Tạp chí khoa học và công nghệ: Ứng dụng thiết bị xử lý tín hiệu số trong điều khiển hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP APPLICATION OF THE DIGITAL SIGNAL PROCESSOR TO THE CONTROL OF ELECTRIC DRIVE SYSTEM USING SEPARATELY EXCITED DC MOTOR Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xử lý tín hiệu số (DSP) đã và đang trở thành một công nghệ tiên tiến. Vì vậy, DSP được ứng dụng mạnh mẽ và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong việc điều khiển tốc độ (có đảo chiều) động cơ 1 chiều. Cụ thể là xây dựng bộ điều khiển PID số trên phần mềm Matlab Simulink, kết nối với hệ dSPACE DS1104, tạo giao diện điều khiển bằng phần mềm ControlDesk để xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng analog thông qua cổng DAC của hệ dSPACE DS1104. Qua đó điều khiển hệ thống truyền động điện thực sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập. ABSTRACT Nowadays, together with the development of science, digital signal processing (DSP) has become an advanced technology. Hence, it has been extensively applied in a wide range of fields. This article deals with some results of research and application of the DSP technology in the DC motor speed control (reversible). The final part of this study is concerned with a design of a digital PID controller on Matlab-Simulink, connecting with dSPACE DS1104, creating the control interface by the ControlDesk software to generate control signal in analog via the DAC connector of dSPACE DS1104. Thereby, we can control a real electric drive system using a separately excited DC motor. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, động cơ điện một chiều vẫn được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật để thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác cao, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Bên cạnh đó, thiết bị xử lý tín hiệu số dSPACE có khả năng xử lý tính toán thời gian thực rất nhanh, nhờ sự tích hợp bộ xử lý tốc độ cao, các giao diện phần cứng phục vụ cho việc giao tiếp giữa hệ thống chương trình điều khiển mềm với đối tượng điều khiển bên ngoài. Hệ dSPACE còn hỗ trợ liên kết lập trình với các ngôn ngữ bậc cao vì vậy người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và có thể chỉ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển. Ví dụ như sử dụng Matlab để lập trình thì sẽ có rất nhiều lợi thế bởi lẽ các thư viện của Matlab rất đồ sộ, không mất nhiều thời gian để lập trình cũng bài toán đó so với các hệ vi điều khiển khác. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng hệ dSPACE nói chung và dSPACE DS1104 nói riêng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 317 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn. 2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát 2.1. Thiết kế và chế tạo phần động lực 2.1.1. Cơ sở lý thuyết: Hệ truyền động điện T-Đ (Thyristor-Động cơ) cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệ truyền động điện 1 chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng rãi. Tác giả sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh. Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi đấu song song ngược với nhau. Xung điều khiển cùng 1 lúc được đưa vào cả 2 bộ, trong đó có 1 bộ được điều khiển với góc α < π/2, làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ thứ 2 được điều khiển với góc α > π/2, ở chế độ chờ. Sự phối hợp giá trị giữa α1 và α2 (góc mở của 2 bộ biến đổi) được thực hiện theo quan hệ α1 + α2 = 180o. Sự phối hợp này gọi là phối hợp tuyến tính Hình 1. Bộ chỉnh lưu đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh 2.1.2. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển: Từ lý thuyết về bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều, tác giả đã thiết kế mạch trên phần mềm Orcad, kết quả thiết kế như sau a. Thy_1 Thy_2 Q51 Q52 S Thy _3 S Thy_5 Q55 Q56 S Thy _4 S Thy_6 GND_4 DIODE 10A D50 Q53 SCR J46 1 2 CON2 Q57 SCR D48 GND_5 Thy_7 Thy _9 Thy_11 Q71 Q70 Q69 SCR SCR SCR Thy_8 Thy _10 Thy_12 Q68 Q67 Q66 SCR SCR SCR DIODE 10A +12V_1 +12V_5 +12V +12V J45 3 L1 2 L2 1 L3 AC PWR R127 R124 10k 10 2W Q54 4.7k R126 4.7k B772 ISO24 PC521 1N4007 Thy_1 R125 200 R135 R132 10k 10 2W R131 Q59 4.7k R134 4.7k ISO26 PC521 1N4007 Thy _7 R133 200 Out1 GND_1 Out4 GND_5 J47 +12V 4 3 Out1 2 Out2 1 Out3 CON4 J48 +12V 4 3 Out4 2 Out5 1 Out6 CON4 +12V_4 +12V R122 R174 10k 10 2W 4.7k3 R121 4.7k B772 +12V_2 +12V R129 R157 10k 10 2W 4.7k6 R128 4.7k B772 ISO34 PC521 1N4007 Thy_4 R177 200 ISO31 PC521 1N4007 Thy _10 R160 200 ~ 2 D7 1 - + 12VAC 1000uf4 ~ DIODE BRIDGE GND_1 ~ 2 D51 1 - + 12VAC 1000uf11 ~ DIODE BRIDGE GND_2 +12V_1 104pf4 +12V_2 104pf11 Out1 GND_4 +12V_2 +12V R143 R147 10k 10 2W 4.7k5 R141 4.7k B772 Thy_3 ISO28 PC521 1N4007 R149 Out2 GND_2 +12V_4 +12V R164 R166 10k 10 2W R165 Q65 4.7k R163 4.7k Out4 GND_2 +12V_5 +12V R137 R139 10k 10 2W 4.7k8 R136 4.7k B772 Thy _9 ISO27 PC521 1N4007 R140 Out5 GND_5 +12V_3 +12V R144 R148 10k 10 2W R146 Q62 4.7k R142 4.7k ~ 2 D37 +12V_3 1 - + ISO32 PC521 1N4007 Thy_6 R167 200 ISO29 PC521 1N4007 Thy _12 R150 200 12VAC 1000uf1 ~ DIODE BRIDGE Out2 GND_4 104pf1 +12V +12V_3 Out5 GND_3 +12V_5 +12V GND_3 ~ 2 D38 1 - + 12VAC 1000uf2 ~ DIODE BRIDGE +12V_4 104pf2 Out3 R169 R171 10k 10 2W R170 B772 R168 Thy_5 ISO33 PC521 1N4007 R172 GND_3 R152 R154 10k 10 2W R153 B772 R151 Thy _11 ISO30 PC521 1N4007 R155 Out6 GND_5 GND_4 +12V_4 +12V_1 +12V +12V ~ 2 D40 +12V_5 1 - + R176 R179 10k 10 2W R178 Q50 4.7k R175 4.7k R159 R162 10k 10 2W R161 Q58 4.7k R158 4.7k 12VAC 1000uf3 ~ DIODE BRIDGE GND_5 104pf3 Out3 Thy_2 ISO23 PC521 1N4007 R123 GND_4 Thy _8 ISO25 PC521 1N4007 R130 Out6 GND_1 b. 318 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 +12V J50 D54 +12V 2 7805 select 1 +12V 1 1 3 2 ~select 3 CON2 DIODE BRIDGE C2 C3 1000u CAP NP C1 C4 CON3 1 1000u CAP NP Udk 2 3 SW J49 2 1 CON2 +12V +12V 0.47uf U2 0.47uf5 U8 1 GND Vs 16 GND Vs 1N4007 2 Q2 Q2 15 Q2 Q2 QU Q1 QU Q1 4 Q1 L 13 2 Vsync1 R20 10k 5 Q1 L 12 Vsync1 R28 10k 5 Vsync C12 12 2.2uf5 1 ~select R27 4k7 6 11 Udk select R22 4k7 6 I V11 11 Udk QZ C10 QZ C10 Vref R9 Vref R9 TCA 785 150pf 0.1uf 22k 47nf TCA 785 150pf5 0.1uf5 22k 47nf5 +12V +12V +12V J52 U11 1 out1 1 1B 1C 16 2 J53 out3 3 2B 2C 14 4 1 out4 4 4B 4C 13 2 out6 6 6B 6C 11 CON4 4 7B 7C 9 COM CON4 ULN2003A J49 2 1 R9 input 10k J54 3 2 1 CON3 +12V U1A 3 1 2 - LM324 -12V +12V D8 DIODE D1 DIODE C1 C4 1000u 104 ... - tailieumienphi.vn