Ứng dụng vi điều khiển atmega 16 thiết kế chế tạo bộ điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP KS. TRẦN HOÀI LINH TS. NGUYỄN HỒNG QUANG 1.Đặt vấn đề: Ngày nay công nghệ số đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong mọi nghành của khoa học kỹ thuật. Ở các nước công nghiệp, truyền động điện đã ứng dụng rất thành công công nghệ này với những ưu việt hơn so với phương pháp điều khiển tương tự truyền thống như: - Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động. - Độ chính xác cao. - Có khả năng chống nhiễu tốt. - Dễ dàng tự động hoá. Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay đổi các tham số bằng chương trình phần mềm, các hệ thống vi điều khiển được thiết kế và chế tạo tin cậy sẽ tạo ra những bộ điều khiển linh hoạt, phù hợp với từng đặc điểm của hệ điều khiển tự động và tình hình sản xuất của nước ta hiện nay. Tuy nhiên ở nước ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ một chiều hiện đại (DC motor Drive), chất lượng cao hiện nay đều phải nhập hoàn toàn từ nước ngoài. Nhưng thực ra nếu áp dụng tốt các nguyên lý về điều khiển số và vi xử lý, chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo ra những bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tương đương. Dưới đây là ví dụ đầy đủ thiết kế mà chúng tôi đã thực hiện với đối tượng điều khiển là một động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có tải giả. 2. Thực nghiệm nhận dạng đối tượng điều khiển: Từ trước đến nay khi tổng hợp các hệ truyền động nhiều thông số người ta thường phân hệ thành cấu trúc nhiều mạch vòng có các bộ điều chỉnh nối theo cấp. Do đó việc xác định được các tham số của đối tượng điều khiển (mà không phải nhà sản xuất nào cũng cung cấp) là tất yếu. Thông thường đối động cơ điện một chiều nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông số cơ bản: Uưđm, Iưđm, Pđm, đm. Tuy nhiên để tổng hợp và mô phỏng hệ chúng ta cần phải biết thêm một số tham số khác như: Điện trở phần ứng (Rư), Điện cảm phần ứng (Lư), Mômen quán tính của rôto (J), Hằng số mômen (Km), Mômen tổn hao theo tốc độ (B). Đây là các tham số động nên để xác định được cần phải thí nghiệm nhiều lần và lấy giá trị trung bình. Có nhiều phương pháp thực nghiệm hay các công thức lý thuyết gần đúng để tính chúng. Ở đây tác giả kết hợp cả hai phương pháp này xác định được: - Hằng số mômen Km=0,138(Nm/A) - Mômen tổn hao theo tốc độ B: B = 3,38,10-5(Nm/rad) Với B là tổng sự suy giảm tương đương (the total equivalent damping). - Điện trở phần ứng Rư= 5,9(W) - Điện cảm phần ứng Lư= 3,54(mH.) - Mômen quán tính của rôto J»5,10-5kgm2 - Hằng số thời gian điện và hằng số thời gian cơ: Tư=0,6ms; Tc=15,5ms * Mô hình toán học động cơ một chiều kích từ độc lập: 2. Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển: Sau khi nhận dạng đầy đủ các thông số của động cơ (đối tượng điều khiển) thay vào sơ đồ cấu trúc mô tả toán học động cơ rồi chạy mô phỏng trên Matlab Simulink: Đối tượng điều khiển là động cơ có công suất nhỏ nên tác giả chọn hệ điểu khiển với mạch vòng tốc độ (phản hồi âm tốc độ). * Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Sơ đồ cấu trúc: Tổng hợp theo phương pháp module đối xứng thì bộ điều chỉnh có dạng PID:R (p)= + + = 3,44 + + Mô phỏng Simulink: Trên thực tế trong hệ chỉ có bộ điều chỉnh (được thực hiện bởi vi điều khiển) là xử lý tín hiệu số. Nên khi mô phỏng trên simulink chỉ cần số hoá bộ điều chỉnh dùng phương pháp đổi biến Tustin: p=, trong đó thời gian cắt mẫu T tương ứng với mạch vòng tốc độ là: T=0,01s. Một cách khác là có thể dùng luôn bộ PID hay PI số có sẵn trong thư viện Simulink. Các đặc tuyến tốc dòng quá độ sau khi số hoá bộ điều chỉnh về cơ bản giống như analog nhưng độ chính xác giảm và chậm hơn do ảnh hưởng của thời gian cắt mẫu: Rõ ràng là kết quả này là chưa được như mong muốn vì thế cần hiệu chỉnh lại các tham số bộ điều chỉnh. Kết quả bộ điều chỉnh chỉ cần là PI với Kp=2,66 ; Ki=130 , Kd=0. Như vậy sau khoảng 0,1 giây tốc độ động cơ đã ổn định ở giá trị đặt, quá độ điều chỉnh có hơi lớn do sai số tính toán và đồ thị dòng điện tuy chưa lý tưởng nhưng cũng tương đối đúng. 3. Tính toán thiết kế hệ thống: Mặc dù những phương pháp tổng hợp các bộ điều chỉnh chưa thật hoàn thiện, đã tính gần đúng hoặc không xét tới ảnh hưởng của các tham số có trị số nhỏ một cách tương đối. Những giá trị nhận dạng về đối tượng điều khiển cũng không thật chính xác cùng với việc bỏ qua tác động của môi trường xung quanh mà từ đó tìm ra được thông số tối ưu cho bộ điều chỉnh. Tuy nhiên việc tính toán tổng hợp gần đúng có giá trị to lớn trong định hướng thiết kế cũng như trong chỉnh định vận hành hệ thống sau này. a. Mạch công suất: Để thuận tiện khi thử nghiệm và kinh tế thì việc chọn BBĐ sau là hợp lý nhất: Do động cơ thí nghiệm nhỏ, điện cảm phần ứng bé nên để san phẳng dòng hơn nữa thì việc thêm cuộn kháng L là cần thiết. Điện trở phản hồi dòng R=0,47W và P=10W. Dòng điện và điện áp phần ứng nhỏ (2,2A-52V), tác giả có sẵn thyristor 80A-600V nên có thể bỏ qua công đoạn làm mát và bảo vệ (Nhưng nếu độc giả chưa có sẵn thì phải tính toán theo phương pháp thông thường). Giả sử với động cơ nhỏ và điện áp lưới điện khá ổn định nên cũng không cần tính đến góc dự trữ, chỉ cần trừ đi điện áp rơi trên các phần tử: van, R, L, biến thế là có thể tính toán thiết kế được máy biến áp lực. b. Mạch điều khiển: Lấy vi điều khiển ATMEGA 16 làm trung tâm, bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đặt và phản hồi, xử lý (thực hiện luật điều khiển) rồi đưa ra lệnh điều khiển động cơ theo chức năng mong muốn. Đó là các chức năng cơ bản mà bất cứ bộ điều khiển nào cũng có. Và thực tế hầu hết các bộ điều khiển DC motor của các hãng lớn trên thế giới đều có chức năng như nhau, họ chỉ cạnh tranh ở độ tin cậy, giá thành và phần mềm tiện ích giao diện với người sử dụng, * Chức năng điều khiển: người vận hành có thể thực hiện điều khiển theo 3 cách: 1. Điều khiển tại chỗ nhờ Panel (hộp điều khiển có các nút ấn và màn hình hiển thị LCD); 2. Điều khiển từ xa qua các đầu vào/ ra, số/tương tự (từ bàn máy); 3. Điều khiển, giám sát bằng máy vi tính (qua cổng COM). - Bật tắt bộ biến đổi - Chạy và dừng động cơ - Điều chỉnh tốc độ - Đảo chiều quay - Chạy nhắp - Dừng khẩn cấp * Chức năng