Do an 2 điều khiển ổn định động cơ encoder bằng PID và arduino

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỒ ÁN – THIẾT KẾ MẠCH SỐ Đề tài: Điều khiển ổn định động encoder PID arduino Hà Nội, 4/ 2022  Nhiệm Vụ Thực Hiện: -Khảo sát phân tích tổng hợp cách thức hoạt động Encoder để có độ xác cao nhất, phận xử lí tín hiệu có tốc độ cao -Tìm hiểu arduino áp dụng vào Encoder -Điều chỉnh Encoder chạy ổn định theo ý muốn -Dùng PID giảm sai số ổn định thiết bị  Nội dung yêu cầu : Điều khiển ổn định động encoder PID arduino NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Điểm Hướng Dẫn : /2021 Giáo viên Hướng dẫn (ký tên) LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình sản xuất đại, đo tốc độ động việc làm thiếu, giúp cho q trình giám sát sản xuất nhanh hơn, tốt hơn,cho sản phẩm ý, xác Nếu ta khơng đo tốc độ động khơng thể điều khiển tốc độ xác Với máy móc đại ngày nay, q trình sản xuất ln chạy với nhiều tốc độ khác nhau, tùy theo giai đoạn làm việc nó, mà ta cần phải biết tốc độ động bao nhiều để điều chỉnh cho phù hợp Ngày nay, ngành công nghiệp 4.0 ngày phát triển xu hướng thời việc tự động hóa Encoder giữ vai trị vơ quan trọng Nó trang bị cấu tạo máy CNC thiết bị nhằm đo lường tìm vị trí xác trục máy vị trí dao cắt Đó lý mà việc gia cơng máy CNC đạt xác cao nhất.Hệ thống kiểm tra máy tính nhận thơng số mà encoder ghi nhận,từ điều chỉnh lại vị trí chi tiết nhỏ hay vị trí cắt dao cắt nhằm sửa chữa lỗi hạn chế sai sót Trong đề tài đồ án mơn “hệ thống điều khiển số" này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn, thiết kế mơ hình Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Mục Lục Chương 1:Mở đầu Lý chọn đề tài Nội dung đề tài Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu Kế hoạch nghiên cứu thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: Dự kiến kết đạt đề tài Chương :Cơ sở lý thuyết I Kỹ Thuật cảm biến II.Kỹ thuật vi xử lý III.Hệ thống điều khiển số 10 Điều khiển ổn định động giao thức PID 10 Chương :Phân tính thiết bị 13 I.Sơ đồ khối 13 1.Khối điều khiển 14 A arduino 14 1.1.Giới thiệu 14 1.2 Ứng dụng Arduino đời sống 15 1.3 Cấu tạo arduino 15 1.4 Các loại arduino 18 1.5 Arduino Uno (R3) 18 B.PID 19 Giới thiệu PID 19 Tìm hiểu PID 20 3.Mục tiêu sử dụng điều khiển PID 24 4.Biến đổi rời rạc hóa để lập trình cho vi điều khiển 24 Khối cảm biến 27 2.1 Giới thiệu 27 2.2 Encoder cấu tạo gồm: 27 2.3 Nguyên tắc hoạt động Encoder 28 2.4.Các loại Encoder 28 2.5 Cách thức xác định chiều quay encoder 30 3.Khối hiển thị 33 A.Màn hình LCD1602 33 3.1 Giới thiệu LCD1602 33 3.2.Thông Số Kỹ Thuật Màn hình LCD1602: 34 3.3 Ưu Điểm Của Màn hình LCD1602: 34 3.4 Sơ Đồ Kết Nối Của Màn Hình LCD1602: 35 B Module I2C LCD1602/LCD2004 36 4.1 Giới thiệu Module I2C LCD1602/LCD2004 36 4.2.Tính Năng: 37 4.3.Thông Số Kỹ Thuật: 38 4.4 Lưu Ý Khi Sử Dụng Module I2C 38 5.Khối nguồn 38 5.1 Giới thiệu nguồn tổ ong 38 5.2.Chức nguồn tổ ong: 39 5.3.Thông Số Kĩ Thuật: 39 6.Khối công suất 40 6.1 Giới thiệu Module Điều Khiển Động Cơ L298 40 6.2 h ng s thuật: 41 6.3.Sơ đồ nguyên lý cách đấu n i Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298N 41 7.khối chấp hành 44 7.1Giới thiệu Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GM25 44 7.2 Thông số kỹ thuật: 45 7.3 Ứng dụng: 46 Chương :Chương trình nạp 46 I Phần mềm Arduino IDE 46 Phần mềm Arduino IDE gì? 46 Arduino IDE hoạt động nào? 47 Lý