Thiết kế bộ PID dùng vi điều khiển

Mục lục Phần 1:Khái quát  1.1: Động cơ một chiều  1.2:PWM  1.3:PID số  1.4:Encoder Phần 2:Mạch phần cứng Phần 3:Tính toán PID Phần 4:Giải thuật lập trình Phn 1 Khỏi quỏt 1.1: ng c mt chiu Khái niệm chung Điều khiển tốc độ l một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện lm việc m ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối u hoá quá trình sản xuất. Muốn có c các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nh tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động. ở đây em chỉ khảo sát theo phng pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động. Tốc độ lm việc của động cơ do ngi điều khiển quy định c gọi l tốc độ đặt. Trong quá trình lm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vo các thông số nguồn, mạch v tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ v có thể không cho phép. Để khắc phục ngi ta dùng những phng pháp ổn định tốc độ. Độ ổn định tốc độ còn ảnh hnh quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) v khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định cng cao thì giải điều chỉnh cng có khả năng mở rộng v mômen quá tải cng lớn. Có rất nhiều phng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ : Điều chỉnh tham số. Điều chỉnh điện áp nguồn. Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ. Cấu tạo Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động. Phần tĩnh hay stato.Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ đợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông . Dây quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện tr- ớc khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ đợc đặt trên các cực từ này đợc nối tiếp với nhau. Cực từ phụ : Cực từ phụ đợc đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống nh dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đợc gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thờng dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. Các bộ phận khác. Bao gồm: - Náp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm h hỏng dây quấn và an toàn cho ngời khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trờng hợp này nắp máy thờng làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : để đa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau : Lõi sắt phần ứng : Dùng để dẫn từ. Thờng dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto. Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dới vài kw thờng dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đợc dễ dàng. Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều th- ờng chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thờng làm bằng thép cacbon tốt. 1.2:PWM 1 ) PWM l gỡ? Trc khi tỡm hiu sõu chỳng ta hóy tỡm hiu nh ngha ca PWM l gỡ? Nh vy Phng phỏp iu ch PWM cú tờn ting anh l Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm Phần 2:Mạch phần cứng Orcad: V C C R 2 4 . 7 k 12 3 4 5 6 7 8 9 T 1 T 0 P C 7 T 3 T 2 P C 6 T 5 T 4 P C 5 T 6 P C 2 P C 4 T 7 P C 0 P C 1 S W 2 L i g h t S W 3 L i g h t S W 4 L i g h t S W 5 L i g h t S W 6 L i g h t S W 1 0 L i g h t S W 7 L i g h t S W 1 1 L i g h t S W 8 L i g h t S W 9 L i g h t C 1 2 1 0 3 C 4 1 0 3 C 1 3 1 0 3 s t a r t C 5 1 0 3 C 6 1 0 3 R E S E T C 7 1 0 3 C 8 1 0 3 C 9 1 0 3 C 1 0 1 0 3 C 1 1 1 0 3 R 2 2 4 . 7 k R 1 9 4 . 7 k R 2 0 4 . 7 k R 2 1 4 . 7 k J 2 L C D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 V C C R 5 1 k s t a r t U 2 A T m e g a 1 6 P B 1 ( T 1 ) 2 P B 0 ( X C K / T 0 ) 1 P B 2 ( I N T 2 / A I N 0 ) ) 3 P B 3 ( O C 0 / A I N 1 ) 4 P B 4 ( S S ) 5 P B 5 ( M O S I ) 6 P B 6 ( M I S O ) 7 P B 7 ( S C K ) 8 R S T 9 V C C 1 0 G N D 1 1 1 X T A L 1 1 2 X T A L 2 1 3 P D 0 ( R X D ) 1 4 P D 1 ( T X D ) 1 5 P D 2 ( I N T 0 ) 1 6 P D 3 ( I N T 1 ) 1 7 P D 4 ( O C 1 B ) 1 8 P D 5 ( O C 1 A ) 1 9 P D 6 ( I C P 1 ) 2 0 P D 7 ( O C 2 ) 2 1 P C 0 ( S C L ) 2 2 P C 1 ( S D A ) 2 3 P C 2 ( T C K ) 2 4 P C 3 ( T M S ) 2 5 P C 4 ( T D 0 ) 2 6 P C 5 ( T D I ) 2 7 P C 6 ( T 0 S C 1 ) 2 8 P C 7 ( T 0 S C 2 ) 2 9 A V C C 3 0 G N D 2 3 1 A R E F 3 2 P A 7 ( A D C 7 ) 3 3 P A 6 ( A D C 6 ) 3 4 P A 5 ( A D C 5 ) 3 5 P A 4 ( A D C 4 ) 3 6 P A 3 ( A D C 3 ) 3 7 P A 2 ( A D C 2 ) 3 8 P A 1 ( A D C 1 ) 3 9 P A 0 ( A D C 0 ) 4 0 V C C P C 6 P C 7 P C 4 P C 5 P C 0 P C 1 P C 2 S C K M I S O M O S I M O S I J 3 H E A D E R 5 X 2 2 4 6 8 1 0 1 3 5 7 9 S C K M I S O V C C R E S E T R E S E T R 7 1 0 k Y 1 1 6 M H z X 2 C 1 2 2 p F X 1 C 2 2 2 p F J 7 V D K 1 2 X 1 X 2 V C C D 2 L E D C 3 1 0 0 n F R 1 7 4 . 7 k V C C V C C J 6 N G U O N 1 2 V C C J 8 E N C O D E R 1 V C C T 0 T 3 T 2 T 1 T 5 T 4 T 7 T 6 mạch điều khiển D 1 7 L E D D 1 8 L E D C 1 1 0 0 n F C 2 1 0 0 n F J 1 0 N G U O N 1 2 3 4 C 3 1 0 u F / 5 0 V C 4 4 7 u F / 5 0 V R 2 3 1 0 k 1 2 V 2 4 V J 1 1 V D K 1 2 R 4 1 K ( C S ) D 1 9 1 N 4 1 4 8 1 2 V Q 5 B 5 6 2 Q 6 D 4 6 8 1 2 V U 3 4 N 3 5 1 6 2 5 4 R 2 3 . 3 K ( C S ) R 3 6 8 0 / 1 W Q 2 I R F 5 4 0 N / T O ( C S ) D 1 1 N 4 0 0 7 ( C S ) J 1 M O T O R 1 2 2 4 V R 2 4 4 . 7 k mạch công suất protus: PB0/T0/XCK 1 PB1/T1 2 PB2/AIN0/INT2 3 PB3/AIN1/OC0 4 PB4/SS 5 PB5/MOSI 6 PB6/MISO 7 PB7/SCK 8 RESET 9 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0/RXD 14 PD1/TXD 15 PD2/INT0 16 PD3/INT1 17 PD4/OC1B 18 PD5/OC1A 19 PD6/ICP1 20 PD7/OC2 21 PC0/SCL 22 PC1/SDA 23 PC2/TCK 24 PC3/TMS 25 PC4/TDO 26 PC5/TDI 27 PC6/TOSC1 28 PC7/TOSC2 29 PA7/ADC7 33 PA6/ADC6 34 PA5/ADC5 35 PA4/ADC4 36 PA3/ADC3 37 PA2/ADC2 38 PA1/ADC1 39 PA0/ADC0 40 AREF 32 AVCC 30 U1 ATMEGA16 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L RV1 10K Q1 NPN Q2 IRF540 R1 2k 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 SW2(COM) SW1(COM) SW3(COM) SW1 SW-SPST SW2 SW-SPST SW3 SW-SPST Phần 3:Tính toán PID  Tính chọn hệ số Kp, K I Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID.Phương pháp thứ nhất dùng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng điều khiển: Ts ke sG sT delay + = − 1 )( Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định.  Sử dụng phương pháp thứ hai Phướng pháp này thay bộ PID trong hệ kín bằng 1 bộ khuếch đại, sau đó tăng k cho tới khi hệ nằm ở biên giới ổn định (Tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hóa).Lúc đó ta có Kgh và chu kì của dao động là Tgh.Tham số bộ PID chọn theo bảng sau:  Tính chọn Ta dựa vào phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols. Tham số cho bộ điều khiển PI chọn theo bảng trên ta được: Tính Kp: Kgh=3 =>Kp=3*0.45=9/5 Tính Ki:vì em lựa chọn thời gian trích mẫu để tính toán sai lệch(erros) là 25ms nên Tgh=25/1000(s)=>Ki=(25/1000)/1.2=1/48 Phần 4:Giải thuật lập trình /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V2.04.4a Advanced [...]... t=0,a=0; //bien tinh toan PID int erros=0,old_erros=0,Pvari=0,Ivari=0,Dvari=0,Ura=0; //bien thiet lap so xung/20ms int sp=0; bit b=0,lock=0; // Alphanumeric LCD Module functions #asm equ lcd_port=0x1B ;PORTA #endasm #include // External Interrupt 2 service routine interrupt [EXT_INT2] void ext_int2_isr(void) { // Place your code here encoder++; } // Timer 0 overflow interrupt service routine interrupt... } } // Declare your global variables here void lcd_putnum(unsigned int i) { int m=0,n=0; m=i/10; n=(i-(m*10)); lcd_putchar(m+48); lcd_putchar(n+48); } // void set _PID( int set_point) { erros=set_point-a; //yytytytytytytytuytururyeiureyrutytutyt Pvari=(9/5)*erros;//0.45*3 Ivari+=(1/48)*(erros+old_erros);//(25/1000)/1.2 Ura+=Pvari+Ivari; if(Ura=255)... lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf(" OK delay_ms(2000); lcd_gotoxy(0,0); "); lcd_putsf("ENCODER=00/25ms"); lock=1;//bat dau tinh thoi gian while(lock=1) { if(t==25) { t=0;//reset t a=encoder;//gan encoder=0; set _PID( sp); // lcd_gotoxy(8,0); lcd_putnum(a); // } } } // -FINISH -void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports . toán PID  Tính chọn hệ số Kp, K I Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID. Phương pháp thứ nhất dùng. động là Tgh.Tham số bộ PID chọn theo bảng sau:  Tính chọn Ta dựa vào phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols. Tham số cho bộ điều khiển PI chọn theo bảng