Thiết kế driver cho DC servo

Nhóm đã thống nhất dùng phương pháp kinh điển của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển động cơ DC servo, bộ điều khiển này được ứng dụn

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH:

THIẾT KẾ DRIVER CHO DC SERVO

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Mã số công trình: ………

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

TÓM TẮT 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tìm hiểu về động cơ DC servo 4

1.2 Ứng dụng của động cơ DC servo 4

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ DC SERVO 8

2.1 Mô hình toán học động cơ DC kích từ độc lập 8

2.1.1 Thiết lập vật lý: 8

2.1.2 Mô hình toán học: 9

2.1.2.1 Những phương pháp mô tả toán học hệ thống 9

2.1.2.2 Mô tả toán học hệ thống theo từng phương pháp 9

2.2 Mô hình điều khiển động cơ DC SERVO 12

2.2.1 Mô hình 12

2.2.2.Sơ đồ mạch điều khiển: 14

2.2.3 Phần mềm: 15

2.2.4 Quỹ đạo vận tốc của hệ thống: 15

2.2.5 Các vấn đề khi điều khiển động cơ DC SERVO: 16

2.2.5.1.Đặc tính kỹ thuật của động cơ DC SERVO 16

2.2.5.2.Các vấn đề gặp phải: 16

2.3.Giới thiệu một số bộ điều khiển động cơ DC Servo: 17

2.3.1 Bộ điều khiển DC SERVO dùng vi điêu khiển: 17

2.3.2 Bộ điều khiển DC SERVO dùng vi điều khiển AVR: 18

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG MATLAB 22

3.1 Phương pháp điều khiển PID 22

3.2 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID: 24

3.3 Áp dụng thuật toán điều khiển: 25

3.4 Mô phỏng matlab: 30

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35

4.1.Thiết kế hệ thống chuyền động: 36

4.1.1.Sơ đồ động: 36

4.1.2.Chọn động cơ: 36

4.1.3.Khớp nối: 38

4.1.3.1 Dữ liệu ban đầu: 38

4.1.3.2 Chọn khớp nối: 39

4.1.4.Bộ truyền động thanh trượt tịnh tiến: 40

4.1.5.Trục vitme–đai ốc bi: 42

4.1.6.Ổ lăn: 43

4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển: 47

4.2.1 Thiết kế hệ thống mạch động lực: 48

4.2.1.1 Nguồn nuôi động cơ 48

4.2.2.2 Mạch công suất H – Bridge: 49

4.2.2.3 Mạch điều chế độ rọng xung 50

4.2.2.4 Mạch cách ly điện áp cao với vi điều khiển 51

4.2.2.5 Mạch giới hạng điện áp cao 52

4.2.2.6 Mạch đo lường dòng điện 53

4.2.2.7 Mạch lấy tính hiệu ENCODER 54

4.2.2 Thiết bị mạch điều khiển (DRIVER) 55

4.3.Các giải pháp điều khiển: 61

4.3.1 Giải pháp đo tốc độ và điều khiển chiều quay: 61

4.3.2 Giải pháp đo vị trí 65

4.3.4.giải pháp điều khiển chế độ rộng xung (pulse width modulation) 65

4.3.5.Giải pháp đo dòng điện 68

4.3.6.Giải thuật phần mêm chọ hệ thống 70

4.3.7.Giải thuật phần mêm chọ các chế độ điều khiển 74

4.4.Chương trình phần mềm nạp cho PIC: 77

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

5.1 Kết luận 78

5.2 Hướng phát triển 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Phụ Lục 84

TÓM TẮT

Động cơ DC Servo là động cơ một chiều kích từ độc lập có bộ encoder được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn, vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ DC Servo và được đề cập rất nhiều trên các sách báo, tạp trí và internet Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định

Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì ta phải thiết kế cho nó một

bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó, sau một khoảng thời gian tìm hiểu nghiên cứu Nhóm đã thống nhất dùng phương pháp kinh điển của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển động

cơ DC servo, bộ điều khiển này được ứng dụng rất rộng rãi vì nó là một điều khiển đơn giản nhưng lại rất linh hoạt có thể áp dụng được cho rất nhiều loại động

cơ, vì vậy nhóm đã chọn đề tài này nhằm tìm hiểu kĩ hơn về cách hoạt động của động cơ DC servo và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ DC servo

Để thực hiện được đề tài, nhóm đã thực hiện theo thứ tự sau: khảo sát và chọn giải pháp ứng dụng của động cơ, sau đó tính toán thiết kế, mô phỏng cơ khí và bộ điều khiển trên phần mềm Matlab, Solidworks, Altium, sau đó thi công mô hình và viết code điều khiển, cuối cùng kiểm tra và hiệu chỉnh

ĐẶT VẤN ĐỀ

Lý do chọn đề tài:

Trên thế giới, cuộc cách mạng về máy tính điện tử đã có tác động lớn vào nền sản xuất công nghiệp Đặc biệt, trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu hiện đại, công nghệ thông tin (CNTT) đã được ứng dụng rộng rãi, để nhanh chóng chuyển đổi các quá trình sản xuất theo kiểu truyền thống sang sản xuất công nghệ cao (CNC); nhờ đó các giai đoạn thiết kế và chế tạo khôn mẫu từng bước được tự động hoá (CAD/CAM - trong đó: CAD là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính điện tử; CAM là sản xuất với sự trợ giúp của máy tính điện tử, còn được gọi là gia công điều khiển số)

Bên cạnh đó, ngoài việc đầu tư máy móc cũng như công nghệ mới, nhiều thành tựu về khoa học kĩ thuật đã nâng cao đời sống cũng như tiện ích của

xã hội Vì thế, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội cũng như sản xuất

đòi hỏi người kĩ sư phải không ngừng tìm tòi và sáng tạo trong nền công nghiệp 4.0 hiện nay Với tư thế là một sinh viên sắp ra trường, để tổng hợp kiến thức và làm quen với môi trường nghiên cứu, đó là những mục đích chúng em thực hiện

đề tài này

Mục đích Nghiên cứu đề tài:

Đề tài “Định vi tuyến tính dùng DC Servo” dùng vi điều khiển nhằm đặt ra mục tiêu giải quyết tổng thể vấn đề điều khiển động cơ DC servo từ phần thiết

kế điều khiển cho đến chế tạo bộ driver điều khiển số trên mô hình thực tế Nguyên cức sẽ là một sự kết hợp các kiến thức trong lĩnh vực lý thuyết điều khiển tự động, truyền động điện, điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển và gia công cơ khí để thực hiện ứng dụng cụ thể

Đối tượng nghiên cứu :

Tính toán thiết kế Driver điều khiển động cơ servo và ứng dụng

Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu về mô hình toán học động cơ điện một chiều DC

 Cấu hình điều khiển DC servo

 Lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp, tính toán chọn các bộ điều khiển

 Thiết kế phần điều khiển DC servo trên cơ sở vi điều khiển thích hợp

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng:

 Làm mô hình học tập cho học sinh, sinh viên nhằm kích thích và phát triển khả năng xây dựng các mô hình tự động hóa khác

 Thiết kế và chế tạo mô hình và kiểm nghiệm thực tế

 Bản vẽ chi tiết và tính toán chi tiết của máy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tìm hiểu về động cơ DC servo

Động cơ DC và động cơ bước vốn là hệ hồi tiếp vòng hở ─ ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì chúng ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào xung nhận được Việc thiết lặp một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ngõ ra của động cơ được nối với mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lí

do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt điểm chính xác

1.2 Ứng dụng của động cơ DC servo

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau Sau đây là một số ứng dụng của động cơ servo vào công nghiệp:

Trong các hệ thống băng tải, nhất là trong các dây chuyền đóng gói và phân loại sản phẩm hệ thống servo rất cần thiết để thực hiện một công việc đòi hỏi việc chính xác nhằm đồng nhất các sản phẩm

