BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG
GIỚI THIỆU
Bộ điều khiển vạn năng là thiết bị tích hợp nhiều chức năng của các bộ điều khiển truyền thống và bộ điều khiển mờ, giúp người dùng dễ dàng áp dụng vào các hệ thống điều chỉnh tự động Việc sử dụng chỉ một bộ điều khiển với các tham số phù hợp cho hệ thống đã xác định đối tượng và luật điều khiển mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quá trình vận hành Dưới đây là một mô tả về bộ điều khiển vạn năng với những đặc điểm nổi bật.
SỬ DỤNG CHIP PSOC XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG
PSoC, viết tắt của "Programmable System on Chip," là hệ thống khả trình trên một chip Công nghệ PSoC tạo ra các chip điều khiển thông minh với tính linh hoạt cao, chi phí nghiên cứu và phát triển ban đầu thấp, và giá thành chip cũng hợp lý Hơn nữa, nó cung cấp hỗ trợ kỹ thuật tốt cùng với phần mềm phát triển dễ sử dụng, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và triển khai.
Công nghệ chip PSoC cho phép kết nối linh hoạt các khối chức năng và cổng vào ra, giúp thay thế nhiều chức năng nền của hệ thống vi xử lý chỉ bằng một chip duy nhất Chip PSoC bao gồm các khối số, khối tương tự có thể cấu hình, vi xử lý 8 bit, bộ nhớ chương trình EEPROM và bộ nhớ RAM lớn Để lập trình, người dùng sử dụng phần mềm PSoC Designer của Cypress và cần có Kit phát triển (ICE) để cài đặt chương trình và sử dụng trình gỡ rối Phần mềm lập trình dựa trên cấu trúc hướng đối tượng với các khối chức năng module hóa, cho phép người dùng dễ dàng thiết lập cấu hình bằng phương pháp kéo thả Việc thiết lập ngắt và chế độ hoạt động của các chân vào ra phụ thuộc vào thiết kế và lập trình của người sử dụng.
CY8C27443 thuộc họ CY8C27xxx
1.2.2 Các thông số cơ bản của chip CY8C27443
Trên Hình 1.1 là sơ đồ khối cấu trúc chip PSOC (cy8c27xxx) chip gồm:
Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard
Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24 MHz
Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích lũy ACC là 32 bit
Hoạt động ở tốc độ cao mà năng lƣợng tiêu hao ít
Dải điện áp hoạt động của thiết bị nằm trong khoảng từ 3.0V đến 5.25V, và có thể giảm xuống tới 1.0V khi sử dụng chế độ kích điện áp Ngoài ra, thiết bị có khả năng hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -40ºC đến 85ºC.
Các khối ngoại vi có thể đƣợc sử dụng độc lập hoặc kết hợp
12 khối tương tự cú thể được thiết lập để làm cỏc nhiệm vụ:
Các bộ ADC lên tới 14 bit
Các bộ DAC lên tới 9 bit
Các bộ khuếch đại có thể lập trình đƣợc hệ số khuếch đại
Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình đƣợc
Hình 1.1 Sơ đồ khối cấu trúc chip PSOC (cy8c27xxx)
8 khối số có thể đƣợc thiết lập để làm các nhiệm vụ:
Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband)
Các module kiểm tra lỗi (CRC modules)
Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiều (UART)
Các bộ truyền thông SPI Master và SPI Slave có thể cấu hình đƣợc
Có thể kết nối với tất cả các chân vào ra
Bộ nhớ linh hoạt trên chip
Không gian bộ nhớ chương trình Flash từ 4K đến 16K, phụ thuộc vào từng loại chip với chu kì ghi xóa bộ nhớ Flash là 50.000 lần
Không gian bộ nhớ RAM là 256 bytes
Chip có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (issp)
Bộ nhớ flash có thể đƣợc nâng cấp từng phần
Chế độ bảo mật đa năng, tin cậy
Có thể tạo đƣợc không gian bộ nhớ flash trên chip lên tới 2,304 bytes
Có thể lập trình đƣợc cấu hình cho từng chân của chip
Các chân vào ra của trigger Schmitt hoạt động ở ba trạng thái khác nhau Đầu ra logic có khả năng cung cấp dòng 25mA với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong Việc thay đổi có thể được thực hiện trên từng chân, trong khi đầu ra tương tự có thể cung cấp dòng lên tới 40mA.
Xung nhịp của chip có thể lập trình đƣợc
Bộ tạo dao động nội tại 24/28mhz (độ chính xác 2,5%,)
Có thể lựa chọn bộ tạo dao động ngoài lên tới 24mhz
Bộ tạo dao động thạch anh 32,768 khz bên trong
Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho watchdog và sleep
Ngoại vi đƣợc thiết lập sẵn
Bộ định thời watchdog và sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ Module truyền thông IC master và IC slave tốc độ lên tới 400khz
Module phát hiện điện áp thấp được cấu hình bởi người sử dụng
Phần mềm phát triển miễn phí (psoctm designer)
Bộ lập trình và mô phỏng với đầy đủ chức năng
Mụ phỏng ở tốc độ cao
1.2.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của chip psoc
Tích hợp CPU, RAM, ROM và các thiết bị ngoại vi thời gian thực như ADC, DAC, timer, counter, cổng vào ra đa chức năng và các cổng truyền thông trên một chip mang lại hiệu suất cao và tiết kiệm không gian.
Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể thay đổi trong quá trình hoạt động
Chip có tính linh hoạt cao và chi phí công nghệ ban đầu thấp, giúp nghiên cứu và phát triển hiệu quả Giá thành chip hợp lý cùng với hỗ trợ kỹ thuật tốt và phần mềm phát triển dễ sử dụng, cho phép nhanh chóng phát triển các sản phẩm mới và dễ dàng mở rộng chức năng sau này.
Thu gọn kích thước sản phẩm, hạn chế các chip chuyên dụng hỗ trợ
Hạ giá thành sản phẩm, đẩy nhanh việc đưa sản phẩm ra thị trường
Cho phép lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ c hoặc assembly
Có khả năng tái cấu hình (reconfiguration) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng
Có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số
Nhƣợc điểm: bên cạnh những tính năng ƣu việt trên, chip psoc vẫn tồn tại những nhƣợc điểm sau:
Thời gian chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số (ADC) vẫn còn khá lớn, đặc biệt đối với bộ ADC có độ rộng bit lớn, và điều này phụ thuộc nhiều vào CPU – M8C.
Không hỗ trợ giao tiếp với bộ nhớ ngoài
Không thể sử dụng toàn bộ các tính năng một lúc do hạn chế về không gian chứa tài nguyên
Tất cả các chân vào ra đều sử dụng chung một ngắt.
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ
Bộ PID số cần có tính linh hoạt cao và giao diện thân thiện với người sử dụng, cho phép lựa chọn các luật điều khiển như P, I, PI, PD một cách dễ dàng Người dùng có thể điều chỉnh các tham số phù hợp với đối tượng thiết kế thông qua HMI Thiết kế luật PID số phải gọn gàng và đảm bảo thời gian xử lý lệnh nhanh, nhằm nâng cao tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển.
1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ số
Hình 1.2 Cấu trúc luật P số Đây là luật điều khiển có thể thiết kế đơn giản nhất Dãy u(k) đƣợc tính từ dãy e(k) theo công thức:
1.3.2 Luật điều khiển tích phân số
Ta có phương trình sai phân:
Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time)
1.3.3 Luật điều khiển vi phân số
Hình 1.3 Cấu trúc luật I số
Hình 1.4 Cấu trúc luật D số
Thường các bộ điều khiển theo luật vi phân số được cài đặt theo các phương trình sai phân sau:
Trong đó T là thời gian trích mẫu
1.3.4 Luật điều khiển PID số
Từ cấu trúc PID số trong hình 1.5 ta có
Luật điều khiển PID số trong công thức trên đƣợc lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển đƣợc chế tạo trên nền PSoC.
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 phần chính (H.1.6):
Hình 1.5 Cấu trúc luật PID số
Khâu mờ hóa là quá trình chuyển đổi giá trị rõ ràng đầu vào thành trạng thái đầu vào mờ, đóng vai trò là giao diện đầu vào cho bộ điều khiển mờ.
Thiết bị hợp thành: Triển khai luật hợp thành trên cơ sở luật điều khiển
Khâu giải mờ là quá trình chuyển đổi giá trị mờ từ thiết bị thành giá trị thực, nhằm điều khiển đối tượng Đây chính là giao diện đầu ra của bộ điều khiển mờ.
Trong đó: x: Là tập giá trị thực cần điều khiển đầu vào m: Tập mờ của giá trị đầu vào
B: Tập giá trị mờ của giá trị điều khiển thực y: Giá trị điều khiển thực
Bộ điều khiển mờ cơ bản là một loại bộ điều khiển tĩnh chỉ có khả năng xử lý các giá trị hiện tại Để giải quyết các bài toán điều khiển động, cần kết hợp thêm các khâu động học như tỷ lệ, vi phân hoặc tích phân.
Hình 1.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản
Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển mờ động
Hệ thống điều khiển mờ hoạt động tương tự như hệ thống điều khiển thông thường, nhưng có sự khác biệt quan trọng Trong khi hệ thống điều khiển truyền thống dựa vào logic nhị phân {0,1}, hệ thống điều khiển mờ sử dụng kinh nghiệm và tư duy con người để thực hiện chức năng điều khiển thông qua bộ logic mờ Để tiến hành điều khiển, đối tượng cần được điều khiển bằng các tín hiệu rõ ràng Do đó, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ phải được giải mờ trước khi gửi đến đối tượng Tương tự, tín hiệu đầu ra từ đối tượng qua các cảm biến cũng cần được mờ hóa trước khi đưa vào bộ điều khiển mờ.
Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ dựa trên các phương pháp toán học, xác định các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra, cùng với việc lựa chọn các luật điều khiển Thiết bị thực hiện các luật điều khiển theo nguyên tắc nhất định như MAX–MIN hoặc MAX–PROD, đây là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng chế độ, cần lựa chọn các biến ngôn ngữ phù hợp và các đại lượng vào ra phải chuẩn xác Tất cả những yếu tố này được hình thành qua quá trình thử nghiệm và thiết kế.
Thiết bị hợp thành là bộ phận quan trọng nhất của bộ điều khiển mờ, tuy nhiên, để giải quyết các bài toán động, thường cần thông tin về đạo hàm hoặc tích phân của sai lệch Do đó, tín hiệu vào cần được xử lý sơ qua bằng các khâu động học, đặc biệt trong các bài toán có độ phức tạp cao.
Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển mờ yêu cầu nhiều bộ điều khiển mờ hoạt động theo cấu trúc mắc nối tiếp hoặc song song, tạo thành một mạng lưới Quá trình mờ hóa là bước quan trọng trong việc xây dựng hệ thống này.
Mờ hóa là một ánh xạ từ một giá trị rõ x U R n sang một tập mờ A trong tập nền
U Mờ hóa phải đảm bảo: Độ phụ thuộc là lớn nhất, đảm bảo tính khử nhiễu, tính toán đơn giản
Trong lĩnh vực điều khiển, để tối ưu hóa việc sử dụng các hàm và đảm bảo khả năng tích hợp dễ dàng, người ta chú trọng đến ba kiểu mờ hóa cơ bản.
- Hàm Singleton (cũng gọi là hàm Kronecker)
Trong ba phương pháp mờ hóa, mờ hóa theo hàm tam giác có khả năng khử nhiễu tốt nhưng yêu cầu tính toán phức tạp và thời gian lâu Ngược lại, mờ hóa kiểu Singleton mặc dù không hiệu quả trong việc khử nhiễu nhưng được ưa chuộng hơn do tính toán đơn giản và nhanh chóng.
Thiết bị hợp thành là sự kết hợp giữa nội dung của luật hợp thành và thuật toán xác định giá trị mờ, dựa trên giá trị rõ của tín hiệu đầu vào.
Hệ mờ chủ yếu dựa vào mệnh đề hợp thành IF … THEN Đối với hệ MISO (n đầu vào, 1 đầu ra), mệnh đề hợp thành mô tả hệ thống này như sau:
Với: x= (x 1 ,…,x n ) T là vector đầu vào y là đầu ra
Ai 1 là các tập mờ của biến đầu vào (i=1 n)
B j 1 là các tập mờ của biến đầu ra
Dạng chuẩn của mệnh đề hợp thành là dạng (*), mà tất cả các dạng mô tả khác đều có thể quy về Ví dụ, nếu hệ thống là MIMO, thì nó chính là tổng hợp của các hệ con MISO, được mô tả theo dạng này.
Gọi R là luật hợp thành chung cho các mệnh đề R i (i=1 n) ở trên:
R (phép tích hợp các tập mờ Ri)
Thiết bị hợp thành đƣợc gọi bằng tên của quy tắc thực hiện luật hợp thành
Trong điều khiển có 4 thiết bị chính sau :
Thiết bị hợp thành Max – Min
Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min:
Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max:
Thiết bị hợp thành Max – Prod
Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod:
Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max:
Thiết bị hợp thành Sum – Prod
Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod:
Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max:
Thiết bị hợp thành Sum – Min
Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min:
Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max:
Đầu ra của các bộ điều khiển mờ thường là các tập mờ, bất kể là với một hay nhiều luật điều khiển Do đó, việc áp dụng cho đối tượng điều khiển gặp khó khăn Để có một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh, cần bổ sung thêm khâu giải mờ, tức là quá trình làm rõ tập mờ đầu ra B’.
Có hai phương pháp giải mờ chính :
Phương pháp trung bình trọng tâm
Tư tưởng chính của phương pháp này là tìm trong tập mờ có hàm thuộc R ( ) y một phần tử rõ yo với độ phụ thuộc lớn nhất
Khi có một miền giá trị y o thỏa mãn điều kiện đã nêu, cần áp dụng các nguyên tắc sau để xác định giá trị yo cụ thể và chấp nhận được.
Như vậy, việc giải mờ theo phương pháp cực đại sẽ bao gồm hai bước:
Bước 1: Xác định miền chứa giá trị rõ yo Giá trị rõ yo là giá trị mà tại đó hàm thuộc đạt giá trị cực đại, tức là miền
Với H là độ thỏa mãn đầu vào
Bước 2: Xác định y o có thể chấp nhận được từ G
Luật hợp thành Ri nào chứa miền y0 thì gọi là luật hợp thành quyết định
Khi có nhiều luật hợp thành với cùng một giá trị, cần lựa chọn một trong số các luật này để làm luật hợp thành cho bài toán.