sử dụng Arduino IDE 47 Hỗ trợ lập trình t t cho bo mạch Arduino 48 hư viện hỗ trợ phong phú 48 II.Chương trình 49 Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 52 Chương 1:Mở đầu Lý chọn đề tài Vận dụng kiến thức học từ môn hệ thống điều khiển số,internet sách vào thực tế để xử lý toán ổn định động chiều từ để áp dụng giải vấn đề Nội dung đề tài Tìm hiểu encoder,arduino,giải thuật PID để từ tìm cách điều khiển tốc độ động encoder chạy ổn định theo ý muốn Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu -Đối tượng:Động DC encoder,arduino,thuật toán PID,module I2C, -Phạm vi: +lập trình giao diện để điều khiển động hiển thị trạng thái hoạt động động hình LCD + Xác định thơng số: Kp, Kd, Ki chuẩn PID để tốc độ ngõ với giá trị tốc độ đặt mong muốn ban đầu +Đảo chiều động điều khiển công suất động -Phương pháp nguyên cứu: Thông qua tìm hiếu từ sách vở, nguồn tài liệu Internet, nghiên cứu liên quan đến môn học hệ thống điều khiển số,arudunio ,thuật toán PID, Kế hoạch nghiên cứu thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: 3/2022 - Tính tốn chọn thiết bị :3/2022 - Chạy thử kiểm tra: 4/2022 - Viết báo cáo: 4/2022 - Hoàn thiện bảo vệ đề tài: 4/2022 Dự kiến kết đạt đề tài Giúp sinh viên có kinh nghiệm từ kiến thức nhận ứng dụng từ lý thuyết học để vận dụng vào thực tế Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Chương :Cơ sở lý thuyết I Kỹ Thuật cảm biến Kỹ thuật cảm biến môn học nghiên cứu hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng hỏa điện, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Hall, v.v để từ ứng dụng đo đại lượng vật lý như: Nhiệt độ, độ dịch chuyển, áp suất, lực, lưu lượng Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): 𝑠 = 𝐹(𝑚) (1.1) Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) Các cảm biến chế tạo dựa sở tượng vật lý phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dịng - Cảm biến thụ động: cảm biến hoạt động trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung Các cảm biến tích cực chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn (hay gọi hiệu ứng quang điện nội): tượng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu (thường bán dẫn), chiếu vào chúng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ ngưỡng định - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay gọi hiệu ứng quang điện ngoài): tượng điện tử giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dịng thu lại nhờ tác dụng điện trường Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật,các cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp cngười nhận biết trình làm việc tự động máy móc tự động hố cơng nghiệp.Một cảm biến sử dụng nhiều enconder II.Kỹ thuật vi xử lý Kĩ thuật vi điều khiển cung cấp cho sinh viên kiến thức kiến trúc vi xử lý, kiến trúc vi điều khiển, hệ thống nhớ, kỹ thuật giao tiếp vi xử lý, kỹ thuật truyền liệu, lập trình hợp ngữ/C cho vi điều khiển Sau học mơn này, sinh viên có khả phân tích thiết kế hệ thống dựa vi xử lý, phát triển kỹ thuật giao tiếp vi xử lý bản, phát triển kỹ thuật truyền liệu lập trình cho hệ thống vi điều khiển sử dụng hợp ngữ ngơn ngữ C Việc xây dựng chương trình điều khiển thiết bị cho chúng làm việc xác,đồng phức tạp Các hệ thống thơng minh vai trị vi xử lý quan trọng Một vi xử lý sử dụng nhiều arduino 5.2.Chức nguồn tổ ong: - Nguồn tổ ong cấu tạo để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều thành nguồn chiều, giúp thiết bị điện hoạt động - Nguồn tổ ong sử dụng rộng rãi hoạt động sinh hoạt sản xuất Bộ nguồn mang lại hiệu suất tối đa cho công nghệ LED đại - Nguồn tổ ong dùng rộng rãi thiết bị công nghiệp dân dụng lắp đặt tủ điện, lắp đèn, camera giám sát, máy tính, loa đài thiết bị sử dụng nguồn chiều có thơng số tương ứng Nguồn tổ ong thường dùng mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp dòng ảnh hưởng tới mạch, sụt áp - Bộ nguồn có cong dụng bật chỉnh lưu, biến tần, nắn dòng, nhằm làm dòng điện, điện áp, tần số dao động ổn định Khơng có vai trò quan trọng, nguồn tổ ong làm tăng tuổi thọ thiết bị điện lâu 5.3.Thông Số Kĩ Thuật:      Model: S-60-12 Input AC: 110/220VAC +/- 15% Output DC: 12VDC 5A Công suất: 60W Trọng lượng nguồn tổ ong: 320g 39  Kích thước:16x9.8x4cm 6.Khối cơng suất 6.1 Giới thiệu Module Điều Khiển Động Cơ L298 40 Module L298 dùng để chế xe điều khiển, xe dò đường, thiết bị sử dụng Motor DC động bước… sử dụng kết hợp với vi điều khiển 6.2 Thông số kĩ thuật: • Có cầu H • Sử dụng IC cơng suất L298N (ST NEW) • Điện áp tín hiệu 5V/ 0mA-36mA • Điện áp hoạt động động 5V-35V • Dịng điều khiển động 2A/1 mạch cầu H • Nhiệt độ hoạt động -20 tới +135 • Cơng suất đầu cầu H 25W • Trọng lượng 30g • Kích thước 43*43*27mm 6.3.Sơ đồ ngun lý cách đấu nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298N 41 DC motor "+" stepper motor A+ DC motor "-" stepper motor A3 12V jumper - tháo jumper qua sử dụng nguồn 12V Jumper dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo nguồn 5V nguồn 12V làm cháy IC Nguồn Cằm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor vào từ 6V đến 35V Cắm chân GND nguồn vào Ngõ nguồn 5V, jumper đầu vào không rút 42 Chân Enable Motor 1, chân dùng để cấp xung PWM cho motor dùng VDK rút jumper cắm chân PWM vào Giữ nguyên dùng với động bước IN1 IN2 10 IN3 11 IN4 12 Chân Enable Motor 2, chân dùng để cấp xung PWM cho motor dùng VDK rút jumper cắm chân PWM vào Giữ nguyên dùng với động bước 13 DC motor "+" stepper motor B+ 14 DC motor "-" stepper motor B- 43 7.Khối chấp hành 7.1 Giới thiệu Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GM25 Động Cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor tích hợp thêm Encoder hai kênh AB giúp đọc điều kiển xác vị trí, chiều quay động ứng dụng cần độ có xác cao: điều khiển PID, Robot tự hành, 44 Động giảm tốc GM25 gồm phần, phần phần điện Phần điện cấu tạo rotor stator Phần cấu tạo bánh với nhiều kích cỡ khác để tạo nên giảm tốc.Động Cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor có cấu tạo kim loại cho độ bền độ ổn định cao, sử dụng mơ hình robot, xe, thuyền, , hộp giảm tốc động có nhiều tỉ số truyền giúp bạn dễ dàng lựa chọn lực kéo tốc độ (lực kéo lớn tốc độ chậm ngược lại), động sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõi dây đồng nguyên chất, thép 407, nam châm từ tính mạnh, ) cho sức mạnh độ bền vượt trội loại giá rẻ thị trường (sử dụng lõi dây nhôm, nam châm từ tính yếu) 7.2 Thơng số kỹ thuật: • • • • • • Điện áp hoạt động: 12VDC / 24VDC Dịng khơng tải: 100mA Xung: 26 Xung/Vịng Tỉ số truyền: 1/78 cho loại 50RPM Cơng suất: 3W Kích thước: 50x24mm 45 • Đường kính trục: Φ4 • Chiều dài dây: 142mm • Trọng lượng: 110g 7.3 Ứng dụng: Động sử dụng số cấu chuyển động robot, mơ hình xe tơ, xe tự cân nhiều mơ hình, thiết bị khác Chương :Chương trình nạp I Phần mềm