Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động

gian thực trên bo mạch. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 - Thư viện thời gian thực RTIlib1104 bao gồm tất cả các hàm cần thiết để lập trình cho DS1104. - TRACE: Cung cấp các khả năng theo dõi cho bất kỳ ứng dụng vào chạy trên bo mạch xử lý tín hiệu số DS1104. - COCKPIT: một bảng các dụng cụ cung cấp các đầu ra và sự hiệu chỉnh tương tác của các biến. 2.3.1. Cài đặt dSPACE Bo mạch điều khiển số DS1104 cần ít nhất một bộ xử lý Pentium với một card tăng tốc đồ hoạ VGA, hệ điều hành Windows 9x hoặc Windows NT4.0, một khe cắm mở rộng ISA còn trống với một connector 16-bit và 32 MB RAM trở lên. Khi lắp đặt DS1104 vào máy chủ, cần phải theo đúng các chỉ dẫn được cung cấp trong hướng dẫn sử dụng (Manual). 1. Tắt máy tính và ngắt khỏi nguồn điện. 2. Tháo vỏ máy. 3. Chọn một khe cắm 16-bit còn trống. Tháo bỏ giá đỡ (miếng tôn) che khe hở phía đằng sau vỏ máy. 4. Cắm card DS1104 vào rãnh cắm và vặn vít vào giá đỡ trên bo mạch. 5. Đóng vở máy trở lại, nối máy tính với nguồn điện rồi bật máy. Máy tính sẽ khởi động như bình thường. 6. Nếu máy không khởi động, tắt nguồn điện ngay lập tức và kiểm tra việc lắp đặt card. 7. Nếu máy tính vẫn không khởi động, có thể có xung đột địa chỉ vào/ra với một thiết bị khác. Hãy cố gắng xác định thiết bị xung đột hoặc thử DS1104 với một thiết lập địa chỉ vào/ra cơ sở khác. Việc cài đặt phần mềm rất đơn giản và dễ dàng. 1. Để có thể sử dụng giao diện thời gian thực (Real-Time Interface - RTI) với Matlab, cài đặt Matlab, Simulink và Real-Time Workshop như đã được mô tả trong tài liệu hướng dẫn sử dụng tương ứng trước khi cài đặt phần mềm dSPACE. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 2. Cần đảm bảo phiên bản Matlab và Simulink được hỗ trợ bởi phiên bản RTI dự định cài đặt. 3. Đưa đĩa dSPACE vào ổ CD-ROM. 4. Đưa đĩa Key-Disk vào ổ mềm. 5. Chọn ổ CD-ROM và chạy file Cdsetup.exe. 6. Theo các hướng dẫn của chương trình cài đặt. 7. Sau khi hoàn thành cài đặt, lấy các đĩa Key-Disk và dSPACE ra khỏi ổ sau đó khởi động lại hệ thống. 2.3.2. Các khối dSPACE trong Simulink Để có thể truy cập tất cả các khả năng của bo mạch DSP chẳng hạn như các kênh A/D, D/A, các kênh số, các tín hiệu encoder và PWM,… dSPACE kèm theo một tập hợp các khối Simulink được cài đặt trong một thư mục chuyên biệt gọi là dSPACE RTI1104 (xem hình 2.18). Các khối dSPACE có thể được kéo và thả giống như các khối Simulink khác trong mô hình mô phỏng. Chúng cho phép hệ thống liên lạc với các thiết bị được kết nối vào các cổng vào/ra của hộp bộ điều khiển dSPACE. Hình 2.18. Các khối của DS1104 Master PPC Hình 2.19. Các khối trong thư viện của DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 Dưới đây sẽ giới thiệu một mô tả ngắn gọn mỗi khối cùng với thông số của nó. 2.3.2.1. Các điều khiển vào/ra tƣơng tự - Khối DS1104ADC là một khối chuyển đổi tương tự - số. Nó cho phép truy cập tới 8 bộ chuyển đổi tương tự – số với dải điện áp ra là 10V. Tỷ lệ giữa các đầu ra và tín hiệu vào của khối DS1104ADC là 10:1. Điều này có nghĩa là 10V tín hiệu đầu vào sẽ được đọc là 1V ở đầu ra của Simulink. - Khối DS1104DAC là một khối chuyển đổi số - tương tự. Nó cho phép truy cập tới 8 bộ chuyển đổi số - tương tự, mỗi bộ có độ phân giải 16-bit. Tỷ lệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này là 1:10, ví dụ 1V từ Simulink sẽ được đọc là 10V ở đầu ra của bộ điều khiển. 2.3.2.2. Các điều khiển vào/ra số - Các khối DS1104IN_Cx và DS1104OUT_Cx điều khiển một kênh số cụ thể (xác định), được lấy vào như một tham số bằng cách nhấn đúp chuột lên khối. Tên khối sẽ thay đổi phù hợp với các kênh được chọn. - Các khối DS1104IN và DS1104OUT điều khiển một số bất kỳ các kênh số, được lựa chọn thông qua các hộp đánh dấu (checkbox). Đầu ra hay các tín hiệu vào trong các khối này sẽ là các véc tơ được định kích thước một cách linh hoạt theo số kênh được chọn. 2.4. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển chuyển động. 2.4.1. Các điều khiển vị trí Encoder Các kênh encoder của Card DS1104 cũng được quản lý bởi Master PPC, với các đặc điểm sau:  Hai kênh vào số encoder  Hỗ trợ single-ended TTL và các tín hiệu RS422  Bộ đếm vị trí 24 bit Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82  Tần số xung encoder max có thể đếm được 1.65MHz  Giới hạn đường dây với các đầu vào khác nhau  Nguồn cấp cho encoder (5V, 0.1A) * Các tín hiệu encoder và giới hạn đếm. Incremental encoder tạo ra hai tín hiệu encoder PHI0 và PHI90, và tín hiệu IDEX là IDX. Cặp tín hiệu encoder PHI0 PHI90 có góc lệch pha 900 , thêm vào đó hầu hết các encoder đều có tín hiệu đảo /PHI0, /PHI90 và /IDX.( một số nhà sản xuất dùng kí hiệu A và B thay cho PHI0 và PHI90). - Thứ tự các tín hiệu vào số: hình vẽ dưới đây mô tả thứ tự tín hiệu vào PHI0, PHI09 cùng với tín hiệu INDEX. Vùng màu xám biểu thị một line encoder (3600). Khi một line encoder được đếm, thì các nguyên tắc sau được ứng dụng:  Tất cả các kênh vào số encoder của DS1104 có thể xử lý được tín hiệu có tần số lên đến 1.65 MHz: lên đến 1650000 line encoder được đo trên một giây. Vì DS1104 thực hiện Hình 2.20. Tín hiệu encoder và giới hạn đếm Bảng 2.13.Các điều khiển vị trí encoder của DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 chia làm 4 phần một line encoder, bởi vậy DS1104 có thể đếm với tần số 6.6MHz.  DS1104 được trang bị với bộ đếm 24 bit. Do có 4 phần ứng với 1 line encoder , bộ đếm có thể đếm lên đến 222 line encoder trong khoảng tử 2-21 đến 221 – 1.  Hướng đếm phụ thuộc vào hướng quay của encoder.  Counter có thể được reset bởi xung IDEX theo các chế độ sau: không reset bao giờ, hoặc reset sau khi phát hiện xung IDEX đầu tiên, hoặc bị reset sau mỗi lần phát hiện xung IDEX. 1. DS1104ENC_POS cung cấp các tín hiệu đọc truy cập tới vị trí đã được chia độ của Encoder. Mỗi kênh giao diện encoder của DS1104 có một bộ đếm 24-bit để cung cấp vị trí tuyệt đối cho các bộ chuyển đổi được nối vào, tương ứng với một dải số nguyên từ -221221. Dải này được tự động tỷ lệ với -11. Để nhận được một số đếm là một giá trị nguyên, giá trị đầu ra phải được nhân với giá trị 221. 