Trong các hệ thống tay máy hay robot công nghiệp, mỗi một chuyển động của một bậc tự do hay chuyển động tịnh tuyến đến một vị trí chính xác cao đều được một động cơ servo thực hiện Các bộ điều khiển lấy thông tin phản hồi từ các động cơ servo để tính toán đưa ra giải thuật điều khiển các động cơ thực hiện một quỹ đạo cho trước nào đó Đây là vấn đề mà đề tài muốn hướng đến và phát triển

Hình 1.1: Robot Servo 3 trục Công Nghiệp

Trong hệ thống truyền động quay của các angten parabol, động cơ servo dùng để quay chính xác đến hướng dò kênh Các hướng này được lưu trong bộ nhớ thộng qua các góc quay và vị trì mà bộ hồi tiếp đưa về cho vi xử lý

Hình 1.2: angten parabol

Khi cần đo góc hay thực hiện quỹ đạo theo góc quay thì hệ thống động cơ servo tỏ ra rất hiệu quả Ngoài ra với khả năng giao tiếp với máy tính có thể giúp

ta lưu lại dữ liệu và xử lý dữ liệu

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ DC SERVO 2.1 Mô hình toán học động cơ DC kích từ độc lập

2.1.1 Thiết lập vật lý:

Trong đó :

Va(t) : Điện áp phần ứng

Ea(t) : Sức điện động cảm ứng

n (t) : Tốc độ góc của động cơ (rad/sec)

(t) : Góc quay trục động cơ (rad)

2.1.2 Mô hình toán học:

2.1.2.1 Những phương pháp mô tả toán học hệ thống

- Có hai phương pháp mô tả toán học hệ thống tự động giúp cho việc phân tích thuận lợi hơn là: phương pháp hàm truyền và phương pháp không gian trạng thái

Phương pháp hàm truyền chuyển quan hệ vi phân thành quan hệ phân thức đại số nhờ phép biến đổi Laplace

Phương pháp không gian trạng thái biến đổi phương trình vi phân bậc cao thành hệ phương trình vi phân bậc nhất nhờ vào việc đặt các biến phụ

2.1.2.2 Mô tả toán học hệ thống theo từng phương pháp

 Theo định luật Kirchoff ta có: theo công thứ

( [4], trang số 16) (2-1) Điện áp ngang qua điện trở

= 𝑇𝐿(𝑡) + 𝐵𝑑𝜃(𝑡)

𝑑𝑡 + 𝐽𝑑2𝜃(𝑡)

𝑑𝑡 2 (2-6) Với: 𝑇𝑒(𝑡) = 𝐾𝑡∅𝐼(𝑡) (2-7)

Trong đó: 𝐾𝑡 − ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛 (𝑁.𝑚

𝐴)

𝐾𝑡∅𝐼(𝑡) − 𝐽.𝑑𝜔(𝑡)

𝑑𝑡 − 𝐵 𝜔𝑎(𝑡) − 𝑇𝐿(𝑡) = 0 (2-8)

 Mô tả toán học bằng hàm truyền

Lấy Laplace các phương trình (2-1),(2-4),(2-8) ta được:

 Vậy hàm truyền liên tục vòng hở của động cơ DC là:

- Đầu vào là điện áp phần ứng[U(s)]

- Đầu ra là vị trí góc của Roto [∅(𝑠)]

𝐺(𝑠) = ∅(𝑠)

𝐿𝐽𝑆 3 +(𝐵𝐿+𝑅𝐽)𝑆 2 +(𝐾 2 +𝐵𝑅)𝑆 (2-13)

 Mô tả toán học bằng phương pháp không gian trạng thái

2.2 Mô hình điều khiển động cơ DC SERVO

2.2.1 Mô hình

- Hệ thống DC SERVO gồm có 3 phần chính :

1 Mạch động lực gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động:

Bộ biến đổi đóng vai trò biến điện áp nguồn cung cấp về điện áp, dòng điện, tần số phù hợp với yêu cầu của các động cơ truyền động Ở đây là bộ biến đổi một chiều dùng phần tử chuyển mạch công suất, có thể là IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor) hoặc transistor công suất kỹ thuật MOS (Metal Oxide Semiconductor) hoặc MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Động cơ truyền động : động cơ điện 1 chiều Động cơ này được cung cấp bằng điện áp u tạo nên momen cung cấp cho tải

1 Bộ điều khiển bao gồm các bộ điều khiển tác động lên các thông số của bộ biến đổi nhằm duy trì các tính năng của hệ thống truyền động về tốc độ,

Hình 2 1 : Sơ đồ khối chức năng DC SERVO

dòng điện, momen cũng như các mục đích mở máy, hãm, đổi chiều quay và các chức năng bảo vệ khác Các bộ điều khiển có thể phân thành hai loại

Bộ điều khiển gần xác định thứ tự và thời điểm phát xung mồi và khóa các linh kiện điện tử công xuất theo các chiến lược điều khiển bộ biến đổi nhằm cung cấp cho động cơ nguồn điện áp và tần số theo đòi hỏi của truyền động

Bộ điều khiển thuật toán nhằm giải quyết những vấn đề riêng của truyền động như điều khiển tốc độ và vị trí, hạn chế dòng điện, các yêu cầu mở máy hãm và đổi chiều

2 Đo lường cảm biến : các cảm biến đo lường dùng để đánh giá các thông

số trạng thái của mạch động lực Các cảm biến đo lường trong hệ thống truyền động điện thường bao gồm

Cảm biến dòng điện, thường là máy biến dòng đánh giá tình trạng mang tải của động cơ

Cảm biến tốc độ thường dùng máy phát tốc, bộ chuyển mạch quang dùng hệ thống tranzito quang và đĩa mã hóa

Cảm biến vị trí dùng đĩa mã hóa và bộ chuyển mạch quang

Để sơ đồ khối trên thực hiện chức năng của DC SERVO thì ta phải tiến hành 2 công việc :

Xây dựng mạch phần cứng

Viết chương trình phần mềm để điều khiển phần cứng

2.2.2.Sơ đồ mạch điều khiển:

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng DC SERVO

Phần cứng gồm: Động cơ thực hiện việc truyền động; các mạch điện tử phục vụ việc chuyển đổi, đo lường; Vi điều khiển thực hiện nhiệm vụ điều khiển dựa trên chương trình phần mềm trao cho nó

Bộ điều khiển gồm hai vi điều khiển Một vi điều khiển làm master để thực thi thuật toán và đưa ra tín hiệu điều khiển cho cơ cấu thực thi Một vi điều khiển làm slave để lấy các tín hiệu phản hồi về như vị trí, vận tốc vòng, dòng điện và xuất tín hiệu này cho vi điều khiển master Hai vi điều khiển này giao tiếp với nhau qua chuẩn truyền thông SPI

Nguyên nhân dùng hai vi điều khiển là nhằm mục đích giải phóng cho vi điều khiển master, làm giảm chu kì lấy mẫu Vì cách xử lý tín hiệu là rời rạc nên tần số lấy mẫu càng cao sẽ làm tăng độ chính xác cho thuật toán

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp PWM thông qua mạch cầu H Tín hiệu PWM mang thông tin về hệ số đầy (duty cycle) theo

nguyên lý chopper Khi duty cycle = 0% thì điện điện áp ra là 0V, khi duty cycle

=100% thì điệ áp ra là V max

Ở đây, chúng ta không dùng tín hiệu PWM mang cả 2 thông tin: chiều quay

và hệ số đầy (duty cycle) Khi duty cycle = 50% thì điện điện áp ra là 0V; –Vin

khi duty cycle = 0% (quay ngược) và +Vin khi duty cycle = 100% (quay thuận)

Do cách làm này sẽ giảm đi một nửa độ phân giải của tín hiệu PWM

2.2.3 Phần mềm:

Phần mềm là công cụ diễn đạt quá trình điều khiển mà ta mong muốn hệ thống phục vụ dưới dạng mà vi điều khiển hiểu được Hiện nay có các loại ngôn ngữ lập trình dùng cho vi điều khiển :

Hợp ngữ ( Assembly) là ngôn ngữ hiệu quả nhất dành cho mục đích điều khiển này Chương trình có hiệu quả nhất là chương trình sử dụng bộ nhớ ít nhất với thời gian ngắn nhất

