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

Bài viết 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP Nghiên cứu khoa học công nghệ 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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 45  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 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 Hình 2. Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng hệ truyền động xung áp. 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 4. Mô hình bàn nghiên cứu điều Hình 3. Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 [3]. 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 nh ...