2. DS1104 ENC_POS_Cx truy cập một cách độc lập một kênh của bộ đếm vị trí Encoder. 3. DS1104 ENC_DPOS cho phép truy cập tới sai lệch vị trí encoder đã chia độ được đo giữa bước mô phỏng hiện tại và bước mô phỏng liền kề trước đó. 4. DS1104 ENC_DPOS_Cx cũng tương tự như các khối trước đó, truy cập được cung cấp tới một trong những kênh được chọn. 5. DS1104INDEX là một phép tìm kiếm chỉ mục encoder một kênh. Nó thăm dò dòng chỉ mục encoder của kênh được chọn. Khi chỉ mục được tìm thấy, nội dung bộ đếm tương ứng bị xoá và các biến của mô hình Simulink có thể được thiết lập lại (reset) một cách có chọn lựa. 6. DS1104RESET- Khi một khối được kích hoạt, nội dung bộ đếm vị trí của kênh cụ thể sẽ bị xoá (thiết lập lại). 2.4.2. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) * Điều chế tín hiệu PWM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 Sự điều chế tín hiệu PWM quyết định đến nhiều các ứng dụng điều khiển chuyển động và điều khiển động cơ của Card DS1104. Tín hiệu PWM là các chuỗi xung với tần số và biên độ không đổi, độ rộng xung thay đổi được. Có một xung với biên độ không đổi trong mỗi chu kì. Tuy nhiên độ rộng xung thay đổi được từ 0 đến thời gian một chu kì tương ứng với tín hiệu điều chế. Khi tín hiệu PWM được đưa đến cực điều khiển của Trazitor công suất, làm Tranzitor công suất đóng cắt để biến đổi thành PWM của điện áp đặt lện tải, giống tương tự như tín hiệu điều chế. Tần số của của tín hiệu PWM thường cao hơn tần số của tín hiệu biến điệu, hoặc tần số cơ bản, vì vậy mà năng lượng cấp đến cho động cơ hoặc tải phụ thuộc chủ yếu vào tín hiệu điều biến. * Các đặc điểm của tín hiệu PWM của Card DS1104. Với mỗi tín hiệu PWM có chu kì TP = Thigh+ Tlow được xác định trong khoảng 200 ns … 819.2 ms. Với tín hiệu PWM3 và PWMSV cững có chu kì TP với cả 3 pha. Với tín hiệu PWM 1 pha chu kì Tp đều như nhau với cả 4 kênh. Nếu cùng một thời điểm phát xung PWM, chúng ta có thể xác định chu ki với tín hiệu PWM 3 pha và một pha là khác nhau. a. Sự điều chế xung PWM 1 pha Hình 2.21. Tín hiệu PWM của Card DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 Bộ DSP tạo ra 4 kênh đầu ra cho tín hiệu PWM 1pha ở chế độ đối xứng và không đối xứng. b.Sự điều chế xung PWM 3 pha (PWM3) DSP cung cấp 3 kênh (pha) cho sự điều chế xung PWM 3 pha (PWM3) đảo và không đảo trong dải tần số 1.25 Hz … 5 MHz ở chế độ đối xứng. Hình 2.22. Tín hiệu PWM ở chế độ đối xứng Hình 2.23. Tín hiệu PWM ở chế độ không đối xứng Bảng 2.14. Tên các chân của các kênh phhát xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 c. Điều chế xung PWM vector không gian (PWMSV) DSP cung cấp 3 kênh (pha) cho sự điều chế xung PWM vector 3 pha (PWMSV) đảo và không đảo trong dải tần số 1.25 Hz … 5 MHz ở chế độ đối xứng. Hình 2.24. Điều chế xung PWM của Card DS1104 Bảng 2.15. Tên các xung PWM 3 pha Bảng 2.16.Tên của các kênh phát xung PWM 3 pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 Xung PWM vector không gian được sử dụng để điều khiển truyền động điện. Vector không gian xác định các cung và giá trị T1 và T2 tương ứng với vector phải (T1) và vector trái (T2). T1/Tp biểu thị chế độ làm việc của vector phải trong cung tương ứng, trong khi đó T2/Tp biểu thị chế độ làm việc của của vector trái trong cung tương ứng. Các cung từ 1 đến 6 được xác định bởi hình chiếu của của vector không gian quay lên mặt phẳng được xác định bởi các vector không gian U0(001), U60(011), U120(010), U180(110), U240(100) và U300(101). Giá trị T1 và T2 được Hình 2.25. Điều chế vector không gian Bảng 2.17. Tên các xung PWM 3 pha vector Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 xác định qua hình chiếu của vector không gian lên 2 vector không gian cơ bản kề với nó. Chế độ làm việc dx=Thigh,x/Tp(x=1,3,5,) của 3 vector không đảo phụ thuộc vào hình chiếu T1 và T2 . Ở cung thứ nhất trong không gian vector dạng xung PWM của ba pha không đảo SPWM1, SPWM3 và SPWM5 được tạo ra bởi DSP có dạng như hình 2.29 Giá trị T0 được xác định như T0=Tp-T1-T2. Vì T0 ≥ 0 nên giới hạn của T1 và T2 như sau T1 + T2 ≤ Tp. 2.5. Tạo ứng dụng với dSPACE và Simulink Hình 2.26. Các vector SPWM1, SPWM3, SPWM5 của DS1104 Bảng 2.18.Tên của các kênh phát xung PWM 3vector Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Tạo một thư mục mới để đặt ứng dụng: C:\NewApp Tạo đường dẫn đến thư mục mới bằng lệnh Set path Khởi động Matlab - Simulink Start Xây dụng một mô hình Simulink Thiết lập các tham số mô phỏng - Stop time = inf - Solver Type = fixed-step - Method = ode1 (Euler) - Fixed Step size = Thời gian cắt mẫu yêu cầu. - Mode = Single – Tasking Tạo mã DSP bằng cách sử dụng Tools/RTWBuild hoặc Ctrl-B Nhận file mã: *.obj - mã DSP *.tlc - các biến của mô hình Stop T¹o mét øng dông míi T¹o ®•êng dÉn Working Root ®Õn th• môc C:\NewApp T¹o mét líp (Layout) míi b»ng lÖnh: File/New/ Layout. Khëi ®éng Control Desk Thªm vµo c¸c ®iÒu khiÓn vµ quan s¸t (scope) tõ cöa sæ Tools b»ng c¸ch kÐo vµ th¶ c¸c biÓu t•îng ®å ho¹ t•¬ng øng. Më file chøa c¸c biÕn NhÊn Ctrl-T ®Ó më file *.tlc G¸n biÕn cho c¸c ®iÒu khiÓn KÐo vµ th¶ c¸c biÕn cÇn ph¶i theo dâi vµo mçi ®iÒu khiÓn tõ tap ToolWindow ë phÝa bªn d•íi mµn h×nh cña Layout. Thªm tÊt c¶ c¸c file ®· më NhÊn File/Add all opened files ®Ó liªn kÕt c¸c file. Ch¹y øng dông N¹p m· ®èi t•îng NhÊn Load Application vµ chän file *.obj (a) (b) Hình 2.27. Lưu đồ thuật toán thực hiện một ứng dụng với Simulink và Control Desk: (a)- Bước 1; (b)- Bước 2 Dưới đây là những hướng dẫn từng bước để thực hiện một ứng dụng với dSPACE. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Các bước thực hiện một ứng dụng được mô tả tóm tắt trong lưu đồ thuật toán trên hình 2.27. Có hai giai đoạn: - Giai đoạn một bao gồm tạo một mô hình Simulink cho thuật toán sẽ được thực hiện trên bo mạch dSPACE: Tạo một mô hình trong Simulink: Khởi động Matlab, tại dấu nhắc lệnh gõ Simulink, xuất hiện một cửa sổ chứa rất nhiều thư viện được cung cấp bởi Simulink và dSPACE. Để tạo một mô hình Simulink, trước tiên cần tạo một mô hình mới từ menu File (nhấn File/New Model). Xuất hiện cửa sổ mô hình mới với tên là Untitled. Để thêm các khối vào mô hình Simulink, đơn giản là nhấn (và giữ) nút trái chuột vào khối cần thiết trong cửa sổ thư viện và kéo nó vào cửa sổ mô hình mới rồi thả chuột. Thay đổi tham số của các khối bằng cách nhấn đúp vào khối tương ứng muốn thay đổi tham số. Chẳng hạn, để thay đổi tham số của khối Transfer Fcn, nhấn đúp chuột vào khối sẽ xuất hiện cửa sổ như hình 2.28. Thay đổi tham số như trên hình vẽ. Để nối các khối lại với nhau, nhấn (và giữ) nút trái chuột vào mũi tên đầu vào (hoặc đầu ra) rồi kéo nó tới đầu vào (hoặc đầu ra) của các khối muốn nối. Có thể đổi tên khối bằng cách nhấn chuột vào phần text biểu diễn tên hiện tại của khối và thay đổi chúng. Hình 2.29. Thay đổi tham số khối Transfer Fcn Hình 2.28. Ví dụ minh hoạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 Bước tiếp theo là chạy mô phỏng, để chạy mô phỏng trước tiên ta cần đặt tham số mô phỏng. Để đặt tham số mô phỏng nhấn chuột vào menu Simulation rồi chọn Simulation Parameters, xuất hiện cửa sổ Simulation Parameters. Thiết lập các tham số cần thiết trong cửa sổ này, nhấn OK để quay lại cửa sổ mô hình. Lúc này mô hình đã sẵn sàng để chạy. Trước khi chạy mô phỏng, cần chú ý lưu mô hình lại bằng lệnh Save. ở đây, ta lưu mô hình với tên example1.mdl. Để quan sát kết quả của quá trình mô phỏng, nhấn đúp chuột vào khối quan sát, thường là khối Scope,… (hình 2.30). - Giai đoạn hai là tạo một giao diện người sử dụng và gán các biến cho các điều khiển được cung cấp bởi Control Desk để thực thi thời gian thực của thuật toán. Xây dựng một mô hình mô phỏng thời gian thực: Liên lạc với các kênh vào/ra được thực hiện qua hai khối của thư viện dSPACE là DS1104ADC và DS1104DAC. Chúng sẽ thay thế các khối tạo tín hiệu mô phỏng (Signal Generator) và các khối quan sát (Scope). Kéo các khối DS1104ADC và DS1104DAC vào mô hình từ thư viện dSPACE và thay thế chúng vào vị trí của các khối phát tín hiệu mô phỏng và các khối quan sát. Kênh tín hiệu vào tương tự được định tỷ lệ bởi phần cứng với một tỷ số 1:10. Điều này có nghĩa là 10V ở đầu vào sẽ Hình 2.30. Kết quả mô phỏng Hình 2.31. Cấu trúc điều khiển trên Matlab Simulink Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 được đọc là 1V trong mô hình. Kênh tín hiệu ra tương tự cũng được định tỷ lệ bởi phần cứng với cùng tỷ số. Vì vậy, 1V tín hiệu được tạo ra trong mô hình có biên độ 10V ở thiết bị kết nối. Do đó, cần thêm hai khối khuếch đại từ thư viện Math vào mô hình để đọc chính xác các giá trị từ các kênh tương tự đầu vào cũng như ghi chính xác các giá trị tới các kênh đầu ra. Thay đổi các tham số mô phỏng nếu cần thiết. Có thể lưu mô hình dưới một tên khác để bảo toàn mô hình mô phỏng. Tiếp theo, chọn lệnh RTW Build (hình 2.35) trong menu Tools. Trong cửa sổ Matlab Command Window xuất hiện một danh sách các thông báo. Các thông báo này tương ứng với các bước khác nhau mà phần mềm RTI thực hiện nhằm biến đổi mã Simulink thành mã DSP. Một cửa sổ xuất hiện yêu cầu người sử dụng khẳng định tác vụ của timer (timer task). Xác nhận thời gian lấy mẫu chính xác trong danh sách tác vụ rồi nhấn Continue. Đầu tiên là giai đoạn biên dịch, trong giai đoạn này file Simulink (*.mdl) được chuyển sang file C (*.C). Sau đó là giai đoạn liên kết, ở giai đoạn này tất cả các biến và các chương trình con được làm cho tương quan với môi trường DSP. Cuối cùng mã được biến đổi thành một file đối tượng có phần mở rộng là *.obj và được nạp vào bộ nhớ của DSP và sự thực thi nó bắt đầu. Cần lưu ý rằng, thư mục chứa mô hình thời gian thực cũng là thư mục mà người sử dụng chọn để đặt mô hình Simulink. Nếu mở thư mục này ra, ta sẽ thấy có rất nhiều file, những file này được tạo ra trong quá trình thực thi lệnh Build. Do số Hình 2.32. Downloading and Building Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 lượng file tạo ra rất lớn, mỗi dự án (ứng dụng) nên đặt trong một thư mục con riêng rẽ. 2.5.1. Tạo ứng dụng với Control Desk Để tương tác với hệ thống, chúng ta cần quan sát, hiệu chỉnh và phân tích các biến. Vì điều này, dSPACE kèm theo một giao diện người dùng đồ hoạ của nó gọi là Control Desk. Control Desk là một phần mềm đi kèm trong hệ thống dSPACE, cho phép người dùng quan sát các biến, hiển thị tác động của các biến và hiệu chỉnh các tham số mô phỏng bằng cách tương tác trực tiếp với bo mạch DSP. Để xây dựng một ứng dụng bằng Control Desk (mỗi ứng dụng được gọi là một thí nghiệm-experiment), cần thực hiện qua các bước sau: + Khởi động Control Desk và lựa chọn các toolbar được đánh dấu như ở hình 2.33. Cửa sổ Tool Window được hiển thị ở dưới màn hình. Các thẻ (Tap) hiển thị các công cụ hiện đang sử dụng. ở hình 2.33 hiện tại chỉ sử dụng hai công cụ là Log Viewer (Trình xem các giải thích) và Reference Data Manager (trình quản lý dữ liệu chuẩn). Có một công cụ rất quan trọng, đó là Variable Manager (trình quản lý biến), nó bao gồm Variable Browser (trình duyệt biến) và Parameter Editor (trình hiệu chỉnh tham số). Nó cho phép truy cập đến các biến của ứng dụng. Những biến này Hình 2.33. Giao diện Control Desk Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 được lưu trữ trong file *.sdf. Vì vậy, để xử lý các biến của một quá trình mô phỏng ta phải nạp file này trước khi bắt đầu thiết kế đồ hoạ. Trước tiên chúng ta bắt đầu một thí nghiệm mới. Nhấn File/New Experiment. Trong cửa sổ mới xuất hiện như hình 2.34, gõ tên ứng dụng vào ô Experiment Name, chẳng hạn Example1 và tạo đường dẫn đến thư mục đặt các file mô phỏng bằng nhấn chuột vào ô Working Root. Tiếp theo, nạp file có chứa các biến của qúa trình mô phỏng. Nhấn File/Open Variable File và chọn file example1.sdf. Thẻ Variable Manager xuất hiện ở phía bên dưới màn hình. Cửa sổ này hiển thị cấu trúc của mô hình mô phỏng. 