BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ CHO ĐỘNG CƠ DC ỨNG DỤNG ASIC

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

43

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ CHO ĐỘNG CƠ DC ỨNG

DỤNG ASIC

APPLICATIONS OF ASIC TECHNOLOGY IN DESGINING A DIGITAL PID

CONTROLLER FOR DC MOTOR

SVTH: VŨ TÚ ANH - O3ĐT2

Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa

GVHD: KS. NGUYỄN KHÁNH AN,

ThS. NGUYỄN BÁ HỘI,

KS. NGUYỄN TRUNG KIÊN

Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa

TÓM TẮT:

Đề tài nghiên cứu thiết kế một ứng dụng của công nghệ ASIC. Sử dụng FPGA thực hiện bộ

điều khiển PID số cho động cơ DC. Nhân điều khiển là một bộ vi xử lý chuyên dụng được thiết

kế dựa trên cấu trúc MAC (multiplier/accumulator). Với cấu trúc MAC, phương trình sai phân

bậc 2 được thực hiện trong 4 chu kỳ xung clock hệ thống, nhờ kết hợp phép cộng dồn và phép

nhân trong một chu kỳ xung clock đơn. Thử nghiệm với FPGA Spartan-3AN cho phép tần số

clock hệ thống đến 62MHz.

ABSTRACT:

This final year project aims at using one of applications of ASIC technology in desgining a

digital PID controller for DC motor. The controller core is an application specific microprocessor

based on MAC (multiplier/accumulator). With this MAC architecture, the second order

differential equation is able to be executed in 4 clock cycles, due to accumulating and

multiplying during a single clock cycle. Testing on FPGA Spartan-3AN allows clock frequency

up to 62MHz.

1. Mở đầu

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, kỹ thuật điều khiển tự

động được ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, theo đó đòi hỏi

về chất lượng, cũng như tốc độ của các bộ điều khiển ngày càng cao. Trong nhiều trường hợp

các bộ điều khiển thông thường không đáp ứng được, chúng ta thường phải trả giá cao cho

những tiêu chí này. Có một hướng giải quyết vấn đề này đó là ứng dụng các công nghệ mới.

Với công nghệ ASIC chúng ta có thể phát triển các bộ điều khiển theo hướng chuyên dụng cho

các ứng dụng cụ thể. Và tạo ra các bộ điều khiển với giá thành thấp hơn, năng lượng tiêu thụ ít

hơn. Các giải thuật điều khiển được xử lý bằng phần cứng sẽ có tốc độ cao hơn hẳn với cùng

một công nghệ. Khả năng lập trình lại, khả năng tích hợp hệ thống trên một chíp cho ta sự linh

hoạt, độ tin cậy cao, tiết kiệm không gian hệ thống.

Trong giới hạn, đề tài phát triển một ứng dụng mang tính thử nghiệm đó là thiết kế bộ

điều khiển PID số cho động cơ DC. Trong thực tế các bộ điều khiển động cơ thường sử dụng

vi điều khiển. Các bộ điều khiển chất lượng cao có thể sử dụng DSP. Ngày nay đã xuất hiện

thế hệ chip lai mới như ADI's Blackfin và TI's MSP430 kết hợp các ưu điểm của vi điều khiển

và khả năng tính toán, xử lý tín hiệu nhanh với chu kỳ vòng lặp xác định của DSP. Tuy nhiên

một bộ điều khiển chuyên dụng vẫn cho ta nhiều lợi ích hơn.

2. Tổng quan

Động cơ DC là một đối tượng điều khiển thường gặp trong thực tế, nó ứng dụng rộng

rãi trong công nghiệp, dân dụng, quốc phòng... Thiết kế bộ điều khiển PID số cũng là một bài

toán khá quen thuộc nhờ tính đơn giản nhưng khá hiệu quả của nó. Vấn đề là các bộ điều

khiển này thường bị giới hạn về tốc độ, độ chính xác (do độ rộng bit dữ liệu giới hạn) nếu sử