Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID

Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SỬ

DỤNG THUẬT TOÁN PID

GVHD: NGUYỄN MINH TÂM SVTH: ĐOÀN NGỌC LỘC MSSV: 16341014

SKL 0 0 6 5 1 1

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP

- -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề Tài:

Tp Hồ Chí Minh – 01/2018

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Đoàn Ngọc Lộc MSSV: 16341014

Chuyên ngành: CNKT Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 41

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

 Nhóm tiến hành việc khảo sát các loại vi điều khiển, lựa chọn động cơ DC, khảo sát các linh kiện liên quan để tiến hành thiết kế mạch

 Tiến hành tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập trình vi điều khiển ARM Tham khảo các mô hình điều khiển động cơ để xây dựng lên mô hình điều khiển

 Tìm hiểu các mô hình điều khiển động cơ để lựa chọn và tham khảo cách thức hoạt động phù hợp cho mô hình

2 Nội dung thực hiện:

 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển tốc độ của động cơ DC

 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển

 NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển động cơ DC

 NỘI DUNG 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho

Vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình để điều khiển

 NỘI DUNG 5: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế

iii

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận

Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và

đề tài trước đó Các số liệu trong đề tài này được nhóm thu thập từ các tài liệu hướng dẫn và tham khảo một số đề tài liên quan từ đó nhóm đã nghiên cứu và phát triển để thực hiện đề tài này Không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018

Sinh viên thực hiện

ĐOÀN NGỌC LỘC

Sau quá trình học tập ở trường cùng với những kiến thức được các Thầy Cô giảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã được các Thầy Cô tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện đồ án này Nhóm xin gửi lời cảm

ơn tới tất cả các Thầy, Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói chung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cung cấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thể thực hiện được đồ án này

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy Nguyễn Minh Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cho nhóm trong suốt quá trình làm đồ án, cảm ơn Thầy đã giành thời gian quý báu để hướng dẫn cho nhóm, hỗ trợ các thiết bị cũng như đưa ra hướng đi giải quyết đúng cho nhóm mỗi khi gặp khó khăn

Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn tập thể lớp 163410A đã cùng đồng hành với nhóm trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án Các bạn đã cùng nhau giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm và tạo thêm động lực để nhóm có thể hoàn thành được đồ án này

Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè Những người đã giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để có thể hoàn thành tốt đồ án này Xin chân thành cảm ơn mọi người

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những

ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

ĐOÀN NGỌC LỘC

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID

có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực

tế là PID Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định

Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay… Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động Trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em

xin chọn đề tài : Điều khiển động cơ DC motor với giải thuật PID

Hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 5

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch 6

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu 6

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu 7

Hình 2.5 Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau 8

Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian 10

Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian 12

Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID 13

Hình 2.9 Sơ đồ pipline 15

Hình 2.10 Sơ đồ module STM32F103VET617 16

Hình 2.11 Sơ đồ động cơ DC 17

Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor 18

Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều 19

Hình 2.14: Cổ góp và chổi than 19

Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều 21

Hình 2.16 Encoder động cơ DC 21

Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong 22

Hình 2.18 OptoPC817 23

Hình 2.19 Mosfet IRF3205 24

Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet 25

Hình 2.21 Hoạt động của Mosfet 26

Hình 2.22 IC SN74HCO2N 27

Hình 2.23 IC SN74HC14N 28

Hình 2.24 Phần mềm Visual studio 2012 29

Hình 2.26 Chạy file vs_ premium 31

Hình 2.27 Click vào I agree the license sau đó chọn Next 32

Hình 2.28 Bắt đầu cài đặt Install 32

Hình 2.30 Cài đặt giao diện thành công 33

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 34

Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm 36

Hình 3.3 Khối Driver 37

Hình 3.4 Khối Logic 37

Hình 3.5 Khối Nguồn 5V 38

Hình 3.6 Khối Nguồn 3.3V 38

Hình 4.1 Mạch in lớp trên 40

Hình 4.2 Mạch in lớp dưới 41

Hình 4.3 Mạch in 3D lớp trên 41

Hình 4.4 Mạch in 3D lớp dưới 42

Hình 4.5 Hình ảnh khối nguồn và điều khiển 45

Hình 4.6 Hình ảnh mạch PID DRIVER được đóng gói 46

Hình 4.7 Mạch PID DRIVER được đặt vào bên trong hộp 46

Hình 4.8 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh 47

Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển chương trình chính 48

Hình 4.10 Giao diện trình biên dịch Keil uVision5 49

Hình 4.11 Giao diện trình biên dịch STM32CubeMX 51

Hình 4.12 Giao diện điều khiển PID 52

Hình 5.1 Điều khiển động cơ Planet (24V, 60W) 55

Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 19W) 55

Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 38W) 56

Hình 5.3 Trường hợp Kp, Kd, Ki=1 56

Hình 5.5 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.001 57

Hình 5.6 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.005 57

Hình 5.7 Kết luận rút ra được từ việc thay đổi hệ số Kp, Kd, Ki từ thực nghiệm 58