2.5.2. Hiển thị các điều khiển, quan sát với Instrumentation Management Tools. Để có thể quan sát tác động của mỗi biến và hiệu chỉnh các tham số trong thời gian thực, trong khi hệ thống đang chạy, ta cần một loạt các nút ấn, con trượt, máy hiện sóng hoặc máy phân tích để điều khiển các biến.Vì vậy, ta cần tạo ra một giao Hình 2.34. Cửa sổ New Experiment Hình 2.35. Thẻ Variable Manager và các biến mô phỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Hình 2.36. Cửa sổ New Layout diện và thêm các dụng cụ, thiết bị đó vào. Để tạo giao diện này, từ menu File nhấn File/New/Layout. Xuất hiện hai cửa sổ mới trong không gian làm việc Control Desk (hình 2.37). Cửa sổ thứ nhất được đặt tên là Layout1 chứa các dụng cụ dùng để quản lý thí nghiệm. Cửa sổ thứ hai thực tế là một thanh công cụ (Toolbar) cho phép ta kéo và thả các điều khiển cần thiết cho thí nghiệm.Các điều khiển được hiển thị trong thanh công cụ Virtual Instruments (các dụng cụ ảo) cho phép ta điều khiển chỉ các biến mà biến đó có thể hiệu chỉnh trực tuyến (on-line). Chọn nút Slider từ thanh công cụ phía bên phải. Con trỏ chuyển thành dạng đầu ruồi hình vuông. Nhấn và giữ chuột trong khi kéo thành một hình chữ nhật trong cửa sổ Layout1 (hình 2.38). Sau khi thả chuột, ta nhận được một điều khiển dạng con trượt cho phép thay đổi giá trị của biến trong giới hạn đã được chọn. Kích đúp chuột vào điều khiển con trượt Slider để thay đổi tham số của Slider. Nếu ta quyết định sử dụng hệ số khuếch đại nằm trong khoảng 0 và 5, chọn thẻ Slider rồi đặt Range Min và Range Max như hình 2.39. Sau khi nhấn OK thì giới hạn mà con trỏ có thể điều chỉnh được là từ 0 đến 5. Nhưng Slider vẫn được bao Hình 2.37. Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 Hình 2.38. Thay đổi tham số của Slider quanh bởi một đường viền màu đỏ, điều đó có nghĩa là nó vẫn chưa được gán cho một biến cụ thể nào để điều khiển. Để gán biến vào Slider, trong cửa sổ Veriable Manager ở bên dưới màn hình, chọn biến Slider\ nGain. Nhấn chuột vào biến P:Slider Gain.Gain và kéo nó vào hình chữ nhật vừa được vẽ trong cửa sổ Layout. Điều khiển Slider mới sẽ hiển thị biến được điều khiển và đường viền màu đỏ bao quanh Slider sẽ biến mất (xem hình 2.41). Trong ví dụ này chỉ có hai tín hiệu có giá trị quan sát, đó là tín hiệu vào của hệ thống được nối với kênh ADC#1 và tín hiệu ra của hệ thống bậc hai (sau khối Transfer Fcn). Cả hai tín hiệu này nên được hiển thị trên cùng một hệ trục. Cần nhớ rằng giá trị thực của tín hiệu vào được lấy sau khối In-Gain và giá trị thực của tín hiệu ra được lấy trước khối Out- Gain. Để thêm vào Layout các thiết bị quan sát, nhấn chuột vào thẻ Data Acquisition (thu thập dữ liệu) trong thanh công cụ Instrument ở phía bên phải màn hình. Chọn biểu tượng Plotter và vẽ một hình chữ nhật lớn hơn trong cửa sổ Layout. Sau đó nhấn chuột Hình 2.9. Điều khiển Slider sau khi gán biến cần điều khiển Hình 2.40. Vẽ một Plotter để quan sát tín hiệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 Hình 2.42. Thiết lập thông số quan sát vào cửa sổ Variable Manager và kéo hai tín hiệu cần giám sát là „Model Root/In- Gain->Out1‟ và „Model Root/Slider Gain->Out1‟ rồi thả vào hình chữ nhật vừa vẽ. Khi kéo tín hiệu thứ hai cần đảm bảo thả chuột vào cùng một trục với tín hiệu thứ nhất. Nếu không thì một trục thứ hai sẽ được vẽ và không gian còn lại để quan sát hình dáng của tín hiệu sẽ bị thu hẹp lại. Hai tín hiệu đã được gán vào Plotter và được hiển thị với các màu khác nhau. Nhãn của trục được gán tín hiệu sẽ chỉ hiển thị tín hiệu cuối cùng được gán. Tại bất kỳ thời điểm nào, muốn sửa đổi hoặc xem có những tín hiệu nào đã được gán vào đồ thị, nhấn chuột phải vào khu vực quan sát và chọn lệnh Edit Data Connections. Có thể xoá bất kỳ một tín hiệu nào bằng cách chọn nó và nhấn phím Delete. Để định dạng quan sát, nhấn đúp chuột vào hình chữ nhật và chọn thẻ Y- axes. Khi các tín hiệu được hiển thị trên cùng một trục (Y-axis), các thiết lập đồ hoạ sẽ được áp dụng cho tất cả các tín hiệu. Ngược lại, người sử dụng có thể lựa chọn một cách độc lập các giới hạn trục khác nhau cho các tín hiệu khác nhau. Hình 2.41.Thiết lập đặc tính cho đồ thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 Trước khi thực hiện mô phỏng cần thiết lập các tham số quan sát. Để thiết lập các tham số quan sát, chọn lệnh Capture Settings Window trong menu View/Controlbars. Trong cửa sổ Capture Settings Window (hình 2.43), đặt độ dài mô phỏng Length là 2, giữ nguyên số Downsampling. Đối với các hệ thống phức tạp hơn thì số này cần được tăng lên khi độ dài mô phỏng lớn hơn 20 lần thời gian lấy mẫu. Bước cuối cùng là chạy và dừng thí nghiệm. Để chạy và dừng sự thực thi của DSP, có thể sử dụng các biểu tượng start và stop trên thanh công cụ Hardware Management như hình 2.44a. Để khởi động DSP, nhấn chuột vào biểu tượng hình tam giác màu xanh, nếu file example1.obj đã được nạp vào bộ nhớ của DSP thì nó sẽ bắt đầu chạy và biểu tượng Stop có dạng hình chữ nhật màu đỏ sẽ sáng lên. Để dừng thí nghiệm, nhấn chuột vào biểu tượng có dạng hình chữ nhật màu đỏ. Để quan sát sự thay đổi của tín hiệu, khởi động Animation bằng cách nhấn biểu tượng phía bên phải của thanh công cụ Edit Mode. Quan sát trên màn hình sẽ thấy hai tín hiệu vào và ra được vẽ trên Plotter. Cứ sau hai giây, thì hình ảnh hiển thị lại bị xoá và một tập dữ liệu mới lại được hiển thị. Thay đổi hệ số khuếch đại bằng cách di chuyển con trượt của Slider và quan sát sự thay đổi của các tín hiệu. Chú ý: (a) (b) Hình 2.43. Điều khiển sự thực thi của DSP (a) và điều khiển Animation (b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 + Để lưu một thí nghiệm, cần phải theo các bước sau nếu không có thể dẫn đến mất một số thiết kế trước đó trong lớp thí nghiệm hoặc mất một số thiết lập mô phỏng. 