Arduino IDE Phần mềm Arduino IDE gì? Arduino IDE phần mềm với mã nguồn mở, sử dụng chủ yếu để viết biên dịch mã vào module Arduino Nó bao gồm phần cứng phần mềm Phần cứng chứa đến 300,000 board mạch thiết kế sẵn với cảm biến, linh kiện Phần mềm giúp bạn sử dụng cảm biến, linh kiện Arduino cách linh hoạt phù hợp với mục đích sử dụng Đây phần mềm Arduino thống, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng, người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm 46 Arduino IDE hoạt động nào? Khi người dùng viết mã biên dịch, IDE tạo file Hex cho mã File Hex file thập phân Hexa Arduino hiểu gửi đến bo mạch cáp USB Mỗi bo Arduino tích hợp vi điều khiển, vi điều khiển nhận file Hex chạy theo mã viết Lý sử dụng Arduino IDE Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí IDE Arduino IDE phần có nghĩa mã nguồn mở Nghĩa phần mềm miễn phí phần tải lẫn phần quyền Người dùng có quyền sửa đổi, cải tiến, phát triển, nâng cấp theo số nguyên tắc chung nhà phát hành cho phép mà không cần xin phép ai, điều mà họ không phép làm phần mềm nguồn đóng Tuy phần mềm mã nguồn mở khả bảo mật thông tin Arduino IDE vô tuyệt vời, phát lỗi nhà phát hành vá 47 cập nhật nhanh khiến thông tin người dùng khơng bị rị rỉ bên ngồi Hỗ trợ lập trình tốt cho bo mạch Arduino Arduino có module quản lý bo mạch, nơi người dùng chọn bo mạch mà họ muốn làm việc thay đổi bo mạch thơng qua Menu Quá trình sửa đổi lựa chọn liên tục tự động cập nhật để liệu có sẵn bo mạch liệu sửa đổi đồng với Bên cạnh đó, Arduino IDE giúp bạn tìm lỗi từ code mà bạn viết, qua giúp bạn sửa lỗi kịp thời tránh tình trạng bo mạch Arduino làm việc với code lỗi lâu dẫn đến hư hỏng tốc độ xử lý bị giảm sút 5.Thư viện hỗ trợ phong phú 48 Arduino IDE tích hợp với 700 thư viện, viết chia sẻ nhà phát hành Arduino Software thành viên cộng đồng Arduino Mọi người tận dụng chúng cho dự án riêng mà khơng cần phải bỏ chi phí II.Chương trình 49 50 51 Lời Cảm Ơn Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường đại học Mở Hà Nội đưa môn đồ án vào trương trình giảng dạy để em có hội trải nghiệm Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn – Ths.Vũ Tất Điệp Ts.Nguyễn Hoàng dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học đồ án thầy, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắn kiến thức quý báu, hành trang để em vững bước sau Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn sinh viên Tuy nhiên, vốn kiến thức nhiều hạn chế khả tiếp thu thực tế nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em cố gắng chắn tiểu luận khó tránh khỏi thiếu sót nhiều chỗ cịn chưa xác, kính mong thầy xem xét góp ý để tiểu luận em hoàn thiện Em Xin Chân Thành Cảm Ơn! Tài liệu tham khảo https://www.youtube.com/watch?v=PECsADORR_g http://thuvien.hou.edu.vn/ https://www.arduino.cc/ https://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/L298_H_Bri dge.pdf 52 53 ... nhiều arduino III.Hệ thống điều khiển số Điều khiển ổn định động giao thức PID Kỹ thuật điều khiển PID kỹ thuật điều khiển mới, lại kỹ thuật phổ biến chuyên dùng để điều khiển hệ thống cơng nghiệp... ,thuật toán PID, Kế hoạch nghiên cứu thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: 3 /20 22 - Tính tốn chọn thiết bị :3 /20 22 - Chạy thử kiểm tra: 4 /20 22 - Viết báo... điều khiển 24 Khối cảm biến 27 2. 1 Giới thiệu 27 2. 2 Encoder cấu tạo gồm: 27 2. 3 Nguyên tắc hoạt động Encoder 28