Điều khiển vận tốc động cơ bằng Arduino Uno R3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ LỚP : ĐIỀU KHIỂN-TỰ ĐỘNG HĨA (KHĨA 2) MƠN: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : HỒ THẾ ANH ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ DC BẰNG ARDUINO UNO R3 NHÓM 1: 1.Triệu Hoa Anh 2.Nguyễn Như Tương An 3.Phạm Hoài An 4.Trương Quan Bình 5.Cao Văn Âu A.Giới thiệu sơ lược mơ hình: I.Mơ hình động chiều -Cấu tạo: Động chiều gồm có phần :stato đứng yên roto quay so với stator,phần cảm tạo từ trường(thường đặt stator),xuyên qua quận dây phần ứng (thường đặt roto), có dịng điện chạy qua mạch phần ứng, dẫn phần ứng chịu tác động lực điện từ theo phương pháp tuyến với mặt trụ roto làm roto quay, dòng điện phần ứng đưa vào roto thông qua hệ thống chổi than cổ góp, cổ góp giúp dòng điện dẫn phần ứng đổi chiều dẫn đến cực từ khác tên với cực từ mà vừa qua (do lực điện từ sinh luân tạo moomen theo chiều) -Thông thường tốc độ động chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào ngẫu lực quay tỉ lệ với dịng điện ,do để điều khiển tốc độ động sử dụng nhiều cách điều khiển nguồn thay đổi,điều khiển dùng biến trở,dùng mạch điện tử….trong báo cáo chúng em tìm hiểu điều khiển tốc độ động cách sử dụng biến trở -Mơ hình động sơ đồ mạch hình vẽ: -Mục đích việc thiết kế: +Mục đích thiết kế hệ thống điều khiển cho tốc độ quay động cho thời gian để động hoat động ổn định từ lúc bắt đầu mở máy độ điều chỉnh tốc độ động so với tốc độ yêu cầu sai lệch tĩnh phải nằm giới hạn cho phép +Thương thời gian để ổn định tốc độ động nhỏ giây, sai lệch tĩnh nhỏ 1% độ điều chỉnh nhỏ 5% 1.Phương trình vi phân mơ tả: -Trong -V điện áp nguồn cấp -R,L điện cảm điện dung -J moomen quán tính rotor(kg ) -b hệ số cản (hệ số giảm sóc)(Nms) -Kt số phần ứng -Ke số động cơ(nếu lực điện động khơng đổi Kt=Ke=K) -T momen xoắn động ,với T=Kt*i -là momen cản động với =b* -Từ phương trình động T-J Hay J + b =ki (1) -Áp dụng định luật kirchoff ta có L +Ri=V – K (2) 2.Hàm truyền: -Từ phương trình (1) và(2) ta tìm hàm truyền hệ ,biểu thị mối quan hệ đầu vào tín hiệu điện áp đầu góc quay roto -Laplace hai vế phương trình (1),(2) ta hệ s( Js + b )Θ(s) = Ki(s) (Ls + R )I(s) = V-KsΘ(s) -Từ hệ phương trình laplace ta rút hàm truyền G(s)= (3) 3.Phương trình trạng thái: -Mơ hình trạng thái có dạng -Từ phương trình (1) ta có () = -+ I (4) -Và từ phương trình (2) ta có (i) = - - + (5) -Và từ phương trình (4),(5) đưa dạng ma trận ta có 4.Vẽ quỹ đạo nghiệm số: 5.Vẽ biểu đồ Bode: II.Bộ điều khiển sử dụng linh kiện khác: 1 Arduino Uno R3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT Thơng số Atmega328P-PU: Atmega328 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hẳn Atmega8 Atmega 328 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, nhớ RAM vô lớn giới vi xử lý bit (2KB SRAM) + Kiến trúc: AVR 8bit + Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V + Số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit + Số kênh xung PWM: kênh (1timer kênh) Biến trở 10k Biến trở volume 10K hoạt động điện trở có khả thay đổi trở kháng vặn điều chỉnh Biến trở volume 10K có chân, chân nối vào Vcc Gnd, chân cho giá trị điện áp nằm khoảng 0(V) -> Vcc (V) IC L293D -L293D tích hợp mạch điều khiển động sử dụng để lái xe động DC quay theo hai hướng Nó IC 16 chân mà kiểm sốt hai động DC lúc -L293D hoạt động dựa đặc trưng mạch cầu H, mạch cho phép điện áp cao chạy theo hai hướng Trong L293D IC đơn có hai mạch cầu H xoay hai động DC độc lập Do kích thước điện