1. Nhấn File/Add All Opened Files. Thao tác này nhằm đảm bảo rằng thí nghiệm sẽ nhớ tất cả các file *.sdf, các biến điều khiển, đường dẫn cho tất cả các file và sẽ mở tất cả các kết nối giữa lớp (layout) và các biến. 2. Lưu Layout vào file có phần mở rộng là *.lay. 3. Lưu thí nghiệm vào file có phần mở rộng là *.cdx + Để nạp một thí nghiệm, đơn giản là nhấn gọi lệnh File/Open Experiment, lớp và các biến sẽ xuất hiện trên màn hình lưu theo đúng trình tự ở trên. Cần đặc biệt lưu ý rằng file đối tượng phải được nạp vào bộ nhớ của DSP. Các file này không hoàn toàn được nạp cùng với việc nạp thí nghiệm. Với nội dung đã phân tích và trình bày trên ta có thể xây dựng ta có thể xây dựng được các hệ điều khiển chuyển động dùng Card DS1104. - Hệ điều khiển chuyển động Card DS1104 với động cơ xoay chiều 3 pha (hệ biến tần động cơ). - Hệ điều khiển chuyển động Card DS1104 với động cơ một chiều (hệ xung áp động cơ) - Hệ điều khiển chuyển động Card DS1104 – Driver - động cơ một chiều hoặc xoay chiều. 2 FAULT INPUGND Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG CARD DS 1104 3.1. Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí DC servo(theo phƣơng pháp tƣơng tự) Ngày nay các hệ điều khiển vị trí DC servo đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công từ nhỏ đến lớn và tính bền vững cao. Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí gồm ba mạch vòng từ trong ra ngoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí như trên. 3.1.1. Mô hình toán học của hệ. a. Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập. Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập được đưa ra như trên hình 3.2. Trong đó: Hình 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí R R Ri §C FT  (-) ®(p) (p) ® (p) Ui® Ui(p) U®k(p) U® (-)E(p) (-) (-)    pT1 K i i pT1 K     pT1 K  1 p PA Uk ik Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 Uk , Ik : điện áp và dòng điện kích từ. Ruđ , Lưđ : điện trở, điện cảm phần ứng. M : momen của động cơ một chiều. Mc : momen tải. Điện áp và dòng điện kích từ tính theo các công thức sau: Uk = Rk . ik + Lk . dt di k ; ik = )pT1(R U kk k  Trong đó: Tk = k k R L : hằng số thời gian mạch kích từ, thông thường Tk  100 ms  600ms Trên hình 3.3 là sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng: U - E = R . (1 + pTư). I Tư = ud ud R L : hằng số thời gian phần ứng. R• Mc E Uk ik L• M  Hình 3.2. Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều R E L i U Hình 3.3. Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 Khi  = const: Dùng khâu khuếch đại K  thay cho khối nhân phi tuyến: Đặt: Cu = K = const ta có mô hình tuyến tính như trên hình 3.5. Từ mô hình trên hình 3.5 ta tính được: U - Cu.  = R.I(1 + p . Tư) Jp McI.Cu  =  •pT1 R/1  Ko U(p) I(p) B Jp 1 (-) Ko Mc(p) (p) (-) KIo (-) Ko Kk kpT1 R/1  Uk (p) Hình 3.4. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều •pT1 R/1  Cu Cu Jp 1 (-) U(p) I(p) (p) Cu 1 (-) Mc(p) Hình 3.5. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103  U - Jp Cu (Cu.I - Mc) = R.I.(1 + p.Tư )  U + Jp Mc.Cu = R.I. 2 • Cu 1+p.T + pJR        2Cu Mc.CuI.U.p  = 2 22 Cu CuT.JR.pJR.p.(I  • Vậy ta có: I = 2 22 2 pT Cu JR p Cu JR 1 Cu Mc pU RCu JR •  Gọi Tc = 2Cu JR là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của động cơ một chiều như trên hình 3.6. b. Mô hình toán học bộ chỉnh lƣu có điều khiển. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu có điều khiển như trên hình 3.7: I(p) 2 cc c pTTpT1 R/pT • U(p) 2 cc pTTpT1 Cu/1 • Mc(p) 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 §C  U®k M¹ch ®iÒu khiÓn PA Uk ik Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều U đk thành xung điện áp thích hợp đưa vào mở Tranzitor cấp nguồn cho động cơ. Khi ở đầu vào biến thiên một lượng Uđk thì ở đầu ra biến thiên một lượng Uđ . Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào t =   oT . Uđ (t) = Kcl . Uđk . I [t - Tv] Trong đó:  : tốc độ góc của điện áp lưới. Tv: thời gian trễ của van. Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến: Wcl(p) = )p(U )p(U dk d = Kcl.e -p.tv = )pT1).(pT1( K vdk cl  3.1.2. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phƣơng pháp tổng hợp các mạch vòng. Hình 3.8 là sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí sử dụng động cơ điện một chiều. Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: Mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo chiều được. Quan hệ giữa  và  :  = o +  t 0 dt (-) )pT1)(pT1( K vdk cl  Cu Cu Jp 1 Ui(p) U®k(p)  (-) Mc •pT1 R/1  Ri Ui® (-) E(p) U® i i pT1 K  Hình 3.8. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 a. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Trên hình 3.8 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trong đó: Tư = R L : hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng. R = Rb + Rk + Rưd + Rs L = Lb + Lk + Lưd Ki = Rs : điện trở của sensor. Ti = R . C : hằng số thời gian của sensor dòng điện. Viết gọn lại ta có sơ đồ như trên hình 3.9: Từ só đồ trên hình 3.8 và hình 3.9 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện: Soi(p) = )p(U )p(U dk i = )pT1)(pT1)(pT1)(T(p1( R K K ivdk i cl • Trong đó: Tđk  100 s, Tv  2,5ms, Ti  2ms, Tư  100ms Thay Tsi = Ti + Tv + Tđk << Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có: Soi (p)  )pT1)(pT1( R K K si i cl • Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín: RI Soi (-) UI® UI(p) I(p) Hình 3.9. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 FOMi = 22 p2p21 1   Mặt khác trên hình 3.9 ta có: FOMi (p) = oii oii S)p(R1 S)p(R   Ri(p) = oiOMioi OMi S.FS F  Ri(p) =    )P1(P2. pT1pT1 R K K P2P21 1 si i cl 22      • Chọn  = min (Tsi , Tư ) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Ri(p) = R T .K. PT1 si icl • 2P.K  =          •cl • 2K pTTK RT sii 1 1. .. Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI). Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: FOMi = )p(U )p(U id i = 22 SiSi pT2pT21 1  Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí còn lại như hình 3.10, trong đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua các bậc cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 R So (-) U ® U(p) (p) Hình 3.11 b. Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Viết gọn sơ đồ hình 3.10 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ như trên hình 3.11: So = )T.p1.(p.T.Cu.K K.R sc1    Với TS = 2TSi + T  TS rất nhỏ. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul:    oOMo OM S.FS F FOM = 22 p2p21 1   ; R (p) = R (p) = 2 2 σ σ ω 2 2 1 c sω σ σ 1 1+2τ p+2τ p R.K 1 1- K .Cu.T .p.(1+p.T ) 1+2τ p+2τ p       R (p) = )p1(p1(p2. )T.p1.(p.T.Cu.K K.R 1 sc1      Chọn  = TS PT21 1 Si R R iK 1 pCuT R c 1 p    pT1 K    pT1 K (-) (-) ® (p) ® (p) Ui(p)   Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 Ta có: R(p) =  s ci T.2.K.R T.Cu.K Vậy: R(p) là khâu tỷ lệ (p). Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi Ic là nhiều nữa. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: FOD = 3322 p8p8p41 p41     ; R (p) =    oOMo OM S.FS F R(p) = σ 2 2 3 3 σ σ σ ω σ 2 2 3 3 1 c sω σ σ σ 1+4τ p 1+4τ p+8τ p +8τ p R.K 1+4τ p 1- K .Cu.T .p.(1+p.T ) 1+4τ p+8τ p +8τ p       R(p) =   σ 2 2ω σ σ 1 c sω 1+4τ p R.K 8τ p 1+τ p K .Cu.T .p.(1+p.T ) Chọn  = Ts ta có: R(p) = pT8 T.Cu.K K.R pT41 2 s c1 s    Vậy R  là khâu tỷ lệ - tích phân (PI). Đó là khâu vô sai cấp hai đối với đại lượng đặt và vô sai cấp một đối với đại lượng nhiễu IC. c. Tổng hợp mạch vòng vị trí. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại như hình 3.12: Trong đó: Ts = T + 2Tsi = T + 2 (Tđk + Tv + Ti) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 109 Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng tiêu chuẩn tối ưu mudule và hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ lấy là khâu bậc hai, bỏ qua các khâu bậc cao. Vậy:     K 1 . pT21 1 )p( )p( sd Khi dùng chuẩn tối ưu modul     K 1 . pT41 1 )p( )p( sd Khi dùng chuẩn tối ưu đối xứng Nếu khi tổng hợp mạch vòng tốc độ  dùng chuẩn tối ưu modul, ta có hàm truyền của đối tượng (xem hình 3.13): S0(p) = (1 2 . ) (1 )s R R T p p pT      ®(p) (-) R 2 2 d sω sω ω ω(p) 1 1 = . ω (p) 1+2T p+2T p K      K 1 . pT8pT8pT41 1 )p( )p( 33 s 22 ssd Khi dùng chuẩn tối ưu modul p K r Khi dùng chuẩn tối ưu đối xứng   pT1 K Hình 3.12 R So (-) U ® U (p) (p) Hình 3.13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 110 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul: R(p) =   1 1 .2 . . (1 2 . ) 1s K p p K p p T T p           Chọn  = T . Ta có: R(p) = .2 K K T    (1 + 2Tsp); R = K + KD . p Với: K = .2 K K T    và KD = . sK T K T     R là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền của đối tượng: S0(p) = (1 4 . ) (1 )s K K T p p pT      Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có: R(p) =   1 1 .2 . . (1 4 . ) 1s K p p K p p T T p           Chọn:  = T ta có: R(p) = .2 K K T    (1 + 4Tsp) R cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). Sau khi tổng hợp ra các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí động cơ một chiều như trên hình 3.14. 3.1.3. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều khiển vị trí. Bảng 3.1. Các thông số cho trước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 111 Pđm : Công suất định mức của động cơ = 1,5 Kw Uđm : Điện áp phần ứng định mức = 140 V nđm : Tốc độ quay roto định mức = 2000 v/ph Idm : Dòng điện định mức = 13.8 A Lư : Điện cảm phần ứng = 0,2 H Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng = 0,002 s Tv : Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0025 s Tđk : Hằng thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,001 s T : Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,001 s T : Hằng số thời gian bộ cảm biến vị trí = 0,3 s GD 2 = 0,01 Kg,m 2 Các phương trình phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều: Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư Uư : Điện áp phần ứng. Eư : Suất điện động phần ứng. Rư : Điện trở mạch phần ứng. Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng. Iư : Dòng điện mạch phần ứng. Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng. rcf: Điện trở cực từ phụ. rb : Điện trở cuộn bù. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 rcf: Điện trở tiếp xúc chổi điện. Eu = Cu. = K = a2 PN   P : Số đôi cực từ chính. N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.  : Từ thông kích từ dưới một cực từ.  : Tốc độ góc. K = a2 PN  : Hệ số cấu tạo của động cơ. Eư = Ken n : Tốc độ Roto.  = 60 n2 = 55,9 n ; đm = 55,9 1500 = 209,4 rad/s; Ke = 55,9 K = 0,105K Phương trình đặc tính cơ điện:  = u u f u U R +R - I Cu Cu Phương trình đặc tính cơ:  = M )Cu( RR Cu U 2 fuu  Trong đó:Iu = Cu M dt ; Mdt = Mcơ = M Tính mô men định mức: Pđm = Mđm . đm  Mđm = 2000 9,55 209,4 dm dm P    Nm  Cu = dm dm M 9,55 = =0,7 I 13,8 Tính gần đúng R ư theo công thức: Rư = 0,5(1 - dm) dm dm I U = 0,5(1 - 0,9) 140 13,8 = 0,5  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 113 L = Lb + Lk + Lưd = 0,2 H  Tư = uR L : Hằng số thời gian phần ứng.  