Ngôn ngữ C có những đặc trưng của ngôn ngữ cấp cao nhưng cũng có những đặc điểm của ngôn ngữ cấp thấp, là ngôn ngữ rất hiệu quả trong việc xây dựng các chương trình điều khiển máy điện C có tính cấu trúc rất cao, có các toán tử rất mạnh vì thế ngày nay các chương trình lớn đều được viết bằng ngôn ngữ C C cũng có thể ghép nối trực tiếp với hợp ngữ Ta có thể viết chương trình nguồn bằng C và dịch chúng dùng cho bộ vi điều khiển lựa chọn

2.2.4 Quỹ đạo vận tốc của hệ thống:

Hình 2 3: Quỹ đạo vận tốc của hệ thống

 Quỹ đạo vận tốc của hệ thống có 2 dạng:

- Khi góc đặt cho hệ thống nhỏ Quỹ đạo vận tốc có dạng hình tam giác

- Khi góc đặt cho hệ thống lớn Quỹ đạo vận tốc có dạng hình dạng

2.2.5 Các vấn đề khi điều khiển động cơ DC SERVO:

2.2.5.1.Đặc tính kỹ thuật của động cơ DC SERVO

- Trong hệ thống truyền động điều khiển vị trí chuyển dịch, các chỉ tiêu chất lượng người ta quan tâm nhiều đến độ tác động nhanh, độ chính xác cao của

hệ

- Động cơ DC SERVO nhờ ưu điểm vượt trội là có moment khởi động lớn, tính chịu quá tải cao, quán tính roto nhỏ, hằng số thời gian cơ và điện nhỏ nên luôn chiếm một vị trí không thể thay thế được trong lĩnh vực truyền động điện

2.2.5.2.Các vấn đề gặp phải:

1 Đối với hệ thống servo điều chỉnh vị trí, mong muốn đầu vào tái hiện ở đầu ra, nghĩa là yêu cầu hệ thống có độ chính xác ổn định, sai số vị trí càng nhỏ càng tốt Tuy nhiên, có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác ổn định bao gồm:

 Sai số đo kiểm : phụ thuộc vào độ chính xác của bản thân linh kiện đo kiểm, độ chính xác của các linh kiện không thể cao hơn độ chính xác của các linh kiện đo kiểm dùng trong hệ thống

 Sai số nguyên lý : là do dạng cấu trúc bản thân hệ thống, hoặc do đặc trưng tham số của hệ thống, hoặc do dạng tín hiệu đầu vào

 Sai số nhiễu : Các lọai nhiễu mà hệ thống gánh chịu đều ảnh hưởng đến độ chính xác bám đuổi của hệ thống

2 Để tăng cao hệ số khuyếch đại ta phải thêm nhiều thiết bị, giá thành cao và mạch phức tạp Đồng thời sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định trạng thái động của hệ thống Do hằng số thời gian vốn có trong hệ thống lại hạn chế việc nâng cao độ

nhanh nhạy bám sát

2.3.Giới thiệu một số bộ điều khiển động cơ DC Servo:

2.3.1 Bộ điều khiển DC SERVO dùng vi điêu khiển:

Bộ điều khiển servo được xây dựng dựa trên PIC 16F877A Sử dụng thuật toán PID làm thuật toán điều khiển Dùng hồi tiếp encoder Giao tiếp nối tiếp RS232

Tốc độ baund nối tiếp 9600-115200 baud

- PIC-ENCODER (16F877A): Được lập trình như là bộ đếm encoder 16 bit PIC–ENCODER được nối với bộ Encoder gắn trên trục động cơ DC servo Nhận 2 ngõ vào xung vuông pha A và pha B từ Encoder Hai pha này lệch pha 900 Tần số Encoder 500Khz

- Đếm xung encoder:

