Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID vị trí động cơ điện một chiều

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày nay một số công ty đã tích hợp bộ điều khiển vào một chip đơn như bộ PID LM629 của National Semiconducter mở ra giải pháp thiết kế các bộ

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ÐIỀU KHIỂN PID

VỊ TRÍ ÐỘNG CƠ ÐIỆN MỘT CHIỀU

MÃ SỐ: T2014-113

S K C0 0 5 6 6 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Mã số: T2014-113

Chủ nhiệm đề tài:

Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương

TP HCM, Tháng 3/Năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Mã số: T2014-113

Chủ nhiệm đề tài:

Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương

TP HCM, Tháng 3/Năm 2015

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong Robot, DC Motor đóng vai trò là bộ phận truyền động cho các cơ cấu chấp hành, giúp Robot thực hiện một chức năng vận động nào đó Việc điều khiển chính xác tốc độ và vị trí DC motor nhằm giúp cho Robot thao tác nhanh và chính xác hơn Chính vì thế mà các bộ điều khiển như PID, bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển thích nghi,…hoặc kết hợp các bộ điều khiển lại đã được áp dụng điều khiển

DC motor Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày nay một số công ty đã tích hợp bộ điều khiển vào một chip đơn như bộ PID LM629 của National Semiconducter mở ra giải pháp thiết kế các bộ điều khiển chuyên dụng cho motor

Trong đề tài nghiên cứu khoa học này nội dung các vấn đề tác giả cần triển khai: tìm hiểu IC LM629, xây dựng tập lệnh điều khiển bằng ngôn ngữ C với vi điều khiển, thiết kế và chế tạo một driver PID chuyên dụng điều khiển DC Motor, xây dụng mạng kết nối các driver dùng áp dụng cho robot

ABSTRACT

In Robot, DC motor acting as transmission parts for the structure of the Executive, to help robots perform a certain motor functions The precise control of speed and DC motor position to help the robot faster and more accurate Thus, like PID controllers, fuzzy controllers, adaptive controllers, or a combination of controls is applied again controlled DC motor With the development of science and technology is today a company has integrated the controller into a single chip such

as the National Semiconducter’ LM629 PID open solution designed for the dedicated motor controller

In scientific research this problem content authors need to deploy: IC LM629 learn, build script control language C with micro controller, designed and built a dedicated driver of PID DC Motor control, build connections apply to drivers using robots.

A TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ

NGOÀI NƯỚC

Hãng Maxon của Thụy Sĩ: đây là 1 hãng nổi tiếng về DC motor và các bộ điều khiển chuyên dùng

Hình 0.1 : Driver LSC30/2 và motor của hãng Maxon

Bộ điều khiển LSC30/2 có các thông số cơ bản sau:

Điện áp hoạt động 10-30 VDC,

Điện áp ngõ ra= điện áp vào - 5V

Dòng điện max = 2A

DC Motor lên đến công suất 50W

Ngoài ra cũng có một số bộ driver điều khiển motor của những hãng khác như : MD03 của Devantech

Hình 0.2 : Driver MD03 của hãng Devantech

Module này có áp cấp 24V, dòng tải lên đến 20A, nhưng các sản phẩm này chỉ ứng dụng cho các mô hình robot ứng dụng trong học tập và nghiên cứu

B TÍNH CẤP THIẾT

Trong phần trên nói đã nói về một số driver thông dụng của một số hãng nổi tiếng, các driver này có tính ổn định và tính chuyên dùng cao, nhưng bên cạnh đó cũng có một số nhược điểm :

Giá thành đắt, như driver LSC30/2, dòng thấp nhất của Maxon, có giá 178USD

Driver đi chung với motor DC chuyên dụng của hãng sẽ cho hiệu suất cao, giá thành motor khá đắt, dòng thấp nhất của Maxon giá 51USD

Bộ công suất thường đi chung với board điều khiển, nên kích thước khá

to, trong những trường hợp ta cần điều khiển motor có công suất nhỏ thì không có giải pháp