Tu = 0,2 0,4 0,5  s Từ sơ đồ cầu trúc điều khiển vị trí trên hình 3.10 ta có: Ud = Kcl . Uđk Chọn U đk = 10V ta có: Kcl = 140 14 10 dm dk U U   Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Ri = u cl i si u RT 1 1+ 2.K .K .T pT       Tsi = Ti + Tv + Tđk = 2+ 2,5+ 0,1= 4,6.10 -3 s Tư = 0,4s; Rư = 0,5 ; Kcl = 22 Chọn Uid = 7V Ki = id dm U 7 = =0,51 I 13,8  Ri = -3 0,5.0,4 1 1+ 2.14.0,51.4,6.10 0,4p        Ri = 3,045 1 1+ 0,4p       Cũng trên hình 6-11 ta có: Uđ = .K Chọn U đ = 4,7V  K= 4,7 0,0224 209,4  Trong công thức 1-14 ta có: Ts = T + 2.Tsi Với T = 1ms Tsi = 4,6 . 10 -3 s Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 114 Tc = 2 2 2.45.0,5 2,5 0,7 JR Cu   s  Ts = 0.01s R(p) = i c -3 ω sω K .Cu.T 0,51.0,7.2,5 = =8662 R.K .2T 0,5.0,0224.2.4,6.10 R 0,5 = =0,286 Cu.Tc 0,7.2,5 Ta có: Trên hình 3.10 tín hiệu xác định vị trí đặt phải xấp xỉ tín hiệu phản hồi tức là: .K = Uđ  K = 032,0 100 10   ;  = t 0 ω.dt=ω.t Bộ điều chỉnh vị trí R  : R = ωK K .2.T  (1 + 2.Tsp) = 0,0224 (1+0,02p) 0,032.2.0,3 = 1,167 . (1 + 0,02p) 3.1.4. Mô phỏng hệ trên Matlab. Để lập trình cho hệ thí nghiệm thực, thì trước hết ta phải mô phỏng đánh giá các kết quả tổng hợp hệ. Hình 3.14. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí trong matlab Simulink Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 115 Hình 3.15. Đặc tính mô phỏng hệ điều khiển chuyển động Với cấu trúc hệ điều khiển vị trí và đánh giá chất lượng hệ thông qua đặc tính mô phỏng ta có thể lập trình điều khiển hệ thực nghiệm dùng Card DS1104 bằng cách : thêm các khối xuất nhập dữ liệu ; loại bỏ mô hình bộ biến đổi công suất và mô hình động cơ ; hàm truyền các phần tử đo lường. ( như bước 3, bước 4 ở phần sau) 3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic ứng dụng Card DS1104. Để điều khiển hệ thống điều chỉnh vị trí nói chung có thể sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống, vì có thể được thiết kế dễ dàng, với chi phí thấp. Tuy nhiên với khi dùng bộ điều khiển này ta cần biết chính xác mô hình của hệ thống hoặc làm các thí nghiệm để điều chỉnh các tham số của bộ điều chỉnh PID. Chúng ta biết rằng bộ điều chỉnh PID truyền thống nói chung không làm việc hiệu quả với các hệ phi tuyến, đặc biệt với các hệ có mô hình phức tạp và hệ thống mờ mà không có mô hình toán học chính xác. Để giải quyết và khác phục các điểm hạn chế này, có nhiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 116 cách điều chỉnh bộ PID như là auto-ning và bộ điều khiển PID thích nghi được phát triển sau này. Sử dụng bộ điều khiển bộ điều khiển mờ là một trong các phương pháp giải quyết bài toán trên. So với bộ điều khiển truyền thống, ưu điểm chính của bộ điều khiển mờ là không cần đòi hỏi mô hình toán học chính xác của hệ. Vì luật của bộ điều khiển mờ dựa trên kiến thức về hành vi của hệ và kinh nghiệm trong điều khiển, bộ điều hkiển mờ đòi hỏi mô hình ít chính xác hơn bộ điều khiển truyền thống. Tuy nhiên để đặt được hiệu quả cao thì bộ điều khiển mờ cần sự tính toán và điều chỉnh có hiệu quả. Nghiên cứu thực nghiệm về bộ điều khiển mờ trên Card điều khiển thời gian thực DS1104 là một giải pháp nhanh nhất để đưa bộ điều khiển mờ vào ứng dụng trong các hệ thống. Card DS1104 và phần mềm ControlDesk được sử dụng để phát triển các bộ điều khiển. Trong phần này là một ứng dụng Card DS1104 trong phát triển bộ điều mờ cho hệ thống điều khiển vị trí. Với các thiết bị phần cứng không thay đổi, trong phần này ta chỉ đi vào nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ ứng dụng trên Card DS1104. Để đơn giản, ở đây ta chỉ thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển vị trí. Khi đó cấu trúc điều khiển của hệ có bộ điều khiển mờ có dạng. Hình 3.16. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với Card DS1104 vị trí đặt vị trí thực R DAC PWM Card DS1104 R Ri Power AMP ĐC Servo Sensor vị trí ADC vi phân ADC (-) (-) (-) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 117 Bộ điều khiển mờ được thiết kế ở đây gồm hai đầu vào và một đầu ra. Các đầu vào là sai lệch vị trí (e) và độ thay đổi của sai lệch vị trí trong thời gian lấy mẫu ( e ), đầu ra là tín hiệu điều khiển (u). Ở thời điểm lấy mẫu k, sai lệch vị trí và sự thay đổi của sai lệch được tính theo d ae( k ) ( k ) ( k )   ; 1e( k ) e( k ) e( k )   trong đó d ( k ) là vị trí góc mong muốn và a( k ) là vị trí góc của cơ cấu chấp hành. Cấu trúc bộ điều khiển mờ gồm 3 khối : khối mờ hoá, khối hợp thành, khối giải mờ. Để xác định các hàm liên thuộc của e, e và u, ta chia làm bảy biến ngôn ngữ là NB( âm lớn), NM(âm trung bình), NS(âm nhỏ), Z(không), PS(dương nhỏ), PM(dương trung bình) và PB (dương lớn). Chọn hàm liên thuộc dạng hình tam giác và tập các giá trị như trong hình vẽ. Ta chọn luật điều khiển như bảng …. và có thể hiệu chỉnh cho phù hợp với thực nghiệm. Dựa vào việc chọn các tập mờ đầu vào, đầu ra và các luật luật điều khiển ở trên, chọn luật hợp thành là ‘Max-Min’ và giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Fuzzy logic Contrller Analog Output D/A Power AMP DC Servo Incremental encoder d Encoder 24 bit CardDS1104 a ph Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 a Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 118 e / e NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NB NS PS PB NM NB NB NM NM Z PS PB NS NB NB NS NS Z PM PB Z NB NB NS Z PS PB PB PS NB NM Z PS PS PB PB PM NB NS Z PM PM PB PB PB NB NS PS PB PB PB PB Bảng 3.2. Luật điều khiển Hình 3.19. Hàm liên thuộc của biến sai lệch vị trí Icremental encoder Card DS1104 Hình 3.18. Hệ điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 119 Hình 3.21. Hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển Hình 3.20. Hàm liên thuộc của biến thay đổi sai sốvị trí Hình 3.22. Surface luật điều khiển mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 120 Hình 3.25. mô phỏng luật điều khiển mờ Hình 3.23. Vi phân sai lệch vị trí Hình 3.25. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ Hình 3.24. Sai lệch vị trí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 121 3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động 3.3.