Đề tài Nghiên cứu thực hiện bộ điều khiển số trên nền tảng DSP TMS320C2000S

to sẽ quay theo quán tính. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to. Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều : [17] 82 1. E=KΦ.ω 2. V= E+Rư.Iư 3. M= K Φ Iư (3.3) Với: - Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb) - Iư: dòng điện phần ứng (A) - V : Điện áp phần ứng (V) - Rư: Điện trở phần ứng (Ω) - ω : tốc độ động cơ(rad/s) - M : moment động cơ (Nm) - K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ b ) Động cơ DC servo RH-14D 3002 Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RH-14D 3002 của hãng Harmonic .Động cơ này thuộc dòng RH Mini series là ldòng động cơ được thiết kế nhỏ gọn ,truyền động chính xác ,mô men lớn và có gắn sẵn encoder .Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 3.1 Hình 3.1 Động cơ RH-14D 3002 gắn trên trục vít me Kiểu chạy : Liên tục Kích thích : Nam châm vĩnh cửu Cách điện : lớp B Điện trở cách điện : 100M Ω Độ rung : 2.5g(5 …..400HZ) 83 Shock : 30g (11ms) Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-2) Nhiệt độ môi trường : 0 ~ 40oC Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ ) Bảng 3.1 Thông số động cơ [12] Thông số Đơn vị Động cơ RH-14D 3002 Công suất đầu ra ( sau hộp số ) W 18.5 Điện áp định mức V 24 Dòng điện định mức A 1.8 In-lb 52 Mô men định mức TN Nm 5.9 In-lb 69 Mô men hãm liên tục Nm 7.8 Dòng đỉnh A 4.1 In-lb 174 Mô men cực đại đầu ra Tm Nm 20 Tốc độ cực đại rpm 50 In-lb/A 51 Hằng số momen ( KT) Nm/A 5.76 Hằng số B.E.M.F ( ảnh hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) v/rpm 0.6 In-bl –sec2 0.72 Mô men quán tính (J) Kgm2x103 81.6 Hằng số thời gian cơ khí msec 7.0 In-lb/rpm 11 Độ dốc đặc tính cơ Nm/rpm 1.2 In-lb/rpm 1.3 Hệ số momen nhớt ( Bf) Nm/rpm 1.5.10-1 Tỷ số truyền 1:R 100 84 lb 88 Tải trọng hướng tâm N 392 lb 88 Tải trọng hướng trục N 392 Công suất động cơ W 30 Tốc độ định mức động cơ rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 2.7 Điện cảm phần ứng mH 1.1 Dòng khởi động A 0.43 Dòng không tải A 0.91 3.1.2 Thiết bị đo lường Trong thực tế sản xuất ,việc đo tốc độ thường là đo tốc độ quay của máy .Trong trường hợp chuyển động thẳng thường xuyên chuyển việc đo tốc độ dài sang việc đo tốc độ quay ,do đó cảm biến tốc độ chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ . Các máy phát tốc độ một chiều và xoay chiều thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động kinh điển. Trong trường hợp này ta nghiên cứu cảm biến tốc độ quang học là các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp hiện đại . Để đo tốc độ rôto ta có thể sử dụng cá phương pháp sau đây - Sử dụng máy phát tốc - Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa - Sử dụng máy đo góc tuyệt đối - Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ . Do độ chính xác thấp ,lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tương tự số để số hóa tín hiệu đo nên phương pháp sử dụng máy phát tốc đang dần được loại bỏ 85 .Dưới đây sẽ trình bày chi tiết về cảm biến quang (encoder) và cách sử dụng cảm biến quang để đo tốc độ quay của động cơ . Cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa hay còn gọi là encoder là thiết bị đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được tốc độ quay động cơ vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số. Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot. Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vit me đai ốc bi tới bàn máy. Vị trí của bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn. Phân loại Theo dạng chuyển động của Encoder mà người ta chia nó thành hai kiểu có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau: - Encoder thẳng: chiều dài của encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước. - Encoder quay: là một đĩa nhỏ và kích thước encoder không phụ thuộc vào khoảng cách đo. Nó có thể đo được cả thông số dịch chuyển và tốc độ. Encoder quay chia làm hai loại: encoder tuyệt đối và encoder tương đối.( absolute encoder và incremental encoder)  Encoder tương đối Hình 3.2 đĩa mã hóa và nguyên lý hoạt động encoder tương đối 86 Encoder tương đối thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh Z (Index). Trong hình trình bày nguyên lý của một encoder bao gồm một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát - thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh Z của encoder. Cứ mỗi lần động cơ quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh Z xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của động cơ. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và các cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A( hoặc B) của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh Z, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của động cơ, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Kênh A và B thông thường được bố trí lệch nhau 900. Hình 3.3 dạng xung của các kênh đầu ra Ngoài cách bố trí như trên để tạo ra 2 kênh A và B lệch nhau 900 người ta còn có thể sử dụng các cặp thu-phát A và B đặt lệch nhau như sau 87 Hình 3.4 Bố trí các cặp thu phát Thông thường các encoder còn kèm theo khả năng xử lý sườn xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép thăng số lượng vạch đếm trong một vòng đĩa lên 4 lần .Chuỗi xung A hoặc B được đưa tới đầu vào của khâu đếm tiến ,biết số xung trong một chu kỳ ta sẽ tính được tốc độ quay của động cơ. 0 60N ( òng/Phút)= 4N n n v T (3.4) Trong đó : Tn là chu kỳ điều chỉnh tốc độ ,ở đây là chu kỳ đếm xung được tính bằng giây. N0 là số xung trong một vòng còn gọi là độ phân giải của encoder N là số xung đếm được trong thời gian Tn Chiều quay của động cơ được xác định thông qua tín hiệu xung 2 kênh A và B .Ví dụ xung A xuất hiện trước thì động cơ quay thuận và ngược