kiểm tra giám sát và bảo vệ: - Hiển thị các tham số như: tốc độ, dòng điện, điện áp… - Tín hiệu báo trạng thái đang hoạt động của động cơ - Các tín hiệu bảo vệ động cơ: quá dòng, quá áp, quá tải… * Để giao tiếp với nhiều khối chức năng đồng thời thực hiện được luật điều khiển tác giả sử dụng hai vi điều khiển ATMEGA 16, một master và một slave. Slave làm nhiệm vụ giao tiếp và hiển thị: nhận các tín hiệu đặt từ máy tính và phản hồi một mặt hiển thị (lên LCD), mặt khác truyền các dữ liệu đó và tốc độ phản hồi sang cho master. Master nhận các dữ liệu này cùng tín hiệu đồng bộ thực hiện luật điều khiển (trong các bộ điều chỉnh) rồi đưa ra xung điều khiển bộ biến đổi. - Tín hiệu tốc độ lấy từ encoder: slave sẽ đếm số xung nhận được trong một đơn vị thời gian, từ đó suy ra vận tốc thực của động cơ. - Tín hiệu dòng điện phản hồi về là tín hiệu tương tự nên phải khuyếch đại rồi qua biến đổi A/D trong slave thành tín hiệu số. Mặt khác động cơ có đảo chiều nên giá trị phản hồi có hai dấu. Do đó trước khi đưa về vi điều khiển cần qua các bộ chỉnh lưu. Mạch phản hồi dòng cần phải nhận biết được thời điểm dòng về 0 để đảo chiều. Ở các mạch chỉnh lưu dùng diode thông thường thì tín hiệu dòng phản hồi về chuyển thành áp sẽ bị rơi trên mạch chỉnh lưu một khoảng (0,7V), do đó khi dòng còn nhỏ thì kết quả đo thiếu chính xác. Ở đây, tác giả dùng mạch chỉnh lưu dùng IC thuật toán, do vậy có thể đo chính xác được thời điểm dòng về 0. 4. Hệ thống điều khiển trung tâm: a. Vi điều khiển ATMEGA 16: thuộc họ AVR của hãng Atmel, là một dòng vi khiển tích hợp cao với những chức năng cơ bản nhưng rất cần thiết trong những ứng dụng cụ thể. Đó là: 8 kênh biến đổi A/D, 16Kbyte bộ nhớ chương trình, 1Kbyte Ram, 2 bộ định thời, 512 byte EEprom và 21 nguyên nhân ngắt. Với thạch anh 8MHz một chu kỳ máy của nó chỉ mất 0,125us nhanh hơn rất nhiều so với các loại vi điều khiển thông thường. Khi thực hiện các lệnh chủ yếu trong 1 chu kỳ máy, thậm chí với phép nhân cũng chỉ mất 2 chu kỳ. b. Sơ đồ hệ thống: d .Sơ đồ khối bên trong của vi xử lý Master: Thông tin từ Slave được truyền qua cổng RS232 sang cho Master. Trong Master có chương trình phục ngắt truyền thông làm nhiện vụ nhận thông tin và chia thành hai loại: thứ nhất là thông tin đặt và thông tin điều khiển, thứ hai là tốc độ thực của động cơ. Từ đó Master tính toán luật điều khiển PID số, kết quả tính toán được cùng với xung đồng bộ đưa vào chương trình tạo xung điều khiển alpha. e. Sơ đồ bên trong của vi điều khiển Slave: Slave nhận tín hiệu truyền từ máy tính xuống qua cổng COM và xử lý thông tin bằng chương trình xử lý ngắt truyền thông. Cứ sau mỗi 10(ms) Slave lại đếm số xung từ Encoder, tính ra tốc độ động cơ rồi cùng với dữ liệu đặt gửi sang cho Master qua khối chương trình truyền tin. 5. Điều khiển bằng PC: Việc ứng dụng máy vi tính vào điều khiển ở các cấp độ khác nhau được ứng dụng nhiều trong quá trình sản xuất. Với kiểu điều khiển này có ưu điểm là thuận lợi cho người vận hành vì chỉ cần ở nguyên vị trí mà có thể điều khiển và giám sát được một hay nhiều quá trình xảy ra một cách trực quan. Nhưng quan trọng nhất là có thể