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

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID Nhóm tiến hành việc khảo sát các loại vi điều khiển, lựa chọn động cơ DC, khảo sát các lin

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

SKL006511

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP

-

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

Đề Tài:

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

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

Tp HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID

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 xâydựng 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

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

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

25/09/201715/01/2018TS.Nguyễn Minh Tâm

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

GVHD

25/09/2017 Tìm tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển

01/10/2017 tốc độ của động cơ DC

01/10/2017 Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn

giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều

15/12/2017 Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương

trình để mô hình được tối ưu Đánh giá các thông số của

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 hướngdẫn và tham khảo một số đề tài liên quan từ đó nhóm đã nghiên cứu và phát triển đểthực 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 Côgiảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đãđược 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 nóichung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cungcấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thểthực hiện được đồ án này

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy Nguyễn Minh Tâm đãtrực tiếp hướng dẫn tận tình cho nhóm trong suốt quá trình làm đồ án, cảm ơn Thầy đãgiành thời gian quý báu để hướng dẫn cho nhóm, hỗ trợ các thiết bị cũng như đưa rahướng 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 nhómtrong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án Các bạn đã cùng nhau giúp đỡ, chia sẻkinh 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 đãgiúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để có thể hoàn thành tốt đồ ánnày Xin chân thành cảm ơn mọi người

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giớihạn 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 cũngnhư 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 khiểnPID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PIDcũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉlệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với cácđối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiểnPID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả những lýthuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiểnPID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thíchnghi,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 vựccủa khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máybay… Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quenthuộc 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

Bảng Trang

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 42

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

2.1 GIỚI 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

26 2.13 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 29

27 2.13.1 Tổng quan phần mềm C# 29

28 2.13.2 Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012 29

29 2.13.3 Tính năng mới của Visual studio 2012 30

30 2.13.4 Cách cài đặt Visual studio 2012 31

31 Chương3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 34

32 3.1 GIỚI THIỆU 34

33 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34

34 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 34

35 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 35

36 a Thiết kế khối xử lý trung tâm 35

37 Chương4 THI CÔNG HỆ THỐNG 40

38 4.1 GIỚI THIỆU 40

39 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 40

40 4.2.1 Thi công bo mạch 40

41 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 45

42 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 45

43 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 45

44 4.3.2 Thi công mô hình 46

45 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 48

46 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 48

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

6.1 KẾT 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 quốcdân, của khoa học kỹ thuật của nền công nghiệp v.v… bất cứ ở vị trí nào, bất cứ mộtcông việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển nó là khâu quan trọngcuối 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 nhiềuphát triển có ý nghĩa hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dungđến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xámcao hơn

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID cóứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng nhưDigital 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 việcđạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúpngười sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tíchphân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượngđiều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là khôngthể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…Ngay cả những lý thuyết điều khiểnhiện 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 manglại 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 củakhoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máybay… 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 cơđiện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, viđiều khiển…Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau nhưng đều cùng chungmục 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 vớitốc độ đặt như mong muốn khi cấp nguồn vào cho động cơ quoay thì đồng thời Encodercủng 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 tínhđược thông qua xung mà mình đo được xem tốc độ đó có gần bằng với tốc độ đặt màmình mong muốn ban đầu hay không, tính toán cho đến khi nào tốc độ ngõ ra gần bằngtốc 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

Nghiên cứu cách sử dụng và phương thức hoạt động của mạch PIDDRIVER

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 trongsuốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đềsau:

- 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

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 kỹthuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điềukhiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuấthiện 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 sửdụng 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 ngàycàng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của ngườidùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kếtối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽtìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đềtài

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 hayquá 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 thànhnhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển họcsinh 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 chỉquá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của conngười (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 quátrình 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:

Sơ đồ tổng quát:

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 tácđộng 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

và có thể làm cho hệ thống mất ổn định

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

x = x0 + Kp e

Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống tác động điều khiển luôn giữ cho tín 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 = K i ∫ e dt =

1 ∫ e dt

T i

Trong đó Ki = 1/Ti gọi là hằng số tích phân

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

Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động chậm mà trongcông nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém ổn định Vì vậy màquy 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 takết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệuđiều khiển được xác định theo công thức:

x = K P e + K i ∫ e dt = K P (e+

1

T i

Ti = Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân

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

số Kp, Ti và tần số tín hiệu vào

Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lạinhanh 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:

Trong đó: KP là hệ số khuếch đại

Td = KP/ K d: hằng số thời gian vi phân

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:

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 = K P e + K i ∫ e dt + K d

de

= KP (e+

1+ Td

de

T i p

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

W (P) = K P (1+ 1

+ T d p)

Tip

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

khoảng từ −π/2 đến π/2, phụ thuộc vào các tham số KP, Ti, Td và tần số của tín hiệu vào.Nghĩa là về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, nói tómlại quy luật PID là hoàn hảo nhất đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết cácquy 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 sửdụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượngđiều 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 gianđáp 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 giảithuật PID Trước tiên nhóm sẽ xây dựng sơ đồ nguyên lý kết nối giữa động cơ với mạchnguyên lý, mạch nguyên lý gồm có: khối điều khiển động cơ, khối ổn áp nguồn, khối đènbáo, 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 việcđiều khiển mô hình, khối Driver sử dụng MOSFET kênh N IRF3205 để điều khiển đảochiều động cơ DC và còn dùng để điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM

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 đặcđiểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử diđộng, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quantrọng hàng đầu việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triểncủa 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 trởthành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM được tìm thấykhắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại diđộng, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, máy tính cầm tay) cho đến các thiết bịngoại 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 điềukhiển là STM32F103VET6

- CPU: STMicroelectronics (ST) dựa trên ARM Cortex-M3 chip xử lý 32-bitSTM32F103VET6 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

- Là vi xử lý hiệu xuất xử lý 32-bit với cấu trúc RISC

- Có bộ nhân và bộ chia bằng mạch điện với thời gian thực hiện 1 chu kỳ lệnh

- Có nhiều ngắt lồng ghép với nhau với thời gian từ 6 đến 12 chu kỳ xung clock

Kit ARM có thể sử dụng 2 nguồn cung cấp:

Kit ARM sử dụng nguồn DC 5V qua bộ chuyển đổi từ nguồn AC sang DC.Kit ARM có thể dùng nguồn 5V DC từ cổng USB

Kit ARM đươc thiết kế với năm nguồn xung clock: cho hệ thống, cho RTC

hồ, cho USB Host, cho Ethernet, cho MP3

Thạch anh Y1 có tần số 12,288MHz cấp cho MP3

Thạch anh Y2 có tần số 8MHz cấp cho hệ thống vi điều khiển ARM

Thạch anh Y3 có tần số 32,769Hz dùng làm đồng hồ thời gian thực

Thạch anh Y4 có tần số 25MHz cấp cho chip Ethernet ENC28J60

Kit ARM được thiết kế với nút reset tích cực mức

thấp Có 2 chế độ reset vi điều khiển ARM:

Nhấn nút reset trên kit

Reset thực hiện qua mạch giao tiếp JTAG

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 vớinguồn 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 mộtchiều 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 baogồm vỏ máy cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) bao gồmcác 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 đặtcác phần tử của dây quấn phần ứng lõi thép có hình trụ tạo thành từ việc ghép nhiều láthép 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 đểđặt bộ dây quấn giữa lá thép có dập lỗ để lắp trục và chốt chêm dọc ngoài ra, trên lá thépcòn được dập một số lỗ thông gió để làm mát thân máy cực từ và lõi thép phần ứng hợpthành mạch từ của máy điện một chiều

Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn mỗi phần tử gồm nhiều vòngdây được xếp trong các rãnh của lõi thép hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp, 2 cạnhtác 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 cốđịnh 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 thườngđược 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 làmloe 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

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

Khi đặt lên dây cuốn kích từ một điện áp Uk nào đó thì trong dây cuốn kích từ sẽ xuất

hiện một dòng ik và từ đó mạch từ của máy sẽ xuất hiện một từ thông , tiếp đó đặt một 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:

P: Số đôi cực của động cơ

n: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

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–thuhồng 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 lỗnhỏ để đến cảm biến quang, khi đó sẽ có 1 tín hiệu xuất hiện trên cảm biến như thế kênh I