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 42

MỤC LỤC

Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ xi

LIỆT KÊ BẢNG xiii

TÓM TẮT xiv

Chương1.TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 GIỚI HẠN 3

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1GIỚI THIỆU 4

2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4

2.2.1 Điều khiển (control) 4

2.2.2 Điều khiển học (cybernctics) 4

2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động 5

2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) 5

2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 5

2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 6

2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch 6

4.4.3Phần mềm tạo Project cho ARM STM32CubeMX 50

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 52

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 52

Chương5 KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ 54

5.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 54

5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 55

Chương6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

6.1KẾT LUẬN 59

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

Chương1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế quốc dân, của khoa học kỹ thuật của nền công nghiệp v.v… bất cứ ở vị trí nào, bất cứ một công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển nó là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta

Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID

Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại, ngoài ra

bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định

Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay… Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển…Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau nhưng đều cùng chung mục đích là điều khiển tốc độ của động cơ trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em

xin chọn đề tài: Điều khiển động cơ DC với giải thuật PID

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công mạch PID DRIVER để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC, dùng vi xử lý STM32F103VET6 để điều khiển, ban đầu mình sẽ đưa tín hiệu đầu vào với tốc độ đặt như mong muốn khi cấp nguồn vào cho động cơ quoay thì đồng thời Encoder củng sẽ quoay chân A, B của Encoder đọc tín hiệu qua cảm biến và trả về giá trị xung, giá trị trả về được so sánh với giá trị tốc độ đặt mong muốn ban đầu sẽ cho một hàm sai

số đưa tín hiệu hàm sai số này qua bộ PID, hàm PID sẽ xử lý và đưa ra tốc độ mình tính được thông qua xung mà mình đo được xem tốc độ đó có gần bằng với tốc độ đặt mà mình mong muốn ban đầu hay không, tính toán cho đến khi nào tốc độ ngõ ra gần bằng tốc độ mong muốn ban đầu thì kết quả thành công, Dùng ngôn ngữ lập trình C# để thiết

kế giao diện điều khiển động cơ DC

 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu cách sử dụng và phương thức hoạt động của mạch PID DRIVER

 Viết chương trình cho vi điều khiển

 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên giao diện

 Thiết kế và thi công phần cứng mạch

 Kết nối các khối vào module

 Chạy thử nghiệm hệ thống

 Viết sách luận văn

 Báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.3 GIỚI HẠN

Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đề sau:

- Thiết lập được giao diện để điều khiển động cơ và hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ lên giao diện để quản lý

- Xác định được 3 thông số: Kp, Kd, Ki chuẩn nhất của bộ PID để tốc độ ngõ

ra bằng với giá trị tốc độ đặt như mong muốn ban đầu

- Đảo được chiều quoay động cơ quoay thuận và quoay nghịch

- Điều khiển được nhìu động cơ với công suất khác nhau

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU

Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v …

Theo mong muốn của đề tài là dùng giải thuật PID để điều khiển tốc độ của động

cơ và đảo chiều quoay của động cơ, theo như mong muốn trong phạm vi đề tài có sử dụng khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối mạch cầu H để điều khiển động cơ DC

Module STM32F103VET6 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kế tối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đề tài

2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

2.2.1 Điều khiển (control)

Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình khác Theo một quy luật hay một chương trình cho trước

2.2.2 Điều khiển học (cybernctics)

Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc, sinh vật và kinh tế điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế

2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động

Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển ở chế độ tay (manual)

2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system)

Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động một quá trình nào đó được gọi là hệ thống điều khiển tự động

2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Một hệ thống điều khiển gồm có 3 thành phần cơ bản đó là:

- Đối tượng điều khiển (Object device)

- Thiết bị điều khiển (Controler device)

- Thiết bị đo lường (Measuring device)

u(t) : tín hiệu vào (input)

y(t) : tín hiệu ra (output)

y(t) e(t)

z(t)

M

M

x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)

e(t) : sai lệch điều khiển

z(t) : tín hiệu phản hồi

2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN

Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:

2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Hình 2.2: sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Tín hiệu y(t) được đưa ra so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O

2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu

Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu

là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống

2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu

Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả 2 nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa có các thiết bị để bù nhiễu

2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ

2.5.1 Quy luật tỉ lệ P

Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức:

x = KP.e (2.1)

thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào điều này nói lên rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là

với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh Để giảm sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên

Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép tồn tại sai lệch tĩnh để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu thức:

x = x0 + Kp e (2.2)

hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch

Hình 2.5: Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau

2.5.2 Quy luật tích phân (I)

Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức

x = Ki∫ e dt = 1

Ti ∫ e dt (2.3)

Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e = 0, như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai lệch tĩnh

Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém

ổn định Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp

2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân

Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

Ti ∫ e dt) (2.4)

- Hàm truyền đạt của quy luật tỷ lệ tích phân có dạng:

Như vậy khi khi ω = 0 thì ϕ (ω) = −π/ 2, còn khi ω = ∞ thì ϕ (ω) = 0 Tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng từ -π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham

Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lại nhanh hơn quy luật tích phân

Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian

Thời gian tích phân càng nhỏ độ vượt mức càng cao

2.5.4 Quy luật tỉ lệ vi phân

Tác động điều khiển của quy luật PID được hình thành theo công thức:

x = Kp.e + Kd.de

dt = Kp (e+Td

de

Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động hệ thống

Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ - vi phân có dạng:

Như vậy khi ω thay đổi từ 0 đến ∞ thì đặc tính PT sẽ thay đổi từ 0 đến π/2, ta có

vi phân càng lớn thì đáp ứng càng nhanh

Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian

2.5.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative)

Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân.Tác động điều khiển được tính toán theo công thức:

x = KP e + Ki∫ e dt + K d.de

dt = KP (e+ 1

Tip + Td.de

dt) (2.6)

- Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ-vi tích phân có dạng:

T i p + Td p)

- Hàm truyền tần số của khâu PID:

∞ thì ϕ (ω ) =π/2 rõ ràng góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào nằm trong

Nghĩa là về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, nói tóm lại quy luật PID là hoàn hảo nhất đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ nhưng việc hiệu chỉnh các tham số của nó rất phức tạp, đòi hỏi người

sử dụng phải có một trình độ nhất định vì vậy trong công nghiệp quy luật PID chỉ sử dụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh

Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID

Khâu hiệu chỉnh PID có ưu điểm so với các khâu hiệu chỉnh còn lại có thời gian đáp ứng nhanh và độ vượt mức nhỏ

2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Trong đề tài này sẽ thực hiện thi công mô hình điều khiển động cơ DC bằng giải thuật PID Trước tiên nhóm sẽ xây dựng sơ đồ nguyên lý kết nối giữa động cơ với mạch nguyên lý, mạch nguyên lý gồm có: khối điều khiển động cơ, khối ổn áp nguồn, khối đèn báo, khối vi xử lí sử dụng chíp STM32F103VET6, khối logic sử dụng IC SN74HCO2, khối lọc nhiễu tín hiệu sử dụng IC SN74HC14

Về phần điều khiển sẽ sử dụng KIT STM32F103VET6 lập trình để thực hiện việc điều khiển mô hình, khối Driver sử dụng MOSFET kênh N IRF3205 để điều khiển đảo chiều động cơ DC và còn dùng để điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM

- Thiết bị đầu đầu vào: nút nhấn

- Thiết bị điều khiển trung tâm: là khối module STM32F103VET6 với chíp

vi điều khiển là STM32F103VET6 với lõi ARM Cortex M3

2.6.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM

a Tổng quan về ARM

ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lí

32 bít và 64 bít kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn

Hầu hết các nguyên lý của hệ thống trên chip (Systems on chip-SoC) và cách thiết

kế bộ xử lý hiện đại được sử dụng trong ARM, ARM còn đưa ra một số khái niệm mới

<như giải nén động các dòng lệnh> Việc sử dụng 3 trạng thái nhận lệnh-giải mã-thực thi

trong mỗi chu kì máy mang tính quy phạm để thiết kế các hệ thống xử lý thực do đó, nhân xử lý ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phức tạp

Hình: 2.9 Sơ đồ pipline

Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, máy tính cầm tay) cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.)

b Tổng quan về kit ARM Cortex – M3 STM 32F103VET6

Khối điều khiển trung tâm là khối module STM32F103VET6 với chíp vi điều khiển là STM32F103VET6

STM32F103VET6 với hình dạng vỏ là LQFP100 có 100 chân, có 256KB bộ nhớ FLASH, có 48KB bộ nhớ RAM và chip tích hợp thêm các ngoại vi 12Bit ADC, DAC, PWM, CAN, USB, SDIO, FSMC và các nguồn tài nguyên khác

 Kit ARM có thể sử dụng 2 nguồn cung cấp:

hồ, cho USB Host, cho Ethernet, cho MP3

Kit ARM được thiết kế với nút reset tích cực mức thấp

Có 2 chế độ reset vi điều khiển ARM:

Hình2.10 Sơ đồ module STM32F103VET6

2.7 ĐỘNG CƠ DC (MOTOR)