lại xung B xuất hiện trước thì động cơ quay ngược. Đối với động cơ DC servo RH14D-3002 có gắn sẵn encoder tương đối 1000 xung /vòng .Việc kết nối với DSp được thực hiện theo hình sau [11] 88 Hình 3.5 Ghép nối encoder tương đối với TMS320F2812 DSP F2812 hỗ trợ mạch đếm xung encoder chuyên dụng hỗ trợ đếm cả sườn lên và sườn xuống của 2 kênh A,B của encoder vì vậy độ phân giải encoder được tăng lên 4 lần tức là 4000 xung đếm / vòng .Ngoài ra còn có chân phát hiện xung Z để xác nhận động cơ đã quay hết một vòng .Từ các xung đếm này ta có thể xác định chính xác tốc độ và vị trí động cơ . Các tham số cơ bản của encoder động cơ RH14D-3002 Bảng 3.2 Thông số encoder [12] Ghép nối đầu ra Line driver VDC +5 ± 5% Nguồn cung cấp mA 60max Điện áp đầu ra VOL,VOH V 0,5max - 2,5min Tần số lớn nhất KHZ 125 Độ phân giải P/rev 1000 Tín hiệu ra , , , , ,A B Z A B Z Mô men quán tính Kgm2 3x10-8 Dây dẫn mm Ø 4 x 600L Ø 0.12/7 Strand 89 RH-5A/8D/11D/14D Line Driver AL/BL Brown A Signal Blue A Signal Red B Signal Green B Signal Yellow Z Signal Orange Z Signal White Power Supply Black Common Shield Floating  Encoder tuyệt đối (Absolute encoder) Với encoder tuyệt đối ta có thể xác định được chính xác vị trí roto.Nguyên lý cơ bản của loại encoder này dựa trên việc mã hóa các số nhị phân . Ví dụ với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng Hình 3.6 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 2 rãnh Xét một encoder như hình 3.6 gồm có 2 rãnh .Rãnh trong cùng là một nửa vòng tròn trong suốt ,một nửa mờ .Khi đọc rãnh này ta xác định được vị trí roto đang ở nửa vòng tròn nào .Trong trường hợp này ứng với bit có trọng số lớn nhất 90 (MSB) .Rãnh giữa được chia thành bốn phần màu trong suốt và mờ liên tiếp nhau.Đọc rãnh này ta xác định được vị trí rôt đang ở ¼ vòng tròn nào .Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8 , 1/16….của vòng tròn .Rãnh ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng ứng với bit có trọng số nhỏ nhất (LSB) .Hình 3.7 là đĩa mã hóa tuyệt đối gồm 8 rãnh . Hình 3.7 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 8 rãnh 3.1.3 Thiết bị điều khiển Bộ điều khiển được thực hiện trên DSpF2812 cùng với board EZDSPF2812 .Như đã giới thiệu ở trên board EZDSPF2812 về cơ bản là chỉ chứa phần ’nhân’ tức là phần xử lý, bộ nhớ ngoài, và kết nối JTAG qua cổng máy in mà chưa có các thành phần khác. Tuy nhiên các IO EXPANTION từ P1 → P9 cộng với các giao thức như SPI, SCI, I2C, CAN, McBSP và các GPIO chúng ta có thể mở rộng giao tiếp với nhiều thiết bị khác nhau.thông qua các cổng mở rộng.Sơ đồ nguyên lý board EZDSPF2812 trình bày ở phụ lục 1 Như vậy các cổng vào ra số là chuẩn từ 0- 3,3v và đầu vào ADC là 0-3v để thực hiện giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bên ngoài theo chuẩn 0- 5v cần có mạch chuyển đổi chuẩn điện áp ngoài ra còn các thiết bị ngoại vi cơ bản ,truyền thông UART,CAN và DAC .Trên yêu cầu như vậy ta phải xây dựng cổng mở rộng (EZDSPF2812 ADAPTER ) như sau. 91 Hình 3.8 EZDSPF2812 ADAPTER CAN 2 DAC 0-5v 8 ADC 0-5v 32 digital input – output 0-5v (I/O,PWM,QEP,……..) 5v +5v 0v -5v loudspeaker 8 switches COM1 COM2 IO EXPANTION 8 LED 2 buttons 92 a) 32 digital input – output 0-5v 32 cổng vào ra số được kết nối với GPIOA và GPIOB của F2812 P7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C1TRIPn C2TRIPn C3TRIPn C4TRIPn C5TRIPn C6TRIPn T2CTRIPn_EVASOCn P8 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 SCIRXDASCITXDA SPISIMOA CAP4_QEP3 SPICLKA T1CTRIP_PDPINTAn PWM8 PWM7 TDIRA PWM11PWM10 PWM9 SPISTEA PWM12 PWM3 PWM2PWM1 PWM5 PWM4 T1PWM_T1CMP PWM6 T2PWM_T2CMP CANRXA CAP1_QEP1 TCLKINA CANTXA CAP2_QEP2 CAP3_QEPI1 P4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 TDIRB T4PWM_T4CMP T3PWM_T3CMP TCLKINB SCITXDB SCIRXDB CAP5_QEP4 CAP6_QEPI2 3.3V 3.3V J31 1 2 3 J32 1 2 3 U24 74LVC16T245 1DIR 1 1B1 2 1B2 3 GND 4 1B3 5 1B4 6 VCCB 7 1B5 8 1B6 9 GND 10 1B7 11 1B8 12 2B1 13 2B2 14 GND 15 2B3 16 2B4 17 VCCB 18 2B5 19 2B6 20 2B7 22 2B8 23 2DIR 24 GND 21 1A1 47 1A2 46 1A3 44 1A4 43 1A5 41 1A6 40 1A7 38 1A8 37 2A1 36 2A2 35 2A3 33 2A4 32 2A5 30 2A6 29 2A7 27 2A8 26 1OE 48 GND 45 VCCA 42 GND 39 GND 34 VCCA 31 GND 28 2OE 25 PWM8 PWM7 PWM12 PWM11 PWM10 PWM9 GPIOB0 TDIRA T4PWM_T4CMP T3PWM_T3CMP C3TRIPn GPIOB1 C2TRIPn C1TRIPn GPIOB4 TDIRB GPIOB3 GPIOB2 GPIOB6 C5TRIPn GPIOB5 C4TRIPn GPIOA11 GPIOB7 C6TRIPn GPIOA15 GPIOA14 GPIOA13 GPIOB13 GPIOB11 GPIOB15 GPIOB14 U23 74LVC16T245 1DIR 1 1B1 2 1B2 3 GND 4 1B3 5 1B4 6 VCCB 7 1B5 8 1B6 9 GND 10 1B7 11 1B8 12 2B1 13 2B2 14 GND 15 2B3 16 2B4 17 VCCB 18 2B5 19 2B6 20 2B7 22 2B8 23 2DIR 24 GND 21 1A1 47 1A2 46 1A3 44 1A4 43 1A5 41 1A6 40 1A7 38 1A8 37 2A1 36 2A2 35 2A3 33 2A4 32 2A5 30 2A6 29 2A7 27 2A8 26 1OE 48 GND 45 VCCA 42 GND 39 GND 34 VCCA 31 GND 28 2OE 25 5V PWM1 PWM2 PWM3 J29 1 2 3 PWM4 J30 1 2 3 PWM5 PWM6 T1PWM_T1CMP T2PWM_T2CMP 3.3V CAP1_QEP1 GPIOA0 CAP2_QEP2 3.3V CAP3_QEPI1 GPIOA1 3.3V TCLKINA GPIOA2 GPIOA3 CAP4_QEP3 GPIOA4 CAP5_QEP4 GPIOA5 CAP6_QEPI2 GPIOA6 TCLKINB GPIOA7 GPIOA8 GPIOA9 GPIOA10 3.3V GPIOA12 GPIOB8 GPIOB9 GPIOB10 GPIOB12 5V GPIOA13 GPIOA14 GPIOA15 GPIOB0 GPIOB1 GPIOA0 GPIOB2 J33 HEADER 20X2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 GPIOA1 GPIOB3 GPIOB4 GPIOA2 GPIOB5 GPIOA3 GPIOB6 GPIOA4 GPIOB7 GPIOA5 GPIOB8 GPIOA6 GPIOB9 GPIOA7 GPIOB10 GPIOA8 GPIOB11 GPIOA9 5v GPIOB12 GPIOA10 GPIOB13 GPIOA11 GPIOB14 GPIOA12 GPIOB15 Hình 3.9 Khối chuyển đổi 32 kênh digital I/O 0-3v3 sang 0-5v Đầu ra số của F2812 có mức logic 0- 3,3v để chuyển sang mức logic 0-5v ta sử dụng IC74LVC16T245 như trên hình . IC này cho phép giao tiếp theo 2 hướng phụ thuộc vào mức logic trên chân 1DIR và 2DIR được thiết lập bởi các jumper .Nếu thiết lập jumper từ J29 đến J32 ở vị trí 2-3 tức là lựa chọn hướng từ 93 B sang A (đầu vào).