Từ lúc đặt mua thiết bị của hãng đến khi có hàng thường mất 4-6 tuần, chi phí vận chuyển cao nên trong thiết kế Robot cần có dự trù thời gian hợp lý

Từ những hạn chế trên, ta thấy việc nghiên cứu và chế tạo một driver điều khiển motor dựa trên các linh kiện chuyên dùng là vấn đề rất đáng quan tâm và nghiên cứu Driver thiết kế có thể thay đổi phần công suất phù hợp với motor, nên

sẽ có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp Đó cũng chính là hướng nghiên cứu của

đề tài

Xây dựng tập lệnh giao tiếp với các chức năng mà LM629 hỗ trợ bằng ngôn ngữ C

Xây dựng giao thức truyền thông giữa các driver với bộ điều khiển master, nhằm năng tính linh hoạt khi áp dụng các bộ điều khiển trên robot

D CÁCH TIẾP CẬN

Bước 1: Tìm hiểu mô hình toán học của động cơ

Bước 2: Mô phỏng đáp ứng vòng hở của động cơ trên Matlab

Bước 3: Mô phỏng đáp ứng của động cơ sử dụng bộ điều khiển PID

Bước 4: Tìm hiểu IC điều khiển PID vận tốc và vị trí DC Motor chuyên dụng

LM629

Bước 5: Thiết kế bộ giao tiếp LM629 và vi điều khiển Atmega32, xây dựng tập

lệnh C trên vi điều khiển giao tiếp điều khiển các chế độ hỗ trợ với LM629

Bước 6: Thiết kế bộ công suất cho DC motor Hitachi 60W, encoder: 240xung/vòng Bước 7: Xây dựng giao thức truyền thông với mạng RS485 nhằm kết nối và điều

khiển nhiều bộ điều khiển cùng lúc

E PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện với các phương pháp sau:

Khảo sát, tìm hiểu một số driver chuyên dụng của các hãng nổi tiếng như Maxon, Devantech… nhằm mục đích: nắm cách thức giao giữa thiết bị với người cùng, hình dáng của thiết bị, cách bố trí linh kiện và chống nhiễu… từ đó khi thiết kế sẽ đảm bảo được tính kế thừa, tính dễ sử dụng

ưu cho bộ điều khiển

Từ kinh nghiệm của board thí nghiệm tiến hành thiết kế board driver có kích thước nhỏ gọn, mạch in 2 lớp thẩm mĩ cao

Khảo sát một số thiết bị có giao thức mạng như RC Motor của Robotis, từ

đó rút ra giao thức mạng phù hợp với thiết bị, giúp hệ thống linh hoạt hơn trong hoạt động

F ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phần mềm Mathlab ứng dụng trong tính toán và điều khiển tự động

IC điều khiển PID vận tốc và vị trí DC Motor chuyên dụng LM629 Thiết kế bộ giao tiếp LM629 và vi điều khiển Atmega32, xây dựng tập lệnh C trên vi điều khiển giao tiếp điều khiển các chế độ hỗ trợ với LM629

Thiết kế bộ công suất cho DC motor Hitachi 60W, encoder: 240xung/vòng

Xây dựng giao thức truyền thông với mạng RS485 nhằm kết nối và điều khiển nhiều bộ điều khiển cùng lúc

G NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ điều khiển trong trường hợp này được lựa chọn là bộ PID

1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID liên tục:

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra

Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển dùng PID:

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng PID

Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với

vi phân theo thời gian của sai lệch

Khâu P:

Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ Khâu P được tính dựa trên công thức:

Trong đó:

Pout: giá trị ngõ ra

KP: hằng số tỉ lệ

Trong đó :

G (s) = K

IOUT: giá trị ngõ ra khâu I

Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV

Sơ đồ khối khâu I:

Hàm truyền:

Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập

Hình 1.3: Đáp ứng quá độ của khâu I và khâu PI

Khâu D

Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn Khâu D được tính theo công thức:

Trong đó:

DOUT: ngõ ra khâu D

I I.

