Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320 trong điều khiển, phục vụ công tác đào tạo tại Trung tâm Thí nghiệm trường đại học Kĩ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

--------------------------

TRẦN THỊ HẢI YẾN

“ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN, PHỤC VỤ CÔNG

TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN THÁI

NGUYÊN”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự dộng hóa

Thái Nguyên - năm 2014

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Thị Hải Yến

Sinh ngày : 12 tháng 04 năm 1986

Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại

học Thái Nguyên.

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hƣớng của giáo

viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác.

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn.

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Trần Thị Hải Yến

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI NÓI ĐẦU

1. Tính cấp thiết cua đề tài.

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang đƣợc thừa hƣởng những

thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các nghành

khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tự động hóa

các dây truyền sản xuát vì vậy ngành tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ nó góp phần

tăng năng xuất lao động và giảm chi phí về giá thành của các mặt hàng vì vậy tự động

hóa không chỉ hiện đại và đa dạng mà còn có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm

chi phí và nâng cao hiệu quả trong sản xuất.

Là một giáo viên của khoa Điện - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái

Nguyên – Đại học Thái Nguyên. trực tiếp tham gia đào tạo, nên tôi rất quan tâm đến hệ

thống sử dụng điều khiển số vào ứng dụng điều khiển, trong đề tài này tôi muốn đề cập

đến việc sử dụng TMS320 vào trong điều khiển.

Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài : “Ứng dụng vi xử lý tín hiệu số

TMS320 trong điều khiển, phục vụ công tác đào tạo tại trung tâm thí nghiệm Trường

Đại học KTCN Thái Nguyên”.

2. Mục tiêu của luận văn

Xây dựng hệ thí nghiệm điều khiển động cơ sử dụng vi xử lý TMS phục vụ cho

công tác đào tào tại Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học

Thái Nguyên.

Trên cơ sở thiết bị hiện có của trƣờng và nội dung chƣơng trình đào tạo, dựa vào

kết quả nghiên cứu này, tiến hành triển khai thành các modul thực hành phục vụ công

tác đào tạo cho Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái

Nguyên.

3. Đối tƣợng nghiên cứu

- Vi xử lý TMS320

- Động cơ tuyến tính

4. Ý nghĩ khoa học và thực tiễn của đề tài

Nâng cao đƣợc chất lƣợng đào tạo nghề của nhà trƣờng

Đáp ứng đƣợc yêu cầu của thực tế sản xuất do hiện nay trong thực tế đang sử dụng

rộng rãi hệ thông này trong các thiết bị đòi hỏi chất lƣợng điều khiển.

5. Kết cấu của luận văn của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chƣơng sau:

Chƣơng 1: Khái quát phần cứng vi xử lý TMS320 và phần mềm đi kèm và đánh

giá khả năng ứng dụng của TMS320 trong việc điều khiển một số đối tƣợng nhƣ

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

động cơ (động cơ điện 1 chiều, xoay chiều, servo...), thiết bị điều khiển quá

trình...

Chƣơng 2: Ứng dụng vi xử lý TMS320 vào việc thiết kế bộ điều khiển cho một

đối tƣợng cụ thể (có thể là động cơ điện 1 chiều, xoay chiều, động cơ servo, thiết

bị điều khiển quá trình), hiện có tại trung tâm thí nghiệm trƣờng ĐHKTCN Thái

Nguyên. Tiến hành mô phỏng.

Chƣơng 3: Kết luận và thực nghiệm.