Ở đây các chân chức năng QEP được thiết lập Jumper mặc định ở vị trí 2-3 ( đầu vào ) và các chân PWM được thiết lập jumper mặc định ở vị trí 1-2 (đầu ra) ,Tùy vào mục đích sử dụng mà thiết lập các jumper này là đầu vào hay đầu ra b) 8 kênh ADC 0-5v 8 kênh ADC được kết nối với 8 chân chuyển đổi ADC (ADCINA0- ADCINA7) của F2812 . ADCINA0 AGND1 R406 18k R407 30k AD_IN1 AGND2 ADCINA1 R410 18k R411 30k AD_IN2 R412 18k -5V +5V R413 30k - + U26B OPA42281 1 7 5 6 4 R409 18k D24 DIODE SCHOTTKY 2 1 D25 DIODE SCHOTTKY 2 1 +5V -5V ADCINA4 R426 18k AGND5 R427 30k AD_IN5 AGND6 ADCINA5 R428 18k R429 30k AD_IN6 R430 18k -5V +5V R431 30k - + U30B OPA42281 1 7 5 6 4 R435 18k +5V -5V R441 30k - + U30A OPA42281 1 1 3 2 4 D28 DIODE SCHOTTKY 2 1 D29 DIODE SCHOTTKY 2 1 R408 30k - + U26A OPA42281 1 1 3 2 4 ADCINA2 AGND3 R416 18k R417 30k AD_IN3 R418 18k +5V -5V R419 30k - + U26C OPA42281 1 8 10 9 4 AGND4 ADCINA3 R420 18k R421 30k AD_IN4 R422 18k -5V +5V R423 30k - + U26D OPA42281 1 14 12 13 4 D26 DIODE SCHOTTKY 2 1 D27 DIODE SCHOTTKY 2 1 AGND7 ADCINA6 R432 18k AD_IN7R433 30k R434 18k -5V +5V R436 30k - + U30C OPA42281 1 8 10 9 4 ADCINA7 AGND8 R437 15k R438 10k AD_IN8 R439 15k +5V -5V R440 10k - + U30D OPA42281 1 14 12 13 4 D30 DIODE SCHOTTKY 2 1 D31 DIODE SCHOTTKY 2 1 AD_IN4 AD_IN7 AD_IN6 AGND2 AD_IN8 AGND1 J42 HEADER 8X2 2 4 6 8 10 12 14 16 1 3 5 7 9 11 13 15 AGND3 AGND5 AGND4 AD_IN1 AGND7 AGND6 AD_IN2 AD_IN3 AGND8 AD_IN5 ADCINA6 ADCINA7 P9 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ADCINA2 ADCINA1 ADCINA0 ADCINA4 ADCINA3 ADCINA5 Hình 3.10 8 kênh ADC 0-5v IC khuếch đại được sử dụng là OPA4141 đây là ic khuếch đại thuật toán loại Rail-to-Rail Output với các đặc tính kỹ thuật như sau . • Low Supply Current: 2.3mA max • Low Offset Drift: 10mV/°C max • Low Input Bias Current: 20pA max • Very Low 1/f Noise: 250nVPP • Low Noise: 6.5nV/√Hz • Wide Bandwidth: 10MHz • Slew Rate: 20V/ms • Input Voltage Range Includes V– • Rail-to-Rail Output • Single-Supply Operation: 4.5V to 36V 94 • Dual-Supply Operation: ±2.25V to ±18V • No Phase Reversal • MSOP-8, TSSOP Packages Đầu ADC là kiểu vi sai từ 0-5v đầu ra là 0-3v để phù hợp với mức điện áp đầu vào chuyển đổi của F2812.Bộ chuyển đổi A/D của F2812 là 12 bit nghĩa là điện áp đầu vào 0-5v tương ứng với số digital là 0 – 4096. c) 2 kênh DAC 0-5v DAC_OUT2 U31 ADC8552 VDD 1 VREF 2 VoutB 3 VoutA 4 SYNC 5SCLK 6Din 7GND 8 C59 22UF -5V DAC_OUT1 - + U28D OPA4228 1 1 14 12 13 4 +5V DAC_OUT1 J43 CON4 1 2 3 4 DAC_OUT2R4 10K 3.3V C10 100n C12 100n C40 10uF 1 2 5V C11 100n -5V SPISIMOA - + U28C OPA4228 1 1 8 10 9 4 SPICLKA 5V SPISTEA C13 100n R7 10K R8 10K +5V R5 10K U32 REF5025 DNC 1 Vin 2 TEMP 3 GND 4 TRIM/NR 5Vout 6NC 7DNC 8 R6 10K Hình 3.10 2 kênh DAC 0-5v 2 kênh DAC giao tiếp theo kiểu nối tiếp sử dụng IC DAC8552 của texas intruments với các đặc tính kỹ thuật cơ bản như sau • Relative Accuracy: 4LSB • Glitch Energy: 0.15nV-s • Micro Power Operation: 155 µ A per Channel at 2.7V • Power-On Reset to Zero-Scale • Power Supply: 2.7V to 5.5V • 16-Bit Monotonic Over Temperature • Settling Time: 10 µ s to ± 0.003% FSR • Ultra-Low AC Crosstalk: – 100dB Typ • Low-Power Serial Interface With Schmitt-Triggered Inputs • On-Chip Output Buffer Amplifier With 95 Rail-to-Rail Operation • Double-Buffered Input Architecture • Simultaneous or Sequential Output Up and Powerdown • Available in a Tiny MSOP-8 Package Hình 3.11 sơ đồ khối DAC8552 Điện áp tham chiếu sử dụng là 0-2,5v được tạo ra bởi ic tạo điện áp tham chiếu REF5025 .Đầu ra DAC8552 là 0-2,5v được khuếch đại lên thành 0-5v. Việc lựa chọn kênh và các chế độ hoạt động được thiết lập bằng việc ghi các dữ liệu tương ứng vào 24 bit thanh ghi cảu DAC8552. Hình 3.12 Các bit trong thanh ghi DAC8552 và chức năng Trong đó : - 8 bit cao là các bit điều khiển - 16 bit thấp là bit dữ liệu 96 - Các bít LDB và LDA điều khiển việc cập nhật giá trị của mỗi đầu ra analog tương ứng. - Bít 19 không cần quan tâm - DB18 điều khiển đích của dữ liệu (0 - kênh A ,1- kênh B ) - PD1 và PD0 lựa chọn chế độ POWER – DOWN của 1 hoặc 2 kênh DAC Truyền thông CAN,UART và các ngoại vi onboard - 2 kênh truyền thông UART A và B sử dụng IC giao tiếp RS232 là MAX3232 cho phép đầu vào là 3v3 . C21 100n C22 100n SCIRXDA SCITXDA C23 100n SCITXDB C24 100n 3.3V P1 COM1 5 9 4 8 3 7 2 6 1 10 11 3.3V U6 MAX3232 G N D 1 5 V C C 1 6 R1IN 13 R2IN 8 T2IN 10 T1IN 11 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 R1OUT 12 R2OUT 9 T1OUT 14 T2OUT 7 V+ 2 V- 6 SCIRXDB P2 COM2 5 9 4 8 3 7 2 6 1 10 11C25 100n Hình 3.13 mạch ghép nối UART Truyền thông CAN sử dụng ic giao tiếp SN65HVD232 cho phép đầu vào là 3v3 3.3V CANRXA P3 CAN1 5 9 4 8 3 7 2 6 1 10 11 C56 100PF U22 SN65HVD232 VDD 3 RXD 4 RS 8 TXD 1 VREF 5 VSS 2 CANL 6 CANH 7 C57 100n CANTXA R60 60R R48 10K Hình 3.13 Mạch ghép nối CAN Các ngoại vi khác bao gồm - 8 led được kết nối với các chân GPIOB0 đến GPIO B7 - 8 switches kết nối với các chân GPIOB8 đến GPIOB15 - 2 push buttons kết nối với các chân GPIOD1 và GPIOD2 - 1 loudspeaker kết nối với chân T1PWM - 8 LED ,8 switches và loudspeaker có thể được cho phép hoặc không cho phép bởi các jumper J12,J13 và J15 như hình phía dưới. 97 PWM7 PWM8 PWM9 PWM10 PWM11 PWM12 T3PWM_T3CMP T4PWM_T4CMP R18 680R R20 680R D10 R21 680R R14 680R R15 680R R16 680R R17 680R R19 680R 3.3V J12 LED1 2 U14 74VLC244 A1 2 A2 4 A3 6 A4 8 1OE 1 Y1 18 Y2 16 Y3 14 Y4 12 V C C 2 0 G N D 1 0 A5 11 A6 13 A7 15 A8 17 Y5 9 Y6 7 Y7 5 Y8 3 2OE 19 D11 D5 LED D6 LED D7 LED D8 D12 LED 3.3V R22 22K D14 TDIRB TCLKINB C4TRIPn C5TRIPn U15 74LVC244 A1 2 A2 4 A3 6 A4 8 1OE 1 Y1 18 Y2 16 Y3 14 Y4 12 V C C 2 0 G N D 1 0 A5 11 A6 13 A7 15 A8 17 Y5 9 Y6 7 Y7 5 Y8 3 2OE 19 C6TRIPn R415 RESISTOR SIP 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3.3V CAP4_QEP3 3.3V R23 22K S1 SW DIP-8 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 