ĐỒ ÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp hay sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy móc công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,…. đến những thiết bị gia dụng như máy giặc, máy lạnh, máy hút bụi và có cả trong máy vi tính. Những thiết bị như vậy cần độ chính xác rất cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt được những yêu cầu trên là điều khiển tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái. Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động cơ một chiều được sử dụng rộng rãi như : truyền động cho một số máy như máy nghiền, máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển cánh tay robot,.. Động cơ một chiều có nhiều ứng dụng trong cả công nghiệp và cả trong đời sống hằng ngày. Vì vậy, nó cần yêu cầu có nhiều cáp tốc độ có thể tăng giảm dễ dàng. Với sự ra đời và phát triển của vi sử lí mà ta có thể điều khiển động cơ với nhiều mức độ khác nhau như : điều khiển dừng, điều khiển đảo chiều, điều khiển tốc độ nhanh chậm,… Trong khuôn khổ đồ án, nhóm em xin trình bày thuật toán điều khiển tốc độ động cơ, xây dựng các bộ điều khiển này trên vi điều khiển Arduino Uno R3.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  BÁO CÁO ĐỒ ÁN II MÔN HỌC : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID GVHD: TS Vũ Văn Phong SVHT : Bùi Tá Đỉnh 17151066 Nguyễn Trường Tài 17151123 NGÀNH: CNKT Điều khiển Tự động hóa TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2020 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn thầy giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi đề cho nhóm em hồn thành tốt đề tài Ngồi ra, nhóm em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM tạo điều kiện tốt để nhóm em học tập nghiên cứu Bên cạnh đó, thầy anh chị khoa Điện – Điện tử bạn sinh viên lớp đóng góp ý kiến, cho nhóm em lời khun bổ ích để nhóm em hồn thành tốt đề tài Mặc dù cố gắng trình thực kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, mong q thầy góp ý dẫn để nhóm em hồn thiện thời gian tới Em xin chân thành cảm ơn Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2020 Nhóm sinh viên thực đề tài Bùi Tá Đỉnh Nguyễn Trường Tài MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.2 Mục đích chọn đề tài 1.3 Sơ lược bước thực CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 2.1 Giới thiệu 2.2 Giao tiếp động DC qua mạch cầu H 2.3 Chip điều khiển CHƯƠNG GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC THÀNH PHẦN MẠCH 3.1 Giới thiệu Arduino Uno R3 3.1.1 Sơ lược Arduino Uno R3 3.1.2 Một vài thông số Arduino Uno R3 3.2.2 Mạch cầu H L298 12 3.3.3 Động Encorder 13 3.2.3 Khối nguồn 14 CHƯƠNG 15 NGUYÊN LÝ TỔNG QUÁT VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 15 4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 15 4.2 Lưu đồ giải thuật 17 4.3 Phần mềm điều khiển 18 4.4 Sản phẩm sau hoàn thiện 21 CHƯƠNG 20 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20 5.1 Kết luận 20 5.2 Hướng phát triển 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 PHỤ LỤC 23 PHỤ LỤC HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H………………………………………………… Hình 2.2 Chiều dịng điện cầu H………………………………………………… Hình 2.3 Sơ đồ mạch cầu H…………………………………………………………………….3 Hình 2.4 Chip Atmega328P…………………………………………………………………………4 Hình 2.5 Mơ hình tổng quan PID…………………………………………………………… Hình 3.1 Hình ảnh thực Arduino Uno R3…………………………………………………….8 Hình 3.2 Bảng thơng số kĩ thuật Arduino Uno R3……………………………………………… Hình 3.3 Sơ đồ chân Arduino Uno R3………………………………………………………… 10 Hình 3.4 Hình ảnh thực module L298N………………………………………………………… 12 Hình 3.5 Động DC giảm tốc GA25 Encoder…………………………………………………13 Hình 3.6 Nguồn 12VDC…………………………………………………………………………….14 Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát……………………………………………………………………… 15 Hình 4.2 Sơ đồ kết nối dây…………………………………………………………………………16 Hình 4.3 Lưu đồ chương trình chọn hướng điều khiển……………………………… 17 Hình 4.4: Giao diện lập trình app inventor ……………………………………………… 