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

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