Hình 2.11 động cơ DC

2.7.1 Khái niệm động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều thuộc về máy điện một chiều là loại máy hoạt động với nguồn điện một chiều chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát điện hay chế độ động

cơ điện nghĩa là máy điện một chiều có thể chuyển hóa cơ năng thành điện năng một chiều hoặc là biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng

2.7.2 Cấu tạo chung của động cơ DC

Cấu tạo của động cơ gồm stator, rotor và hệ thống chổi than-vành góp.Stator bao gồm vỏ máy cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) bao gồm các bối dây được đặt trong rãnh của lõi sắt đối với các động cơ có công suất nhỏ người ta

có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor

Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật cách điện lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng lõi thép có hình trụ tạo thành từ việc ghép nhiều lá thép kỹ thuật điện đã phủ lớp vecni cách điện để giảm tổn hao gây bởi dòng điện xoáy, Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại sẽ tạo thành rãnh của phần ứng để đặt bộ dây quấn giữa lá thép có dập lỗ để lắp trục và chốt chêm dọc ngoài ra, trên lá thép còn được dập một số lỗ thông gió để làm mát thân máy cực từ và lõi thép phần ứng hợp thành mạch từ của máy điện một chiều

Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn mỗi phần tử gồm nhiều vòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác tên

Phần ứng được bắt chặt trên trục thép hai đầu trục có gắn bạc đạn nắp máy giữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bulông xuyên

Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều

Stator còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc Stator là mạch từ cũng vừa là vỏ máy bao bọc các

bộ phận bên trong phía mặt trong của stator có gắn các cực từ, phần cuối cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây quấn kích từ

Hình 2.14- Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn sau đó gắn vào trục rotor, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cách điện

với trục bằng lớp mica mỏng một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng

Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình hộp chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt chặt vào nắp máy một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo ép chặt

Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng.Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương, một nửa có cực tính âm)

2.7.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

giá trị điện áp U lên mặt phần ứng thì trong dây cuốn sẽ xuất hiện một dòng điện i chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích sẽ tạo ra mômen điện từ

Và mômen điện từ này kéo phần ứng quay quanh trục, giá trị của mô men điện từ được tính bởi công thức sau:

a: Số mạch nhánh song song của dây cuốn phần ứng

k: Số kết cấu của máy

Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều

2.8 ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIẸN 1 CHIỀU

Hình 2.16 Encoder động cơ DC

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm có 3 kênh A, kênh B và kênh I (index) như hình trên chúng ta thấy 1 lỗ nhỏ ở trong của đĩa quay và có 1 cặp phát–thu hồng ngoại dành riêng cho lỗ này, đó là kênh I của encode Cứ mỗi vòng quay của đĩa thì

lỗ nhỏ sẽ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu ,hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ để đến cảm biến quang, khi đó sẽ có 1 tín hiệu xuất hiện trên cảm biến như thế kênh I

sẽ xuất hiện 1 xung trong 1 vòng quay của motor

Bên ngoài đĩa được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này đây là kênh A, của encoder hoạt động của kênh A

Tương tự như kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor thì có

N “xung” xuất hiện trên kênh A với N là số rãnh trên đĩa và cũng là độ phân giải (resolution) của encoder.Mỗi loại động cơ khác nhau thì sẽ có độ phân giải là hoàn toàn khác nhau

Ngoài ra trên encoder còn 1 cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng mà lệch một chút(M+0.5) rãnh, đây là kênh B của encoder.Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng mà lệch pha 90o Bằng cách phối hợp 2 kênh A và B thì người đọc sẽ biết được chiều quay của động cơ

Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong encoder

Hình trên cùng trong ba hình thể hiện sự bố trí của 2 cảm biến A và B lệch pha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh xét trường hợp motor

quay theo chiều kim đồng hồ tín hiệu đi từ trái qua phải ta thấy rằng lúc tín hiệu từ kênh

A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh thấp) thì tín hiệu của kênh B đang ở mức cao.Như vậy bằng cách phối hợp 2 kênh A và B thì chúng ta có thể xác định được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)

2.9 OPTO PC817

Hình 2.18 OptoPC817

Opto là một trong những linh kiện điện tử cơ bản được người dùng sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử, opto hay còn gọi bộ cách ly quang dùng để truyền tín hiệu điện bằng cách chuyển tín hiệu ánh sáng và sau đó mới truyền đi nó dùng để cách ly điện áp giữa đầu vào và đầu ra

Khi cấp nguồn 5V vào chân số 1 LED phía trong Opto nối giữa chân số 1

và 2 sáng xảy ra hiệu ứng quang điện làm cho chân 3 và 4 thông, mức logic chuyển

từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp IC

2.10.2 Cấu tạo của Mosfet

Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet

- G : Gate gọi là cực cổng

- S : Source gọi là cực nguồn

- D : Drain gọi là cực máng

- Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp

P-N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G

- Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS )

- Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