18 Hình 4.6 Giao diện ứng dụng điện thoại …………………………………………… 20 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển, đặc biệt điều khiển xác, trở thành phần thiếu cơng nghiệp đại Phần lớn loại máy móc, thiết bị dân dụng hay công nghiệp hay sử dụng động điện, từ động điện máy móc cơng cụ, máy CNC, cánh tay robot,… đến thiết bị gia dụng máy giặc, máy lạnh, máy hút bụi có máy vi tính Những thiết bị cần độ xác cao, tiết kiệm lượng, tuổi thọ chu kì bảo dưỡng dài Một yêu cầu cần đáp ứng để đạt yêu cầu điều khiển tốc độ động điện cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru xác lập thay đổi trạng thái Với ưu điểm điều khiển tốc độ động dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động chiều sử dụng rộng rãi : truyền động cho số máy máy nghiền, máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển cánh tay robot, Động chiều có nhiều ứng dụng cơng nghiệp đời sống ngày Vì vậy, cần yêu cầu có nhiều cáp tốc độ tăng giảm dễ dàng Với đời phát triển vi sử lí mà ta điều khiển động với nhiều mức độ khác : điều khiển dừng, điều khiển đảo chiều, điều khiển tốc độ nhanh chậm,… Trong khuôn khổ đồ án, nhóm em xin trình bày thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ, xây dựng điều khiển vi điều khiển Arduino Uno R3 1.2 Mục đích chọn đề tài Xây dựng mơ hình điều khiển tốc độ động Arduino Uno R3 có khả thay đổi tốc độ động theo mong muốn người điều khiển Mục tiêu sâu xa đề tài nắm rõ thuật tốn PID, ứng dụng nhiều lĩnh vực phục vụ cho người Mơ hình điều khiển tốc độ động vừa có nhiều ứng dụng thực tế vừa dễ dàng để sinh viên vận dụng kiến thức tiếp thu giảng đường vào Với kết cấu khí đơn giản lại kết hợp với nhiều thành phần điện tử (mạch cầu H, động DC, Arduino…) nên mơ hình phù hợp để sinh viên học tập nghiên cứu thêm ngành tự động hóa cách cụ thể Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong 1.3 Sơ lược bước thực Trước tiên ta phải tìm hiều cách thức hoạt động nghiên cứu cách điều khiển thuật tốn PID Đối với mơ hình quan tâm đến cách xếp kết nối linh kiện cho tối ưu hiệu Sau có xong mơ hình việc viết chương trình điều khiển với mục tiêu đơi tốc độ động với đáp ứng nhanh chuẩn xác tảng thuật tốn PID Và cuối vận hành mơ hình tìm khắc phục sai sót mơ hình thuật toán, suy nghĩ hướng phát triển mơ hình mà nhóm nghiên cứu Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Mạch điều khiển tốc độ động xoay chiều pha mạch điện tử có chức thay đổi tốc độ động Hầu Có phương pháp thay đổi tốc độ động sau - Thay đổi số vòng dây stato - Điều khiển điện áp đưa vào động - Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động Hiện việc sử dụng mạch điện tử điều khiển tôc độ động pha cách điều khiển điện áp tần số đưa vào động sử dụng phổ biến 2.2 Giao tiếp động DC qua mạch cầu H Cầu H mạch gồm transitor mắc theo hình chữ H Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H Ở điều kiện bình thường (4 khóa mở) mạch khơng hoạt động Khi khóa L1 R2 đóng, kL1 qua đối tượng hóa L2 khóa R2 mở dịng điện mạch có chiều từ nguồn qua điều khiển qua R2 xuống mass Khi khóa L2 R1 đóng, khóa L1 khóa R2 mở dịng điện mạch có chiều từ nguồn qua R1 qua đối tượng điều khiển qua L2 xuống mass Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Hình 2.2 Chiều dịng điện cầu H Nếu khóa L1 L2 đóng khóa R1 R2 đóng khóa đóng dẫn đến ngắn mạch Để khắc phục điều nhà thiết kế thiết kế mạch cầu H sử dụng BJT (2 BJT loại PNP BJT loại NPN) Hình 2.3 Sơ đồ mạch cầu H Cầu H cấu tạo từ BJT mắc hình 2-3 diode có chức bảo vệ BJT, điều khiển đóng ngắt BJT cách thay đổi trạng thái tín hiệu vào A B ta có chiều dịng điện Khi ngõ vào A mức High, ngõ vào B mức Low cơng tắc Q1 Q4 đóng, cơng tắc Q2 Q3 mở Dịng điện mạch chạy từ nguồn qua Q1, qua đối tượng điều khiển, qua Q4 xuống mass Khi ngõ vào A mức Low, ngõ vào B mức High cơng tắc Q2 Q3 đóng, cơng tắc Q1 Q4 mở Dòng điện mạch chạy từ nguồn qua Q2, qua đối tượng điều khiển, qua Q3 xuống mass Nếu đối tượng động chiều dịng điện làm thay đổi chiều quay động Ưu điểm: đơn giản, đóng ngắt nhanh, có nhiều ứng dụng Nhược điểm: làm việc với nguồn chiều, sử dụng ứng dụng đơn Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong giản 2.3 Chip điều khiển Atmega328 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hẳn Atmega8 Atmega 328 vi điều khiển bít dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, nhớ RAM vơ lớn giới vi xử lý bít (2KB SRAM) Với 23 chân sử dụng cho kết nối vào i/O, 32 ghi, timer/counter lập trình, có gắt nội ngoại (2 lệnh vector ngắt), giao thức truyền thơng nối tiếp USART, SPI, I2C Ngồi sử dụng biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới kênh, khả lập trình watchdog timer, hoạt động với chế độ nguồn, sử dụng tới kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader Atmega328 có khả hoạt động dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS 1MHz Hình 2.4 Chip Atmega328P Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Ngun lí làm việc: Khi cấp nguồn cho mơ hình, thơng qua hình HMI định tốc độ quay động Khi nhận tín hiệu điều khiển từ hình HMI mà tốc độ đặt động chạy Tại thơng qua sử lí trung tâm với điều khiển PID tính tốn tốc độ chạy động cơ, so sánh với tốc độ đặt hiển thị vọt lố đồ thị lên hình HMI Sơ đồ kết nối linh kiện sau: Hình 4.2 Sơ đồ kết nối dây Trang 16 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong 4.2 Lưu đồ giải thuật Hình 4.3 Lưu đồ chương trình chọn hướng điều khiển Giải thích lưu đồ:  Khi cấp nguồn cho mơ hình ta chọn tốc độ quay động tơng qua hình HMI  Ban đầu đưa tín hiệu đầu vào Setpoin ( tốc độ đặt ) Khi cấp điện áp vào cho động cơ, encoder quay tạo kênh A B encoder, đọc tín hiệu qua cảm biến trả giá trị xung  Switch (10ms) giống chương trình ngắt Cứ sau 10ms ngắt chương trình ngồi để đưa tín hiệu đầu vào xung, tốc độ đặt, tốc độ sai số vào hàm PID  Sau hàm PID xử lí đưa tốc độ mà tính thơng qua xung đo để đưa tốc độ đó, kiểm tra tốc độ có gần với tốc độ đặt (Setpoint) ban đầu hay không  Cứ sau 10ms tính tốn đưa tốc độ để kiểm tra với tốc độ đặt Setpoin ban đầu Trang 17 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong 4.3 Phần mềm điều khiển Sử dụng Visual Studio để tạo mà hình điều khiển đơn giản cho máy tính Sau bước em tạo ứng dụng điều khiển riêng Hình 4.4: Giao diện lập trình app inventor Tiếp theo lập trình cho ứng dụng Ta thực thao tác kéo thả khối lệnh để lập trình mà khơng cần phải viết câu lệnh Trang 18 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Trang 19 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Hình 4.6 Giao diện ứng dụng điện thoại Trang 20 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động 4.4 Sản phẩm sau hoàn thiện TS Vũ Văn Phong Hình 4- Mặt robot Trang 21 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Hình 4- Mặt robot Hình 4- Chiều ngang tổng thể robot Trang 20 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Ưu điểm: - Động chạy tương đối ổn định - Tốc độ sử lí nhanh, đáp ứng nhanh bị vọt lố - Tín hiệu sử lí tốt khơng bị nhiễu sóng Khuyết điểm - Có số tốc độ chạy có độ vọt lố cao - Mơ hình chưa đẹp mắt 5.2 Hướng phát triển - Có thể phát triển giải thuật phần cứng lên để ứng dụng vào nhiều thiết kế điều khiển - Xây dựng giải thuật hoàn chỉnh để dù chạy tốc độ động có độ vọt lố thấp - Trang 21 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [2] https://advancecad.edu.vn/khai-niem-co-ban-ve-truyen-thong-uart-so-do-khoi-ungdung/ [3] https://hshop.vn/products/mach-thu-phat-bluetooth-hc-05-do-ra-chon-master [4] https://nshopvn.com/product/arduino-motor-shield-l293d/ [5] https://icdayroi.com/dong-co-giam-toc-v1 [6] http://arduino.vn/bai-viet/281-mach-cau-h-va-dieu-khien-dong-co-voi-sn754410 [7] Nguyễn Đình Phú, giáo trình thực hành vi điều khiển PIC, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2017 VTH: Bùi Tá Đỉnh Trang 22 S Đồ án Hệ thống điều khiển tự động PHỤ LỤC TS Vũ Văn Phong Chương trình chính: //ArduinoBluetooth Controlled Car// //// Before uploading the code you have to install