ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Ngọc Hải THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG Ngành :
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Ngọc Hải
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2008
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Ngọc Hải
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG
Ngành : Công nghệ Điện tử-Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Trần Quang Vinh
Hà Nội - 2008
Trang 3LỜI CAM ĐOAN Tôi đã thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp với tên đề tài là:“Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động
cơ robot di động” Tôi xin cam đoan rằng nội dung được viết trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, các tài liệu tham khảo đầy đủ và có nguồn gốc rõ ràng Nếu
có gì sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Hà Nội 10/2008
Nguyễn Ngọc Hải
Trang 4MỤC LỤC Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các hình vẽ
Chương 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 3
1.2 Các nguyên tắc điều khiển tự động 4
1.2.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình 5
1.3 Phân loại hệ thống điều khiển 5 1.4 Mô hình toán học của hệ thống 6
1.4.1 Phương trình vi phân của các hệ thống vật lý 6 1.4.2 Xấp xỉ tuyến tính của các hệ thống vật lý 8
1.4.4 Hàm truyền đạt của các hệ thống tuyến tính 10
1.5 Chất lượng của quá trình điều khiển 11
1.5.1 Đánh giá chất lượng ở chế độ xác lập 11 1.5.2 Đánh giá chất lượng ở quá trình quá độ 12
1.6 Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển 13
1.6.3 Hiệu chỉnh trễ-sớm pha Leg-Lead 14
1.6.5 Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân PI 15
Trang 51.6.7 Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân PID 16
Chương 2-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều 18
2.1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều 18
2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều 20
2.1.5 Công suất điện từ và moment điện từ 21
2.2 Nguyên lý điều khiển động cơ một chiều 22
2.2.1 Động cơ một chiều điều khiển dòng điện của phần trường 23 2.2.2 Động cơ một chiều điều khiển bởi phần ứng 24
2.3 Điều khiển PID cho động cơ một chiều 26
2.3.3 Điều khiển mô tơ một chiều theo luật PID 28
Chương 3-XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ỨNG DỤNG CHO
3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ cho robot di động 31
3.1.1 Động cơ sử dụng cho robot di động 31 3.1.2 Sơ đồ hệ thống động cơ cho robot di động 31 3.1.3 Nguyên lý điều khiển động cơ bằng mạch cầu H 32 3.1.4 Thiết kế mạch cầu H điều khiển động cơ bằng vi mạch L289 33
3.2 Xây dựng bộ điều khiển PID cho động cơ với vi điều khiển PSoC
3.2.1 Sơ lược về dòng vi điều khiển PSoC 35
Trang 63.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động cơ bằng các xung điện có độ rộng
3.2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ lập mã động cơ
3.2.4 Thiết kế bộ xác định tốc độ và chiều quay động cơ bằng
3.2.5 Sơ đồ bộ điều khiển PID điều khiển động cơ 42 3.2.6 Giải thuật PID điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế 42
3.3 Thiết kế chương trình giao tiếp truyền tham số cho vi điều
khiển để xác định các tham số PID 46
3.3.1 Chương trình truyền tham số điều khiển cho bộ điều khiển PID 46 3.3.2 Truyền nối tiếp không đồng bộ theo chuẩn RS232 47
Chương 4-MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 4.1 Bộ PID điều khiển động cơ một chiều 48 4.2 Một số kết quả khảo sát quá trình điều khiển PID ứng dụng cho
4.2.1 Khảo sát tín hiệu PWM điều khiển mô-tơ 49 4.2.2 Khảo sát quá trình điều khiển bộ PID ứng dụng cho điều khiển
