Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nghiên cứu khả năng ứng dụng FPGA trong việc điều khiển đồng bộ hệ

động cơ một chiều trong dây chuyền bọc cáp viễn thông

A study on practical application of FPGA technology in controlling

synchronically a brushed DC motor of telecommunication cable

plaiting/spinning line

Trương Đăng Khoa

Học viện Kỹ thuật Quân sự

e-Mail: khoahn@yahoo.com

Tóm tắt

Bài báo trình bày những khả năng thực tế ứng

dụng công nghệ FPGA (Field Programmable Gate

Array) trong việc điều khiển và đồng bộ tốc độ cho

một dây chuyền bện cáp viễn thông, những ưu,

nhược điểm, các vấn đề kỹ thuật cần phải tập trung

giải quyết khi thực hiện thực tế.

Abstract:

The article shows pratical applications of

FPGAtechnology in controlling synchronically a

brushedDC motor of telecommunication cable

plaiting/spinning line; advantages, disadvantages

and technical problems to be handled in reality.

1. Các giải pháp kỹ thuật hiện nay trong

điều khiển và đồng bộ tốc độ hệ

nhiều động cơ một chiều Hệ thống điều khiển và đồng bộ tốc độ cho dây

chuyền nhiều động cơ một chiều sản xuất cáp viễn

thông hiện nay vẫn chủ yếu sử dụng theo nguyên

tắc thay đổi điện áp phần ứng, tạo tín hiệu xung

đồng bộ dạng răng cưa, so sánh với điện áp điều

khiển một chiều để xác định góc mở của thyristor

nhằm thay đổi điện áp một chiều đưa đến động cơ

[2]. Giải pháp phần cứng thực hiện nguyên tắc này

chủ yếu dựa trên các phần tử sau:

- Dùng các linh kiện rời rạc, như bán dẫn, tụ,

trở;

- Dùng các linh kiện tổ hợp logic (IC số);

- Dùng vi điều khiển với các phần mềm lập

trình thông dụng (C, C+);

- Dùng PLC (Programmable Logic Controller)

với các modun xử lý số mở rộng.

2. Những khả năng thực tế khi ứng dụng

FPGA trong điều khiển và đồng bộ tốc

độ Hiện nay, công nghệ FPGA (Field

Programmable Gate Array) đã phát rất mạnh và

đang được ứng dụng một cách rộng rãi trong nhiều

ngành kỹ thuật và công nghiệp. Việc ứng dụng các

board FPGA trong việc thiết kế hệ thống điều khiển

đồng bộ cho một dây chuyền bện cáp viễn thông có

các ưu điểm nổi bật: [2]

- Số cổng logic tổ hợp trong một board là rất lớn,

do đó có thể giải quyết được bài toán điều khiển với

các chương trình đồng bộ tốc độ khác nhau;

- Tốc độ xử lý rất cao, xử lý song song, đáp ứng

đươc yêu cầu thời gian thực với điều khiển hệ

thống nhiều động cơ một chiều;

- Trên các board FPGA đã tổ hợp sẵn các bộ biến

đổi A/D, D/A nên dễ dàng phối hợp với các tín hiệu

tương tự đầu vào, đầu ra (ví dụ, tín hiệu phản hồi

dòng điện);

- Số lượng đầu vào, đầu ra trên một board FPGA

rất lớn, được tùy ý quy định, do đó có thể đưa ra tín

hiệu điều khiển cho một số lượng lớn động cơ một

chiều;

- Chương trình phần mềm hướng đối tượng, được

tổ chức theo các quá trình (process), dễ viết cũng

như kiểm tra, sửa lỗi.

3. Xây dựng sơ đồ chức năng và chương

trình điều khiển và đồng bộ tốc độ

3.1.Sơ đồ chức năng của dây chuyền bện

cáp viễn thông (hình 1) [1]

Guång c¸p

Nhåi dÇu chèng Èm

QuÊn b¨ng mica

KÐo c¸p Thu c¸p

H 1. Sơ đồ chức năng thiết bị dây chuyền bện cáp viễn thông

106

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Như vậy, trong dây chuyền bện cáp viễn thông

thường có 4 động cơ một chiều:

- Động cơ guồng cáp, trên đó bố trí các rulo đã có

các đôi dây xoắn nhóm;

- Động cơ bọc băng mica;

- Động cơ kéo dây;

- Động cơ thu dây vào bobin.

Trong 4 động cơ này, quan trọng nhất và có ảnh

hưởng quyết định đến chất lượng bện cáp là động

cơ guồng cáp, đây cũng là động cơ có công suất lớn

nhất. Trong quá trình đồng bộ tốc độ sẽ coi động cơ

này là động cơ chính (master), các động cơ còn lại

là động cơ phụ (slave). Các động cơ phụ ngoài việc

tự ổn định tốc độ theo các tín hiệu phản hồi cục bộ

(phản hồi dòng, áp) còn được đồng bộ tốc độ theo

tín hiệu phản hồi của động cơ chính. Thuật toán

điều khiển các động cơ ở đây là điều khiển theo

chương trình đối với dung lượng đôi cáp khác nhau,

việc ổn định tốc độ vẫn dùng thuật toán PID cổ

điển. Các thuật toán này được tổ chức trong chương

trình của FPGA. Đầu ra điều khiển của FPGA ở

đây là các xung điều khiển có độ vị trí và độ rộng

theo yêu cầu, nhưng biên độ thấp (thường là mức

3,3V). Xung điều khiển này được khuếch đại đệm

rồi qua biến áp xung đến cực điều khiển của

thyristor khuếch đại công suất (hình 2).

Tín hiệu đồng bộ

Tín hiệu ngắt sự cố

Khuyếch đại đệmKhuyếch công suất

Master

đại Động cơ Master

Đo tốc độ

~

Biến áp dòng

~

FPGA

Khuyếch công suất Slave (1,2,3)

đại

Đo tốc độ

Động cơSlave (1,2,3) Khuyếch đại đệm

H 2. Cấu trúc hệ thống điều khiển và đồng bộ tốc độ động cơ cho dây chuyền bện cáp

3.2. Tổ chức chương trình Việc tổ chức chương trình điều khiển đồng bộ

tốc độ cho dây chuyền bện cáp được viết trong một

Project hoàn chỉnh với các thủ tục như khai báo

cổng vào/ra, định nghĩa các hằng, biến, tín hiệu

v.v... được viết trên ngôn ngữ thông dụng VHDL

hoặc Verilog. Dưới đây sẽ xem xét các chương

trình (process) chính (hình 3).

Nhiệm vụ chính của các process như sau

- Process khởi động: Nhận tín hiệu khởi động hệ

thống hoặc tín hiệu dừng khẩn cấp khi có sự cố

trong quá trình hoạt động của dây chuyền.

- Process tăng tốc độ: Thực hiện việc thay đổi từ

từ vị trí của xung điều khiển với tốc độ phù hợp với

đặc tính cơ của từng động cơ có trong dây chuyền,

cũng như tỷ số tryền của các bộ giảm tốc, đảm bảo

trong giai đoạn này bước xoắn và độ căng của cáp

vẫn đạt yêu cầu.

- Process ổn định tốc độ: Đây là process thực hiện

thuật toán ổn định tốc độ cho tất cả các động cơ

trong dây chuyền. Thuật toán ổn định tốc độ sử

dụng PID, đặc biệt trong process này cần phải tạo

được độ dịch xung điều khiển theo vị trí góc mở

yêu cầu và dấu của sai lệch tốc độ theo quy luật

hàm cosin, do sự thay đổi điện áp một chiều đầu ra

tỷ lệ với cosin của góc mở thyristor.

- Process chọn xung điều khiển: Tạo ra các nhóm

xung điều khiển đưa đến từng động cơ.

- Process tạo độ rộng xung điều khiển: Tạo độ

rộng xung điều khiển theo yêu cầu, tùy thuộc vào

công suất của từng động cơ.

107

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Process

Khởi động

Process Tăng tốc độ

Process Ổn định tốc độ

Process Tạo xung điều khiển

Process

Tạo độ rộng xung điều khiển

Tín hiệu khởi động

Tín hiệu đồng bộ

Phản hồi cục bộ

Tín hiệu ngắt sự cố

Tín hiệu đặt

Phản hồi từ động cơ Master

(Góc mở yêu cầu)

Process

Giảm tốc độ Tín hiệu dừng hệ thống

H 3. Tổ chức chương trình điều khiển đồng bộ tốc độ

3.3.Một số kết quả nghiên cứu tại phòng

thí nghiệm Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp điều

khiển tốc độ động cơ một chiều, tác giả đã cùng với

nhóm sinh viên dân sự chuyên ngành Điều khiển

công nghiệp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã thực

hiện thiết kế mô hình thu nhỏ của một công đoạn

trong dây chuyền bọc cáp, gồm việc đồng bộ tốc

độ cho 3 động cơ: kéo dây – rải dây – thu dây vào

rulo. Các thiết bị chính bao gồm:

- 03 động cơ một chiều loại СЛ221 (công suất

13W, kích từ độc lập, điện áp kích thích 110V, điện

áp phần ứng 0-110V, tốc độ 3000 vòng/phút).

- Board FPGA BASYS-2 của Digillent với 16

đầu vào/ra dành cho người sử dụng.

- Đo và phản hồi tốc độ sử dụng Encoder tương

đối loại E6A2-CWZ5C của Ômrôn, độ phân giải

100 xung/vòng quay.

- Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển dùng sơ đồ chỉnh

lưu 1 pha 2 bán chu kỳ với 2 thyristor và 2 điot.

Nhóm nghiên cứu cúa sinh viên đã tiến hành

thiết kế, chế tạo các phần tử cơ khí truyền động và

xây dựng chương trình điều khiển đồng bộ theo

ngôn ngữ VHDL của Xilinx; tiến hành chạy đồng

bộ hệ thống. Kết quả về mặt cảm quan nhận được

dây được rải và thu vào rulo đều đặn, theo từng lớp

với các tốc độ đặt trước khác nhau, tuy nhiên chưa

có khả năng thử nghiệm trong điều kiện có xung

nhiễu công nghiệp tác động.

Kết luận

Các board FPGA hiện nay đều được hỗ trợ các

cổng nối ghép với màn hình (cổng VCA), cổng

PS/2 tiêu chuẩn nên hoàn toàn có thể xây dựng các

giao diện điều khiển và giám sát hoạt động của dây

chuyền bên cáp thông qua chuột, bàn phím. Số

lượng cổng vào/ra trên một board FPGA khá lớn,

cùng với chương trình xử lý song song nên hoàn

toàn có thể sử dụng một board FPGA duy nhất để

thực hiện chương trình điều khiển đồng bộ tốc độ.

Một hạn chế cơ bản cần phải khắc phục khi ứng

dụng thực tế là phải đảm bảo khả năng chống nhiễu

cho board FPGA do động cơ một chiều công suất

lớn dùng chổi than; hạn chế này có thể được khắc

phục bằng cách dùng dây dẫn tín hiệu có bọc kim,

các mạch lọc nhiễu xung và bố trí board trong vỏ

hộp kim loại chống nhiễu.

Tài liệu tham khảo [1] Tài liệu hệ thống dây chuyền bện cáp đến 300

đôi của hãng Daewoo; Công ty cổ phần Vật

liệu Bưu điện, 2001.

[2] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban. Điều

khiển tự động các hệ thống truyền động điện,

NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007.

[3] Volnei A. Pedroni, Circuit Design with VHDL,

McGraw-Hill, 2004.

108

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Trương Đăng Khoa sinh năm 1967, nhận bàng Kỹ sư chuyên ngành Tên lửa năm 1989 và bằng Thạc sỹ ngành Tự động hóa năm 1999 tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Từ năm 2000 đến năm 2004 là ngiên cứu sinh và nhận bằng Tiến sỹ ngành điều khiển tại trường Đại học kỹ thuật tổng hợp mang tên N.E. Bauman - Cộng hòa Liên bang Nga. Đã tham gia giảng dạy tại Học viện Kỹ thuật Quân sự từ năm 1990. Hiện nay là Giảng viên chính, Chủ nhiệm Bộ môn Tự động và Kỹ thuật tính, Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Hướng nghiên cứu chính là các hệ thống điều khiển thiết bị bay.

109