Đang tải... (xem toàn văn)
Luận văn Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ DC không chổi quét Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một...
HUTECH B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM NGUYN THANH HÙNG IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT LUN VN THC S THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN MÃ S: 60 52 50 TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012 HUTECH B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM NGUYN THANH HÙNG IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT LUN VN THC S THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN MÃ S: 60 52 50 HNG DN KHOA HC TS. VÕ HOÀNG DUY TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012 HUTECH HUTECH IU KHIN TI U BN VNG CHO NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT “PID OPTIMAL AND STABLE CONTROLLER FOR BRUSHLESS DC MOTOR IS SCANNED Nguyn Thanh Hùng -Võ Hoàng Duy -Trng i HcăTônăc Thng Khoa C in t Trng i hc k Thut Công Ngh TP.HCM, Vit Nam TÓM TT Mtăphngăpháp hn hp gia H2 và H ∞ đc áp dng rng rãi cho các h thng có thông s và mô hình đ cóăđc mt b điu khin tiău hoàn ho. (BLDC) đng c mt chiu không chi quét đc s dng rng rãi cho các ng dng kim soát hiu sut cao. B điu khin PID thông thng ch cung cp hiu sut thaăđángăcho đim thit lp quyăđnh. Tuy nhiên, vi s hin din nó trong h thng, thôngăthng PID là không đ đ đtăđc mt b điu khin ti u. Bài báo này trình bày mt cách tip cn d dàng thit k mt hn hp H2 / H ∞ PID b điu khin đ kim soát tcăđ ca đng c DC không chi quét và các thut toán di truyn đc s dngăđ gii quyt nhng vnăđ tiăuăhóa. Kt qu th nghim đc th hin đ chng minh rng hiu sut trong b điu khin này là ttăhnăsoă vi trong b điu khin PID tiău bng cách s dng phngăphápătip cn LQR. ABSTRACT A mixed method between H 2 and H ∞ control are widely applied to systems which has parameter perturbation and uncertain model to obtain an optimal robust controller. Brushless Direct Current (BLDC) motors are widely used for high performance control applications. Conventional PID controller only provides satisfactory performance for set-point regulation. However, with the presence of nonlinearities, uncertainties and perturbations in the system, conventional PID is not sufficient to achieve an optimal robust controller. This paper presents an approach to ease designing a Mixed H 2 /H ∞ PID controller for controlling speed of Brushless DC motors and the genetic algorithm is used to solve the optimized problems. Numerical and experimental results are shown to prove that the performance in the proposed controller is better than that in the optimal PID controller using LQR approach. 1. GII THIU: Ngày nay, th giiăđangăchng kin s thayăđi to ln ca nn sn xut công nghip do vic áp dng nhng thành tu ca cuc cách mng khoa hc công ngh.