Phương pháp điểm trọng tâm:
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN
Trong các dây chuyền tự động hiện nay, nhiều loại đối tượng được điều khiển phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, mỗi đối tượng tương ứng với một dải tín hiệu và loại tín hiệu vào/ra khác nhau Điều này gây ra khó khăn trong việc tổng hợp hệ thống cũng như bảo trì, sửa chữa, đặc biệt khi thay thế thiết bị Để giải quyết vấn đề này, cần có một bộ điều khiển đa năng có khả năng áp dụng cho nhiều loại đối tượng trong công nghiệp, bao gồm cả những đối tượng đã biết mô hình và những đối tượng chưa rõ mô hình thông qua điều khiển mờ (fuzzy control).
Bộ điều khiển đa năng này cung cấp giải pháp đồng bộ cho nhiều loại đối tượng và tín hiệu, đặc biệt là những đối tượng có dải tín hiệu hoạt động rộng.
Để đáp ứng các yêu cầu và mục đích chế tạo bộ điều khiển linh hoạt, đa năng và thuận tiện cho người sử dụng, việc lựa chọn thiết bị là rất quan trọng.
Hình 1.20 Tập mờ đầu ra thu gọn
Việc điều chỉnh hệ số cho phù hợp với bộ điều khiển thực tế và đảm bảo chất lượng là rất quan trọng Trước khi lựa chọn thiết bị, cần phân tích chi tiết về các thông số và tính năng của bộ điều khiển Dưới đây là những đặc tính nổi bật của bộ điều khiển.
Bộ điều khiển có 2 chế độ là “PID rule” và “fuzzy_PID rule”
Với chế độ “PID rule” thì bộ điều khiển sẽ điều khiển theo luật pid
Với chế độ “fuzzy_PID rule” thì bộ điều khiển sẽ điều khiển theo luật pid có chỉnh định mờ
Bộ điều khiển có các đầu vào đa dạng, bao gồm đầu vào analog từ 0 đến 20mV, phù hợp với điện áp của can nhiệt điện, và đầu vào analog từ 0 đến 5V Ngoài ra, bộ điều khiển còn hỗ trợ đầu vào đếm xung với tốc độ lên đến 24 triệu xung mỗi giây.
Các đầu ra cho bộ điều khiển Đầu ra analog [0 – 5v] (dòng cho phép tối đa 40ma) Đầu ra điều chế độ rộng xung
Truyền thông RS 232(com port)
Bàn phím gồm 4 nút ấn đa mục đích (phím set, cancel, up, và down)
Màn hình tinh thể lỏng lcd (2 dòng x 16 kí tự)
Các đèn led biểu thị các chế độ hoạt động của bộ điều khiển
Người sử dụng có thể tùy ý lựa chọn chế độ điều khiển, các đầu vào/ra cũng nhƣ điểm đặt và tham số của bộ điều khiển
Các linh kiện đƣợc dùng cho quá trình thiết kế, thi công bộ điều khiển đƣợc lựa chọn nhƣ sau:
2 rơle điện áp điều khiển 12v, dòng điện tối đa 3a đƣợc bảo vệ riêng bởi 2 cầu chì 3a
8 đèn led đa mục đích (hiện sử dụng 1 đèn báo chạy/dừng, 1 đèn báo lỗi)
1 lcd là module hiển thị tinh thể lỏng có giao diện tuân theo chuẩn công nghiệp của hitachi hd44780
1 nguồn ngoài có đầu vào 220v ac và đầu ra 12v dc
Hình 1.21 Sơ đồ chân của chip cy8c27443 – 24pi
Một IC ổn áp LM7805 là IC cung cấp nguồn điện áp ổn định 5V ở đầu ra
Hình 1.22 Sơ đồ chân ic ổn áp
Một IC 75176 là IC cho phép chuyển đổi giao tiếp truyền thông nối tiếp với truyền thông RS485
Hình 1.23 Sơ đồ chân của IC 75176
Một IC max 232 là IC cho phép chuyển đổi truyền thông nối tiếp với truyền thông RS232
Hình 1.24 Sơ đồ chân của IC max 232
Một vài tụ hóa, điện trở và một vài tụ nhỏ để ổn áp hoặc thực hiện một số chức năng khác
Các giắc nguồn, giắc truyền thông và giắc đầu vào/ra được tích hợp trên mạch, với tổng cộng 26 ổ cắm bắt vít, giúp dễ dàng ghép nối với thiết bị.
Ngoài việc sử dụng nhiều diode và các linh kiện khác để thực hiện các chức năng phụ trong mạch, qua việc tham khảo các bộ điều khiển thực tế, tôi đã thành công trong việc chế tạo một bộ điều khiển.
Bộ điều khiển có kết cấu đẹp, thoáng, dễ sử dụng…với kích thước nhỏ gọn.
THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN
Phần mềm của bộ điều khiển được phát triển dựa trên phần cứng đã thi công, với thiết kế riêng cho từng chip Mỗi chip có các user module khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ cụ thể mà nó đảm nhận.
In the project, various modules were utilized, including PWM16, Counter16, TIMER8, DELSIG8, DAC9, LCD, E2PROM, REFIMUX, and UART for chip 1 In contrast, chip 2 employed a different set of modules, specifically UART, E2PROM, DAC9, and DELSIG8.
1.6.1 Cấu hình cho các user module của chip
Trên H.1.25 là sơ đồ module cho chip1 Xuất phát từ yêu cầu của thiết bị, cấu hình cho chip 1 ta sử dụng các module nhƣ sau:
Module counter16: module này đƣợc sử dụng khi đầu vào là đếm xung, bộ đếm xung đƣợc thiết lập với những thông số :
The input clock is set to row 0, input 2, while the enable signal operates at a high level The comparison output is locked with no selection, and the terminal count output is also locked with no selection The predefined period is set to 65535, and the comparison value is set to 0, using a less than or equal comparison type The interrupt type is configured for terminal count.
The diagram in Figure 1.25 illustrates the module placement for chip 1, highlighting key configurations such as enabling interrupts for the application programming interface (API) through the `interruptapi: enable` setting It also specifies the interrupt generation mode as active status with `intdispatchmode: activestatus`, and allows for normal output inversion using the `invertenable: normal` option.
Module DAC9 được sử dụng để xuất tín hiệu ra tương tự với các thông số như sau: analogbus là analogoutbus_1, chọn bus analog đầu ra 1; clockphase ở chế độ bình thường; và dataformat là offsetbinary, định dạng dữ liệu ở chế độ bù 2.
Module E2PROM là một module tạo bộ nhớ flash ngay trên chip, được sử dụng để lưu trữ các thông số do người dùng cài đặt cho bộ điều khiển Thông số cấu hình bao gồm: khối đầu tiên được lựa chọn là 1 và độ dài bộ nhớ là 64 bytes.
Module lcd: module giao tiếp màn hình tinh thể lỏng theo chuẩn hitachi với những thông số lựa chọn nhƣ sau :
LCDPORRT: port_2 (lựa chọn cổng giao tiếp là cổng 2)
LCDBARGRAPH: disable (chế độ đồ thị: khóa)
Module PGA là một mạch khuếch đại không đảo, hoạt động hiệu quả khi đầu vào là tín hiệu tương tự Hệ số khuếch đại của module này có thể thay đổi tùy thuộc vào kiểu đầu vào, với dải giá trị từ 0 đến
The system is configured with an input range of 0 to 5V and a gain set to 1.000, indicating no amplification The selected input for the operational amplifier is analogcolumn_inputmux_0, while the reference voltage is set to agnd at 2.5V Additionally, the analog bus output of the operational amplifier is disabled.
Module PWM16: module điều chế độ rộng xung 16 bit đƣợc sử dụng khi đầu ra là điều chế độ rộng xung những thông số của module là:
Clock: VC1 (đầu vào xung nhịp là
Enable: high (đầu vào cho phép hoạt động ở mức cao)
Compareout: row_0_output_1 (đầu ra so sánh là row_0_output_1)
Terminalcountout: none (đầu ra giá trị đếm cuối lựa chọn là khóa)
Period: 5000 (giá trị đặt trước là
Pulsewidth: 1000 (độ rộng xung mặc định ban đầu là 1000)
Comparetype: less than or equal (nhỏ hơn hoặc bằng)
Interrupttype: terminal count (kiểu sinh ngắt là giá trị đếm cuối)
Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng)
Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt)
Invertenable: normal (cho phép đầu ra đảo)
Module refmux : module cung cấp điện áp tham chiếu với những lựa chọn sau : reference select: reflo (điện áp tham chiếu lựa chọn là mức thấp)
Module TIMER8: module định thời độ rộng 8 bit dùng để tạo ra chu kỳ trích mẫu, các thông số của TIMER8 là:
Clock: VC3 (đầu vào xung nhịp là
Capture: high (chế độ bắt giữ luôn ở mức cao)
Terminalcountout: none (đầu ra giá trị đếm cuối lựa chọn là khóa)
Compareout: none (đầu ra so sánh lựa chọn là khóa)
Period: 249 (giá trị đặt trước là 249)
