Ứng dụng thiết bị xử lý tín hiệu số trong điều khiển hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 317 ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP APPLICATION OF THE DIGITAL SIGNAL PROCESSOR TO THE CONTROL OF ELECTRIC DRIVE SYSTEM USING SEPARATELY EXCITED DC MOTOR Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xử lý tín hiệu số (DSP) đã và đang trở thành một công nghệ tiên tiến. Vì vậy, DSP được ứng dụng mạnh mẽ và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong việc điều khiển tốc độ (có đảo chiều) động cơ 1 chiều. Cụ thể là xây dựng bộ điều khiển PID số trên phần mềm Matlab Simulink, kết nối với hệ dSPACE DS1104, tạo giao diện điều khiển bằng phần mềm ControlDesk để xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng analog thông qua cổng DAC của hệ dSPACE DS1104. Qua đó điều khiển hệ thống truyền động điện thực sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập. ABSTRACT Nowadays, together with the development of science, digital signal processing (DSP) has become an advanced technology. Hence, it has been extensively applied in a wide range of fields. This article deals with some results of research and application of the DSP technology in the DC motor speed control (reversible). The final part of this study is concerned with a design of a digital PID controller on Matlab-Simulink, connecting with dSPACE DS1104, creating the control interface by the ControlDesk software to generate control signal in analog via the DAC connector of dSPACE DS1104. Thereby, we can control a real electric drive system using a separately excited DC motor. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, động cơ điện một chiều vẫn được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật để thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác cao, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Bên cạnh đó, thiết bị xử lý tín hiệu số dSPACE có khả năng xử lý tính toán thời gian thực rất nhanh, nhờ sự tích hợp bộ xử lý tốc độ cao, các giao diện phần cứng phục vụ cho việc giao tiếp giữa hệ thống chương trình điều khiển mềm với đối tượng điều khiển bên ngoài. Hệ dSPACE còn hỗ trợ liên kết lập trình với các ngôn ngữ bậc cao vì vậy người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và có thể chỉ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển. Ví dụ như sử dụng Matlab để lập trình thì sẽ có rất nhiều lợi thế bởi lẽ các thư viện của Matlab rất đồ sộ, không mất nhiều thời gian để lập trình cũng bài toán đó so với các hệ vi điều khiển khác. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng hệ dSPACE nói chung và dSPACE DS1104 nói riêng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 318 đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn. 2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát 2.1. Thiết kế và chế tạo phần động lực 2.1.1. Cơ sở lý thuyết: Hệ truyền động điện T-Đ (Thyristor-Động cơ) cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệ truyền động điện 1 chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng rãi. Tác giả sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh. Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi đấu song song ngược với nhau. Xung điều khiển cùng 1 lúc được đưa vào cả 2 bộ, trong đó có 1 bộ được điều khiển với góc α < π/2, làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ thứ 2 được điều khiển với góc α > π/2, ở chế độ chờ. Sự phối hợp giá trị giữa α1 và α2 (góc mở của 2 bộ biến đổi) được thực hiện theo quan hệ α1 + α2 = 180o. Sự phối hợp này gọi là phối hợp tuyến tính Hình 1. Bộ chỉnh lưu đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh 2.1.2. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển: Từ lý thuyết về bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều, tác giả đã thiết kế mạch trên phần mềm Orcad, kết quả thiết kế như sau +12V R121 4.7k R122 10k 1 2 4 3 ISO23 PC521 +12V_4 1N4007 R123 200 Q50 B772 GND_3 +- ~ ~ D37 DIODE BRIDGE +12V_3 1 2 12VAC 1000uf1 104pf1 Q51 SCR 1 2 3 J45 AC PWR Q52 SCR Out1 G N D _1 L1 GND_4 G N D _3 G N D _3 L3 G N D _2 L2 +- ~ ~ D38 DIODE BRIDGE +12V_4 1 2 12VAC 1000uf2 104pf2 Q53 SCR GND_1 Thy _1 L1 Out1 +12V R46 4.7k R124 10 2W 1 2 4 3 ISO24 PC521 1N4007 +12V_1 R125 200 Q54 B772 R126 4.7k Q55 SCR R127 10k Q56 SCR GND_5 Thy _8 Q57 SCR +- ~ ~ D40 DIODE BRIDGE 1 2 3 4 J47 CON4 +12V_5 1 2 12VAC 1000uf3 104pf3 L2 R128 4.7k 1 2 4 3 ISO25 PC521 R129 10k +12V_1 1N4007 R130 200 Q58 B772 Thy _7 G N D _1 L1 Out4 GND_5 +12V R131 4.7k R132 10 2W 1 2 3 4 J48 CON4 1 2 4 3 ISO26 PC521 +12V_5 1N4007 R133 200 Q59 B772 R134 4.7k Out2 R135 10k L3 R136 4.7k R137 10k GND_5 Thy _9 +12V Out5 R138 4.7k R139 10 2W 1 2 4 3 ISO27 PC521 +12V_5 1N4007 R140 200 Q60 B772 R141 4.7k R142 4.7k R143 10k R144 10k Thy _12 Thy _3 GND_3 GND_2 +12V +12V Out2 R145 4.7k R146 4.7k Out5 R147 10 2W R148 10 2W +12V_3 G N D _2 L2 1 2 4 3 ISO28 PC521 1 2 4 3 ISO29 PC521 +12V_2 1N4007 1N4007 R149 200 R150 200 Q61 B772 Q62 B772 Out3 R151 4.7k R152 10k Thy _11 +12V Out6 GND_5 R153 4.7k Out6 R154 10 2W Out5 Out4 1 2 4 3 ISO30 PC521 1N4007 +12V_5 Thy _10 GND_2 R155 200 Out4 +12V Q63 B772 R156 4.7k R157 10 2W R158 4.7k 1 2 4 3 ISO31 PC521 R159 10k 1N4007 +12V_2 Thy _8 +12V GND_1 R160 200 Q64 B772 R161 4.7k G N D _3 G N D _3 L3 Out6 R162 10 2W GND_1 +- ~ ~ D7 DIODE BRIDGE +12V_1 1 2 12VAC 1000uf4 104pf4 GND_4 D48 DIODE 10A Thy _9 Thy _2 R163 4.7k R164 10k Thy _6 +12V Thy _1 GND_4 R165 4.7k Out2 R166 10 2W 1 2 4 3 ISO32 PC521 +12V_4 1N4007 R167 200 1 2 J46 CON2 Q65 B772 Thy _3 Thy _10 Q66 SCR Thy _11 Q67 SCR Q68 SCR Q69 SCR Q70 SCR Q71 SCR GND_5 D50 DIODE 10A Thy _7 +12V Thy _4 Thy _5 Thy _12 GND_2 +- ~ ~ D51 DIODE BRIDGE +12V_2 1 2 12VAC 1000uf11 104pf11 R168 4.7k Thy _6 R169 10k Thy _5 +12V Out3 GND_3 R170 4.7k R171 10 2W 1 2 4 3 ISO33 PC521 1N4007 +12V_3 GND_4 Thy _4 R172 200 +12V Out1 Q72 B772 R173 4.7k R174 10 2W R175 4.7k 1 2 4 3 ISO34 PC521 R176 10k 1N4007 Thy _2 +12V +12V_4 GND_4 R177 200 Q73 B772 R178 4.7k Out3 R179 10 2W a. b. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 319 Hình 2. Sơ đồ mạch điều khiển a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng 2.1.3. Board mạch điều khiển thực tế: Hình 3. Board mạch thực tế sau khi tiến hành lắp mạch a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng 2.1.4. Mô hình phần động lực hoàn chỉnh: Tác giả đã sử dụng động cơ 1 chiều cho phần động lực với các thông số kỹ thuật chính như sau : Pđm=750; Công suất định mức của động cơ 1 chiều kích từ độc lập Uưđm=180; Điện áp định mức của động cơ Iưđm=5; Dòng điện định mức của động cơ Uktđm=100; Điện áp kích từ Iktđm=0.3; Dòng kích từ nđm=1800; Tốc độ định mức (vòng/phút) a. D5 LED R13 1k D6 LED R14 1k R15 POT J54 CON3 1 2 3 +12V R16 POT -12V D7DIODE D8 DIODE D1 DIODE D2DIODE C4 104 J50 CON3 1 2 3 C5 104 +12V C2 1000u C1 1000u +12V J49 input 1 2 -12V - + U1A