ă Trongă đóă Vit Nam chúng ta đangă thc hină theoă hng công nghip hóa, hinăđiăhóaăđtănc vi s thayă đi ca nn sn xut công nghip, ngành khoa hc công ngh v t đngăhoáăcngăcóănhngăbc phát trinăvt bc và tr thƠnhăngƠnhămiănhn ca th gii nói chung và nn công nghip Vit Nam nói riêng. Các h thngă điu khin có tính t đng hoá s dngă đngă că đină thngă đc thit k vi nhng phn t tngăt tngăđi cng kn r tin. Nhngă đim yu ca các h thngătngăt là chúng nhy cm vi s thay điăđiu kin thi gian, thi tit, nhităđ cngă HUTECH nhă tui th ca các thành phn trong điu khin. Vnăđ là chúng ta phi bităđc nhng uăvƠăkhuytăđim ca tngăphng phápăđiu khin, trong đóănghiên cu gii thut di truyn đ tìm các thông s ca b điu khin PID và mô phng và thit k b điu khin PID. Nghiên cuăđiu khin PID ti uăbn vngăchoăđngăcă mt chiu không chi quét nhmăđtăđc hiu sut cao và gimăđc tn tht công sut, không cn boă dngă vƠă lƠmă tngă nhuă cu s dng đngă că nƠyă trongă nhng ng dng rô bt và servo công sut ln.ăLƠmăcăs phát minh ra các thit b công sut hinăđi và ng dng caăđng că nƠyă trongăcácă truynă đng có yêu cuăđiu chnh tcăđ. Xây dng thut toán di truynăđ tìm các thông s ca b điu khin và ng dng thut toán di truyn đ thit k b điu khin PID tiă uă H 2 /H . ơyălƠă mtăphngăphápă hnăhp gia H2 và H ∞ đc ápădngărngă rƣi choă cácăhă thng bă điuă khin tiă u. (BLDC) đngă c đc să dngă rngă rƣi choă cácă ngă dng hiuă sută cao. Băđiuă khin PID thông thng chă cungăcp hiu sut thaăđángăcho đimăthitălp quy đnh. 2. NG C BLDC ngăcă mtă chiuă(CMC)ă thôngă thngă cóă hiuă sută caoă vƠă cácă đcă tínhă caăchúngă thíchă hpăviăcácătruynăđngăservo.ăTuyănhiên,ăhnă chăduyănhtălƠătrongăcuătoăcaăchúngăcnăcóă că gópă vƠă chiă quét,ă nhngăthă dă bă mònăvƠă yêu cuă boă trì,ăboă dngă thngă xuyên.ă ă khcăphcănhcăđimănƠyăngiătaăchătoăloiă đngăcăkhôngăcnăboădngăbngăcáchăthayă thăchcănngăcaăcăgópăvƠăchiăquét biăcácă chuynă mchă sădngă thităbă bánădnă (chngă hnă nhă bină tnă să dngă transitoră côngă sută chuynămchătheoăvătríărotor).ăNhngăđngăcă nƠyăđcăbităđnănhălƠăđngăcăđngăbăkíchă thíchăbngănamăchơmăvnhăcuă hayăcònă giălƠă đngă că mtă chiuă khôngă chiă quét BLDC (BrushlessăDCăMotor).ăDoăkhôngăcóăcăgópăvƠă chiăquét nênăđngăcănƠyăkhcăphcăđcăhuă htăcácănhcăđimăcaăđngăcămtăchiuăcóă vƠnhăgópăthôngăthng. Huă htă cácă đngă că BLDCă cóă baă cună dơyă startoră dngă hìnhă sao,ă miă cună dơyă startoră cóă nhiuăbiădơyănh,ăcácăbiădơyănhănƠyăđcăđtă trongăcácărnhă vƠă đcă ktă viă nhauă toăthƠnhă cunădơyăstartor.ăCóăhaiăloiăstartorălƠăloaiătoăraă cácăphaăsóngădngăsinăvƠăsóngăhìnhăthang. 3. IU KHIN TI U BN VNG NG C DC KHỌNG CHI QUÉT. Cho h thngă điu khină nhă hìnhă điă tng P 0 (s). ngăcăDCăkhôngăchi quét có các thông s nhăsau: Bng 4.2: Thông s caăđngăcăBLDC Thông s Giá tr R 21.2 K b 0.1433 V s/rad D 1x10 -4 kg-m s/rad L 0.052H K t 0.1433 kg-m/A J 1x10 -5 kg-m s 2 /rad Hàm truynă đt caă đngă că DCă khôngă chi quét: 5.435677.417 36.275577 )( 2 ss sP HUTECH Sai lch mô hình 0 (s), b chnănhăsau: 101.0 1.0 )( 2 0 ss s Vi ngõ vào là hàm nc, thì ipd ksksks ss se 36.275577)36.2755775.43567()36.2755777.417( 5.435677.417 )( 23 2 Ràng buc năđnh bn vng: 1 )( )( max ),0[ Trong ví d này ta có m = 3, vì vy phim hàm H 2 ca h thng là J 3 : )(2 )2( 213030 32 2 03020 2 110 2 2 3 aaaaaa aabaabbbaab J Thut toán di truyn btăđu bng vic to ngu nhiên mt qun th bao gm 200 nhim sc th, sau 15 th h,ătìmăđc b điu khin PID thích hp vi các thông s nhăsau,ăk p = 180.1755, k i = 4.6997, k d = 0.0353. ápăng nc ca h thng: 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) Speed (rpm) Hình 1: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID vi các thông s (k p =30, k i =15, k d =0.001) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) Speed (rpm) Hình 2: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID ti u H 2 /H 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) Speed (rpm) Hình 3: áp ng vn tc ca h thng vi b điu khin PID ti u H 2 /H khi có sai s mô hình 4. THIT K MCH IU KHIN: 4.1 S đ điu khin vn tc ca đng c DC không chi quét PWM Commutation Sequence 3-Phase Inverter Bridge BLDC Motor E PID + Speed Reference r(t) Speed Feedback Hall Sensors 6 3 Speed Error e(t) PIC18F4431 u(t) Encoder y(t) Hình 4: Mch điu khin HUTECH 4.2 S đ khi tng quát ca h thng Hình 5: S đ khi tng quát ca h thng 4.3 S đ mch điu khin ca h thng 5V R16 33R PGD SW4 NHAN 1 D4 LED C15 33 pF 5V DC- IMOTOR HALLB DC+ SDA C12 104 J13 HEADER 5 1 2 3 4 5 J6 CON6 1 2 3 4 5 6 PWM5 D9 LED C4 3.3 uF D7 SCL PWM1 SW1 PWM4 HALLC FAULTA 5V 5V R14 33R Y1 CRY STAL R45 300 R19 R R8 300 SW2 R50 0.1R SW2 RESET R11 33R J17 CON2 1 2 J7 CON6 1 2 3 4 5 6 INDX R22 R - + U8A LM324 3 2 1 411 J2 CON2 1 2 DC+ 12V PWM2 R5 300 J11 HEADER 3 1 2 3 Vpp R30 1OK C16 47 uF 5V M3 R51 1k C3 3.3 UF 5V Q5 IRF540N /TO 12V PGC D6 SW5 NHAN 2 D14 LED C7 CAP NP HALLB 5V J22 CON3 1 2 3 R28 10k Q6 IRF540N /TO DC+ PWM1 R36 1K Q2 IRF540N /TO 5V C11 104 D12 LED 5V R43 2k4 R15 33R C14 47 uF PWM0 12V C8 0.1uf R1 R R10 300 D7 LED J10 CON3 1 2 3 HALLC PIC18F4431 9 18 19 20 29 30 31 401 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RE1/AN7 RC3/T0CLK/ INT0 RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD6/PW M6 RD7/PW M7 VSS RB7/PGDMCLR/VPP RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/ INDX RA3/AN3/ QEA RA4/AN4/ QEB RA5/AN5 RE0/AN6 RD2/PSP2/ SDA RD3/PSP3/ SCL RC4/I NT1 RC5/I NT2 RC6/TX/CK RC7/R X/DT RD4/PSP4 RD5/PSP5 RE2/AN8 VDD VSS OSC1/CLKI N OSC2/CLKOU T RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/ CCP2 RC2/C CP1 RB6/PGC RB5/PWM4 RB4/PWM5 RB3/PWM3 RB2/PWM2 RB1/PWM1 RB0/PWM0 VDD QEB QEA 12V D8 LED 12V PWM2 J3 HEADER 2 1 2 HALLA SW1 D1 DIODE PGD PWM4 5V DC+ Q4 IRF540N /TO R38 1K R4 10k R53 10k R20 R D11 LED R33 10K C10 0.1uF R52 1k R21 R U5 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB 5V 5V - + U9A LM339 5 4 2 312 J4 HEADER 3 1 2 3 5V U6 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB M3 R17 R U4 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB R34 10K R6 300 PWM3 INDX Vpp 12V R9 300 R42 1M 5V R24 R D10 LED D5 HALLA PWM5 PWM0 R27 2k 12V DC- C9 1000uf R41 1k R23 R R29 10k R13 33R R31 10K J12 HEADER 5 1 2 3 4 5 DC- D3 DIODE QEA M1 M2 R18 R R7 300 R35 10K D2 DIODE PWM3 Q3 IRF540N /TO D6 LED R39 1K R32 10K R12 33R M2 R25 R R40 300 C5 3.3 uF IMOTOR J14 CON2 1 2 J9 ICPS 1 2 3 4 5 R2 100 D4 FAULTA J8 CON3 1 2 3 C6 CAP NP 5V 5V DC- C1 1000uf D5 LED 12V PGC Q1 IRF540N /TO M1 QEB SW2 R44 5k Hình 6: Mch điu khin ca h thng 4.4 S đ mch driver vƠ đng lc R10 300 DC+ 12V D1 DIODE PWM4 Q4 IRF540N /TO DC+ PWM0 M3 U5 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB M1 U6 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB U4 IR2101 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC HIN LIN COM LO VS HO VB R6 300 12V R9 300 PWM5 J3 HEADER 2 1 2 12V PWM3 M2 R13 33R D3 DIODE R7 300 D2 DIODE R12 33R DC- C5 3.3 uF PWM2 M1 12V Q1 IRF540N /TO R16 33R M3 Q3 IRF540N /TO DC- C4 3.3 uF DC- R14 33R R11 33R R8 300 DC+ PWM1 12V R5 300 J11 HEADER 3 1 2 3 C3 3.3 UF Q5 IRF540N /TO Q6 IRF540N /TO Q2 IRF540N /TO DC+ R15 33R M2 12V Hình 7: Mch driver và đng lc Linh kin chính ca mch gmăICăđiu khin IR2101 và Mosfet IRF 540. IC IR 2101 có nhngăđtăđim chính sau: ngun cp t 10ăđn 20ăVDC,ăđuă vƠoătngăthíchăvi 3.3, 5 và 15 VDC,ăkhóaăđin áp thp, kt hp trì hoãn truyn ca c haiăkênh,ăcácăđu vào caăIR2101ăđc ni tiă6ăkênhăđiu rng xung ca PIC18F4431 t PWM0ăđn PWM5 theo tng cp mt.PWM0 và PWM1, PWM2 và PWM3, PWM4 và PWM5 đuăraăthiăđc ni vi chân G ca IRF540. IRF 540 có kh nngă đóngă ngt nhanh và tn hao đóngăngt thp có th s dngăđinăápăđn 100V và dòng 20A. Nhim v chính ca mch này nhă lƠă mt b nghchă luă đ to t dòngăđin DCăraădòngăđin vi 3 pha khác nhau, lch nhau 120ăđ đ điu khinăđng căBLDC.ăKhiătngă tn s điu rng xung IR2101 s kích vào m các IRF540 thích hp nhiuăhn,ădòngăđin qua đngăcălnăhnădoăđóăchyănhanhăhn.ăNgc li khi tn s điu rng xung gim IRF540 m ít hnădòngăquaăđngăcănh hnădoăđóăchy chm hn. 4 4.5 Mô hình thc t: Hình 8: Mô hình thc t 5. KT LUN Trong bài báo này, H 2 /H ∞ hn hp PID đƣ đc áp dng đ kim soát tc đ ca đngăcăBLDC. Hiu sut ca PID ti u đc phân tích và so sánh vi PID thôngăthng. Mt mô hình đƣ đc xem là th hin s vng mnh ca b điu khin PID tiăuăbn vng. 6. TÀI LIU THAM KHO [1]. NEWTON G.C., GOULD L.A, KAISER J.F., (1957), Analytic Design of Linear HUTECH Feedback Controls, New York, John Wiley & Sons. [2]. CHEN B S., CHENG Y M., LEE C H., (1995), A Genetic Approach to Mixed H 2 /H Optimal PID Control, IEEE Control System, 15, 51-60. [3]. Microchip Technology Inc (2003) Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals [4]. K.ASTROM, T.HAGGLUND, PID Controller: Theory, Design, and Tuning, 2 ND Edition. [5]. CHIN. TENG. LIN, CS GEORGE LEE, (1996) Neural Fuzzy Systems, Prentice-Hall International Edition. [6].ă NGUYNă ÌNHă THÚC,ă ÀOă TRNGă VN,ă TRNă Tă HNG,ă HOÀNGă Că HI,ă(2001)ăLp Trình Tin Hóa, NhƠăxutăbnă giáoădc. [7].ăHOÀNGăKIM,ăLểăHOÀNGăTHỄI,ă(2001)ă Thut Gii Di Truyn Cách Gii T Nhiên Các Bài Toán Trên Máy Tính, NhƠă xută bnă giáoă dc. HUTECH IU KHIN PID TI U BN VNG CHO NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT Hc Hng dn khoa hc TS. VÕ HOÀNG DUY 1 TÀI HUTECH 2 Ngành khoa hc công ngh v t đng hoá có nhng bc phát trin vt bc và tr thành ngành mi nhn ca th gii nói chung và nn công nghip Vit Nam nói riêng Các h thng điu khin có tính t đng hoá s dng đng c đin thng đc thit k vi nhng phn t tng t tng đi cng kn r tin [...]... b khi rãi và ph bi PID ra cách c th t c nh xã h k thu òi h và phát tri ph khi không vì th mà cùng v c s nay B ã khá lâu nghiên c khoa h khi hi H U TE không còn tri PID là b C H Trong có nh S phát nhu c nh khi PID( proportional integral derivative) t và b b v 4 nh v b v quét ” th cho trên cho nên tôi ti tài : H U TE hành nghiên c thi C H T m khi chi PID t không ch 5 2.M chi (DC) không ch trình c gi... hi tài di truy PID và thi c quét, xây d b v Nghiên tìm các thông s c k b khi các b PID 6 khi m không ch cao và gi b l Làm t hi truy và th nhu c d s có yêu c cho hi rô b công su s không c d và servo công su phát minh ra các thi d v quét nh và làm này trong nh b H U TE su chi PID t C H Nghiên c c b công su này trong các ch t 7 không ch H U TE C H 1 Gi thi v m chi quét BLDC (Brushless DC Motor) Hình... nghi; khi t khi PID (proportional integral derivative) H U TE C H 2 11 H U TE H 12 C H 13 H U TE C H 14 H U TE C H 15 H U TE C H 16 H U TE C H 17 H U TE C H 18 H U TE C H 19 H U TE C H 20 H U TE C H khi PID có d sau: C H B H U TE (4.4) Sai s mô hình 0(s) xem không bi rõ ràng Gi s sau: (j ) là hàm ch bi 0 trên c 0(s) b ch (4.5) 0(j ), và 21 b v cho th r n b C(s) ch sao cho h th vòng kín (không tính 0(s))... m motor BLDC bao g x trên các rãnh c quanh tr h startor d hình sao, m b các b r và Có hai lo các k v lên nhau bên m trong c BLDC có ba cu H U TE startor H dây nh ch C H thép mõng, cong các mi cu dây startor có nhi dây nh này nhau t startor là loai t dây thành cu trong các dây startor ra các pha sóng d sin và sóng hình thang 10 v các pháp khi m chi không ch than Ngày nay có r nhi pháp khi không ch than... trong hình ti c và th mãn b th C H qu khi danh 4.3 sau: (4.6) H U TE K 22 C H H U TE (4.8) 23 pháp thi k : H U TE C H Ph này s trình bày pháp xác các thông s (k1, k2, k3) c b khi PID cho hai bài toán trên b thu toán di truy , sao cho th giá tr c ti c phi hàm H2, th mãn ràng bu b v H 24 25 H U TE C H 26 H U TE C H 27 H U TE C H 28 H U TE C H . b điu khin PID và mô phng và thit k b điu khin PID. Nghiên cuăđiu khin PID ti uăbn vng cho đngăcă mt chiu không chi quét nhmăđtăđc. hayăcònă giălƠă đngă că mtă chiuă không chiă quét BLDC (Brushless DC Motor).ăDo không cóăcăgópăvƠă chi quét nênăđngăcănƠyăkhcăphcăđcăhuă htăcácănhcăđimăcaăđngăcămtăchiuăcóă vƠnhăgópăthôngăthng.