CAP5_QEP4 3.3VJ13 SWITCH 12 CAP6_QEPI2 SW3 INT0 R29 10K 3.3V 3.3V R26 10K T1CTRIP_PDPINTAn T2CTRIPn_EVASOCn Q6 C1815 T1PWM_T1CMP 5V D13 DIODE 1 2 LS1 SPEAKERJ15 SPEAKER 12 R25 1K SW2 INT0 R28 10K Hình 3.12 Các ngoại vi LED, switches , buttons , loudspeaker Các chân IO EXPANTION được sử dụng để kết nối với EZDSPF2812 .Adapter này không sử dụng nguồn từ EZDSPF2812. Hình 3.13 EZDSP F2812 và ADAPTER Bộ biến đổi công suất Bộ biến đổi công suất làm nhiệm vụ biến đổi điện áp PWM từ board điều khiển (0-5v) sang dải điện áp 0-24v cung cấp cho động cơ .Bộ biến đổi công 98 suất ở đây là mạch cầu Full Bridge .Việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng xung và giữ chu kỳ băm xung không đổi Hình 3.14 Bộ biến đổi công suất Sơ đồ nguyên lý R5 4K7 DIR 5V 5V 5V PWM R6 4K7 R7 4K7 IN1 IN2 5V U10D 4001 12 13 11 1 4 7 R14 4K7 U10B 4001 5 6 4 1 4 7 DIR U10C 4001 8 9 10 1 4 7 J1 CON4 1 2 3 4 5V C14 470uF D1 DIODE C1 4.7uF OUT1 ISO2 PC817 2 1 4 3 OUT2 24v 24V C3 470uF C4 100n D4 LED R13 1k 12V C15 100n D2 DIODE C5 4.7uF C17 100n C8 100n 12V C18 100n C16 100n M1 IRF540 M2 IRF540 M3 IRF540 M4 IRF540 R10 330R 5V12V DIR+ R1 RG1 R2 RG3 R3 RG2 R4 RG4 U9 IR2103 VCC 1 HIN 2 LIN 3 COM 4 LO 5 VS 6 HO 7 VB 8 D3 LED 24V DIR- U7 LM7805 VI 1 G N D 2 VO 3 U6 LM7812 VI 1 G N D 2 VO 3 R8 1k ISO1 6N137 8 7 5 3 2 6 5V IN2 R11 4K7 DIR J2 HEADER 4 1 2 3 4 C9 CAP PWM+ C10 CAP C11 CAP PWM- 24V PWM 5V OUT1 C12 100nR12 220R OUT2 R9 3K3 C13 470uF U8 IR2103 VCC 1 HIN 2 LIN 3 COM 4 LO 5 VS 6 HO 7 VB 8 IN1 U10A 4001 1 2 3 1 4 7 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi công suất Mạch cầu H sử dụng IC lái chuyên dụng là IR2103 ,Mosfet IRF540 ,opto Tốc độ cao 6N137 .Mạch cầu này cho phép hoạt động ở dòng liên tục 10A ,Điện áp 50v và hoạt động tốt ở tần số 30KHZ với duty 0-95% . 99 3.2 THỰC HIỆN CÁC CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 3.2.1 Các cấu trúc điều khiển a) Những cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển - Xác định tín hiệu điều khiển thích hợp Đây là bài toán điều khiển mà yêu cầu dừng lại ở việc xác định tín hiệu thích hợp áp đặt vào đầu vào của đối tượng sao cho đối tượng có được chất lượng bên trong và tín hiệu đầu ra như mong muốn .Chẳng hạn bài toán xác định quy tắc thay đổi điện áp đầu vào u(t) của động cơ ( đối tượng điều khiển ) sao cho tốc độ vòng quay của động cơ ( tín hiệu đầu ra ) thay đổi từ giá trị ban đầu y0 tới giá trị mong muốn yt và năng lượng tốn hao cho quá trình thay đổi tốc độ quay đó là ít nhất ( chất lượng bên trong của đối tượng) . Hình 3.16 Cấu trúc điều khiển xác định tín hiệu điều khiển thích hợp Đặc điểm của hình thức điều khiển này là điều khiển một chiều và trong quá trình điều khiển ,hệ thống không có khả năng thay đổi hoặc hiệu chỉnh lại được .Như vậy ,chất lượng điều chỉnh phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình toán học mô tả đối tượng cũng như phải có giả thiết rằng không có tác động của nhiều không mong muốn vào hệ thống trong suốt quá trình điều khiển . - Sử dụng bộ điều khiển + Điều khiển hở Về bản chất ,hình thức điều khiển này cũng giống như bài toán tìm tín hiệu điều khiển thích hợp áp đặt ở đầu vào đối tượng nhưng được bổ xung thêm bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển đó.Ví dụ để điều khiển tàu thủy đi theo một quỹ đạo y(t) mong muốn ( tín hiệu đầu ra ),người ta phải tác động bằng lực w(t) vào tay lái để tạo ra được vị trí u(t) của bánh lái một cách thích hợp .Trong ví dụ này ,hệ thống tay lái –bánh lái có vai trò của một bộ điều khiển . Đối tượng điều khiển u(t) y(t) 100 Hình 3.17 cấu trúc điều khiển vòng hở Hình thức điều khiển hở này (hình 3.17) là điều khiển một chiều và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình toán học mô tả đối tượng cũng như phải có giả thiết rằng không có tác động của nhiễu không mong muốn vào hệ trong suốt quá trình điều khiển + Điều khiển phản hồi trạng thái Ở đối tượng điều khiển các tín hiệu trạng thái x1(t), x2(t),….. xn(t), được viết chung dạng véc tơ x(t) = (x1(t), x2(t),….. xn(t)) T ,là thành phần chứa đựng đầy đủ nhất các thông tin chất lượng động học của hệ thống .Nó phản ánh nhanh nhất sự ảnh hưởng của những tác động bên ngoài vào hệ thống kể cả những tác động của nhiễu không mong muốn bởi vậy có thể tạo ra được cho đối tượng một chất lượng mong muốn ,ổn định với tác động của nhiễu ,cần phải có một tín hiệu áp đặt ở đầu vào là u(t) phản ứng kịp theo sự thay đổi trạng thái của đối tượng . Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái y(t) Đối tượng điều khiển u(t) Bộ điều khiển w(t) Đối tượng điều khiển u(t) y(t) Bộ điều khiển + _ _ x e(t) w(t) Đối tượng điều khiển u(t) y(t) Bộ điều khiển + _ _ x w(t) 101 Hình 3.18 biểu diễn nguyên tắc điều khiển phản hồi trạng thái .Bộ điều khiển sở dụng tín hiệu trạng thái x(t) của đối tượng để tạo ra tín hiệu đầu vào u(t) cho đối tượng .Vị trí của bộ điều khiển có thể là ở mạch truyền thẳng hoặc ở mạch hồi tiếp . Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái có khả năng giữ được ổn định chất lượng mong muốn cho đối tượng mặc dù trong quá trình điều khiển luôn có tác động của nhiễu + Điều khiển phản hồi tín hiệu ra Tuy rằng véc tơ trạng thái x(t) cung cấp cho ta đầy đủ nhất các thông tin về chất lượng động học của đối tượng ,song không phải mọi trạng thái của đối tượng đều đo được trực tiếp .Vì lẽ đó trong nhiều trường hợp người ta đành phải thay đổi bộ điều khiển phản hồi trạng thái x(t) bằng bộ phản hồi đầu ra y(t) . Hình 3.19 Cấu trúc điều khiển phản hồi tín hiệu ra Hình 3.19 mô tả nguyên tắc điều khiển phản hồi đầu ra .Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu đầu ra y(t) của đối tượng để tạo ngược ra được tín hiệu đầu vào u(t) cho nó .Vị trí của bộ điều khiển có thể là ở mạch truyền thẳng hoặc ở mạch hồi tiếp . Đối tượng điều khiển u(t) y(t) Bộ điều khiển + _ e(t) w(t) Đối tượng điều khiển u(t) y(t) Bộ điều khiển + _ w(t) 102 b) Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ DC servo Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ DC servo phản hồi tốc độ và vị trí từ encoder DC servo ở đây là loại RH14-3002 như đã trình bày ở trên .Động cơ này có gắn sẵn một encoder để phản hồi tốc độ và vị trí .Encoder này có độ phân giải là 1000xung/vòng ,các pha A,B và Z được kết nối với các chân QEP tương ứng của DSP TMS320F2812. DSP TMS320F12812 nhận và đếm các xung này bằng bộ định thời mục đích chung .Căn cứ trên số xung đếm được và khoảng thời gian lấy mẫu để tính toán ra tốc độ động cơ và vị trí . Fω và Fφ lần lượt là hàm truyền phản hồi tốc độ và vị trí ,các khối này được xử lý bằng phần mềm bên trong DSP ,đầu vào là số xung đếm encoder. Rφ và Rω là bộ điều khiển vị trí và tốc độ động cơ .Bộ điều khiển này được thực hiện bởi DSP .Đầu ra của bộ điều khiển vị trí là đầu vào của bộ điều khiển tốc độ ,thời gian lấy mẫu của mạch vòng bên ngoài phải lớn gấp 10 đến 100 lần thời gian lấy mẫu của mạch vòng bên trong. Bộ biến đổi công suất làm nhiệm vụ biến đổi điện áp PWM ( 0-5V ) thành 0-24V ở đầu ra để cung cấp cho động cơ Nhằm mục đích điều chỉnh tốc độ động cơ .Tần số PWM ở đây là 30KHZ. encoder Rφ Rω Bộ biến đổi công suất Fω Fφ DC servo φ QEP TMS320F2812 _ _ 103 Hình 3.22 Phản hồi vị trí bằng cách lấy tích phân tốc độ theo thời gian Hình 3.22 là cấu trúc khác của hệ thống .Về cơ bản là giống với cấu trúc phía trên tuy nhiên vị trí động cơ được tính toán bằng cách lấy tích phân tốc độ theo thời gian .Bản chất của cấu trúc này cũng giống như cấu trúc phía trên. Hình 3.23 Phản hồi vị trí và tốc độ bằng mạch chuyển đổi f/V Ở hình 3.23 thì mạch phản hồi tốc độ và vị trí được thực hiện bằng phần cứng phía ngoài .Mạch này nhận tín hiệu là tần số xung encoder và đầu ra là 0- 5v với độ phân giải 16 bit (0-65535) .Tín hiệu này được đưa vào đầu vào cảu 2 kênh ADC1 và ADC2 của DSP F2812. Với cấu trúc này thì DSP không phải tính toán phản hồi mà chỉ nhận giá trị ở đầu ra modul ADC .Việc tính toán được thực hiện bởi các vi điều khiển φ encoder Rφ Rω Bộ biến đổi công suất Fω  DC servo QEP TMS320F2812 _ _ φ Rφ Rω Bộ biến đổi công suất f/V encoder DC servo TMS320F2812 _ _ f /V ADC INPUT 1 ADC INPUT 2 104 khác làm cho tốc độ đáp ứng có thể nhanh hơn .Tuy nhiên với cấu trúc này sẽ xảy ra sai số đáng kể bởi vì nó thực hiện quá nhiều khâu chuyển đổi A/D ,D/A,hơn nữa tín hiệu vào là tín hiệu tương tự (0-5v) nên dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Nhận xét : - Tín hiệu phản hồi vị trí có thể được tính toán bằng cách lấy tích phân tốc độ hay được tính toán trực tiếp từ tín hiệu xung encoder nhưng về bản chất là như nhau - Khâu DAC có thể không tồn tại một cách tường minh ,mà ẩn dưới dạng thiết bị có chức năng DA.Ví dụ ở đây là bộ điều chế độ rộng xung PWM [4] . - Khâu DAC thường sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lượng ra .Nó có thể là chip ADC ( ví dụ đo dòng điện ) hoặc tồn tại dưới một dạng khác mang bản chất của một khâu ADC ( ví dụ đo tốc độ từ encoder ) - Cấu trúc cơ sở hệ thống điều khiển số [4] Hình 3.24 Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển số 3.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng offline a) Xây dựng hệ phương trình toán học động cơ DC servo RH-14D 3002 Các tham số cơ bản cảu động cơ Ra=2.7 La=1.1mH Kt=5.76 Nm/A Kb=0.6 V/rpm Bf=0.15 Khâu điều chỉnh DAC Đối tượng Điều khiển ADC vk wk _ uk yk 105 J=81.6e-3 Ta có 1 ( ) A A A A A A dc c dc t A A b di u e i R L dt d M M dt J M K i e K n               (3.5) 1 ( ) A A A A A A dc c dc t A A b di u e i R L dt d M M dt J M K i e K n                (3.6) Chuyển sang miền ảnh laplace 1 ( ) A A A A A A dc c dc t A A b u e i R L i s s M M J M K i e K n              (3.7) 1 ( ) 1 ( ) A A A A A dc c dc t A A b i u e R L s M M Js M K i e K n               (3.8) 106 Thay AA A L T R  ta có hệ phương trình như sau: 1/ ( ) 1 1 ( ) A A A A A dc c dc t A A b R i u e T s M M Js M K i e K n               (3.9) Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như sau: Hình 3.25 Cấu trúc động cơ DC servo Thay các thông số vào ta dược mô hình động cơ DC servo như sau Hình 3.26 Cấu trúc động cơ DC servo RH-14D 3002 Đặc tính quá độ tốc độ và dòng như sau bK 1/ 1 A A R T s tK 1 fJs B cM +_ +_ dcM Ai n AU 107 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (s) C u rr e n t (A ) Hình 3.27 Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo RH-14D 3002 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time (s) S p e e d ( R P M ) Hình 3.28 Đặc tính tốc độ động cơ DC servo RH-14D 3002 b) Thiết kế bộ điều chỉnh vị trí cho động cơ DC servo Để điều khiển vị trí động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống ba vòng điều chỉnh ,Tuy nhiên động cơ DC servo RH-14D 3002 là loại động cơ cỡ nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng. Chu kỳ trích mẫu chon theo định lý Shamnon-Nyquist tần số lấy mẫu > 2 lần bandwith của hệ . tuy nhiên trong thực thế rất khó đáp ứng được tần số như vậy - Ta chọn chu kỳ trích mẫu mạch tốc độ : Tw=0.001s - chu kỳ trích mẫu mạch vòng vị trí : Tφ=0.1s 108 Hình 3.29 cấu trúc mạch vòng điều chỉnh Xây dựng vòng điều khiển tốc độ Để thuận lợi trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển ta coi gần đúng bộ biến đổi công suất (PWM) là khâu quán tính bậc nhất với hằng số thời gian Tf = 1/f với f = 30000HZ là tần số băm xung .Hàm truyền bộ biến đổi công suất là : bdK 0.0092( ) Tf s + 1 3.333e-005 s + 1 bdG s   (3.10) khi đó mạch vòng dòng điện có cấu trúc như sau : Hình 3.30 Sơ đồ tổng hợp bộ điều khiển tốc độ hàm truyền đạt của động cơ 2 2.133*100 Gsaclose 3.324e-5 s + 0.08166 s + 1.43  (3.11) Biểu diễn bằng toán tử