LM324 3 2 1 4 11 - + U1B LM324 5 6 7 4 11 - + U1C LM324 10 9 8 4 11 - + U1D LM324 12 13 14 4 11 -12V +12V D3 DIODE D4 DIODE R9 10k R10 10k R11 10k R12 10k J51 output 1 2 +12V 2.2k UdkR27 4k7~select out1 10 0k 5 Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND 1 Q2 2 QU3 Q14 Vsy nc5 I6 QZ7 Vref8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U8 TCA 785 1N5 0.47uf5 0.1uf5 47nf5150pf5 22k out4 2.2uf5R28 10k Vsy nc1 out2 C3 CAP NP select out3 out4 1 2 J51 CON2 ~select out5 +12V 2.2k UdkR29 4k7~select C4 CAP NP 10 0k 6 out6 Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND 1 Q2 2 QU 3 Q1 4 Vsy nc 5 I 6 QZ 7 Vref 8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U9 TCA 785 1N6 0.47uf6 0.1uf6 47nf6150pf6 22k out5 2.2uf6R30 10kVsy nc2 +12V 2.2k UdkR31 4k7~select 10 0k 7 Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND1 Q22 QU3 Q14 Vsy nc5 I6 QZ7 Vref 8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U10 TCA 785 1N7 0.47uf7 0.1uf7 47nf7150pf7 22k 1 2 3 J50 CON3 out6 2.2uf7R33 10kVsy nc3 +12V +12V Vsy nc2 +12V 2.2k UdkR23 4k71 2 18VAC select 10 0k 1 Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND 1 Q2 2 QU 3 Q1 4 Vsy nc 5 I 6 QZ 7 Vref 8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U3 TCA 785 1N1 0.47uf1 47nf10.1uf1 22k 150pf1 out2 2.2uf1R24 10k IN 1 OUT 3 G N D 2 U7 7805 Vsy nc3 +12V 2.2k UdkR25 4k71 2 18VAC select 22k 10 0k 3 Udk Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND1 Q22 QU3 Q14 Vsy nc5 I6 QZ7 Vref 8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U4 TCA 785 1N3 0.47uf3 0.1uf3 47nf3150pf3 22k out3 2.2uf3 C1 1000u R26 10k C2 1000u 22k 1 U10.15 HOLE 1 U10.16 HOLE 1 U10.1 HOLE 1 U10.2 HOLE 1 2 J49 CON2 +12V +12V 2.2k 1 2 3 J26 SW UdkR22 4k7 1 2 18VAC - + D54 DIODE BRIDGE +12V 1B1 2B2 3B3 4B4 5B 5 6B 6 7B 7 1C 16 2C 15 3C 14 4C 13 5C 12 6C 11 7C 10 COM 9 U11 ULN2003A select 10 0k Q1 14 Q2 15 Vs 16 R9 9 GND 1 Q22 QU3 Q14 Vsy nc5 I6 QZ7 Vref8 L 13 V11 11 C12 12 C10 10 U2 TCA 785 1N4007 0.47uf 0.1uf 47nf150pf 22k out1 2.2uf 10k R20 10k Vsy nc1 1 2 3 4 J52 CON4 1 2 3 4 J53 CON4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 320 Tác giả đã kết nối mạch điều khiển với động cơ, từ đó có được mô hình phần động lực hoàn chỉnh sau đây : Hình 4. Mô hình phần động lực 2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID số trên Matlab-Simulink 2.2.1. Cơ sở lý thuyết: Trong phạm vi bài báo, tác giả chỉ sử dụng hệ thống truyền động một vòng kín (mạch vòng tốc độ). Vì Tư << Tc nên tích số Tu.Tc rất bé nên có thể bỏ qua thành phần này trong hàm truyền của động cơ, ta có : 1pcT 2pcTuT dcK(p)dcW ++ = ⇒ ( ) 1pcT dcKpdcW +≈ tức là ta xem động cơ là khâu quán tính bậc 1 Ta có hàm truyền của đối tượng như sau : ( ) ( )( )1pT1pcT K pS ++= ∑ Sử dụng nguyên lý tối ưu Modul, chọn bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau: Gc(p) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += pT 1 1K I P p I P K K += Rời rạc hoá bằng biến đổi z, ta có được bộ điều khiển PI số có hàm truyền như sau : Gc(z) 1z AzA 10 − += với 2 TK KA Ip0 += và 2 TK KA Ip1 +−= 2.2.2. Xây dựng bộ điều khiển PI số trên Matlab-Simulink: Sau khi đã lắp đặt card dSPACE DS1104 vào phần cứng máy tính, dựa vào cơ sở lý thuyết về PID số và thư viện của dSPACE DS1104 tác giả đã thiết kế được bộ PI số trên Matlab-Simulink để chuẩn bị kết nối, điều khiển mô hình hệ T-Đ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 321 Hình 5. Bộ PI số (có đảo chiều) được xây dựng trên Matlab-Simulink 2.3. Thiết kế giao diện bằng ControlDesk Chạy biểu tượng dSPACE ControlDesk trên màn hình của máy tính, tiến hành thiết kế giao diện bằng ControlDesk. Sau khi thiết kế, tác giả có được giao diện điều khiển như sau : Hình 6. Giao diện điều khiển trên ControlDesk 2.4. Kết nối mô hình hệ T-Đ với dSPACE DS1104 Mô hình hệ T-Đ kết nối với card dSPACE DS1104 thông qua Expansion Box (được nối với phần cứng máy tính qua cổng PCI) Hình 7. Expansion Box Tín hiệu số sau khi qua bộ điều khiển sẽ có giá trị từ -1 đến 1, sau khi qua xử lý TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 322 sẽ xuất tín hiệu có giá trị từ -10V đến 10V thông qua cổng DAC1 trên Expansion Box. Từ DAC1, qua dây cáp đồng trục chống nhiễu sẽ đưa thẳng tín hiệu -10V đến 10V (U điều khiển) vào mạch điều khiển. 0V 10V : Động cơ quay thuận -10V → 0V : Động cơ quay ngược Encoder phản hồi về thông qua cổng ENC_POS_C1 Tác giả dùng các chân gồm : Chân 1,9 : VCC (+5V) Chân 2 : signal A, Chân 4 :signal Chân 11 : GND 3. Kết quả và đánh giá Nạp chương trình từ Simulink xuống card DSP bằng cách nhấn Ctrl+B. Sau khi nạp chương trình xong, mở giao diện điều khiển trên ControlDesk, chuyển sang chế độ Animation Mode để điều khiển động cơ. Kết quả điều khiển động cơ cho cả 2 chế độ chạy thuận và chạy ngược như sau : Hình 9. Động cơ ở chế độ chạy thuận Hình 10. Động cơ ở chế độ chạy ngược Kết quả thực nghiệm cho thấy, thông qua bộ PID số, tốc độ động cơ thực tế ở cả Hình 8. Sơ đồ chân cổng ENC_POS_C1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 323 2 chế độ thuận, ngược đều đạt giá trị sát với tốc độ đặt và động cơ đạt trạng thái ổn định nhanh. 4. Kết luận Dựa vào các kết quả của mô hình thực nghiệm, kết luận được rằng hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập dùng thiết bị xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104 có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng, ổn định được tốc độ động cơ, đồng thời thời gian quá độ khi điều chỉnh ngắn, động cơ đạt được trạng thái xác lập rất nhanh. Từ đó cho ta thấy rằng, với sự phát triển của các vi mạch số, các bộ điều khiển số có thể thay thế được các bộ điều khiển tương tự trong các hệ thống truyền động điện. Việc kết nối các hệ thống dùng bộ điều khiển số với máy tính dễ dàng mở rộng khả năng giám sát hệ thống khi làm việc. Ngoài ra, ta cũng thấy rằng việc xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab- Simulink phù hợp cho giai đoạn phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế, giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển. Việc mô phỏng thời gian thực giúp cho việc kiểm nghiệm các mô hình đã thiết kế làm việc với thời gian thực để chọn ra được các thông số tối ưu cho bộ điều khiển khi sản xuất mạch phần cứng. Mô hình thực nghiệm đã xây dựng cũng tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho các đối tượng khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] PGS-TS Đoàn Quang Vinh, Giáo trình Điều khiển số, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [3] Nguyến Phùng Quang (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [4] dSPACE Systems, First Work Steps , For Release 6.0(6.1), November 2007. [5] dSPACE Release, Quick Software Installation Guide, For Release 6.1, March 2008. [6] DS1104 R&D Controller Board, Hardware Installation and Configuration, For Release 5.2(6.1), December 2006.