áp yêu cầu nó, thường sử dụng ứng dụng robot để kiểm soát động DC, bao gồm dự án Arduino Trình điều khiển động hoạt động khuếch đại, có tín hiệu điều khiển thấp vào cung cấp tín hiệu cao Tín hiệu cao sử dụng để điều khiển động -Tín hiệu điều khiển xử lý độc lập với với đầu Ví dụ: điều khiển động DC chạy với tốc độ khác nhau, hướng khác nhau, động dừng động chạy -L293D có chức tự động ngắt bị nóng mức nhằm bảo vệ IC Thông số kỹ thuật chung: Loại Half H- Bridge (Quad) Loại đầu vào TTL Logic Đầu vào Enable Có Dịng max 600 mA Số đầu Điện áp tải max 36 V Điện áp nguồn 36 V Đóng vỏ Điện trở 220 Ohm Công tắc chân Động DC PDIP-16 -THÔNG SỐ KỸ THUẬT Đường kính trục :2 MM Độ dài trục: 10MM Kích thước động cơ: 25 *21 MM Điện áp : 3V Tốc độ 12000 vòng/phút Dòng tiêu thụ: 0.3 -0.4A Pin 9V Dây cáp Breadboard 10 Dây cắm B.Sơ đồ nguyên lý hoạt động: I.Nguyên lí hoạt động mạch cầu H -Xét cách tổng quát, mạch cầu H mạch gồm "cơng tắc" mắc theo hình chữ H -Bằng cách điều khiển "cơng tắc" đóng mở, ta điều khiển dịng điện qua động thiết bị điện tương tự -4 "công tắc" thường Transistor BJT, MOSFET hay relay Tùy vào yêu cầu điều khiển khác mà người ta lựa chọn loại "công tắc" khác Theo sơ đồ trên, ta có A B cực điều khiển mắc nối tiếp với điện trở hạn dòng, Tùy vào loại transistor bạn dùng mà trị số điện trở khác Phải đảm bảo dòng điện qua cực Base transistor khơng q lớn để làm hỏng chúng Trung bình dùng điện trở 1k Ohm Ta điều khiển cực mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng 12V 0V Nhớ lại rằng: • • Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn điện áp cực Base điện áp cực Collector, mạch xét 12V Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn điện áp cực Base 0V Với cực điều khiển mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho cực, có trường hợp xảy sau: A mức LOW B mức HIGH Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q mở Dó đó, dịng điện mạch chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động đến Q4 để GND Lúc này, động quay theo chiều thuận Bạn để ý cực (+) (-) động thấy Bạn hình dung dịng điện mạch A mức HIGH B mức LOW Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở Ở phía B, transistor Q2 mở, Q đóng Dó đó, dịng điện mạch chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động đến Q3 để GND Lúc này, động quay theo chiều ngược Bạn hình dung dịng điện mạch A B mức LOW Khi đó, transistor Q1 Q2 mở Q3 Q4 đóng Dịng điện khơng có đường GND khơng có dịng điện qua động - động không hoạt động A B mức HIGH Khi đó, transistor Q1 Q2 đóng Q3 Q4 mở Dịng điện khơng thể chạy từ nguồn 12V khơng có dịng điện qua động - động không hoạt động Như vậy, để dừng động cơ, điện áp cực điều khiển phải -Chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào cực điều khiển mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ: Hiệu điện cực điều khiển lớn động chạy nhanh Động chạy theo chiều thuận điện áp A nhỏ B ngược lại II.Nguyên lý hoạt động IC L293D: -Trong L293D IC đơn có hai mạch cầu H xoay hai động DC độc lập Do kích thước điện áp yêu cầu nó, thường sử dụng ứng dụng robot để kiểm soát động DC, bao gồm dự án Arduino Trình điều khiển động hoạt động khuếch đại, có tín hiệu điều khiển thấp vào cung cấp tín hiệu cao Tín hiệu cao sử dụng để điều khiển động • Cổng = Logic Cổng = Logic | Hướng chiều kim đồng hồ • Cổng = Logic Cổng = Logic | Hướng ngược • Cổng = Logic Cổng = Logic | Phanh (đây trở kháng cao) (buộc dừng quay sử dụng phanh điện = điện áp hai chân động = tải động chạy) • Cổng = Logic Cổng = Logic | Phanh (điều trở kháng cao) (buộc dừng luân chuyển sử dụng phanh điện = điện áp hai chân động = tải động chạy) -L293D IC cầu H điều khiển động Gồm kênh điều khiển điều khiển động DC động bước pha (5 dây) Để điều khiển động DC, sử dụng kênh L293D cho động -L293D tích hợp sẵn ốt bảo vệ vi điều khiển chống lại dòng cảm ứng động khởi động tắt Vì vậy, cần gắn motor vào L293D chân vi điều khiển tương ứng, làm cho động chạy Dịng L293 có loại: L293B/E L293D, dịng L293B có khả chịu tải cao (1A so với 600mA L293D) ốt bảo vệ vi điều khiển -Với motor, cần chân từ vi điều khiển kết nối với L293D, có chân điều khiển tốc độ đơng dùng xung PWM, chân cịn lại logic dùng điều chỉnh chiều quay motor Sơ đồ chân IC SN754410 Các chân M1 Forward M1 Reverse chân điều khiển động M1 mạch • cầu H Các chân M2 Forward M2 Reverse chân điều khiển động M2 mạch • cầu H • • • M1 Enable M2 Enable chân đóng ngắt động M1, M2 Cấp điện áp LOW cho chúng để dừng động HIGH (5V) phép động hoạt động Motor Power IN chân cấp nguồn cho động hoạt động +5V chân cấp nguồn 5V cho IC III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ARDUINO UNO R3 POWER: Cấp nguồn cho board GND (Ground): cấp 0V 5V: Cấp điện áp 5V Imax = 500mA 3.3V: Cấp điện áp 3.3V Imax = 50mA Vin : Cấp nguồn cho Arduino IOREF: Điện áp tham chiếu (phải 5V) RESET: Dùng kết nối với chân reset Shield -Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào, cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, phải mắc điện trở hạn dòng Khi hoạt động, motor tạo dòng điện cảm ứng (do tượng cảm ứng điện từ) có chiều ngược với chiều dịng điện mạch -Cổng Digital Arduino nối với công tắc điều chỉnh ngược chiều hay thuận chiều kim đồng hồ, cổng nối với cổng En IC L239D có mức điện áp cao để kích hoạt, cổng nối vào cổng IC nhận tín hiệu vào, cổng nối vào cổng IC nhận tín hiệu vào, cổng A0 nối với biến trở 10K để điều chỉnh vận tốc motor IV.Code cho Arduino Uno R3 // DC motor speed and direction control using arduino const int switchPin = 2; const int motor1Pin = 5; const int motor2Pin = 4; const int enablePin = 3; const int pot = 0; int value = 0; void setup() { pinMode(switchPin, INPUT); pinMode(motor1Pin, OUTPUT); pinMode(motor2Pin, OUTPUT); pinMode(enablePin, OUTPUT); } void loop() { value=analogRead(pot); value=map(value,0,1024,0,255); analogWrite(enablePin,value); delay(10); if (digitalRead(switchPin) == HIGH) { digitalWrite(motor2Pin, HIGH); digitalWrite(motor1Pin, LOW); } else { digitalWrite(motor1Pin, HIGH); digitalWrite(motor2Pin, LOW); } } V.Sản phẩm: VI.Tài liệu tham khảo: http://users.ece.utexas.edu/~valvano/Datasheets/L293d.pdf http://arduino.vn/bai-viet/429-lam-du-xe-voi-module-dieu-khien-dong-co-l293d http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php? example=MotorSpeed§ion=SystemModeling http://arduino.vn/bai-viet/209-dieu-khien-toc-do-motor-dc ... kênh điều khiển điều khiển động DC động bước pha (5 dây) Để điều khiển động DC, sử dụng kênh L293D cho động -L293D tích hợp sẵn ốt bảo vệ vi điều khiển chống lại dòng cảm ứng động khởi động tắt... động cơ, điện áp cực điều khiển phải -Chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào cực điều khiển mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ: Hiệu điện cực điều khiển lớn động chạy nhanh Động chạy theo chiều... soát động DC, bao gồm dự án Arduino Trình điều khiển động hoạt động khuếch đại, có tín hiệu điều khiển thấp vào cung cấp tín hiệu cao Tín hiệu cao sử dụng để điều khiển động -Tín hiệu điều khiển