PHỤ LỤC A – Phép biến đổi Laplace 56 PHỤ LỤC B – Các thông số của mô-tơ một chiều 59 PHỤ LỤC C - Mã nguồn các chương trình sử dụng trong luận văn 60
Trang 7DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ của hệ thống điều khiển
Hình 1.2.a Phương pháp bù tác động bên ngoài
Hình 1.2.b Phương pháp điều khiển theo sai lệch
Hình 1.2.b Phương pháp hỗn hợp
Hình 1.3 Hệ thống lò xo – vật cản
Hình 1.4 Hệ RLC
Hình 1.5 Hệ thống gồm m đầu vào và r đầu ra
Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống điều khiển vòng kín
Hình 1.7 Các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển trong quá trình quá độ
Hình 1.8 Đặc tính logarit của hiệu chỉnh sớm pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)
Hình 1.9 Đặc tính logarit của hiệu chỉnh trễ pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)
Hình 1.10 Đặc tính logarit của điều khiển PI (K = 1, T i =0.1)
Hình 1.11 Đặc tính logarit của điều khiển PD (K = 1, T d =10)
Hình 1.12 Đặc tính logarit của điều khiển PID
Hình 2.1 Một số loại động cơ một chiều trong thực tế
Hình 2.2 Cấu tạo của động cơ một chiều
Hình 2.3 Cấu tạo Roto động cơ điện một chiều
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Hình 2.5 Sơ đồ của động cơ một chiều
Hình 2.6 Mô hình sơ đồ khối của động cơ điều khiển bởi phần trường
Hình 2.7 Mô hình sơ đồ khối của động cơ điều khiển bởi phần ứng
Hình 2.8 Minh họa tác dụng của điều khiển P
Hình 2.9 Minh họa tác dụng của điều khiển I
Hình 2.10 Minh họa tác dụng của điều khiển D
Hình 2.11 Sơ đồ bộ điều khiển PID
Trang 8Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển tốc độ mô-tơ một chiều có mắc tải
Hình 2.13 Sơ đồ khối của hệ điều khiển vị trí trục quay mô-tơ
Hình 3.1 Môtơ sử dụng cho robot di động
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống động cơ cho robot di động
Hình 3.3 Sơ đồ mạch cầu H điều khiển motor
Hình 3.4 Vi mạch L289N
Hình 3.5 Nối song song hai mạch cầu H của vi mạch L289N
Hình 3.6 Mạch bảo vệ cho vi mạch L289N
Hình 3.7 Mạch nguyên lý điều khiển động cơ
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển PsoC
Hình 3.9 Tín hiệu PWM điều khiển tốc độ môtơ
Hình 3.10 Cấu tạo và tín hiệu của bộ giải mã quang đơn kênh
Hình 3.11 Cấu tạo và tín hiệu của bộ giải mã quang hai kênh
Hình 3.12 Sơ đồ chuyển trạng thái của bộ giải mã quang 2 kênh
Hình 3.13 Sơ đồ các bộ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang 2 kênh
Hình 3.14 Sơ đồ các bộ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang 2 kênh trong PSoC Hình 3.15 Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ robot
Hinh 3.16 Rời rạc hóa quá trình tính toán PID
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình nạp cho vi điều khiển để điều khiển động cơ
robot di động
Hình 3.18 Giao diện chương trình giao tiếp với PSoC
Hình 4.1 Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều có giao tiếp với
máy tính
Hình 4.2 Mạch điều khiển PID
Hình 4.3 Sự phụ thuộc của tốc độ mô-tơ vào tín hiêu PWM
Hình 4.4 Điều khiển P với vận tốc đặt 720 vòng/phút
Trang 9Hình 4.5 Điều khiển P,I với K I = 0,1
Hình 4.6 Điều khiển P,I với K I = 0,5
Hình 4.7 Điều khiển P,I với K I = 3,5
Trang 10MỞ ĐẦU
Các ứng dụng robot vào cuộc sống hiện nay hầu như không còn là điều mới
mẻ Các robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thám hiểm, y học và trong rất nhiều lĩnh vực khác Hiện nay, hầu hết các hệ thống
tự động trong công nghiệp đều có sự góp mặt của các robot và mang lại hiệu quả hết sức to lớn với ưu điểm như: cung cấp khả năng điều khiển chính xác, hiệu suất cao và có thể tạo ra một hệ thống sản xuất ổn định Một trong những nước phát triển ứng dụng robot công nghiệp điển hình là Nhật Bản Đến cuối năm 1995 có khoảng 387.000 robot công nghiệp được sử dụng tại quốc gia này và có khoảng 80.000 robot công nghiệp được sử dụng tại Mỹ ở cùng thời điểm đó