K

KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV

Sơ đồ khối khâu D:

Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D

Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:

Sơ đồ khối:

( )( )

dt

Đáp ứng của bộ PID:

Hình 1.5: Đáp ứng của khâu P, PI và PID

Nhận xét:

- Nếu chỉ sử dụng riêng thành phần Kp thì sai số xác lập luôn tồn tại Tăng Kp

sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín, giảm thời gian quá độ và sai số xác lập nhưng lại làm tăng tính dao động của hệ (tăng độ vọt lố) Với đối tượng

có bậc lớn hơn 2 thì khi Kp tăng quá cao sẽ làm hệ thống mất ổn định

- Nếu sử dụng them thành phần Ki thì trong phạm vi hệ thống còn ổn định, sai

số xác lập luôn bằng 0 Tăng Ki sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín, giảm thời gian quá độ nhưng lại làm tăng độ vọt lố Khi Ki tăng quá giới hạn, hệ thống sẽ mất ổn định

- Thành phần Kd có tác dụng làm giảm dao động, giảm độ vọt lố nhưng không ảnh hưởng đến sai số xác lập của hệ thống Tín hiệu ra của thành phần Kd tỉ

lệ với đạo hàm của e(t) nên tác dụng hiệu chỉnh của nó chủ yếu là ở giai đoạn đầu của đáp ứng quá độ

- Phối hợp cả ba thành phần Kp, Ki, Kd với giá trị thích hợp, ta có thể hiệu chỉnh để hệ thống kín ổn định với sai số xác lập bằng không, thời gian quá

độ và độ vọt lố đạt yêu cầu mong muốn

1.2 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID:

Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc ở một vài mức Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu:

e(n) = X(n) – Y(n)

Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống

Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID

có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc

độ thay đổi sai số Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn

Hình 1.6: Sơ đồ khối PID

Hàm truyền của hệ thống:

Hàm chuyển đổi:

Tính gần đúng theo công thức:

Với n là bước rời rạc tại t

Kết quả thu được:

Với:

Chương 2:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

2.1 Mô tả toán học động cơ điện DC

Đối tượng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều khiển bằng điện áp phần ứng Sơ đồ nguyên lý như hình 2.1, trong đó, dòng kích từ ik được giữ không đổi

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện DC

- Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng, [V]

- Tín hiệu ra là vận tốc góc  của động cơ, [rad/s; s-1]

Sử dụng ba phương trình cơ bản :

a) Phương trình mạch điện phần ứng :

u L Ri Kdt

(s) E(s)

b) Phương trình mômen điện từ :

Với dòng kích từ ik không đổi thì từ thông khe khí  k i2 k là không đổi và mômen điện từ M của động cơ tỉ lệ với dòng điện phần ứng:

Biến đổi Laplace hai vế ta được: M(s) = Km I(s)

Sơ đồ khối tương ứng:

c) Phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ :



 d    t

dt Trong đó:

J _mô men quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2]

B_hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [Nm.s]

Mt _mô men phụ tải (nhiễu), [Nm]

Biến đổi Laplace hai vế ta được:

Sơ đồ khối tương ứng :

Kết nối các sơ đồ khối thành phần ở trên ta có sơ đồ khối của động cơ :

Mt(s)

M(s) I(s)

 Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu ra vận tốc :

G(s)

K KU(s) (Ls R)(Js B) K K

1(Ls R)(Js B)

K(s)

  : hằng số thời gian cơ

G(s)

RJU(s) RJs RB K K s 1 Ts 1

- Động cơ DC điều khiển bằng điện áp phần ứng tự bản thân nó là một hệ kín

có tín hiệu hồi tiếp là sức điện động

 Nếu tín hiệu ra góc quay  (điều khiển định vị), ta có sơ đồ khối:

Hàm truyền với tín hiệu ra góc quay  (điều khiển định vị):

G(s)

K KU(s) s s (Ls R)(Js B) K K

1(Ls R)(Js B)