Comparevalue: 0 (giá trị so sánh lựa chọn là 0)
Comparetype: less than or equal (nhỏ hơn hoặc bằng)
Interrupttype: terminal count (kiểu sinh ngắt là giá trị đếm cuối)
Clocksync: sync to sysclk (đồng bộ xung nhịp với xung nhịp hệ thống)
Tc_pulsewidth: full clock (lựa chọn độ rộng xung đầu ra của giá trị đếm cuối là đủ một xung nhịp)
Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng)
Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt) Invertcapture: normal
Invertenable: normal (cho phép đầu ra đảo)
DELSIG8 : module này đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến về, các thông số đƣợc thiết lập nhƣ sau:
TMR clock : VC1 (nguồn xung nhịp là VC1)
Input : acb00 (đầu vào là khối acb00)
Clockphase : normal (pha xung nhịp đầu vào ở chế độ thường)
Polling : disable (tham số tuần tự khi truy nhập dữ liệu là khóa)
Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt)
UART: module truyền thông không đồng bộ với các thông số sau :
Clock : VC2 (đầu vào xung nhịp là VC2)
Rx input : row_1_input_1 (đầu vào nhận dữ liệu là row_1_input_1)
Tx output : row_1_output_3 (đầu ra truyền dữ liệu là row_1_output_3)
Tx interrupt mode : txcomplete (ngắt xảy ra khi truyền xong dữ liệu)
Rxcmdbuffer : enable (bộ đệm nhận lệnh là cho phép)
Rxbuffersize :16 bytes (dung lƣợng bộ đệm nhận là 16 bytes)
Command terminator : 13 (ký tự kết thúc lệnh là 13)
Param_delimiter :32 ( ký tự giới hạn lệnh)
Ignorecharsbelow : 32 (bỏ qua ký tự nhỏ hơn 32)
Interruptapi: enable (mở ngắt cho giao diện lập trình ứng dụng)
Intdispatchmode: activestatus (chế độ sinh ngắt là trạng thái kích hoạt)
Các thông số chung về CPU đƣợc lựa chọn nhƣ sau(Global Resources) :
Cpu_clock: 24_mhz (sysclk/1) (xung nhịp hệ thống là 24 mhz)
32k_select: internal (nguồn xung nhịp 32k nội tại)
Pll_mode: disable (vòng khóa pha không sử dụng)
Sleeptimer: 512_hz (xung nhịp cho đồng hồ nghỉ là 512 hz)
VC1=sysclk/n: 12 (nguồn xung nhịp vC1=xung nhịp của hệ thống/12)
VC2=vc1/n: 16 (nguồn xung nhịp VC2=vc1/16)
VC3 source: vc2 (nguồn xung nhịp cho VC3 là vc2)
VC3 divider: 50 (nguồn xung nhịp của VC3=vc2/50)
Sysclk source: internal 24mhz (nguồn xung nhịp của hệ thống đƣợc lựa chọn bộ dao động nội tại 24mhz)
Sysclk*2disable: no (không khóa bộ nhân đôi xung nhịp hệ thống)
Analog power: sc on/ref high (lựa chọn nguồn cho khối analog: các khối chuyển mạch tụ đƣợc bật, nguồn tham chiếu ở mức khỏe)
Ref mux: (vdd/2)+/-(vdd/2) (lựa chọn điện áp tham chiếu)
Agndbypass: disable (khóa phần bỏ qua điện áp agnd)
Opamp bias: low (mức chênh lệch của opamp là mức thấp)
A_buff_power: high (nguồn cung cấp cho bộ đệm analog là mức cao)
Trip voltage [lvd (smp)]: 4.48v (4.64v) (điện áp báo động là 4.48v)
Lvd thottleback: disable (khóa bộ giảm lưu thông của bộ phát hiện điện áp thấp)
Supply voltage: 5.0v (điện áp nguồn cung cấp là 5v)
Watchdogenable: disable (không mở đồng hồ watchdog)
Hình 1.26 Sơ đồ thiết lập chân vào ra chip
1.6.2 Sơ đồ khối các hàm chức năng
Trên hình 1.27 biểu diễn sơ đồ chức năng các hàm trong cấu trúc
Hình 1.27 Sơ đồ chức năng các hàm trong cấu trúc.
THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong chương này, tác giả thiết kế một hệ truyền động điện một chiều với khả năng điều chỉnh tốc độ thông qua bộ điều khiển đa năng đã được thiết kế Sơ đồ chức năng của hệ thống được thể hiện trong hình 2.1.
R ω -Bộ điều khiển tốc độ(Là bộ điều khiển vạn năng)
BBĐ-Bộ biến đổi bán dẫn công suất ĐC-Động cơ điện một chiều
En encoder dùng để đo tốc độ.
THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ KHÂU PHẢN HỒI CHO HỆ THỐNG
2.2.1 Thiết kế bộ chỉnh lưu tạo điện áp nguồn Động cơ điện một chiều kích từ song song với các thông số cơ bản:
H.2.1 Sơ đồ chức năng hệ thống thiết kế
Dựa trên giá trị điện áp định mức của động cơ, chúng ta lựa chọn phương án cấp nguồn bằng bộ chỉnh lưu diode, chuyển đổi điện áp 100V xoay chiều thành 130V DC để cung cấp cho động cơ công suất và tụ lọc nguồn Điện áp sau khi chỉnh lưu trong 1/2 chu kỳ sử dụng diode công suất.
I D = I tải = 4,15A Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên diode:
Từ các tính toán trên ta chọn loại cầu diode có dòng chịu tối đa I max = 25A, điện áp ngƣợc tối đa U N < 800V
Do chỉnh lưu 1/2 chu kỳ, điện áp sau khi chỉnh lưu có độ đập mạch cao Để cải thiện chất lượng nguồn điện, cần sử dụng thêm tụ lọc nguồn nhằm làm phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
Tụ công suất chọn loại SH.CAPACITOR cấp điện áp 500V, điện dung 20μF
Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu:
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu
Tính toán bộ tản nhiệt bảo vệ cầu:
Tồn thất công suất trên van: p = U I lv = 6 4,15 = 24,9 (w)
Diện tích bề mặt toả nhiệt:
Trong đó: p - tổn hao công suất (w)
- độ chênh lệch so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode
Tcp = 125 0 C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 0 c
Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km = 8 [ w/m 2 0 C ]
Chọn loại bộ tản nhiệt có 8 cánh, kích thước như sau: a x b = 8 x 6,5 (cm 2 ) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh:
2.2.2 Thiết kế mạch biến đổi công suất
Trong hệ truyền động điện, bộ biến không chỉ có nhiệm vụ biến đổi công suất và các tham số khác mà còn mang thông tin điều khiển Tín hiệu điều khiển này được phát ra từ bộ điều khiển và truyền đến cơ cấu chấp hành theo các phương án đã được định sẵn, như thay đổi điện áp, thay từ thông hoặc đảo chiều quay.
Tốc độ của động cơ một chiều có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp phần ứng Bộ điều khiển tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ thực đo từ động cơ qua encoder Khi có sai số, bộ điều khiển Rω sẽ tạo ra xung PWM để điều chỉnh van của bộ biến đổi, từ đó thay đổi điện áp cấp cho động cơ nhằm đạt được tốc độ mong muốn Ngoài ra, bộ điều khiển đa năng còn có khả năng lựa chọn chiều quay của động cơ.
Bộ biến đổi đƣợc chọn là bộ băm xung dòng một chiều Van công suất dùng là loại IGBT, việc tính tyoasn chọn lọc được thực hiện dưới đây
Tính toán lựa chọn van động lực: Điện áp sau chỉnh lưu U ra = 130V
Giá trị điện áp đỉnh Uđỉnh = 311V
Dòng làm việc định mức của động cơ I đm = 4,2A
Tần số băm xung PWM từ bộ điều khiển
Từ các thông số trên ta chọn van cho bộ biến đổi sử dụng IGBT loại
Tính toán bảo vệ cho van động lực:
Tổn thất công suất trên van: p = U I lv = 0, 6 4,15 = 2,49 (w)
Diện tích bề mặt toả nhiệt:
Chọn nhiệt độ môi trường T mt = 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode
Tcp = 125 0 C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt T lv = 80 0 c
Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thước a x b = 5 x 5 (cm x cm) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh:
Thiết kế mạch điều khiển kích mở cho IGBT
Sơ đồ thiết kế mạch phát xung mở cho IGBT
Hình 2.3 Mạch kích mở cho IGBT
Tín hiệu hiệu xung dạng PWM từ bộ điều khiển đƣợc đƣa đến chân 1 của
OPTO 4N35 là một loại foto quang với tần số hoạt động lên đến 1MHz, rất lý tưởng cho việc kích mở IGBT Linh kiện này giúp cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng điện tử.
Tín hiệu xung PWM từ chân 4 của OPTO 4N35 được khuếch đại bằng transistor D468, một loại transistor có tần số làm việc cao, thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu mở van trong các mạch băm xung PWM.
Thiết kế mạch đảo chiều quay động cơ Đảo chiều quay động cơ đƣợc thực hiện bằng đảo chiều điện áp phần ứng cấp cho động cơ
Tín hiệu đảo chiều cho động cơ được cấp qua bộ điều khiển dưới dạng logic mức cao, sử dụng OPTO PC817 để cách ly mạch điều khiển, sau đó tín hiệu được đưa tới động cơ.
1 tầng khuếch đại sử dụng transistor A1815 cấp nguồn cho cuộn hút role OMRON đóng các cặp tiếp điểm đảo chiều điện áp cấp cho phần ứng động cơ
Dưới đây là sơ đồ thiết kế cho mạch đảo chiều động cơ:
Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ
Thiết kế khâu phản hồi tốc độ
Phần tử đo tốc độ dùng encoder Nguyên lý làm việc của encoder nhƣ sau:
Cấu tạo của encoder biểu diễn trên h.2.5
Nó gồm một nguồn sáng và một bộ phân phân
Nguyên tắc cấu tạo của chuyển đổi quang học tích quang có thể sử dụng diot quang hoặc tranzitor quang Đĩa quay được đặt giữa hai phần tử này, và có thể được làm từ vật liệu trong suốt với các mảng chắn ánh sáng được gắn đều nhau Ngoài ra, đĩa cũng có thể được chế tạo từ vật liệu không cho ánh sáng chiếu qua, trên chu vi của đĩa sẽ có những lỗ hoặc khe với khoảng cách đều nhau.
Bộ phận phân tích nhận ánh sáng điều khiển bởi đĩa quay, tạo ra tín hiệu điện với tần số tỷ lệ thuận với tốc độ quay, trong khi biên độ không phụ thuộc vào vận tốc Khoảng đo vận tốc phụ thuộc vào các yếu tố nhất định.
Số lần gián đoạn trên đĩa (số phần tử đánh dấu)
Do băng thông của bộ phân tích và mạch điện đi kèm
Mô hình này sử dụng encoder do Sharp sản xuất, với độ phân giải 100 xung/vòng và điện áp cấp nguồn 5V, bao gồm hai tín hiệu xung riêng biệt.
A & B để xác định chiều quay của động cơ
Trục quay của encoder được kết nối với trục động cơ qua hệ thống pully - curoa với tỷ lệ truyền 1:4, giúp giảm tốc độ quay của encoder và tăng độ chính xác cho quá trình phản hồi.
Thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển bao gồm việc chuyển đổi điện áp xoay chiều 12V qua cầu diode chỉnh lưu thành điện áp một chiều Sau đó, điện áp này được đưa qua IC ổn áp LM7812C/TO để ổn định điện áp 12VDC, cung cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch điều khiển.
Hình 2.6 Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho mạch điều khiển mở IGBT và mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ
2.3 THỰC HIỆN MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH VẠN NĂNG.
Dựa trên các linh kiện đã được lựa chọn, tác giả tiến hành xây dựng hệ thống truyền động cho động cơ một chiều, với khả năng điều chỉnh tốc độ thông qua bộ điều khiển đa năng.
2.3.1 Bộ điều khiển đa năng
Mô hình bộ điều khiển đa năng được trình bày trong H.2.7 được phát triển dựa trên vi điều khiển PSOC CY8C27443 Bộ điều khiển này cho phép người dùng lựa chọn giữa hai phương pháp điều khiển: điều khiển PID cổ điển và điều khiển theo luật mờ.
Hình 2.7 Bộ điều khiển đa năng
2.3.2 Trên Hình 2.8 là mạch điều khiển các IGBT
Trên hình 2.9 là mạch bộ ngắt dòng điện một chiều, bộ nguồn cho các linh kiện bán dẫn và những phần tử phụ khác
H 2.9 Bộ ngắt dòng điện một chiều, bộ nguồn cho các linh kiện và các bộ phận phụ của hệ thống
Dựa trên các bộ phận đã lắp đặt, tác giả đã xây dựng mô hình thực nghiệm cho hệ thống truyền động điện một chiều có khả năng điều chỉnh tốc độ, sử dụng bộ điều khiển đa năng với vi điều khiển PSoC Mô hình này được thể hiện trong hình 2.10.
H 2.10 Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động điện dòng một chiều điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển đa năng
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Quá trình thực nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau:
Hệ thống đƣợc thực nghiệm với luật điều khiển FUZZY –PID RULE
Đầu tiên, cấp nguồn cho mạch điều khiển và động lực, sau đó ấn công tắc nguồn cho mạch điều khiển Thiết lập tốc độ mong muốn cho động cơ và nhấn phím khởi động; mạch điều khiển sẽ phát xung PWM cho bộ biến đổi Bộ biến đổi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, khuyếch đại tín hiệu vào chân G của IGBT, khiến van đóng mở theo luật PWM Kết quả là điện áp cấp cho động cơ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi tốc độ trên trục động cơ.
Encoder cung cấp phản hồi tốc độ thực của động cơ cho bộ điều khiển Bộ điều khiển phân tích tín hiệu này và tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp, giúp tốc độ động cơ theo sát tốc độ đặt Đồng thời, vi điều khiển xử lý tín hiệu vận tốc thực của động cơ và hiển thị trên màn hình, trong khi màn hình cũng hiển thị tốc độ đặt để người dùng có thể theo dõi sai số về tốc độ khi điều khiển.
Kết quả thí nghiệm nhận thấy tốc độ thực đã bám theo tốc độ đặt
Hệ thống có khả năng hoạt động theo hai phương pháp điều khiển: thuật toán PID truyền thống và thuật toán PID dựa trên logic mờ Người dùng có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai phương án này thông qua các phím ấn trên bảng điều khiển.
Bộ điều khiển hỗ trợ nhiều thuật toán điều khiển khác nhau tùy thuộc vào chương trình được nhập vào vi điều khiển Nó được trang bị 2 cổng giao tiếp với PC, bao gồm cổng RS232 và cổng USB, giúp lập trình viên dễ dàng thay đổi chương trình cho vi điều khiển.