Bên cạnh các robot được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng trong công nghiệp, các robot di động tự quản trị (hay là robot thông minh nhân tạo) hiện cũng đang là mối quan tâm đặc biệt của hầu hết các phòng thì nghiệm robot trên thế giới
vì những khả năng ứng dụng to lớn và hiệu quả của nó Robot di động tự quản trị
là robot có khả năng tự hoạch định đường đi và định vị thông tin (khả năng tự lập bản đồ và xác định vị trí chính xác của robot) trong quá trình di chuyển trong môi trường nhằm thực hiện một nhiệm vụ đã được đặt ra từ trước Với khả năng này robot di động tự quản trị có thể dùng cho các nhiệm vụ thám hiểm đại dương, không gian… hoặc ở những nơi nguy hiểm, độc hại để thay thế cho con người Một robot di động tự quản trị thường bao gồm: các hệ thống cảm biến để thu thập thông tin về môi trường xung quanh, một bộ điều khiển trung tâm dùng cho việc hoạch định hoạt động của robot và một cơ cấu chấp hành, đó là bộ phận giúp robot
có thể di chuyển hoặc thao tác trong môi trường mà nó hoạt động, cụ thể ở đây thường là các hệ thống mô-tơ, được điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển trung tâm
Điều khiển chuyển động của robot tự quản trị rất quan trọng vì nó quyết định robot có thực hiện đúng được chiến lược hoạch định của robot nhằm đạt đến được mục tiêu hay không, và công việc chính của điều khiển hoạt động của robot chính
là điều khiển hệ thống môtơ tạo ra các chuyển động của robot
Việc điều khiển chuyển động của robot gặp phải nhiều trở ngại như: các cơ cấu cơ khí khó có thể được chế tạo hoàn toàn chính xác và đối xứng, bề mặt các môi trường chuyển động có độ ma sát khác nhau, sai số sinh ra trong quá trình điều khiển… dẫn đến tốc độ của các môtơ khó ổn định và đồng nhất Những trở
Trang 11TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Đoàn Hữu Chức (2007), Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID điều khiển mạch điện, tr 38-56, Luận văn Thạc sĩ khoa học Công nghệ Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội
2 Lê Vũ Hà (2006), Kỹ thuật điều khiển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà
Nội
3 Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
4 Ngô Diên Tập (2004), Đo lường và Điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội
5 Ngô Diên Tập (2005), Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội
6 Trần Quang Vinh, (2007), Cấu trúc máy vi tính, NXB Đại học Quốc Gia
Hà Nội, Hà Nội
7 Trần Quang Vinh, Vũ Tuấn Anh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2006),
“Xây dựng robot di động được dẫn đường bằng các cảm biến siêu âm và
cảm biến ảnh toàn phương”, Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Cơ điện tử, tr 153-160
8 Trần Quang Vinh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2005), “Giám sát và
điều khiển robot di động qua mạng LAN vô tuyến và INTERNET”, Tạp chí khoa học, tr 85-91
Tiếng Anh
9 Allen J Stubberud, Ivan J Williams, Joseph J DiStefano (1994), Feedback and Control Systems, McGraw-Hill
10 Brian R Hunt, Ronald L Lipsman, Jonathan M Rosenberg, Kevin R
Coombes, John E Osborn, Garrett J Stuck (2006), A Guide to MATLAB: For Beginners and Experienced Users, Cambridge University Press
11 Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design: Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University Press, USA
12 Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk
edition, USA
Trang 1213 Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A Guide for beginners, JUMO GmbH & Co KG Fulda, Germany
14 Patrick Marchand, O Thomas Holland (2003), Graphic and GUIs with
MATLAB, Chapman & Hall/CRC