2.2.2 Chương trình mô phỏng đáp ứng động cơ điện

Hình 2.2 : Mô hình động cơ điện một chiều trên Matlab

Khảo sát đáp ứng của hệ hở với tín hiệu vào là điện áp đặt u=const=24Volts

Đồ thị tín hiệu vào-ra của động cơ:

Hình 2.3: Đồ thị đáp ứng của hệ hở

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he ho

Dien ap vao [V]

Van toc [rad/s]

Goc quay [rad]

2.2.3 Chương trình mô phỏng đáp ứng động cơ điện, ngõ ra là vị trí

Hình 2.4: Mô hình hệ kín điều khiển vị trí

100 200 300 400 500 600

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he kin

Gia tri dat Goc quay [rad]

Hình 2.6: Đáp ứng của hệ kín ứng với Kp=43.81215, Ki=Kd=0

Ta ghi nhận giá trị Kpcrit=43.81215 làm cho hệ thống dao động điều hòa (hệ

ở giới hạn ổn định) và chu kỳ tới hạn Tcrit=0.0190[sec]

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he kin

Gia tri dat Goc quay [rad]

Hình 2.7: Đáp ứng của hệ kín ứng với Kp=26.2873, Ki=2.7671e+003,

Kd=0.0624

Độ vọt lố khá lớn nên ta tinh chỉnh thông số bộ PID:

Hình 2.8: Đáp ứng của hệ kín ứng với Kp= 22.2873, Ki= 1.2671e+003,

Kd= 0.1

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

100 200 300 400 500 600 700 800

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he kin

Gia tri dat Goc quay [rad]

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he kin

Gia tri dat Goc quay [rad]

Hình 2.9: Đáp ứng của hệ kín ứng với Kp= 22.2873, Ki= 1.2671e+003,

Kd= 0.1 Tín hiệu tham chiếu dạng sin có Amplitude=100[rad], Bias=100[rad],

Frequency=5[rad/s]

 Nhận xét: Với thông số của bộ PID vừa tìm được ta thấy hệ thống đáp ứng

tốt với tín hiệu vào là hằng số hoặc tín hiệu vào biến thiên (dạng sin) Ngoài

ra có hiện tượng vọt lố ở thời điểm đầu nhưng độ vọt lố không đáng kể

Thoi gian [sec]

Dap ung cua he kin

Gia tri dat Goc quay [rad]

Chương 3:

THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN

MÔ HÌNH THỰC

3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển

Sơ đồ hệ thống một driver cho DC motor có dạng như hình:

Công suất điều khiển

Bộ điều khiển vị trí

và tốc độ

DC SERVO MOTOR

Bộ điều khiển vị trí và tốc độ: đóng vai trò nhận thông tin điều khiển, xử

lý tinh toán và xuất tín hiệu cho mạch công suất điều khiển theo tốc độ đặt hoặc đến đúng vị trí mong muốn Trong quá trình điều khiển nó cũng nhận tín hiệu hồi tiếp, tính toán ra sai lệch và từ đó tạo tín hiệu điều khiển cần thiết

Giao thức mạng: đây là chuẩn giao tiếp truyền thông cho phép nhiều thiết

bị kết nối nhau theo giao thức mạng, khối này giúp cho thiết bị chủ có thể giao tiếp với nhiều thiết bị con, và hệ thông dễ dàng kết nối hơn

Hãng sản xuất TAMAGAWA SEIKI CO LTD, JAPAN

Dòng sản phẩm DC Servo motor encoder

Loại TS 198 2N106E6

Công suất thiết kế 60W

Độ phân giải encoder 500C/T

Bảng 3.1 : Thông số cơ bản của Motor TS198

b) Đặc điểm

 Kích thước nhỏ gọn,nhẹ và hiệu suất cao

 Đặc tính nổi bật: quán tính nhỏ, tăng hiệu suất và tốc độ đáp ứng

 Chống bụi và chống nước

 Cải thiện khả năng tản nhiệt bằng cách bổ sung vào vỏ bọc bằng hợp kim nhôm