thành lập cơ sở dữ liệu lưu thành hệ thống những thông tin về quá trình rất chính xác. Động cơ được điều khiển từ máy tính PC thông qua cổng COM (cổng nối tiếp) theo chuẩn RS232. Giao diện được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ 6.0, bao gồm 2 phần: - Phần 1: gồm các nút lệnh điều khiển động cơ (khởi động, dừng, đảo chiều động cơ, cập nhật thông số mới cho bộ điều chỉnh, đặt tốc độ mong muốn). Mỗi lần một nút lệnh được ấn là mỗi lần máy tính gửi thông tin ra lệnh cho vi điều khiển thực hiện, thông tin ấy được đóng gói thành 9 byte cho mỗi lần gửi. Trong đó 2 byte đầu là giá trị tốc độ đặt, 6 byte sau là các giá trị hệ số của bộ điều chỉnh, byte cuối cùng điều khiển chạy và dừng động cơ, Vi điều khiển nhận lần lượt dữ liệu này rồi xử lý. - Phần 2: hiển thị dữ liệu tốc độ và dòng điện trung bình dưới dạng số (đèn led) và đồ thị. Qua các mạch phản hồi dòng và encoder phản hồi tốc độ, hai đại lượng này được số hoá, tính toán đồng thời gửi lên cho máytính. Cứ sau mỗi 10ms vi khiển sẽ gửi lên 8 byte dữ liệu, máy tính sẽ nhận 2 lần, mỗi lần 4 byte theo dạng mã ASCII. 6. Kết luận Như đã đề cập ở trên, thực tế đối tượng điều khiển trong thí nghiệm là một động cơ nhỏ nên có hiện tượng dòng điện phần ứng bị gián đoạn chỉ khi mới tăng góc điều khiển anpha lên. Tuy nhiên với bộ điều chỉnh đã tổng hợp áp vào điều khiển động cơ với chất lượng có thể chấp nhận được. Để cải thiện chất lượng điều khiển có hai phương án như sau: - Một dùng các phương pháp thu hẹp vùng gián đoạn dòng điện để áp dụng bộ điều chỉnh đã tổng hơp, tăng thêm giải điều chỉnh. Để thu hẹp vùng gián đoạn lại có hai khả năng: hoặc là dùng cuộn kháng để tăng thêm điện cảm trong mạch, hoặc là giảm biên độ của điện áp xoay chiều đưa vào chỉnh lưu, khi đó không cần tăng anpha lên quá lớn tránh hiện tượng gián đoạn dòng điện. - Hai là dụng lôgic mờ nhằm tuyến tính hoá đặc tính vùng gián đoạn một cách tương đối. Khi đó hoàn toàn có thể điều khiển động cơ trong vùng gián đoạn này.Đây mặc dù là thí nghiệm với phần cứng đơn giản dễ thực hiện nhưng nguyên lý điều khiển là hoàn toàn cơ bản và đúng đắn. Để thực hiện được đầy đủ các chức năng chính của một bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập cũng như điều khiển được kích từ thì cần phải tăng thêm khả năng và tốc độ xử lý của vi điều khiển trung tâm cũng như các mạch phụ trợ khác mà thôi. 7. Acknowlegement The authors gratefully acknowledge the receipt of a grant from the Flemish Interuniversity Council for University Development cooperation (VLIR UOS) which enabled them to carry out this work. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] . Frank, Benjamin C. (1995).Feedback control of dynamic system. Third Edition. Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall Inc. [2]. Messner, William, Tilbury, Dawn, (1999). Control Tutorials for MATLAB® and Simulink: A Web-Based Approach: 1/e. Regents of the University of Michigan (2002) [3] Bishop, Robert H., Dorf, Richard C. (2001). Modern Control Systems Ninth Edition. Upper Saddle River, New Jersey, Prentice-Hall Inc. [4] Atmel coporation, Atmega 16 Datasheets,