Z 109 2 1,635 z + 0,7454 Gsaclosez z - 1.07 z + 0.08574  (3.12) Biểu diễn dạng DSP (Z-1) -1 -2 -1 -2 1,635 z + 0,7454 z Gsaclosez 1 - 1.07 z + 0.08574 z  (3.13) Hàm truyền đối tượng mạch vòng tốc độ 3 2 1,963 Gsw = Gsaclose.Gsbd 1.108e-009 s + 3.597e-005 s + 0.08171 s + 1.43  (3.14) Hàm truyền trên miền Z 2 3 2 0,01432 z + 0.007573z + 6.126e-006 Gswz = z - 1.07 z + 0.08574 z - 8.026e-15 (3.15) Chuyển sang z-1 -1 -2 -3 -1 -2 -3 0.01432 z + 0.007573 z + 6.126e-006 z Gswz1 = 1 - 1.07 z + 0.08574 z - 8.026e-015 z (3.16) Sử dụng công cụ SISO design của matlab ta xác định được hàm truyền đạt của vòng điều chỉnh tốc độ là . w 0.05( z + 0.08) ( ) z 1 G z   (3.16) 110 Hình 3.31 Hệ tọa độ cực và đáp ứng của hệ thống trên SISO design 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) S p e ed ( R P M ) Hình 3.32 Mạch vòng điều khiển tốc độ và đáp ứng Tổng hợp bộ điều khiển vị trí Tiến trình tổng hợp bộ điều khiển vị trí Rφ tương tự các mạch vòng khác .Tuy nhiên với cấu trúc như trên thì hàm truyền bộ điều khiển vị trí sẽ không có thành phần mà chỉ là P hay PD . Bộ điêu khiển vị trí thường được tính theo điều kiện gia tốc hãm cực đại εhmax đối với quãng đường hãm cực đại Δφ hmax sao cho thời gian hãm không vượt quá thời gian tmax .Tại thời điểm hãm ,tương ứng với tín hiệu sai lệch tốc độ Δω đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ bằng không.Để đơn giản ta coi bộ điều khiển vị trí là một khâu khuếch đại với hệ số k=400 thời gian lấy mẫu T = 0,1s .Khi đó cấu trúc bộ điều khiển vị trí xây dựng trên DSP C2000 là . 111 0 5 10 15 20 25 30 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Timer (s) S p e e d ( R P M ) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timer (s) P o s it io n ( m m ) Hình 3.33 Mạch vòng điều khiển tốc độ và đáp ứng 3.2.3 Điều khiển realtime với DSP F2812 Từ các kết quả mô phỏng ở trên ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển trên DSP .Bộ điều khiển là bộ điều khiển đã mô phỏng ở phần trước tuy nhiên mô hình động cơ và bộ biến đổi công suất không không còn nữa mà động cơ và bộ biến đổi bây giờ nằm phía ngoài .Bộ điều khiển không phải thực hiện trên matlab mà nằm trên DSP .Việc đo tốc độ và vị trí động cơ không phải được tính toán dựa trên mô hình nữa mà được đo từ encoder hoặc các kênh ADC do đó ta cần xây xựng môt khối đo riêng để xác định tốc độ và vị trí hiện tại của encoder Mô hình bộ điều khiển vị trí 112 Hình 3.33 Cấu trúc điều khiển realtime với DSP F2812 Trong đó các khối “transmit to host” , “setpoint to host”, “receive from host” là các khối làm nhiệm vụ giao tiếp với matlab thông qua cổng truyền thông RTDX Khối “Position control” và “speed control “là các bộ điều khiển vị trí và tốc độ.Khối “measure” có chức năng đo tốc độ và vị trí động cơ .Đầu vào khối này là giá trị đếm xung encoder của bộ counter ,đầu ra là giá tốc độ quay (RPM) của động cơ và vị trí (mm) của bộ truyền động vít me .. Khối “measure” được xây dựng như sau 113 (a) (b) ( c ) (d) Hình 3.34 Khâu đo lường (a) cấu trúc , (b) khối QEP clock , (c) khối Position caculator, (d) khối speed caculator 114 Nguyên lý hoạt động : Số xung đếm được của bộ counter có giá trị từ 0 - 65535 khi tràn bộ đếm lại quay trở về 0 . Xung đếm này được đưa vào khối QEP clock ,Khối QEP clock làm nhiệm vụ tính toán số xung đếm và chiều quay trong một chu kỳ lấy mẫu ( 0,001s) .Nếu chiều thuận thì đầu ra delta clock mang giá trị dương ,và chiều ngược thì mang giá trị âm và trị tuyệt đối của nó là số xung đếm trong một chu kỳ .Giá trị delta clock này được đưa qua hai khối riêng biệt để xác định vị trí và tốc độ động cơ.Việc xác định tốc độ động cơ được thực hiện theo công thức (3.4) Kết quả thực nghiệm Trường hợp khi tín hiệu đặt vị trí là 100mm từ vị trí gốc (0 mm) Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (s) S p e e d ( R P M ) 19 20 21 22 23 24 25 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Time (s) S p e e d ( R P M ) Hình 3.35 Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là 100mm Tốc độ đo được khi chạy thực Hình 3.36 Đáp ứng tốc độ khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là 100mm 115 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time(s) P o s iti o n (m m ) Hình 3.37 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là 100mm Đáp ứng vị trí khi chạy thực Hình 3.38 Đáp ứng vị trí khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là 100mm Ghi chú :Các khối Scope khi chạy mô phỏng có đơn vị các trục là đơn vị chuẩn .Ví thời gian (Time) có đơn vị là giây(s) ,Tốc độ (Speed) là vòng/phút (RPM) , vị trí (Position) là mm .Còn khi chạy thực do đây là vector scope nên các đơn vị trục tung phụ thuộc vào tốc độ Frame ( do trong khi truyền thông cần 116 giảm mẫu phù hợp với tốc độ truyền thông của thiết bị ) .Cụ thể đơn vị thời gian là 10s (0,1 tương sứng với 1s) . Nhận xét : - Hệ thống không có sai lệch tĩnh .Đáp ứng vị trí bám sát với tín hiệu đặt là 100 mm - Thời gian tăng tốc đến 3000(V/P) là 0,7s và giảm tốc là 3,5s - Thời gian đáp ứng vị trí 100mm là 22s - Không có quá điều chỉnh - Đáp ứng vị trí và tốc độ khi thực nghiệm và mô phỏng là hoàn toàn giống nhau Tương tự với các trường hợp khác Trường hợp khi tín hiệu đặt vị trí là -100mm từ vị trí gốc (0 mm) Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 Time (s) S p e e d ( R P M ) 19 20 21 22 23 24 25 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 Time (s) S p e e d ( R P M ) Hình 3.39 Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là -100mm Tốc độ đo được khi chạy thực Hình 3.40 Đáp ứng tốc độ khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là - 100mm 117 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Time (s) P o s iti o n (m m ) Hình 3.41 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là -100mm Đáp ứng vị trí