 Xung encoder thu được như sau

PIC-ENCODER đếm chuỗi xung bằng bộ đếm 16 bit bên trong nó

Điều khiển servo dùng thuật toán PID: Nói chung vị trí hoặc vận tốc của động cơ được điều khiển bằng vòng lặp servo Cứ mỗi chu kỳ servo bộ điều khiển đọc vị trí hiện tại, so sánh với vị trí đặt, sử dụng thuật tóan tính ngõ ra sao làm sao cho sai lệch vị trí trở nên nhỏ hơn Thuật tóan PID thao tác trên vị trí đặt và vị trí thật tại mỗi lần lấy mẫu, tạo ngõ ra được tính tóan như sau:

Output = Kp (error) – Kd (error –old_error) + Ki (error)

Trong đó error là sai lệnh của vị trí, và old_error là sai lệch vị trí trước đó Output sẽ thiết lập duty cycle (0-255) của PWM đồng thời kết hợp với direction-bit để quyết định chiều quay của động cơ

Tham khảo ở địa chỉ website số [8] ở mục tài liệu tham khảo

2.3.2 Bộ điều khiển DC SERVO dùng vi điều khiển AVR:

Bộ điều khiển servo được xây dựng dựa trên vi điều khiển AVRAT90S2313

Sử dụng thuật toán cascades làm thuật toán điều khiển Dùng hồi tiếp encoder Giao tiếp theo chuẩn SPI

Hình 2.6: Mạch điều khiển servo dùng VĐK AVR

Hình 2.7 : Sơ đồ khối của mạch

Trong mạch này vi điều khiển AVR chỉ dùng để xử lý tín hiệu từ động cơ đưa về và xuất tín hiệu điều khiển cho động cơ Các lệnh điều khiển và thông tin

về vị trí và tốc độ động cơ sẽ được giao tiếp với bộ xử lý thông tin chủ Nói cách khác vi điều khiển này chỉ là bộ xử lý slave (thứ cấp), chuyên điều khiển một động cơ

Tập hợp nhiều mạch slave như thế sẽ tạo thành một hệ thống điều khiển nhiều động cơ do một vi điều khiển master (chủ) xử lý thông tin và giao tiếp với các bộ slave khác qua chuyển truyền thông SPI

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp PWM thông qua mạch cầu H có thể cung cấp áp 48V và công suất 70W Tín hiệu PWM mang

cả 2 thông tin: chiều quay và hệ số đầy (duty cycle) Khi duty cycle = 50% thì điện điện áp ra là 0V

Vin khi duty cycle = 0% (quay ngược) và +Vin khi duty cycle = 100% (quay thuận) Để đo giá trị vận tốc, mạch dùng ngắt timer 52kHz

Hình 2.11 : Lưu đồ lấy tín hiệu phản hồi vận tốc

Thuật toán điều khiển là thuật toán cascades, là thuật toán phổ biến cho việc điều khiển hệ thống có phản hồi hiện nay thay cho thuật toán PID theo lý thuyết cổ điển Có 4 mode cơ bản:

- Mode 0 là ổn định điện áp điều khiển

- Mode 1 là ổn đinh moment xoắn

- Mode 2 là ổn định vận tốc góc

- Mode 3 là ổn định vị trí và giữ vị trí cố định

Hình 2.12: Sơ đồ thuật toán cascades của bộ điều khiển

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG MATLAB

Chương 2 chúng ta đã tìm hiểu cấu trúc của hệ thống Servo Để thực hiện được cấu trúc đó điều đầu tiên là ta phải tiến hành lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ điều khiển và phương pháp tính các thông số bộ điều khiển Như đã nêu ở phần tổng quan, hiện nay để điều khiển một cấu trúc servo ta có một loạt các phương pháp đã nêu Tùy theo từng ứng dụng cụ thể, một phương pháp thích hợp sẽ được vận dụng Yêu cầu đặt ra của chúng ta là điều khiển vị trị của khâu tác động cuối dùng vi điều khiển Chương này gồm các công việc sau :

 Chọn phương pháp điều khiển

 Tính toán bộ điều khiển vị trí

 Mô phỏng hệ thống dùng Matlab/Simulink

3.1 Phương pháp điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 3.0) gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P,

PI và PID

Hình 3.0: Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 3.1) Bộ PID

có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Hình 3.1: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

- Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

 𝑒(𝑡) - Tín hiệu đầu vào;

 𝑢(𝑡) - Tín hiệu đầu ra;

 𝑘𝑝 -Hệ số khuếch đại;

 𝑇𝐼 -Hằng số tích phân;

 𝑇𝐷 - Hằng số vi phân

3.2 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID:

Phướng pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Bộ điều khiển PID cần thiết có hàm truyền là:

Hình 3.2: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại (hình 3.2)

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới

ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

- Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau: ( [4]/ trang 218)

Bảng 3.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols

3.3 Áp dụng thuật toán điều khiển:

Sau khi xem xét phương pháp điều khiển ở mục 3.2 Ta chọn phương pháp điều khiển động cơ DC SERVO bằng PID và xác định các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Trong mục này ta dùng phương pháp đều khiển được chọn để tiến hành xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống của chúng ta :

DC SERVO

Xét hệ thống tuyến tính bao gồm bộ chỉnh lưu không quán tính có hệ số khuyếch đại KT, cung cấp điện cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập và cơ cấu cơ khí Sơ đồ hệ truyền động và các thông số của hệ truyền động được mô tả ở hình 3.4

Hình 3.4: Hệ thống truyền động

Cơ cấu cơ khí PM được nối trực tiếp vào trục động cơ Moment quán tính J

và moment tải mz được quy về trục động cơ, đại lượng đầu vào là điện áp điều khiển, đại lượng đầu ra là góc quay của trục

Tính toán khâu hiệu chỉnh PID hệ thống điều khiển tốc độ:



333.33(s 31.2)(s 2.14)

Hàm truyền:

Khâu hiệu chỉnh PID được thiết kế theo phương pháp khủ cực –zero để đưa

về dạng tối ưu module Theo tiêu chuẩn phẳng ta có:

(3-6) Với T=0.5

Đồng nhất Suy ra:

 Từ phương trình hàm truyền (4-8), ta được:

- Tính toán hàm truyền vòng hở của đối tượng

- Biến đổi Laplace ta được:

( )( )

Hình 3.6: Mô hình động cơ DC trên Matlab

 Kết quả mô phỏng được trên Matlab

Hình 3.7: Dòng điện phần ứng động

Hình 3.8: Vận tốc trục động cơ

Hình 3.9: Góc quay trục động cơ

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng hệ thống DC SERVO

 Đường màu đỏ là tốc độ trục động cơ

 Đường màu vàng là dòng điện phần ứng

 Đường màu xanh là góc quay trục động cơ

Hình 3.11: Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ DC Servo bằng PID

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC làm bộ điều khiển servo cho động cơ

DC để điều khiển vị trí Tần số lấy mẫu 1Khz, tốc độ encoder 10Khz Tần số PWM là 5 Khz Xác định chiều quay, vận tốc và vị trí dựa vào tín hiệu Encoder pha A và pha B kết hợp module phần cứng bên trong PIC và phần mềm

 Hệ thống điều khiển Servo như hình 4.14, gồm :

 Động cơ truyền động: Là động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

 Encoder & Bộ đếm Encoder: Tạo ra các tín hiệu xung vuông từ vị trí, vận tốc và chiều quay của trục động cơ Bộ đếm encoder dùng đễ giải mã tín hiệu encoder, sẽ thực hiện bằng phần mềm

 Cảm biến dòng điện và chuyển đổi tương tự-số dòng điện

 Chip vi điều khiển: Thực hiện bộ điều khiển

 Chức năng DAC: Dùng khối PWM bên trong PIC Tín hiệu ngõ ra của PWM kết hợp với tín hiệu điều khiển hướng được đưa đến tầng công suất chuyển tín hiệu tương tự thành điện áp điều khiển động cơ

Hình 4.1: Sở đồ khối

 Tầng công suất: Cung cấp điện áp động cơ dưới sự điều khiển của tín hiệu PWM và tín hiệu điều khiển chiều quay

- Vì đề tài “Định vị tuyến tính dùng DC servo” nên động cơ được dùng làm

cơ cấu Servo phải có những đặc tính kỹ thuật sau: