Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 45 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG DSP Trần Đức Chuyển*, Nguyễn Đức Điển Tóm tắt: Trong bài báo này, các tác giả trình bày một giải pháp logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP trên cơ sở đề cấp đến vấn đề thiết kế các bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thông qua Matlab - Simulink và card Dspace 1104 để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển mờ đem lại chất lượng điều khiển tốt hơn bộ điều khiển PID, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điều khiển, không có độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ ngắn cùng một lúc. Hệ thống điều khiển này có ưu điểm gọn nhẹ, làm việc an toàn, tin cậy, độ chính xác cao, xử lý nhiều dữ liệu của hệ thống một cách đồng thời và nhanh chóng. Từ khóa: Điều khiển động DC; Điều khiển logic mờ; Cạc DSP 1104; Điều khiển động cơ DC dùng DSP. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, cùng với sự phát triển ngày càng cao của kỹ thuật vi xử lý và máy tính, hệ truyền động điện số ngày càng được ứng dụng rộng rãi và dần thay thế cho hệ truyền động điều khiển tương tự. Bộ điều khiển kinh điển PID cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động các hệ thống chuyển động chính xác bao gồm: điều khiển tốc độ và vị trí các tay máy rôbốt công nghiệp, móc sản xuất, máy công cụ CNC, ..v.v... Ưu điểm của bộ điều khiển PID là có cấu trúc đơn giản và dễ dàng thực hiện. Trong quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển, đặc biệt là các hệ điều khiển chuyển động của máy luôn có sự xuất hiện của ma sát, đàn hồi, nhiễu. Khi đó, tham số của đối tượng thay đổi, bộ điều khiển PID sẽ không đáp ứng được chất lượng điều khiển. Mặt khác, do yêu cầu ngày càng tăng của thực tế sản xuất như tốc độ, độ chính xác và sự ổn định, nếu chỉ sử dụng bộ PID thì sẽ có nhiều hạn chế thậm chí mất ổn định. Khả năng thích ứng kém, chống nhiễu kém, bộ điều khiển PID không thể đạt được đáp ứng điều khiển nhanh và độ quá điều chỉnh nhỏ. Trong [1] đã sử dụng thiết bị DSP để nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển PID. Kết quả của [1] cho thấy mặc dù thời gian đáp ứng điều khiển nhanh, nhưng còn tồn tại độ quá điều chỉnh cao, chưa đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng điều khiển hiện nay. Nhằm nâng cao chất lượng bộ điều khiển, trong [2] đã sử dụng logic mờ kết hợp với mạng nơron, áp dụng điều khiển cho tốc độ động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Kết quả thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 của [2] cho thấy mặc dù không tồn tại độ quá điều chỉnh nhưng thời gian đáp ứng điều khiển không được cải thiện đáng kể so với phương pháp điều khiển PID. Trong bài báo này, các tác giả sử dụng bộ điều khiển mờ theo luật PI để nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Bộ điều khiển của bài báo đơn giản hơn [2] nên khối lượng tính toán nhanh hơn và vì vậy mà khả năng điều khiển theo thời gian thực sẽ tốt hơn. Kết quả các tác giả thu được có đáp ứng điều khiển nhanh và không tồn tại độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Các tác giả sử dụng phần mềm Matlab - Simulink và thiết bị Dspace 1104 để nhận dạng đối tượng, thiết kế, kiểm chứng thực nghiệm, đánh giá chất lượng của bộ điều khiển, [6, 7]. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Xây dựng mô hình và cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 46 Đối tượng nghiên cứu tác giả sử dụng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều được minh họa như hình 1. Hệ truyền động điện cho động cơ là hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM). Hình 1. Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng hệ truyền động xung áp. Hình 2. Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104. Hệ truyền động điện cho động cơ là hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM). Cấu trúc trúc điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104 như trên hình 2. Trong đó, Dspace 1104 sử dụng kênh đọc encoder để tính toán tốc độ thực của động cơ, xuất xung PWM với tần số 5KHz để cấp cho mạch lực. Giao diện được thiết kế trên phần mềm Control Desk dùng để giám sát, thu thập và điều khiển đối tượng trên máy tính. Thiết bị phần cứng Dspace 1104 là thiết bị điều khiển số do hãng Dspace của Đức sản xuất dựa trên bộ xử lý tín hiệu số DSP dấu phẩy động thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments (Mỹ). Dspace 1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Theo [3], sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 như hình 3. Hình 3. Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 [3]. Hình 4. Mô hình bàn nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ sử dụng thiết bị Dspace 1104. Xây dựng mô hình thực nghiệm: Mục tiêu quá trình thực nghiệm là để chứng minh khả năng làm việc của bộ điều khiển tốc độ làm việc được theo thời gian thực trên cơ sở phương pháp đã đưa ra nhằm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển mờ khi kết hợp với phần cứng chuyên dụng DSP để điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Mô hình thực nghiệm bài báo áp dụng là “Bàn thực nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều” tại xưởng thực hành “Truyền động điện” của khoa Điện, trường Đại học Kinh Tế - Kỹ Thuật Công Nghiệp, bao gồm: Phần cứng Dspace 1104, máy tính nhúng cấu hình cao: Mainboard H110; Bộ vi xử lý/Chip Intel G4400 (3M Cache, 3.30 GHz); Ram 4G; được cài đặt với phần Driver đi kèm của cạc DSP, động cơ một chiều kích từ độc lập: Công suất Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 47 định mức 2,2 kW; điện áp phần ứng định mức 220V; điện áp kích từ định mức 200V; dòng điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 1750 vòng/phút, encoder có độ phân giải cao 1000 xung/vòng; thời gian trích mẫu t = 10-3s, kết hợp các phần mềm chuyên dụng Matlab R2009 trở lên; phần mềm lập trình các thuật toán bằng ngôn ngữ C và CCS (code composer studio); Ngoài ra, còn có hệ thống nguồn công suất, các thiết bị đo lường, ..v.v... như bàn thực hành thực tế ở hình 4. Tiếp theo ta nghiên cứu lập trình kết nối, thiết kế bộ điều khiển, khảo sát, đánh giá các kết quả thực nghiệm với mô hình thực nghiệm đã nêu ở trên, [8, 9, 10]. Nhận dạng mô hình toán hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều: Trước hết ta đi nhận dạng mô hình tính toán hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều được xây dựng chương trình trên Matlab - simulink để thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng như hình 5. Hình 5. Chương trình Simulink thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng. Hình 6. Đáp ứng thực nghiệm thu thập dữ liệu tốc độ động cơ điện một chiều. Chương trình này được biên dịch và được nạp vào thiết bị Dspace 1104 để điều khiển động cơ một chiều thực, với số liệu động cơ như đã cho ở trên. Và kết quả thu thập dữ liệu trên Control Desk như hình 6. Từ dữ liệu thu thập trên hình 6, mô hình toán học của đối tượng có thể xấp xỉ dạng khâu quán tính bậc nhất có dạng, [7]: W(s) 1 K Ts   (1) trong đó: K = 11; T = 0,3185. Quá trình trên thực tế là ta đã đi xây dựng hàm truyền vào ra bằng phương pháp thực nghiệm và sau đó đi nhận dạng tham số của khâu (1) kết quả đạt được như hình 6 ở trên. Thiết kế bộ điều khiển PID: Với đối tượng là động cơ điện một chiều được điều khiển tốc độ, các tác giả lựa chọn khâu điều chỉnh PI. Theo [8], khâu điều chỉnh PI trên miền gián gián đoạn có tính đến chống bão hòa tích phân (phương pháp điều chỉnh ngược trở lại đối với sai số điều chỉnh) có dạng:  ( ) ( ) . ( 1) ( 1)r P c ru k V e k d e k u k     (2) Với ( );ce k d được viết:   1 ( ) ( ) ( ) ( )c c r P e k e k u k u k V    (3) (1 ) I P V d T V   (4) Trong đó: ru - Giá trị điện áp điều khiển thực sự được thực hiện; cu - Giá trị điện áp điều khiển được hiệu chỉnh; e - Là giá trị sai số điều khiển; PV - Hệ số tỉ lệ khâu điều chỉnh PI; IV - Hệ số tích phân khâu điều chỉnh PI. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 48 Theo [8], khâu điều chỉnh PI được xây dựng trên Simulink như hình 7. Hình 7. Khâu điều chỉnh PI trên Simulink. Hình 8. Chất lượng bộ điều khiển PID. Các tham số Vp, VI được chọn trên cơ sở phương pháp thực nghiệm Zeigler - Nichols. Sau khi chọn được tham số Vp, VI, ta tính được tham số Vp và d. Tuy nhiên, do thiết kế theo phương pháp thực nghiệm, nên để nâng cao chất lượng điều khiển: thời gian quá độ ngắn và độ quá điều chỉnh nhỏ, cần hiệu chỉnh thêm hai tham số Vp và d. Bộ tham số hiệu chỉnh tìm được là: VP = 0,01; d = 0,99 (với T = 0,002). Chất lượng bộ điều khiển PI sau khi thiết kế như hình 8. 2.2. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ dùng điều khiển mờ Do đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng, nên tác giả lựa chọn bộ điều khiển mờ theo luật PI. Theo [7], cấu trúc của bộ điều khiển như hình 9. Hình 9. Sơ đồ hệ thống sử dụng BĐK mờ theo luật PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều [10]. Hình 10. Cấu trúc bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào là sai lệch E, đạo hàm sai lệch DE và một tín hiệu ra DU. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ được minh họa như hình 10. Hình 11. Mờ hóa đầu vào E. Hình 12. Mờ hóa đầu vào DE Hình 13. Mờ hóa đầu ra DU. Bảng 1. Bảng luật mờ. Bảng luật mờ được xây dựng như bảng 1. Quan hệ vào ra bộ điều khiển mờ như hình 14. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 49 Các hệ số chuẩn hóa của bộ điều khiển mờ như sau: K1 = 0,02; K2 = 0,005, Ku = 15. Sơ đồ mô phỏng thiết kế trên Simulink điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ được minh họa như hình 15. Hình 14. Quan hệ vào ra bộ BĐK mờ. Hình 15. Cấu trúc bộ điều khiển mờ. 2.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển trên Matlab Simulink như hình 16, hình 17: Hình 16. Đồ thị so sánh đáp ứng tốc độ động cơ của các bộ điều khiển. Hình 17. Đồ thị so sánh sai lệch tốc độ động cơ của các bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng trên cho thấy chất lượng bộ điều khiển mờ tốt hơn bộ điều khiển PID, đạt chỉ tiêu chất lượng: không có độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ ngắn cùng một lúc, lượng ra bám sát lượng vào ở quá trình cân bằng. 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sau khi thiết kế mô phỏng các bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID, ta tiến hành thực nghiệm các bộ điều khiển với thiết bị phần cứng Dspace 1104 như sau: Chương trình điều khiển kết hợp thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ như hình 18 và hình 19. Hình 18. Chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển PID. Hình 19. Chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển mờ. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 50 Kết quả điều khiển thời gian thực với bộ điều khiển PID trên Control Desk với tín hiệu tốc độ đặt là 6 vòng/giây như hình 20. Hình 20. Chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển PID. Hình 21. Chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển mờ. Với bộ điều khiển mờ, kết quả điều khiển thực trên Control Desk khi tín hiệu tốc độ đặt là 6 vòng/giây như hình 21. Hình 22. Điều khiển thực trên Control Desk với bộ điều khiển PID khi tốc độ đặt thay đổi liên tục. Hình 23. Điều khiển thực trên Control Desk với bộ điều khiển mờ khi tốc độ đặt thay đổi liên tục. Khi tín hiệu tốc độ đặt thay đổi liên tục, kết quả điều khiển thực với bộ điều khiển PID như hình 22 và bộ điều khiển mờ như hình 23. Quan sát kết quả điều khiển thực nghiệm các trường hợp điều khiển tốc độ động cơ thông qua Dspace 1104 và phần mềm Control Desk cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển mờ đem lại chất lượng điều khiển tốt hơn bộ điều khiển PID, đạt chỉ tiêu chất lượng thời gian quá độ ngắn và không có độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Hơn nữa, bộ điều khiển tốc độ được được thiết kế có khả năng giữ được tốc độ động cơ ổn định khi thay đổi (tăng hoặc giảm). Đây là một trong những kết quả tốt được minh chứng cho bộ điều khiển đã được thiết kế. 4. KẾT LUẬN Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID và điều khiển mờ trên Matlab - Simulink và kết quả thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 điều khiển động cơ một chiều thực cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển mờ đã nâng cao được chất lượng điều khiển tốc độ động cơ một chiều, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng, đặc biệt là thời gian quá độ ngắn và không có độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Các kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng bộ điều khiển được tính toán, thiết kế trong bài báo hoàn toàn có thể thực hiện trên thực tế trong các máy móc công nghiệp và quốc phòng hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Santi Wangnipparnto, Satean Tunyasrirut, “Simulation of speed control DC motor Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 51 by using DSP board for Electrical Engineering Education”, JSST 2012 International Conference on Simulation Technology, Graduate School of System Informatics - Kobe UniversityGraduate School of System Informatics - Kobe University, (2012). [2]. M. Gokbulut, B. Dandil, and C. Bal., “Development and Implementation of a Fuzzy – Neural Network Controller for Brushless DC Drives”, Intelligent Automation and Soft Computing, vol. 13, No. 4, pp. 423 – 435, TSI Press, (2007). [3]. dSPACE GmbH, “Hardware Installation and Configuration For DS1104 and CP1104/CLP1104 Connector Panels”, System Manual, (2004). [4]. Asif Sabanovic, Leonid M. Fridman and Sarah Spurgeon, Variable Structure Systems from principles to implementation, first published, (2004). [5]. J.J. Slotine and W. Li, “Applied Nonlinear Control”. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, (1991). [6]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, (1999). [7]. Nguyễn Doãn Phước (2009), “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [8]. Nguyễn Phùng Quang (2006), “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật [9]. Nguyễn Phùng Quang (2008), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư Điều khiển tự động”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật [10]. Huỳnh Thái Hoàng (2006), “Hệ thống điều khiển thông minh”, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM ABSTRACT THE SOLUTION IMPROVE QUALITY DIRECTOR CURRENT MOTOR CONTROL USING DSP In this paper, a fuzzy logic solution for improving the quality control of DC (Direct Current) motors using digital signal processor on the basis of designing PID controllers and fuzzy controllers is presented. The through Matlab - Simulink and card DSpace 1104 to control speed DC motor. The simulated and experimental results show that the use of a fuzzy controller provides better control over the PID controller, ensuring quality control parameters, no over adjustment and over time short in the same time. The system control has the advantage of being simple, safe, reliable and accurate and it can deal with various data of the system simultaneously and rapidly. Keywords: The control of DC motor, Fuzzy logic control, Card DSP 1104, DC motor control using DSP. Nhận bài ngày 19 tháng 6 năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 11 năm 2017 Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp - Bộ Công thương. *Email: tdchuyen@uneti.edu.vn.