Kết luận và kiến nghị

Để hoàn thành đƣợc luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả đã nhận đƣợc

sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn TS Cao Xuân Tuyển và sự giúp đỡ của

trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, tập thể thầy cô giáo của

Khoa Điện và khoa Sau đại học và bạn bè đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hƣớng dẫn và tập thể thầy cô giáo của Khoa

Điện và khoa Sau đại học - trƣờng Đại học Kỹ thuật công đã giúp đỡ tôi hoàn thành

luận văn và chƣơng trình học tập.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Trần Thị Hải Yến

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................................i

LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................. iii

MỤC LỤC.....................................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU..................................................................................vi

CHƢƠNG 1...................................................................................................................................1

KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM ..........................1

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN .......................1

1.1. TỔNG QUAN VỀ TMS320.............................................................................................. 1

1.1.1 CẤU TRÚC DSP TMS320F2812..................................................................................1

1.1.2. Cổng vào ra số ( Digital I/O )....................................................................................10

1.1.3 Chuyển đổi tƣơng tự số ( ADC) .................................................................................18

1.1.4. Hệ thống ngắt F2812 .................................................................................................25

1.1.5. Modul quản lý sự kiện (EV ).....................................................................................30

1.2. CÁC MÔI TRƢỜNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ PHÁT TRIỂN DSP F281x .................... 32

1.2.1 Sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio).............................................32

1.2.2. Sử dụng môi trƣờng lập trình đồ họa ViSsim............................................................34

1.2.3. Matlab và gói phần mềm hỗ trợ lập trình cho DSP TIC2000...................................35

1.3. VÍ DỤ ỨNG DỤNG TMS320 VÀO TRONG ĐIỀU KHIỂN ........................................ 36

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1:...........................................................................................................38

CHƢƠNG 2.................................................................................................................................38

ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN...................................39

2.1. Đặt vấn đề........................................................................................................................ 39

2.2 Khái Quát về đối tƣợng điều khiển................................................................................... 40

2.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng...................................................................40

2.2.2 Khái quát về các phƣơng pháp điều khiển động cơ tuyến tính..................................41

2.3. Mô hình hóa ĐCTT ......................................................................................................... 43

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của động cơ tuyến tính ..............................................43

2.3.2. Mô hình toán học động cơ tuyến tính tƣơng tự nhƣ động cơ bƣớc unipolar.............50

2.3.3. Mô hình hóa động cơ tuyến tính ba pha loại ĐB – KTVC........................................52

2.4. KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG........................................................................................... 59

2.4.1 Mô tả cấu trúc điều khiển. ..........................................................................................59

2.4.2. Mạch cứng sử dụng TMS320 và ULN2803 .............................................................67

2.5. MÔ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN............................................................... 70

2.5.1 Động cơ tuyến tính đồng bộ đƣợc sử dụng khi mạch từ là nam châm vĩnh cửu........70

2.5.2. Động cơ tuyến tính đồng bộ - kích thích vĩnh cửu. ...................................................73

2.5.3. Phần mềm điều khiển ................................................................................................76

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2............................................................................................................85

CHƢƠNG 3.................................................................................................................................85

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .............................................................................................86

3.1. THỰC NGHIỆM............................................................................................................. 86

3.2 KẾT LUẬN CHO PHẦN THỰC NGHIỆM.................................................................... 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO. ..........................................................................................................91

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1. 1 Sơ đồ nối chân TMS320F2812......................................................................................3

Hình 1. 2 Sơ đồ cấu trúc các chức năng của F2812 ......................................................................5

Hình 1. 3 Phân vùng bộ nhớ TMS320 ...........................................................................................6

Hình 1. 4 Bản đồ ngoại vi TMS320F2812 ..................................................................................10

Hình 1. 5 Phân vùng bộ nhớ TMS320F2812...............................................................................11

Hình 1. 6 Các GPIO PORT TMS320F2812................................................................................12

Hình 1. 7 Cấu trúc thanh ghi GPIO TMS320F2812....................................................................12

Hình 1. 8 Sơ đồ khối GPIO TMS320F2812................................................................................13

Hình 1. 9 Các thanh ghi GPIO TMS320F2812 ...........................................................................14

Hình 1. 10 C28x clock modul......................................................................................................14

Hình 1. 11 Các thanh ghi điều khiển xung clock ngọai vi...........................................................15

Hình 1. 12 Sơ đồ khối modul watchdog timer ............................................................................16

Hình 1. 13 Thanh ghi điều khiển watchdog timer.......................................................................17

Hình 1. 14 Thứ tự ghi vào thanh ghi WDKEY ...........................................................................18

Hình 1. 15 Modul ADC trong chế độ nối tầng ............................................................................19

Hình 1. 16 Modul ADC trong chế độ Dual Sequencer................................................................20

Hình 1. 17 Thiết lập nguồn xung 25MHZ cho modul ADC........................................................20

Hình 1. 18 Các thanh ghi modul ADC ........................................................................................21

Hình 1. 19 Byte cao thanh ghi ADC Control 1 ...........................................................................22

Hình 1. 20 Byte thấp thanh ghi ADC Control 1 ..........................................................................22

Hình 1. 21 Byte cao thanh ghi ADC Control 2 ...........................................................................23

Hình 1. 22 Byte thấp thanh ghi ADC Control 2 ..........................................................................23

Hình 1. 23 Thanh ghi ADC control Register 3............................................................................24

Hình 1. 24 Thanh ghi ADC MAXCONV....................................................................................24

Hình 1. 25 Thanh ghi ADC Input Channel Select Sequencing Control Register........................25

Hình 1. 26 Lines Interrupt ...........................................................................................................25

Hình 1. 27 Các nguồn reset hệ thống...........................................................................................26

Hình 1. 28 Các nguồn ngắt..........................................................................................................26

Hình 1. 29 Thanh ghi cờ ngắt ......................................................................................................27

Hình 1. 30 Thanh ghi cho phép ngắt ...........................................................................................27

Hình 1. 31 Mở rộng ngắt ngoại vi ...............................................................................................28

Hình 1. 32 Bảng phân bổ ngắt .....................................................................................................28

Hình 1. 33 Véc tơ ngắt lúc thiết lập lại........................................................................................28

Hình 1. 34 Bản đồ véc tơ PIE sau khi thiết lập lại ......................................................................29

Hình 1. 35 Sơ đồ khối của bộ timer.............................................................................................29

Hình 1. 36 Sơ đồ khối modul quản lý sự kiện .............................................................................31

Hình 1. 37 Sơ đồ khối bộ định thời mục đích chung...................................................................32

Hình 1. 38 Môi trƣờng làm việc của CCS...................................................................................33

Hình 1. 39 Phƣơng thức liên kết matlab và TIC2000..................................................................35

Hình 1. 40 Mạch điều khiển hoàn tất với các tín hiệu điều khiển đƣa đến đối tƣợng................36

Hình 1. 41 Mô hình con lắc ngƣợc trên xe ..................................................................................37

Hình 1. 42 Mô hình xe hai bánh cân bằng...................................................................................37

Hình 1. 43 Cấu trúc điều khiển số vị trí động cơ DC servo phản hồi .........................................37

Hình 2. 1 Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cơ cấu trục vít và đai truyền.......................40

Hình 2. 2 Hình ảnh ĐCTT thu đƣợc khi trải dài động cơ quay tròn ...........................................41

Hình 2. 3 Cấu tạo của động cơ truyền động thẳng ......................................................................44

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2. 4 Động cơ tuyến tính đang xét tƣơng tự nhƣ động cơ bƣớc unipolar ...........................44

Hình 2. 5 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bƣớc unipolar.............................................................44

Hình 2. 6 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bƣớc unipolar.............................................................44

Hình 2. 7: Chuyển mạch của rotor ở chế đọ nửa bƣớc ...............................................................46

Hình 2. 8 Giản đồ dạng xung ở chế độ nửa bƣớc........................................................................47

Hình 2. 9: Sơ đồ mô tả chế độ bƣớc đủ một pha đƣợc cấp xung ................................................48

Hình 2. 10: Giản đồ dạng xung ở chế độ một pha ON...............................................................48

Hình 2. 11 :Ché độ bƣớc đủ hai pha đƣợc cung cấp xung...........................................................49

Hình 2. 12: Giản đồ dạng xung ở chế độ hai pha ON ................................................................50

Hình 2. 13 Mô hình động cơ tuyến tính ......................................................................................51

Hình 2. 14 Biểu diễn các đại lƣợng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB –

KTVC 3 pha ................................................................................................................................53

Hình 2. 15 Mô hình động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trong không gian trạng thái trên hệ toạ độ

dq .................................................................................................................................................55

Hình 2. 16 Mô tả vector dòng điện

s

i trên các hệ trục toạ độ α, β, abc,

ˆ

dqˆ

, dq .......................57

Hình 2. 17 TOP2812....................................................................................................................60

Hình 2. 18 TOP2812 và các phụ kiện đi kèm..............................................................................61

Hình 2. 19: Vị trí cổng COM, jack cấp nguồn cho kit ...............................................................61

Hình 2. 20Vị trí các thành phần trong kit TOP2812 ...................................................................62

Hình 2. 21 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB - JTAG ...............................................................62

Hình 2. 22: đĩa mã hóa và nguyên lý hoạt động encoder tƣơng đối............................................64

Hình 2. 23 dạng xung của các kênh đầu ra..................................................................................64

Hình 2. 24 Bố trí các cặp thu phát...............................................................................................65

Hình 2. 25 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 2 rãnh.........................................................................66

Hình 2. 26 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 8 rãnh.........................................................................66

Hình 2. 27 Mạch cứng sử dụng TMS320 và ULN2803 ghép nối với các cuận dây của động cơ

.....................................................................................................................................................68

Hình 2. 28 Sơ đồ khối mạch hở...................................................................................................70

..................................................................................................70

(mạch này dùng

chung cho cả mạch hở và mạch kín) ...........................................................................................71

Hình 2. 31 kết quả mô phỏng trong Matlab của hệ hở ................................................................72

, , góc bƣớc sau quá trình mô phỏng............72

Hình 2. 33 ....................................................................................................................................73

Hình 2. 34: sơ đồ khối sử dụng biến tần, vi xử lý trong điều khiển ............................................74

Hình 2. 35: Sơ đồ ghép nối TMS320 với biến tần.......................................................................74

Hình 2. 36 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC 3 pha sử dụng TTHCX......................74

Hình 2. 37 Mô hình mô phỏng điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC theo phƣơng pháp TTHCX

.....................................................................................................................................................75

Hình 2. 38 Kết quả đáp ứng tốc độ mô phỏng theo phƣơng pháp TTHCX ................................76

Hình 3. 1 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch TOP2812............................86

Hình 3. 2 ghép nối máy tính – TOP2812 và máy hiện sóng trong thí nghiệm............................86

Hình 3. 3 Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây của động cơ ở chế độ bƣớc đủ một pha đƣợc cấp

xung .............................................................................................................................................87

Hình 3. 4 Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây của động cơ ở chế độ bƣớc đủ cả hai pha đƣợc cung

cấp xung.......................................................................................................................................87

Hình 3. 5 Xung tín hiệu đƣa vào cuận dây của động cơ ở chế độ nửa bƣớc ...............................88

Hình 3. 6 Đối tƣợng động cơ tuyến tính ĐB-KTVC...................................................................88

viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 3. 7 ghép nối đối tƣợng điều khiển với biến tần, bo mạch và máy tính .............................89

Bảng 1Các tài nguyên của TMS320F2812 [6] .........................................................................4

Bảng 2 Bảng chọn chế độ khởi động............................................................................................8

Bảng 3 Bảng thống kê dấu của dòng điện tại các pha ................................................................47

Bảng 4 Bảng thống kê dấu của dòng điện tại các pha:...............................................................49

Bảng 5 Bảng thống kê dấu của dòng điện tại các pha ................................................................50

Bảng 6 Thông số kỹ thuật:..........................................................................................................59