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống thực. 1. Máy tính Pentum IV, có cài phần mềm Matlab 7.0.4 và phần mềm ControlDesk Version 5.0. - Card DS1104 được gá lắp trên Mainboard của máy tính qua khe PCI và lập trình điều khiển, giám sát thông qua máy tính. - Thư viện các khối của DS1104 được nhúng trong phần mềm Matlab-Simulink. - Thông qua phần mềm ControlDesk ta có thể giám sát, điều khiển và đánh giá chất lượng hệ. Vị trí đặt Máy tính số Card DS1104 Matlab 7.0.4 ControlDesk I/O connector:P1A P1B Driver Servo motor Midi- Maestro Matador DC Servo Motor I/O connector:P1A P1B Hình 3.27.Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 vi tri dat toc do vi tri toc do vi tri Hình 3.26. Mô phỏng luật điều khiển mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 122 2. Card DS1104. Các chân tín hiệu vào ra và nguồn của Card DS 1104 được nối đến đối tượng bằng 2 cáp P1A và P1B. - Kênh chuyển đổi số-tương tự DACH6(Pin46-DACH6, Pin45- GND) đưa tín hiệu điều khiển đến Driver. - Kênh chuyển đổi tương tự-số ADCH6 (Pin16-DACH6, Pin17-GND) nhận tín hiệu dòng điện. -Kênh chuyển đổi tương tự-số ADCH8 (Pin48-DACH8, Pin47-GND) nhận tín hiệu từ máy phát tốc. - Hoặc đo vị trí và tốc độ có thể sử dụng 2 kênh encoder. 3. Driver Servo motor Midi-Maestro 140x14/28. - Bộ biến đổi công suất là bộ biến đổi xung áp có đảo chiều dòng, mạch lực dùng trazitor IGBT. - Điện áp ra đặt vào phần ứng của động cơ Uđm=140V. - Dòng điện định mức Iđm=14A . - Nhận tín hiệu điều khiển tương tự (-10V đến 10V), tín hiệu máy phát tốc. - Cho ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện. - Có thể thực hiện thuật toán điều khiển PID tuỳ theo cấu trúc Daughter board. 4. Matador DC Servo Motor- Encoder 24 bit - Matador DC Servo Motor được sản xuất bởi hẵng Control, các thông số đã được chỉ ra trong phần tính toán. Hình 3.28.Card DS1104 trong hệ thực nghiệm Hình 3.29. Driver DC servo motor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 123 - Động cơ được chế tạo đồng bộ kèm theo máy phát tốc một chiều, encoder 24 bit. 5. Bộ điều khiển tải và tải AS motor. 3.3.2. Lập trình điều khiển hệ. Với kết quả mô phỏng Offline, trong phần này ta tiến hành lập trình điều khiển hệ thực nghiệm. Bƣớc 1: Xác định hàm truyền của đối tượng, thiết kế bộ điều chỉnh bằng lý thuyết.( đã thực hiện trong phần tổng hợp hệ thống) Bƣớc 2: Mô phỏng Offline để bước đầu xác định tham số của thuật toán điều chỉnh và đánh giá kết quả tính toán và thiết kế.( đã thực hiện trong phần tổng hợp hệ thống) Bƣớc 3: Bổ xung thêm các khối xuất/nhập dữ liệu: -DS1104ADC_C5 Chuyển đổi tín hiệu vào tương tự (- 10V10V) thành tín hiệu số(đo tốc độ bằng máy phát tốc). -DS1104ADC_C6 Chuyển đổi tín hiệu vào tương tự (- 10V10V) thành tín hiệu số (dòng điện). -DS1104DAC_C6 Chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự (-10V10V) - Chọn thời gian lấy mẫu tín hiệu: T=0.001S. Hình 3.30.DC servo motor Hình 3.31. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Hình 3.32. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 124 - Chọn ngôn ngữ dịch (ngôn ngữ Card DS1104): chọn ngôn ngữ C Bƣớc 4: Sử dụng C-compiler tạo mã C để nạp xuống card hardware, cài xen với hệ thống phần mềm điều khiển theo ngắt. Sau khi khai báo các thông số cơ bản của chương trình ta tiến hành chạy mô hình thực nghiệm: - Load chương trình điều khiển vào bộ nhớ của Card DS1104. - Khởi động phần mềm ControlDesk Version 5.0. Thiết lập màn hình giám sát và điều khiển hệ thực nghiệm. - Sử dụng một trong các tính năng vẽ đồ thị đặc tính động của hệ thực nghiệm, căn cứ vào kết quả này ta đánh giá được chất lượng điều chỉnh hệ thực nghiệm với các bộ điều chỉnh đã thiết kế. Hình 3.34.Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm Hình 3.33. Màn hình ControlDesk với hệ thực nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 125 3.3.3. Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động (Với chƣơng trình điều khiển trong hình 3.34). Hình 3.35. Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ. Vị trí Tốc độ Vị trí đặt Hình 3.36. Kp=1.167, Kd=0.02334, Idm=4A Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 126 Hình 3.37. Kp=1.0, Kd=0.02334, Idm=4A Hình 3.38. Kp=0.2, Kd=0.02334, Idm=4A Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 127 Hình 3.39. Kp=0.3, Kd=0.02334, Idm=4A Hình 3.38. Kp=0.05, Kd=0.02334, Idm=4A 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 128 Hình 3.41. Kp=0.1, Kd=0.02334, Idm=4A Hình 3.42. Kp=0.7, Kd=0.1167, Idm=4A Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 129 Việc sử dụng Card DSP trong nghiên cứu phát triển các bộ điều chỉnh là một vấn đề rất cấp thiết. Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp đã có hai Card DS1102 và DS1104 tại Trung tâm Thí nghiệm, nhưng chưa được sử dụng và khai thác có hiệu quả. Với kết quả nghiên cứu và hệ thực nghiệm đã xây dựng có thể được sử dụng để nghiên cứu phát triển các bộ điều chỉnh số, các phương pháp điều khiển mới. Về mặt lý thuyết các tính toán và phân tích trên là một tài liệu quan trọng trong việc nghiên cứu và sử dụng các Card DSP khác như : DS1102, DS1103, DS1105… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Truyền Động Điện Thông Minh, tác giả:Nguyễn Phùng Quang, Nxb KHKT [2] Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nguyễn Phùng Quang (2004), NXB KHKT, Hà Nội. [3] Experiment Guide For Release 5.0 [4] Hardware Installation and Configuration For Release 5.0 [5] New Features and Migration For Release 5.0 [6] Automation Guide For Release 4.2 [7] Implementation Guide For Release 5.0 [8] Điều khiển số. tác giả:Lại Khắc Lãi - Nguyễn Như Hiển, Nxb KH và KT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 130 Hệ thí nghiệm thực tại Phòng thí nghiệm điện - điện tử-Trung tâm Thí nghiệm- Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp