.11: Đầu vào 2 (tốc độ sai lệch dt tde )( ): Chọn dải tốc độ sai lệch và tập mờ nhƣ hình 1.12: Đầu ra bộ chỉnh định KR có giá trị từ 0 đến 1000 và có hai tập mờ nhƣ hình 1.13: Luật chỉnh định KR: Luật điều khiển để chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID đƣợc xây Hình 1.11. Tập mờ đầu vào 1, bộ chỉnh định KR Hình 1.12. Tập mờ đầu vào 2, bộ chỉnh định KR Hình 1.13. Tập mờ đầu ra, bộ chỉnh định KR 20 dựng theo nguyên tắc: tín hiệu điều khiển càng mạnh nếu KR càng lớn, KD và càng nhỏ. Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch càng lớn cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đƣa sai lệch nhanh về 0. Luật chỉnh định KR đƣợc xây dựng trên cơ sở luật điều khiển nêu trên và đƣợc cho trong bảng sau: Bảng 1.4.1.1. Luật chỉnh định KR e de dt NB NS ZE PS PB NB B S S S B NS B B S B B ZE B B B B B PS B B S B B PB B S S S B Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm.  Bộ chỉnh định mờ 2 (Chỉnh định KD). Bộ chỉnh định mờ 2 cũng có hai đầu vào là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch dt tde )( . Đầu ra là giá trị KD đã chỉnh định. Đầu vào và đầu ra của bộ chỉnh định mờ 2 giống bộ chỉnh định mờ 1. Tức là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch dt tde )( và đầu ra KD có dải giá trị và hàm thuộc nhƣ bộ chỉnh định mờ 1. Luật chỉnh định KD: Luật chỉnh định KD đƣợc xây dựng từ luật điều khiển chung: tín hiệu điều khiển càng mạnh nếu KR càng lớn, KD và càng nhỏ. Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch càng lớn cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đƣa sai lệch nhanh về 0. 21 Trên cơ sở đó, xây dựng luật chỉnh định KD nhƣ bảng sau: Bảng 1.4.1.2: Luật chỉnh định KD.. e de dt NB NS ZE PS PB NB S B B B S NS S B B B S ZE S S B S S PS S B B B S PB S B B B S Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm.  Bộ chỉnh định mờ 3 (Chỉnh định α ). -Đầu vào bộ chỉnh định mờ 3 cùng các tập mờ của chúng giống nhƣ đầu vào của bộ chỉnh định 1 và 2. -Đầu ra cùng các hàm thuộc của bộ chỉnh định mờ cho trong h.1.14: Luật chỉnh định: Luật chỉnh định cho trong bảng sau. Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm. Hình 1.14. Đầu ra bộ chỉnh định α 22 Bảng 1.4.1.3: Luật chỉnh định α e de dt NB NS ZE PS PB NB S M B M S NS S MS MS MD S ZE S S MS D S PS S MS MS MD S PB S M B M S 1.4.4.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ hệ số α. Nội dung phƣơng pháp thể hiện trong hình 1.15: Trong sơ đồ trên, các tham số kP, TI, TD đƣợc đƣa vào trƣớc khi hệ thống hoạt động. Tín hiệu ra u của bộ điều khiển PID đƣợc hiệu chỉnh sao cho phù hợp với đối tƣợng điều khiển. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID trƣớc khi chỉnh định: t DP I P P dt tde Tkde T k tektu 0 )( )()()( Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID sau khi chỉnh định: Hình 1.15. Phương pháp chỉnh định mờ hệ số . 23 t DP I P P dt tde Tkde T k tektu 0 )( )()()( = t DP I P P dt tde Tkde T k tek 0 )( )()( Đặt: T’I=TI/α ;T’D=αTD và k’p=αkp Do đó việc chỉnh định tín hiệu u có thể coi nhƣ chỉnh định kP, TI, TD. Với một hệ số thích hợp, sẽ có một bộ điều khiển với tham số phù hợp cho đối tƣợng ổn định. Khâu FC (Fuzzy Control) trong sơ đồ trên có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh fα để hiệu chỉnh hệ số α theo nguyên tắc: nếu sai lệch của hệ thống càng lớn thì tín hiệu hiệu chỉnh càng nhỏ và ngƣợc lại, nếu sai lệch của hệ thống càng nhỏ thì tín hiệu hiệu chỉnh càng lớn. Khâu FC nhận 2 đầu vào lấy ra từ bộ điều khiển PID là kPe, và TD dt tde )( (sai lệch và đạo hàm sai lệch đã nhân thêm các hệ số tƣơng ứng). Hệ số hiệu chỉnh gồm 2 thành phần: thành phần ban đầu 0 và thành phần hiệu chỉnh Ä : = 0 + Ä với 0 =1. Khâu trong hình 1.16 có chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển uđk= u. Tín hiệu này sẽ trực tiếp điều khiển đối tƣợng. Thiết kế khâu FC. Dải giá trị và các tập mờ của đầu vào 1. Dải giá trị và các tập mờ của đầu vào 2. Dải giá trị và các tập mờ của đầu ra. Hình 1.16. Tập mờ đầu vào 1. Hình 1.17. Tập mờ đầu vào 2. 24 Luật chỉnh định: Luật chỉnh định làm việc theo nguyên tắc: nếu sai lệch của hệ thống càng lớn thì tín hiệu hiệu chỉnh càng nhỏ và ngƣợc lại, nếu sai lệch của hệ thống càng nhỏ thì tín hiệu hiệu chỉnh càng lớn. Bảng 1.4.4.4. Luật chỉnh định hệ số . e de dt NB NS ZE PS PB NB S B B B S NS S B B B S ZE S S B S S PS S B B B S PB S B B B S Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm. Do các tập mờ đầu vào và ra hai bên bảng luật chỉnh định là đối xứng nhau nên sẽ nhận giá trị nhƣ nhau với cùng một độ lớn nhƣng khác dấu của sai lệch e(t). Do đó, ta chỉnh lại các tập mờ vào ra và luật chỉnh định nhƣ sau: Hình 1.18. Tập mờ đầu vào 1. Hình 1.19. Tập mờ đầu vào 2. 25 1.5. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 1.5.1. Mở đầu. Hiện nay, trong các dây chuyền tự động, có nhiều loại đối tƣợng đƣợc điều khiển phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Mỗi đối tƣợng sẽ tƣơng ứng với một dải tín hiệu, một loại tín hiệu vào/ra (tƣơng tự, số), và đƣợc điều khiển bởi các luật khác nhau. Điều này sẽ gây ra nhiều vấn đề khi tổng hợp hệ thống cũng nhƣ khi bảo trì, sửa chữa dây chuyền sản xuất, nhất là khi phải thay thế các thiết bị. Để tạo điều kiện cho việc thiết lập các hệ truyền động phục vụ những mục đích khác nhau cần một bộ điều điều khiển đa năng với mục đích là sử dụng cho nhiều loại đối tƣợng trong công nghiệp. Bộ điều khiển này có thể áp dụng cho những đối tƣợng mà ta đã biết mô hình và cả những đối tƣợng mà chúng ta không có hiểu biết nhiều về mô hình đối tƣợng thông qua điều khiển mờ (fuzzy control). Với bộ điều khiển đa năng này, chúng ta sẽ có một giải pháp đồng bộ cho nhiều loại đối tƣợng, nhiều loại tín hiệu và đặc biệt là những đối tƣợng có dải tín hiệu hoạt động rộng. 1.5.2. Lựa chọn thiết bị. Với những yêu cầu trên, đồng thời dựa trên mục đích chế tạo một bộ điều khiển linh hoạt, đa năng thuận tiện cho ngƣời sử dụng, nên việc lựa chọn thiết bị E de dt S M B S B B S M B B S B B S S Hình 1.20. Tập mờ đầu ra thu gọn Bảng 1.4.4.2.7. Luật chỉnh định hệ số 26 cho phù hợp với bộ điều khiển thực tế cũng nhƣ phải đảm bảo đƣợc chất lƣợng là hết sức quan trọng. do đó, trƣớc khi lựa chọn thiết bị, em xin đƣợc phân tích một cách chi tiết hơn về các thông số, tính năng của bộ điều khiển. sau đây là những đặc tính của bộ điều khiển: Bộ điều khiển có 2 chế độ là “PID rule” và “fuzzy_PID rule” Với chế độ “PID rule” thì bộ điều khiển sẽ điều khiển theo luật pid. Với chế độ “fuzzy_PID rule” thì bộ điều khiển sẽ điều khiển theo luật pid có chỉnh định mờ. Các đầu vào cho bộ điều khiển. Đầu vào analog [0 – 20mv] (tƣơng thích với điện áp của can nhiệt điện). Đầu vào analog [0 – 5v]. Đầu vào đếm xung (tốc độ đếm có thể đạt 24 triệu xung/giây). Các đầu ra cho bộ điều khiển. Đầu ra analog [0 – 5v] (dòng cho phép tối đa 40ma). Đầu ra điều chế độ rộng xung. Giao diện truyền thông. Truyền thông RS485. Truyền thông RS 232(com port). Giao diện ngƣời – máy. Bàn phím gồm 4 nút ấn đa mục đích (phím set, cancel, up, và down). Màn hình tinh thể lỏng lcd (2 dòng x 16 kí tự). Các đèn led biểu thị các chế độ hoạt động của bộ điều khiển. Ngƣời sử dụng có thể tùy ý lựa chọn chế độ điều khiển, các đầu vào/ra cũng nhƣ điểm đặt và tham số của bộ điều khiển. Các linh kiện đƣợc dùng cho quá trình thiết kế, thi công bộ điều khiển đƣợc lựa chọn nhƣ sau: 27 2 rơle điện áp điều khiển 12v, dòng điện tối đa 3a đƣợc bảo vệ riêng bởi 2 cầu chì 3a. 4 phím ấn. 8 đèn led đa mục đích (hiện sử dụng 1 đèn báo chạy/dừng, 1 đèn báo lỗi). 1 lcd là module hiển thị tinh thể lỏng có giao diện tuân theo chuẩn công nghiệp của hitachi hd44780. 1 nguồn ngoài có đầu vào 220v ac và đầu ra 12v dc. Chip PSOC cy8c27443 – 24pi. Hình 1.21 Sơ đồ chân của chip cy8c27443 – 24pi. Một IC ổn áp LM7805 là IC cung cấp nguồn điện áp ổn định 5V ở đầu ra. Hình 1.22. Sơ đồ chân ic ổn áp. 28 Một IC 75176 là IC cho phép chuyển đổi giao tiếp truyền thông nối tiếp với truyền thông RS485. Hình 1.23. Sơ đồ chân của IC 75176. Một IC max 232 là IC cho phép chuyển đổi truyền thông nối tiếp với truyền thông RS232. Hình 1.24. Sơ đồ chân của IC max 232. Một vài tụ hóa, điện trở và một vài tụ nhỏ để ổn áp hoặc thực hiện một số chức năng khác. Các giắc nguồn, giắc truyền thông cũng nhƣ giắc đầu vào/ra đƣợc tích hợp trên mạch (có tất cả 26 ổ cắm bắt vít để phục vụ việc ghép nối với thiết bị). 29 Ngoài ra còn có nhiều diode và một số các linh kiện khác để thực hiện các chức năng phụ trong mạch,qua tham khảo các bộ điều khiển trong thực tế, em đã chế tạo thành công bộ điều khiển. Bộ điều khiển có kết cấu đẹp, thoáng, dễ sử dụngvới kích thƣớc nhỏ gọn. 1.6. THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN Phần mềm của bộ điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên cơ sở phần cứng đã thi công. giống nhƣ phần cứng, phần mềm cũng đƣợc thiết kế riêng cho từng chip. tùy theo nhiệm vụ cụ thể mà các user module của từng chip là khác nhau. đối với chip 1, ta sử dụng các module nhƣ: PWM16, counter16, TIMER8, DELSIG8, DAC9, LCD, E2PROM, REFIMUX và UART. trong khi đó đối với chip 2 các module đƣợc sử dụng là: UART, E2PROM, DAC9 và DELSIG8. 1.6.1. Cấu hình cho các user module của chip . Trên H.1.25 là sơ đồ module cho chip1. Xuất phát từ yêu cầu của thiết bị, cấu hình cho chip 1 ta sử dụng các module nhƣ sau: Module counter16: module này đƣợc sử dụng khi đầu vào là đếm xung, bộ đếm xung đƣợc thiết lập với những thông số : -clock: row_0_input_2 (đầu vào xung nhịp là hàng 0 đầu vào 2). enable: high (đầu vào cho phép hoạt động là ở mức cao). compareout: none (đầu ra so sánh lựa chọn là khóa). terminalcountout: none (đầu ra giá trị đếm cuối lựa chọn là khóa). period: 65535 (giá trị đặt trƣớc là 65535). comparevalue: 0 (giá trị so sánh lựa chọn là 0). 30 comparetype: less than or equal (nhỏ hơn hoặc bằng). interrupttype: terminal count (kiểu sinh ngắt là giá trị đếm cuối). Hình 1.25. sơ đồ đặt module cho chip1. interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng). intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt). invertenable: normal (cho phép đầu ra đảo). 31 Module DAC9 : module đƣợc sử dụng để xuất tín hiệu ra khi đầu ra là tƣơng tự với những thông số sau : analogbus: analogoutbus_1 (lựa chọn bus analog đầu ra 1). clockphase: normal (pha xung nhịp ở chế độ bình thƣờng). dataformat: offsetbinary (định dạng dữ liệu ở chế độ bù 2). Module E2PROM : module tạo bộ nhớ flash ngay trên chip đƣợc dùng khi muốn lƣu lại các thông số của bộ điều khiển do ngƣời sử dụng cài đặt với thông số sau : firstblock: 1 (khối đầu tiên đƣợc lựa chọn là 1). length: 64 (độ dài là 64 bytes). Module lcd: module giao tiếp màn hình tinh thể lỏng theo chuẩn hitachi với những thông số lựa chọn nhƣ sau : LCDPORRT: port_2 (lựa chọn cổng giao tiếp là cổng 2). LCDBARGRAPH: disable (chế độ đồ thị: khóa). Module PGA: module khuếch đại không đảo có tác dụng khi đầu vào là tƣơng tự. Hệ số khuếch đại sẽ thay đổi trong chƣơng trình tùy theo kiều đầu vào là analog [0 – 80mv] hay analog [0 – 5v]. Các thông số đƣợc thiết lập nhƣ sau: gain: 1.000 (đặt hệ số khuếch đại bằng 1). 32 input: analogcolumn_inputmux_0 (đầu vào cho khuếch đại thuật toán lựa chọn là analogcolumn_inputmux_0). reference: agnd (lựa chọn điện áp tham chiếu là agnd – 2,5v). analogbus: disable (khóa đầu bus ra của bộ khuếch đại thuật toán). Module PWM16: module điều chế độ rộng xung 16 bit đƣợc sử dụng khi đầu ra là điều chế độ rộng xung. những thông số của module là: Clock: VC1 (đầu vào xung nhịp là VC1). Enable: high (đầu vào cho phép hoạt động ở mức cao). Compareout: row_0_output_1 (đầu ra so sánh là row_0_output_1). Terminalcountout: none (đầu ra giá trị đếm cuối lựa chọn là khóa). Period: 5000 (giá trị đặt trƣớc là 5000). Pulsewidth: 1000 (độ rộng xung mặc định ban đầu là 1000). Comparetype: less than or equal (nhỏ hơn hoặc bằng). Interrupttype: terminal count (kiểu sinh ngắt là giá trị đếm cuối). Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng). Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt). Invertenable: normal (cho phép đầu ra đảo). Module refmux : module cung cấp điện áp tham chiếu với những lựa chọn sau : reference select: reflo (điện áp tham chiếu lựa chọn là mức thấp). 33 Module TIMER8: module định thời độ rộng 8 bit dùng để tạo ra chu kỳ trích mẫu, các thông số của TIMER8 là: Clock: VC3 (đầu vào xung nhịp là VC3). Capture: high (chế độ bắt giữ luôn ở mức cao). Terminalcountout: none (đầu ra giá trị đếm cuối lựa chọn là khóa). Compareout: none (đầu ra so sánh lựa chọn là khóa). Period: 249 (giá trị đặt trƣớc là 249). Comparevalue: 0 (giá trị so sánh lựa chọn là 0). Comparetype: less than or equal (nhỏ hơn hoặc bằng). Interrupttype: terminal count (kiểu sinh ngắt là giá trị đếm cuối). Clocksync: sync to sysclk (đồng bộ xung nhịp với xung nhịp hệ thống). Tc_pulsewidth: full clock (lựa chọn độ rộng xung đầu ra của giá trị đếm cuối là đủ một xung nhịp). Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng). Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt). Invertcapture: normal. Invertenable: normal (cho phép đầu ra đảo). DELSIG8 : module này đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến về, các thông số đƣợc thiết lập nhƣ sau: 34 TMR clock : VC1 (nguồn xung nhịp là VC1). Input : acb00 (đầu vào là khối acb00). Clockphase : normal (pha xung nhịp đầu vào ở chế độ thƣờng). Polling : disable (tham số tuần tự khi truy nhập dữ liệu là khóa). Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt). UART: module truyền thông không đồng bộ với các thông số sau : Clock : VC2 (đầu vào xung nhịp là VC2). Rx input : row_1_input_1 (đầu vào nhận dữ liệu là row_1_input_1). Tx output : row_1_output_3 (đầu ra truyền dữ liệu là row_1_output_3). Tx interrupt mode : txcomplete (ngắt xảy ra khi truyền xong dữ liệu). Rxcmdbuffer : enable (bộ đệm nhận lệnh là cho phép). Rxbuffersize :16 bytes (dung lƣợng bộ đệm nhận là 16 bytes). Command terminator : 13 (ký tự kết thúc lệnh là 13). Param_delimiter :32 ( ký tự giới hạn lệnh). Ignorecharsbelow : 32 (bỏ qua ký tự nhỏ hơn 32). Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng). Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt). Các thông số chung về CPU đƣợc lựa chọn nhƣ sau(Global Resources) : Cpu_clock: 24_mhz (sysclk/1) (xung nhịp hệ thống là 24 mhz). 32k_select: internal (nguồn xung nhịp 32k nội tại). Pll_mode: disable (vòng khóa pha không sử dụng). 35 Sleeptimer: 512_hz (xung nhịp cho đồng hồ nghỉ là 512 hz). VC1=sysclk/n: 12 (nguồn xung nhịp vC1=xung nhịp của hệ thống/12). VC2=vc1/n: 16 (nguồn xung nhịp VC2=vc1/16). VC3 source: vc2 (nguồn xung nhịp cho VC3 là vc2). VC3 divider: 50 (nguồn xung nhịp của VC3=vc2/50). Sysclk source: internal 24mhz (nguồn xung nhịp của hệ thống đƣợc lựa chọn bộ dao động nội tại 24mhz). Sysclk*2disable: no (không khóa bộ nhân đôi xung nhịp hệ thống). Analog power: sc on/ref high (lựa chọn nguồn cho khối analog: các khối chuyển mạch tụ đƣợc bật, nguồn tham chiếu ở mức khỏe). Ref mux: (vdd/2)+/-(vdd/2) (lựa chọn điện áp tham chiếu). Agndbypass: disable (khóa phần bỏ qua điện áp agnd). Opamp bias: low (mức chênh lệch của opamp là mức thấp). A_buff_power: high (nguồn cung cấp cho bộ đệm analog là mức cao). Trip voltage [lvd (smp)]: 4.48v (4.64v) (điện áp báo động là 4.48v). Lvd thottleback: disable (khóa bộ giảm lƣu thông của bộ phát hiện điện áp thấp). Supply voltage: 5.0v (điện áp nguồn cung cấp là 5v). Watchdogenable: disable (không mở đồng hồ watchdog). Hình 1.26. Sơ đồ thiết lập chân vào ra chip CY8c27443. 36 1.6.2. Sơ đồ khối các hàm chức năng. Trên hình 1.27 biểu diễn sơ đồ chức năng các hàm trong cấu trúc. Hình 1.27 Sơ đồ chức năng các hàm trong cấu trúc. 37 Chƣơng 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chƣơng này tác giả thực hiện thiết kế một hệ truyền động điện dòng một chiều điều chỉnh tốc độ bằng sử dụng bộ điều khiển đa năng vừa thiết kế trên đây. Sơ đồ chức năng của hệ thống biểu diễn trên hình 2.1 Trong đó: Rω -Bộ điều khiển tốc độ(Là bộ điều khiển vạn năng). BBĐ-Bộ biến đổi bán dẫn công suất. ĐC-Động cơ điện một chiều. En encoder dùng để đo tốc độ. 2.2. THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ KHÂU PHẢN HỒI CHO HỆ THỐNG. 2.2.1. Thiết kế bộ chỉnh lƣu tạo điện áp nguồn. Động cơ điện một chiều kích từ song song với các thông số cơ bản: Pđm = 0,5 Kw Uđm = 120 V Iđm = 4,2A n = 2500 v/p ĐC BBĐ Rω Tải -ω -ωđặt En H.2.1 Sơ đồ chức năng hệ thống thiết kế. 38 Từ giá trị điện áp định mức của động cơ ta chọn phƣơng án cấp nguồn cho động cơ sử dụng bộ chỉnh lƣu diode chỉnh lƣu từ điện áp 100V xoay chiều thành điện áp 130V DC cấp nguồn cho động cơ công suất và tụ lọc nguồn. Điện áp sau chỉnh lƣu 1/2 chu kỳ dùng diode công suất: Ura = 0,9Un = 0,9.100 = 90 (V) ID = Itải = 4,15A Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên diode: )V(140100.2U2U nN Từ các tính toán trên ta chọn loại cầu diode có dòng chịu tối đa Imax = 25A, điện áp ngƣợc tối đa UN < 800V. Vì là chỉnh lƣu 1/2 chu kỳ nên điện áp sau chỉnh lƣu có độ đập mạch cao, do đó sử dụng thêm tụ lọc nguồn để san phẳng điện áp sau chỉnh lƣu nhằm tăng chất lƣợng cho bộ nguồn. Tụ công suất chọn loại SH.CAPACITOR cấp điện áp 500V, điện dung 20μF. Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lƣu: Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu Tính toán bộ tản nhiệt bảo vệ cầu: Tồn thất công suất trên van: p = U . Ilv = 6 .4,15 = 24,9 (w) Diện tích bề mặt toả nhiệt: 39 Sm = p/ (km . ) Trong đó: p - tổn hao công suất (w) - độ chênh lệch so với môi trƣờng. Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 0 c = Tlv - Tmt = 40 0 c Km hệ số toả nhiệt bằng đối lƣu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m 2 . 0 C ] Vậy: Sm = 0,0778 (m 2 ) Chọn loại bộ tản nhiệt có 8 cánh, kích thƣớc nhƣ sau: a x b = 8 x 6,5 (cm2). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: Sm = 8 . 2 . 8 .6,5 = 832 (cm 2 ) 2.2.2. Thiết kế mạch biến đổi công suất. Trong hệ truyền động điện, bộ biến ngoài nhiệm vụ biến đổi công suất và các tham số khác cho phù hợp nó còn có chức năng mang thông tin điều khiển. Tín hiệu điều khiển này đi ra từ bộ điều khiển và đƣa đến cơ cấu chấp hành theo những phƣơng án đƣợc định sẵn ( thay đổi điện áp, thay từ thông, đảo chiều quay ) Tốc độ động cơ một chiều thay đổi bằng thay đổi điện áp phần ứng. Tại lối vào của bộ điều khiển tốc độ đặt đƣợc so sánh với tốc độ thực đo đƣợc đƣợc từ động cơ bằng encoder khi có sai số bộ điều khiển Rω sẽ tác độ tạo ra một dãy xung dạng PWM tác động lên các van điều khiển của bộ biến đổi để thay đổi điện áp cấp cho động cơ để dạt đƣợc giá trị tốc độ đặt. Bộ điều khiển đa năng trong hoạt động của mình cũng có chức năng lựa chọn chiều quay của động cơ. 40 Bộ biến đổi đƣợc chọn là bộ băm xung dòng một chiều. Van công suất dùng là loại IGBT, việc tính tyoasn chọn lọc đƣợc thực hiện dƣới đây. Tính toán lựa chọn van động lực: Điện áp sau chỉnh lƣu Ura = 130V. Giá trị điện áp đỉnh Uđỉnh = 311V. Dòng làm việc định mức của động cơ Iđm = 4,2A Tần số băm xung PWM từ bộ điều khiển Từ các thông số trên ta chọn van cho bộ biến đổi sử dụng IGBT loại FGA25N120AND :  Tính toán bảo vệ cho van động lực: Tổn thất công suất trên van: p = U . Ilv = 0, 6 .4,15 = 2,49 (w) Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = p/ (Km . ) Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 0 c = Tlv - Tmt = 40 0 c Chọn Km = 8 [ w/m 2 . 0 C ] 41 Vậy: sm = 0,00778 (m 2 ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thƣớc a x b = 5 x 5 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 8 . 2 . 5.5 = 400 (cm 2 )  Thiết kế mạch điều khiển kích mở cho IGBT. Sơ đồ thiết kế mạch phát xung mở cho IGBT Hình 2.3. Mạch kích mở cho IGBT Tín hiệu hiệu xung dạng PWM từ bộ điều khiển đƣợc đƣa đến chân 1 của OPTO 4N35, đây là loại foto quang có tần số hoạt động tới 1MHz, linh kiên này rất thích hợp trong mạch kích mở IGBT nhằm tác dụng cách ly mạch điều khiển và mạch động lực. Tín hiệu xung PWM từ chân 4 của OPTO 4N35 đƣợc đƣa qua tầng khuếch đại sủ dụng transistor D468, đây cũng là một loại transistor có tần số làm việc tƣơng đối cao thƣờng đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu mở van trong các mạch 42 băm xung PWM.  Thiết kế mạch đảo chiều quay động cơ. Đảo chiều quay động cơ đƣợc thực hiện bằng đảo chiều điện áp phần ứng cấp cho động cơ. Tín hiệu đảo chiều quay cho động cơ cấp tù bộ điều khiển dƣới dạng logic mức cao đƣợc đƣa qua 1 OPTO PC817 nhằm cách ly mát điều khiển sau đó đƣa tới 1 tầng khuếch đại sử dụng transistor A1815 cấp nguồn cho cuộn hút role OMRON đóng các cặp tiếp điểm đảo chiều điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Dƣới đây là sơ đồ thiết kế cho mạch đảo chiều động cơ: Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ  Thiết kế khâu phản hồi tốc độ. Phần tử đo tốc độ dùng encoder. Nguyên lý làm việc của encoder nhƣ sau: Cấu tạo của encoder biểu diễn trên h.2.5. Nó gồm một nguồn sáng và một bộ phân phân Nguồn sáng Thấu kính Bộ phân tích quang Hình 2.5: Nguyên tắc cấu tạo chuyển đổi quang học 43 tích quang có thể là diot quang hoặc Tranzitor quang. Đĩa quay đƣợc đặt giữa hai phần tử trên. Cấu tạo của đĩa có thể làm bằng vật liệu trong suốt và có những mảng chắn ánh sáng gắn đều nhau hoặc ngƣợc lại đĩa có thể làm bằng vật liệu không cho ánh sáng chiếu qua trên chu vi của đĩa ngƣời ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều nhau theo chu vi. Bộ phận phân tích nhận đƣợc lƣợng ánh sáng đƣợc điều khiển bởi đĩa quay, sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với tốc độ quay còn biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc: Số lần gián đoạn trên đĩa (số phần tử đánh dấu). Do băng thông của bộ phân tích và mạch điện đi kèm. Cụ thể trong mô hình này sử dụng encoder của Sharp sản xuất, loại này có độ phân giải 100 xung/vòng, điện áp cấp nguồn 5V, gồm 2 tín hiệu xung riêng biệt A & B để xác định chiều quay của động cơ. Trục quay của encoder đƣợc kết nối với trục động cơ thông qua hệ thống buli - curoa với tỷ lệ truyền 1:4, nhằm làm giảm tốc độ quay của encoder giúp tăng độ chính xác cho khâu phản hồi. Thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển. Điện áp xoay chiều 12V qua cầu diode chỉnh lƣu thành điện áp một chiều đƣa qua IC ổn áp loại LM7812C/TO ổn định điện áp 12VDC cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch điều khiển. Hình 2.6. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho mạch điều khiển mở IGBT và mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ 44 2.3. THỰC HIỆN MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH VẠN NĂNG. Dựa trên các linh kiện và phần tử đã tính chọn trên đây tác giả thực hiện xây dựng hệ thống truyền động động cơ một chiều điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều khiển đa năng. 2.3.1. Bộ điều khiển đa năng. Trên H.2.7 là mô hình bộ điều khiển đa năng đƣợc xây dựng khi sử dụng vi điều khiển PSOC CY8c27443. Bộ điều khiển đa năng này có thể lựa chọn thuật điều khiển là thuật điều khiển PID cổ điển hoặc điều khiển theo luật mờ. Hình 2.7. Bộ điều khiển đa năng 45 2.3.2 Trên Hình 2.8 là mạch điều khiển các IGBT Trên hình 2.9 là mạch bộ ngắt dòng điện một chiều, bộ nguồn cho các linh kiện bán dẫn và những phần tử phụ khác. H 2.9 Bộ ngắt dòng điện một chiều, bộ nguồn cho các linh kiện và các bộ phận phụ của hệ thống. Hình 2.8. Mạch mở IGBT 46 Trên cơ sở các bộ phận của hệ thống đã lắp đặt trên đây tác giả ghép lại thành mô hình thực nghiệm của hệ thống truyền động điện dòng một chiều điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển đa năng sử dụng vi điều khiển PSoC. Mô hình đƣợc biểu diễn trên hình 2.10 H 2.10. Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động điện dòng một chiều điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển đa năng. Mô hình thực nghiệm 47 2.4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Quá trình thực nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau: Hệ thống đƣợc thực nghiệm với luật điều khiển FUZZY –PID RULE. Ban đầu ta cấp nguồn cho mạch điều khiển và cho cả phía động lực. Tiếp đó ta ấn công tắc nguồn cho mạch điều khiển. Đặt tốc độ mong muốn cho động cơ sau đó ấn phím khởi động, mạch điều khiển sẽ thực hiện cấp xung điều khiển ở dạng PWM cho bộ biến đổi, bộ biến đổi sẽ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, khuyếch đại tín hiệu đó để đƣa vào chân G của IGBT, van sẽ đóng mở theo luật PWM, qua đó điện áp cấp cho phần ứng động cơ sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi tốc độ trên trục động cơ. Encoder phản hồi tốc độ thực của động cơ, đƣa vào bộ điều khiển, bộ điều khiển nhận tín hiệu này phân tích và đƣa ra tín hiệu điều khiển phù hợp để tốc độ động cơ bám theo tốc độ đặt đồng thời tín hiệu vận tốc thực của động cơ đƣợc vi điều khiển xử lí và báo lên màn hình hiển thị (màn hình hiển thị cũng báo cả vận tốc đặt để ta có thể thấy đƣợc sai số về tốc độ khi điều khiển). Kết quả thí nghiệm nhận thấy tốc độ thực đã bám theo tốc độ đặt. Hệ thống có thể hoạt động theo theo thuật toán PID thƣờng và thuật toán PID trên nền logic mờ. Việc hoán đổi 2 phƣơng án điều khiển sẽ đƣợc thực hiện bằng phím ấn trên bảng điều khiển. Ngoài ra bộ điều khiển cũng có thể đáp ứng đƣợc các thuật toán điều khiển khác nữa tùy theo chƣơng trình mà ta nhập vào vi điều khiển, bộ điều khiển đã tích hợp sẵn 2 cổng giao tiếp với PC là cổng RS232 và cổng USB để ngƣời lập trình có thể dễ dàng thay đổi chƣơng trình cho vi điều khiển. 48 KẾT LUẬN Trên đây tác giả đã trình bày toàn bộ những vấn đề liên quan tới việc xây dựng một bộ điều khiển vạn năng, xây dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ khiển động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển vạn năng. Kết quả đạt đƣợc đã chứng tỏ sự đúng đắn khi tính toán thiết kế, lựa chọn các tham số của các linh kiện cấu thành hệ thống. Hệ thống có thể là một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên ngành điện tự động công nghiệp của trƣờng Đại học Dân lập Hải phòng. Tuy nhiên với vốn kiến thức còn hạn hẹp, thời gian hoàn thành công trình quá ngắn, nên công trình còn nhiều vấn đề chƣa đƣợc giải quyết thấu đáo nhƣ vấn đề năng lƣợng khi hãm động cơ hoặc vấn đề hạn chế dòng trong quá trình quá độ bằng đƣa thêm mạch vòng dòng điện. Những vấn đề này khi có điều kiện sẽ đƣợc nghiên cứu tiếp. Tác giả rất mong nhận đƣợc ý kiến góp ý, cũng nhƣ những lời nhận xét từ phía các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn sinh viên, đồng nghiệp đế đề tài này đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn! 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Văn Chới ( 2005),Khí Cụ Điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 2. Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất Lý thuyết thiết kế ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 3. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy Điện, Nhà xuất bản Xây Dựng. 4. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động các hệ thống Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật (2006). 5. ThS. Pham Thanh Huyền – ThS. Đỗ Việt Hà, Linh kiện điện tử căn bản, Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông. 6. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 7. Nguyễn Xuân Phú - Tô Đằng (1996), Khí cụ điện-Kết cấu sử dụng và sửa chữa, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 8. Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittric, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 9. Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhá xuất bản Giáo dục. 10. Website www.ebook.edu.vn 11. Website www.xbook.com.vn 12. Website tailieu.vn 50 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG .................................................. 3 1.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 3 1.2. SỬ DỤNG CHIP PSOC XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG. ... 3 1.2.1. Giới thiệu. ............................................................................................. 3 1.2.2. Các thông số cơ bản của chip CY8C27443. ........................................ 4 1.2.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của chip psoc. ................................................... 7 1.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ. .......................................................................... 8 1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ số. ....................................................................... 8 1.3.2. Luật điều khiển tích phân số. ............................................................... 8 1.3.3. Luật điều khiển vi phân số. .................................................................. 8 1.3.4. Luật điều khiển PID số. ........................................................................ 9 1.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ. ................................................................................ 9 1.4.1. Bộ điều khiển mờ. ................................................................................ 9 1.4.2. Các nguyên tắc chung thiết kế bộ điều khiển mờ. ............................. 16 1.4.3. Một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ tiêu biểu. ................ 16 1.4.4. Chỉnh định mờ bộ điều khiển PID ..................................................... 17 1.4.4.1. Phƣơng pháp chỉnh định của Zhao, Tomizuka và Isaka. ............ 18 1.4.4.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ hệ số α. .......................................... 22 1.5. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................. 25 1.5.1. Mở đầu. .............................................................................................. 25 1.5.2. Lựa chọn thiết bị. ............................................................................... 25 1.6. THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................... 29 1.6.1. Cấu hình cho các user module của chip . ........................................... 29 1.6.2. Sơ đồ khối các hàm chức năng. ......................................................... 36 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG ... 37 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................... 37 2.2. THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ KHÂU PHẢN HỒI CHO HỆ THỐNG. ........................................................................................................... 37 2.2.1. Thiết kế bộ chỉnh lƣu tạo điện áp nguồn. ........................................... 37 2.2.2. Thiết kế mạch biến đổi công suất....................................................... 39 51 2.3. THỰC HIỆN MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH VẠN NĂNG. ...................................................................................... 44 2.3.1. Bộ điều khiển đa năng. ....................................................................... 44 2.3.2 Trên Hình 2.8 là mạch điều khiển các IGBT ..................................... 45 2.4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................... 47 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 49