khi chạy thực Hình 3.42 Đáp ứng vị trí khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là -100mm 118 Trường hợp khi tín hiệu đạt là hàm nhẩy bậc Đáp ứng vị trí khi mô phỏng 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 3.43 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng với giá trị đặt là tín hiệu nhẩy bậc Đáp ứng vị trí khi chạy thực Hình 3.44 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng với giá trị đặt là tín hiệu nhẩy bậc Như vậy quá các lần chạy thử nghiệm ta có thể dễ dàng thấy được là đặc tính mô phỏng gần như trùng khít hoàn toàn với đặc tính điều khiển thực . Các 119 lần chạy thử nghiệm và mô phỏng đếu thực hiện với chu kỳ lấy mẫu ở mạch vòng tốc độ là 0,001s và mạch vòng vị trí là 0,1s .Thời gian lấy mẫu nhỏ hơn thì có thể hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn tuy nhiên sẽ gây sai số nhiều trong đo lường làm cho kết quả đáp ứng có thể không chính xác .Mạch vòng vị trí là khâu P với hệ số Kp = 400 và mạch vòng tốc độ là khâu PI với Kp=0,05 và Ki =0,08 . Kết quả thực nghiệm đã có kết quả rất chính xác so với mô phỏng nhưng có một vấn đề vẫn cần phải nhấn mạnh ở đây là việc thực hiện bộ điều khiển trên matlab có thể chạy được nhưng chưa chắc đã chạy được trên nền tảng một vi xử lý bất kỳ .Điều này không có nghĩa là lý thuyết điều khiển không đúng mà là do chỉ lý thuyết điều khiển và mô phỏng thôi là chưa đủ .Chúng ta còn phải quan tâm đến năng lực tính toán và các phép toán xử lý số học trên vi xử lý vì điều này trên matlab và các hệ vi xử lý độc lập thông thường là khác nhau .Đôi khi sự bất cẩn trong việc thực hiện các bộ điều khiển số có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống ( ví dụ như hiện tượng tràn dữ liệu hay khi thực hiện các phép toán có thể làm đáp ứng bị ngược lại so với mong muốn) . 120 KẾT LUẬN Sau 12 tuần , với sự nỗ lực của bản thân và sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn ,các bạn ,và sự chỉ bảo tận tình thầy giáo – TH.S Phạm Tuấn Anh em đã cơ bản hoàn thành đồ án với các nội dung đã đặt ra . Bài báo cáo một lần nữa nói lên những ưu điểm của bộ điều khiển số , sự ứng dụng rộng rãi của các hệ thống điều khiển số trong mọi lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội và công nghiệp. Giúp cho chúng ta hiểu hơn về cấu trúc của một bộ điều khiển số ,bản chất của các khâu ADC, DAC … Nội dung quan trọng hơn và cũng là nội dung chủ đạo của đồ án này là đã trình bày một cách khá chi tiết việc thực thi một bộ điều khiển sử dụng phần mềm matlab - một phần mềm được biết đến khá phổ biến trong lĩnh vực điều khiển với tư cách là mộ phần mềm tính toán , mô phỏng – và một họ vi xử lý rất mạnh sử dụng rộng rãi để điều khiển số động cơ ,năng lượng … là DSP TMS320F2812 bao gồm việc phần cứng ( động lực + điều khiển ) và phần mềm điều khiển . Để từ đó chứng minh một cách trực quan về tính đúng đắn của các lý thuyết điều khiển trên cơ sở so sánh các kết quả mô phỏng (trên matlab) và thực nghiệm ( trên một họ vi xử lý độc lập ) . Tuy đã bước đầu thành công trong việc thực hiện các bộ điều khiển số trên nền tảng một vi xử lý cụ thể ,xong mới dừng lại ở mức độ đơn giản ,chưa ứng dụng được các lý thuyết điều khiển hiện đại .Đối tượng điều khiển mới chỉ sử dụng động cơ DC servo tức là chưa khai thác được nhiều tài nguyên của Matlab và DSP TMS320F2812 .Do trình độ và thời gian có hạn nên những nội dung này em chưa thực hiện được và đây sẽ là hướng phát triển tiếp theo của đề tài . Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án do kiến thức có hạn ,khả năng lĩnh hội các kiến thức mới còn hạn chế nên nội dung báo cáo còn nhiều thiếu sót em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô .Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Phạm Văn Khánh 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Văn Doanh - Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Nguyễn Doãn Phước ,Lý thuyết điều khiển tuyến tính , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [3] PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [4] PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2009), Bài giảng Điều khiển số Tiếng Anh [5] eZdspTM F2812 Reference Technical - SPECTRUM DIGITAL – 2003 [6] TMS320C2812 Digital Signal Processors Data Manual – Texas Intrument [7] Code Composer StudioDevelopment Tools v3.3 Getting Started Guide – Texas Intrument [8] Embedded IDE Link™ 4 User’s Guide – Texas Intrument [9] Roland S. Burns (2001), Advanced control engineering, Butterworth – Heinemann [10] DEVELOPMENT OF A MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM USING MATLAB AND SIMULINK, IMPLEMENTED WITH A DIGITAL SIGNAL PROCESSOR - ANDREW KLEE B.S. University of Central Florida, 2003 [11] TMS320F2812 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR IMPLEMENTATION TUTORIAL – Texas Intrument [12] RH DC servo catalog [13] VisSim™ Embedded Controls Developer [14] Target for TI C2000 – mathworks Một số trang WED [15] www.mathworks.com/ [16] 122 PHỤ LỤC 1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BOARD EZDSP F2812 123 124 125 126 127 PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH MFILE MATLAB clc Tw=0.001; Tp=0.1;%Hang so thoi gian khau phan hoi toc do %Thiet ke bo dieu khien cho dong co dien mot chieu %----------Nhap cac thong so----------------- Ra=2.7;%[ohm]-dien tro phan ung La=1.1e-3%[H] f=30000%675;%[Hz]-tan so bam xung Tf=1/f; Ta=La/Ra; Kcs=23/2500;2500 la gia tri period cua bo counter PWM,23 la dien ap nguon Kt=5.76; Kb=0.6; Bf=1.5e-1; J=81.6e-3; %__________________________________________________________________________ disp('Ham truyen dong phan ung') Gsa0=tf(1/Ra,[Ta 1]) disp('Ham truyen momem') Gsa1=Kt disp('Ham truyen bo bien doi cong suat') Gsbd=tf(Kcs,[Tf 1]) disp('Ham truyen toc do') Gstd=tf(1,[J Bf]) %Gsa2=N(s)/T(s) ham truyen toc do disp('anh huong sdd phan ung kb=') Gsafb=Kb% He so back E.M.F Gsaopen=Gsa0*Gsa1*Gstd disp('Ham truyen doi tuong') disp('Bieu dien bang toan tu Laplace (S)') Gsaclose=feedback(Gsaopen,Gsafb)*100%Ham truyen dat co phan hoi E.M.F %++++++++++++Khao sat doi tuong+++++++++++++++++++ disp('Bieu dien bang toan tu Z') Gsaz=c2d(Gsaclose,Tw,'zoh')%chuyen mo hinh dong co sang mien Z [numgaz,dengaz]=tfdata(Gsaz,'v') disp('Bieu dien dang DSP (Z^-1') Gsaz1=filt(numgaz,dengaz,Tw)%Bien ham truyen Motor ve dang Z^(-1) %__________________________________________________________________________ disp('___________________________________________________________________') disp('Ham truyen s phan hoi mach toc do') Gsphw=tf(1,[Tw 1]) disp('Ham truyen tren mien z') Gsphwz=c2d(Gsphw,Tw,'zoh') disp('chuyen sang z^-1') [numGsphwz,denGsphwz]=tfdata(Gsphwz,'v'); Gsphwz1=filt(numGsphwz,denGsphwz,Tw) disp('Ham truyen s doi tuong mach toc do') Gsw=Gsaclose*Gsbd disp('Ham truyen tren mien z') Gswz=c2d(Gsw,Tw,'zoh') disp('chuyen sang z^-1') [numGswz,denGswz]=tfdata(Gswz,'v'); Gswz1=filt(numGswz,denGswz,Tw) 128 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ...................... 3 1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ...................................... 3 1.1.1 Khái quát chung về điều khiển số ...................................................... 3 1.1.2 Cấu trúc của một hệ thống điều khiển số............................................ 4 1.1.3 Một vài hệ thống ứng điều khiển số trong thực tế .............................. 5 1.2 MÔ HÌNH TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG................................................... 11 1.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển số ....................................................... 11 1.2.2 Mô hình khâu ADC ......................................................................... 12 1.2.3 Mô hình khâu DAC ......................................................................... 13 1.2.4 Hàm truyền của khâu chậm bậc không (ZOH)................................. 14 1.2.5 Kết hợp hàm truyền của các khâu DAC, hệ thống con Analog và Khâu ADC................................................................................................ 15 1.2.6 Hàm truyền vòng kín của hệ thống .................................................. 17 1.2.7 Mô hình nhiễu trong hệ thống điều khiển số .................................... 18 1.3 ĐIỀU KHIỂN SỐ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN............................................. 19 CHƯƠNG 2. DSP TMS320F2812 VÀ CÁC CÔNG CỤ HỖ TRỢ PHÁT TRIỂN ............................................................................................................. 24 2.1 CẤU TRÚC DSP TMS320F2812............................................................ 24 2.1.1 Giới thiệu chung .............................................................................. 24 2.1.2 Cổng vào ra số ( Digital I/O ) .......................................................... 27 2.1.3 Chuyển đổi tương tự số ( ADC)....................................................... 36 2.1.4 Hệ thống ngắt F2812 ....................................................................... 44 2.1.5 Modul quản lý sự kiện (EV )............................................................ 50 2.2 BOARD EZDSP F2812 .......................................................................... 53 2.2.1 Cấu tạo ............................................................................................ 53 2.2.2 Thiết lập chế độ hoạt động của board mạch với các Jumper............. 55 129 2.3 CÁC MÔI TRƯỜNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ PHÁT TRIỂN DSP C200058 2.3.1 Sử dụng trình biên dịch CCS ........................................................... 58 2.3.2 Sử dụng môi trường lập trình đồ họa ViSsim................................... 59 2.3.2 Matlab và gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000 ........... 62 2.4 SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ TẠO MÃ LỆNH VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TỪ DSP TMS320F2812 ..................................................................................... 63 2.4.1 Sử dụng thư viện tic200lib.............................................................. 63 2.4.2 Các khối thư viện............................................................................. 68 CHƯƠNG 3. THỰC HIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ SỬ DỤNG DSP TMS320F2812 ................................................................................................. 80 3.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 80 3.1.1 Đối tượng điều khiển ....................................................................... 80 3.1.2 Thiết bị đo lường ............................................................................. 84 3.1.3 Thiết bị điều khiển........................................................................... 90 3.2 THỰC HIỆN CÁC CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN....................................... 99 3.2.1 Các cấu trúc điều khiển.................................................................... 99 3.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng offline................................. 104 3.2.3 Điều khiển realtime với DSP F2812 .............................................. 111 KẾT LUẬN.................................................................................................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 121 PHỤ LỤC 1 ................................................................................................... 122 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................... 127