Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển Mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển Mờ lai trên phần mềm MATLAB-simulink để kiểm chứng tính đúng của bộ điều khiển đã thiết kế. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- Nguyễn Thị Thúy THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Bùi Thị Hải Linh Thái Nguyên – Năm 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy Sinh ngày: 16/7/1987 Học viên lớp cao học CH K21 - KTĐK & TĐH- Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Hiện nay tôi đang công tác tại: Trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông Bắc Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” do Cô giáo TS. Bùi Thị Hải Linh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của cô giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Thuý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Cô giáo hướng dẫn TS. Bùi Thị Hải Linh, luận văn với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Cô giáo hướng dẫn TS. Bùi Thị Hải Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy giáo trong khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện- Điện tử trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông Bắc đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn. Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn này được hoàn thiện hơn. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Thuý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................7 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................13 1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................13 2. Tính cấp thiết của đề tài luận văn .........................................................................13 3. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................14 4. Mục tiêu của luận văn ...........................................................................................15 5. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn ..................................15 6. Bố cục của luận văn ..............................................................................................16 CHƯƠNG 1 ..............................................................................................................17 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU .....................................................17 1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều ........................................................17 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều ......................................................................17 1.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều ..................................19 1.1.3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều ........................................20 1.2. Đặc tính động cơ điện một chiều .......................................................................22 1.2.1. Phương trình đặc tính cơ .................................................................................22 1.2.2. Đường đặc tính cơ ...........................................................................................25 1.3. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ một chiều. ........................................26 1.4. Kết luận chương 1 ..............................................................................................28 CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .......................................................................................................................29 2.1. Tổng quan về Logic Mờ .....................................................................................29 2.1.1. Quá trình phát triển của Logic Mờ ..................................................................29 2.1.2. Khái niệm về tập Mờ .......................................................................................29 2.2. Tìm hiểu về hệ thống điều khiển Mờ .................................................................32 2.2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động .............................................................32 2.2.2. Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ .......................................................................32 2.2.3. Bộ điều khiển mờ tĩnh .....................................................................................33 2.2.4. Bộ điều khiển mờ động ...................................................................................37 2.3. Hệ thống điều khiển Mờ lai và đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều. ............................................................................39 2.3.1. FLC được mắc song song với PID kinh điển ..................................................40 2.3.2. FLC làm nhiệm vụ một khóa mờ ....................................................................40 2.3.3. Đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều. .........................................................................................................................41 2.4. Kết luận chương 2 ..............................................................................................42 CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................42 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK .42 3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng hai mạch vòng.............................42 3.1.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện ....................................................................43 3.1.2. Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ ..........................................................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3.2. Mô phỏng cấu trúc điều khiển Mờ lai ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động..........................................................................................49 3.2.1. Thuật toán điều khiển Mờ lai cho mạch vòng tốc độ......................................50 3.2.2. Mô phỏng thuật toán điều khiển mờ lai cho mạch vòng tốc độ ......................54 3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................59 CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................60 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG CỦA FPGA TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .................................................................60 4.1. Tổng quan về FPGA...........................................................................................60 4.1.1. Khái quát chung ..............................................................................................60 4.1.2. Cấu trúc của FPGA .........................................................................................61 4.2. Ngôn ngữ VHDL ................................................................................................64 4.2.1. Giới thiệu về VHDL ........................................................................................64 4.2.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống sử dụng VHDL .............................................65 4.2.3. Mô hình kiểm tra hoạt động (Testbench) ........................................................69 4.2.4. Các đối tượng và các kiểu dữ liệu trong VHDL .............................................69 4.2.5. Giới thiệu Broad DE2 - 115 ............................................................................72 4.3. Ứng dụng công nghệ FPGA để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ..............83 4.4. Kết luận chương 4 ..............................................................................................85 CHƯƠNG 5 ..............................................................................................................86 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA ...............86 5.1. Sơ đồ khối kết nối vật lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán mờ lai trên FPGA ......................................................................................................86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5.1.1. Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm ......................................................................86 5.1.2. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm .....................................................88 5.2. Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán mờ lai trên FPGA ..............................................................................................93 5.3. Kết luận chương 5 ..............................................................................................97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Uư là điện áp phần ứng động cơ (V) Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V) Ru là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) Rp là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) Iư là dòng điện phần ứng động cơ. (A) rư Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) rct Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp rcb Điện trở cuộn bù (Ω) rcp Điện trở cuộn phụ (Ω)  là vận tốc góc của rô to (rad/s)  là từ thông chính đi qua cực từ p là số đôi cực từ chính N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng a là mạch nhánh song song của cuộn ứng KE là hệ số sức điện động, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ n0 là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều n là tốc độ của động cơ điện một chiều M Mô men điện từ D Dải điều chỉnh Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt BĐK Bộ điều khiển FLC Bộ điều khiển Mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
PDL Bộ điều khiển F-PID Bộ điều khiển Mờ lai DUT Mô hình VHDL cần kiểm tra Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh ASIC Application Specific Integrated Circuit ALU Arithmetic Logic Unit CPLD Complex Programmable Logic Device CPU Central Processing Unit EMF Sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) CEMF Sức phản điện động counter-EMF CLB Configurable Logic Blocks DSP Digital Signal Processing FPGA Field Programmable Gate Array HDL Hardware Description Language IC Integrated Circuit SoPC System-on-a-Programizable-Chip Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hoạt động của động cơ DC. ......................................................................21 Hình 1.2: Động cơ điện một chiều ............................................................................22 Hình 1. 3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .........................26 Hình 1. 4: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều .....................................................27 Hình 2.1: Hàm phụ thuộc A(x)của tập kinh điển A .................................................30 Hình 2. 2: Hàm liên thuộc B(x) của tập "mờ" B......................................................30 Hình 2. 3: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ .....................................31 Hình 2. 4: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ .......................................................32 Hình 2. 5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động ............................................32 Hình 2. 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ ..............................................33 Hình 2. 7: Đặc tính vào - ra cho trước ......................................................................35 Hình 2. 8: a,b: Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào, ra .................................36 Hình 2. 9: a,b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI...........................................................38 Hình 2. 10: Hệ điều khiển mờ theo luật PD ..............................................................38 Hình 2. 11: Hệ điều khiển Mờ theo luật PID ............................................................39 Hình 2. 12: a) Nguyên lý điều khiển mờ lai; b) Vùng tác động của các bộ điều khiển ...................................................................................................................................40 Hình 2. 13: Vùng tác động của các bộ điều khiển ..................................................41 Hình 2. 14: Cấu trúc hệ mờ lai điều khiển tốc độ động cơ sử dụng Switch chuyển mạch ..........................................................................................................................42 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ ..43 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện ........................44 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện ........................45 Hình 3.4: Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu PI với bộ lọc trước và bộ lọc phản hồi .....46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay ....................48 và xử lý gần đúng của nó ..........................................................................................48 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ mờ lai cho động cơ một chiều .....................49 trên Matlab Simulink.................................................................................................49 Hình 3.7: Các biến ngôn ngữ vào/ra cho bộ điều khiển mờ .....................................50 Hình 3.8: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu vào ET........................................51 Hình 3.9: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu vào DET .....................................51 Hình 3.10: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ.......................................................................52 Hình 3.11: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ.......................................................................53 Hình 3.12: Thiết lập luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ......................................53 Hình 3.13: Mô phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi không có nhiễu tác động.................55 Hình 3.14: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ (tốc độ đặt dạng hàm Step) ..........................................................55 Hình 3.15: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ (tốc độ đặt dạng xung vuông) ......................................................56 Hình 3.16: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ khi thay đổi giá trị tốc độ đặt (tốc độ đặt dạng xung vuông) ......56 Hình 3.17: Mô phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi có nhiễu tác động ............................57 Hình 3.18: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ ........................................58 (tốc độ đặt dạng hàm Step ).......................................................................................58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.19: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ ........................................58 (tốc độ đặt dạng xung vuông)....................................................................................58 Hình 3.20: Minh họa nguyên lý hoạt động của Switch chuyển mạch trong .............59 bộ điều khiển mờ lai ..................................................................................................59 Hình 4. 1: Cấu trúc tổng quan của FPGA .................................................................62 Hình 4. 2: Khối logic lập trình được của FPGA ......................................................63 Hình 4. 3: Mạch bán tổng ..........................................................................................66 Hình 4. 4: Các bước thực hiện một project ...............................................................68 Hình 4.5: Board DE2-115 .........................................................................................73 Hình 4.6: Sơ đồ kết nối giữa push button và Cyclone IV .........................................73 Hình 4.7: Kết nối giữa các switch và Cyclone IV ....................................................74 Hình 4.8: Kết nối giữa LED và Cyclone IV..............................................................75 Hình 4.9: LED 7 đoạn nối với Cyclone IV ...............................................................75 Hình 4.10: Sơ đồ kết nối PS/2 trên board DE2-115 ..................................................76 Hình 4.11: Cáp mở rộng PS/2Y ................................................................................76 Hình 4. 12: Sơ đồ kết nối VGA trên board DE2-115................................................77 Hình 4.13: Sơ đồ kết nối SRAM trên board DE2-115 ..............................................77 Hình 4. 