Những từ viết tắt

Ký hiệu và

chữ viết tắt

Đơn vị Ý nghĩa

, L L sq sd

H Điện cảm dọc trục và ngang trục của stator

m Kg Khối lƣợng của bộ phận sơ cấp (stator)

,i

s s

u

V,A Vector điện áp, dòng stator

R

s

Điện trở stator

,i sq sd i

A Dòng điện trục d,q

,u sq sd u

V Điện áp trục d,q

mm Bƣớc cực

p

Wb Từ thông cực từ

,

e m

Rad/s Vận tốc góc điện, cơ

m

Rad Vị trí góc (hình học) của động cơ quay

N Ma trận ghép phi tuyến

(d,jq) Hệ trục tọa độ tựa theo cực từ

(

 

d jq ,

) Hệtrục có tốc độ chuyển động tịnh tiến giống hệ tọa độ tựa

theo cực từ (d,jq) nhƣng có thể có sự sai lệch

f A

Ma trận hệ thống

f B

Ma trận đầu vào

ĐCTT Động cơ tuyến tính

ĐB-KTVC Đồngbộ- kích thích vĩnh cửu

SVM Điều chếvectơ không gian

TTHCX Tuyến tính hoá chính xác

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

CHƢƠNG 1

KHÁI QUÁT PHẦN CỨNG VI XỬ LÝ TMS320 VÀ PHẦN MỀM ĐI KÈM

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA TMS320 TRONG ĐIỀU KHIỂN

1.1. TỔNG QUAN VỀ TMS320

1.1.1 CẤU TRÚC DSP TMS320F2812

1.1.1.1 Giới thiệu chung

TMS320F2812 và TMS320C2812, các thành viên của họ TMS320C28x ™ DSP,

đƣợc tích hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụng điều khiển.

Chức năng Tổng quan, kiểu đóng gói và bản đồ bộ nhớ của TMS320C2812,

TMS320F2812 và một số dòng thuộc họ C28x đƣợc trình bày trong các hình phía dƣới.

Các đặc điểm cơ bản của F2812

- Công nghệ static CMOS

+ Tần số xung chíp 150 MHz (chu

kỳ kệnh 6,67ns)

+ Tiêu thụ năng lƣợng thấp (lõi

1,8V, vào/ra 3,3V)

+ Điện áp lập trình Flash 3,3V

- Hỗ trợ chuẩn JTAG dùng để mô

phỏng chíp

- Đơn vị xử lý trung tâm CPU 32-bit

(của họ TMS320C28x)

+ Phép nhân Mac 16x16 và 32x32

+ Cấu trúc Bus Harvard

+ Đáp ứng và xử lý ngắt tốc độ cao

+ Nhiều mô hính lập trính bộ nhớ

+ Quản lý theo địa chỉ tuyến tính 4M

nhớ chƣơng trình

+ Quản lý theo địa chỉ tuyến tính 4M

nhớ dữ liệu

+ Dễ tạo mã bằng C/C++ hoặc hợp

ngữ (Assembler)

+ Mã nguồn tƣơng thích với

TMS320F24x/LF40x

- Bộ nhớ trên phiến (On-chip

Memory)

+ có tới 128Kx16 Flash (4 mảng

8Kx16 và 6 mảng 16kx16)

+ 1Kx16 loại OTP ROM

+ L0 và L1: 2 khối loại 4Kx16

+ Có RAM truy cập đơn (Single￾Access RAM: SARAM)

+ H0: 1 khối 8Kx16 SARAM

+ M0 và M1: 2 khối loại 1Kx16

SARAM

- Boot ROM (4Kx16)

+ Có Boot ROM Modes bằng

Software

+ Standard Math Tables

- Giao diện ngoài (F2812)

+ Tối đa 1M bộ nhớ

- Kiểm soát xung đồng hồ và hệ thống

+ Hỗ trợ thay đổi động hệ số PLL

+ Oscillator trên phiến

+ Module đồng hồ Watchdog

- 3 ngắt ngoài