the necessary library// //AFMotor Library https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield/library-install // #include //initial motors pin AF_DCMotor motor1(1); AF_DCMotor motor2(2); AF_DCMotor motor3(3); AF_DCMotor motor4(4); char command; void setup() { Serial.begin(9600); //Set the baud rate to your Bluetooth module } void loop(){ if(Serial.available() > 0) { command = Serial.read(); Trang 23 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Stop(); //initialize with motors stoped //Change pin mode only if new command is different from previous //Serial.println(command); switch(command) { case 'F': forward(); break; case 'B': back(); break; case 'L': left(); break; case 'R': right(); break; } } Trang 24 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong } void forward () { motor1.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor1.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor2.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor2.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor3.setSpeed(255);//Define maximum velocity motor3.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor4.setSpeed(255);//Define maximum velocity motor4.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise } void back () { motor1.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor1.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise motor2.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor2.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise Trang 25 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong motor3.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor3.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise motor4.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor4.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise } void right() { motor1.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor1.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise motor2.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor2.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise motor3.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor3.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor4.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor4.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise } void left() { Trang 26 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong motor1.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor1.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor2.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor2.run(FORWARD); //rotate the motor clockwise motor3.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor3.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise motor4.setSpeed(255); //Define maximum velocity motor4.run(BACKWARD); //rotate the motor anti-clockwise } void Stop() { motor1.setSpeed(0); //Define minimum velocity motor1.run(RELEASE); //stop the motor when release the button motor2.setSpeed(0); //Define minimum velocity motor2.run(RELEASE); //rotate the motor clockwise motor3.setSpeed(0); //Define minimum velocity motor3.run(RELEASE); //stop the motor when release the button motor4.setSpeed(0); //Define minimum velocity Trang 27 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong motor4.run(RELEASE); //stop the motor when release the button } Trang 28 ... 18 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Trang 19 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Hình 4.6 Giao diện ứng dụng điện thoại Trang 20 Đồ án Hệ thống điều khiển tự động. .. mà điều khiển tự động thường mong muốn Nhược điểm: Khi hệ thống dùng điều khiển có luật vi phân hệ thống dễ bị tác động nhiễu cao tần, loại nhiễu thường tồn công nghiệp Trang Đồ án Hệ thống điều. .. động vi phân số liệu trước Điều khiển PID kiểu điều khiển hồi tiếp vịng kín sử dụng rộng rải hệ thống điện, tự động hóa, điện tử,… Trang Đồ án Hệ thống điều khiển tự động TS Vũ Văn Phong Hình