14: Sơ đồ kết nối SDRAM trên board5 DE2-11 ..........................................78 Hình 4.15: Sơ đồ kết nối FLASH trên board DE2-115.............................................78 Hình 4.16: Sơ đồ kết nối EEPROM trên board DE2-115 .........................................79 Hình 4.17: Sơ đồ kết nối SD card trên board DE2-115 ............................................79 Hình 4.18: Các bước thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 11.0 ................81 Hình 4.19: Giao diện thiết kế của phần mềm Quartus II ..........................................82 Hình 4.20: Cấu trúc của IC điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ............................84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm ................................................................86 Hình 5.2: Hệ thống thí nghệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ ĐK Mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA ...........................................................................86 Hình 5.3: Động cơ 1 chiều gắn Encoder ...................................................................88 Hình 5.4: Module L298N ..........................................................................................89 Hình 5.5: DE2-115 Board .........................................................................................90 Hình 5.6: Khối nguồn ................................................................................................91 Hình 5.7: Cấu trúc hệ thống bộ điều khiển Mờ lai nhúng trong FPGA Board .........91 Hình 5.8: Bảng gán chân thiết bị ...............................................................................92 Hình 5.9: Biên dịch thành công chương trình ...........................................................93 Hình 5.10: Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p .93 Hình 5.11. Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 600v/p đến 1800v/p....94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là loại máy quan trọng, mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm, khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt vì vậy mà động cơ một chiều vẫn được lựa chọn sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải, ... Hướng phát triển hiện nay là nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ. Vì vậy vai trò của việc nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ngày càng được khẳng định và cần được phát triển. Để nâng cao độ tin cậy, tính hiệu quả, sự ổn định của động cơ một chiều có rất nhiều phương pháp. Sau khi tìm hiểu các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều, tôi đã nhận thấy tầm quan trọng cũng như ý nghĩa thực tiễn của hệ thống này cũng như khả năng phát triển trong tương lai. Do đó đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA”. 2. Tính cấp thiết của đề tài luận văn Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính. Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái. Việc ứng dụng những thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
quan. Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển PI[1], PID [2][3] cho kết quả tốt ở một số đối tượng động cơ. Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển [3][4] cũng có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải biết chính xác về đối tượng, hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết đối tượng. Một điểm nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu. Do đó, auto- tuning là một trong những hướng đi khả quan của điều khiển tự động. Trong điều khiển hiện đại, lý thuyết mờ cung cấp cho ta một hướng đi mới [5], xây dựng những hệ điều khiển mờ thuần túy hoặc như hệ mờ lai [6][7][8] với mục đích nâng cao chất lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng chưa biết hoặc khó nhận dạng [14]. Trong khuôn khổ đề tài, em xin trình bày về thuật toán PID, mờ lai và công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array). Xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Vì vậy, dưới sự định hướng của cô hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật. 3. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu Về phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng FPGA. Đối tượng nghiên cứu là: Động cơ điện một chiều. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp nghiên cứu bằng cả lý thuyết và thực nghiệm: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều; các đặc tính, và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Tìm hiểu về bộ điều khiển Mờ lai, thiết kế bộ điều khiển Mờ lai phù hợp với đối tượng nghiên cứu. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB-Simulink, đánh giá sơ bộ về kết quả thu được đối với đối tượng động cơ một chiều: Các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, thời gian đáp ứng, sai lệch tĩnh, đáp ứng khi tải thay đổi trong bài toán điều chỉnh. Thiết kế, thi công hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
động cơ một chiều ứng dụng bộ điều khiển Mờ lai sử dụng công nghệ FPGA. Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ VHDL trên nền phần mềm QuartusII của hãng Altera. Cuối cùng đánh giá và kiểm chứng tính đúng của nội dung luận văn đưa ra bằng kết quả thí nghiệm thu được. 4. Mục tiêu của luận văn  Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều.  Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển Mờ lai trên phần mềm MATLAB-simulink để kiểm chứng tính đúng của bộ điều khiển đã thiết kế.  Xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng bộ điều khiển Mờ lai thiết kế ở trên sử dụng công nghệ FPGA. 5. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn Luận văn đã có những đóng góp mới sau: 1. Đã đề xuất được cấu trúc điều khiển mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều với hai mạch vòng phản hồi có kể đến yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống. Trong đó bộ điều khiển mờ sử dụng với hai chức năng tạo tín hiệu Uđk động cơ một chiều và thực hiện nhiệm vụ đóng mở Switch chuyển mạch cho phép bộ điều khiển mờ hoặc bộ điều khiển PD trong cấu trúc Mờ lai hoạt động luân phiên. 2. Đã xây dựng được luật điều khiển mờ lai để điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động trên hệ thống. 3. Đã tìm hiểu về thiết bị điều khiển FPGA, từ đó cho phép xây dựng chương trình điều khiển mờ lai đã đề xuất trên card FPGA để điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều thông qua mô hình thực nghiệm. Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
dụng trong một số lĩnh vực như: làm mô hình học tập thí nghiệm trong các trường học, tham gia vào các dây truyền sản xuất công nghiệp,... 6. Bố cục của luận văn Luận văn gồm: Phần mở đầu, 5 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo. Bố cục được trình bày như sau: Phần mở đầu: Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chương 3: Mô phỏng hệ thống dùng Matlab Simulink Chương 4: Giới thiệu về công nghệ FPGA và ứng dụng của FPGA trong điều khiển động cơ một chiều. Chương 5: Hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA. Phần kết luận và hướng phát triển. Tài liệu tham khảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần cảm (tĩnh) và phần ứng (động). Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp [10]. - Phần tĩnh hay stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có: + Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau. + Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. + Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông. + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Phần quay hay rô to: Bao gồm những bộ phận chính sau. + Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo. + Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rô to. Dùng giá rô to có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rô to. + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. + Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. - Các bộ phận khác: + Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. + Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 1.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều - Phân loại động cơ điện một chiều: Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng [10]: + Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. + Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. + Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. + Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. - Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều: Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn