(Đồ án hcmute) giám sát và điều khiển động cơ ac

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-TRUYỀN THÔNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC GVHD:NGUYỄN MẠNH HÙNG SVTH:HỒ ĐAN NGUYÊN MSSV:14141576 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2018 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÌA KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SVTH : HỒ ĐAN NGUYÊN MSSV: 14141576 Khoá : 2014 - 2018 Ngành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-TRUYỀN THƠNG GVHD: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày19 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên : HỒ ĐAN NGUYÊN MSSV: 14141576 Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Lớp: 14141CLDT1 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng ĐTSV: 01656884549 Ngày nhận đề tài:8/3/2018 Ngày nộp đề tài: 19/07/2018 Tên đề tài: GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức lập trình C, môn mạch điện, vi xử lý, điện tử Nội dung thực đề tài:      Thiết kế hệ thống Mô mạch testboard Vẽ mạch Altium Thiết kế giao diện điều khiển Thi cơng mạch đóng hộp sản phẩm  Viết báo cáo Sản phẩm: GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên : HỒ ĐAN NGUYÊN MSSV: 14141576 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Tên đề tài:GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 07 năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên : HỒ ĐAN NGUYÊN MSSV: 14141576 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Tên đề tài: GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 07 năm 2018 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Tiếp nối sau nhiệm vụ đồ án môn học 2, chúng em tự tin trưởng thành chặng đường cuối môi trường Đại học Trong học kỳ này, nhiệm vụ tất yếu sinh viên điện tử đến với đồ án tốt nghiệp với trải nghiệm mẻ, đa dạng mang tính thiết thực cho q trình thực tiễn Để hồn thành tốt nhiệm vụ giao, chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, khoa Đào tạo Chất Lượng Cao đặc biệt gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô môn Điện Tử Công nghiệp bảo ân cần cho chúng em suốt q trình thực đồ án mơn học Chúng em xin phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn đồ án TS Nguyễn Mạnh Hùng định hướng hỗ trợ đường học vấn chúng em Cảm ơn thầy tận tình trao đổi, góp ý, hỗ trợ trang thiết bị cần thiết cho trình học tập nhóm Cảm ơn thầy dành thời gian gặp gỡ, ân cần bảo chi tiết để báo cáo nhóm diễn cách thành cơng, tốt đẹp Nhóm thực đề tài xin cảm ơn đến bạn sinh viên lớp 14141CLDT1 gắn bó với giải vấn đề nảy sinh q trình thi cơng đồ án tốt nghiệp Cảm ơn bạn hỗ trợ động viên nhóm thực đề tài hồn thành tốt cơng việc Rất mong nhận sự góp ý, dẫn từ hội đồng bảo vệ, quý thầy cô bạn sinh viên Nhóm thực đề tài Hồ Đan Nguyên iv an TĨM TẮT Trong thời kì cơng nghệ ln phát triển không ngừng, khoa học kĩ thuật nước ta cần phải bắt kịp xu hướng chung giới không muốn bị tụt hậu Các mạch điện, thiết bị điện tử đổi mới, phát triển, cơng nghiệp tự động hóa ngày phổ biến nhà máy, khu công nghiệp, việc đòi hỏi phải giám sát điều khiển vấn đề quan trọng bậc để sản phẩm sản xuất tiến độ giảm thiểu lỗi, nên em định chọn với đề tài “Giám sát và điều khiển động AC ” Tuy đề tài giám sát điều khiển động AC khơng phải q mới, đủ đáp ứng lượng kiến thức điện tử chuyên sâu hơn, ứng dụng rộng rãi công nghiệp Đề tài thực dựa sự hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Mạnh Hùng, sự hỗ trợ thiết bị nhà trường, qua tìm hiểu mạng, thông tin datasheet số linh kiện điện tử Thực đề tài mong nhận sự góp ý hội đồng bảo vệ, thầy cơ, bạn sinh viên để nâng cao chất lượng đồ án v an ABSTRACT In the period of continuous technological development, our country's science and technology must also keep pace with the general trend of the world if we not want to be left behind Electric circuits, electronic devices are constantly innovating, developing, industrial automation increasingly popular in factories, industrial zones, requiring the supervision and control is an important issue To make the products on schedule and minimize errors, so I decided to choose the subject "Monitoring and Control AC motor While the subject of monitoring and control of AC motors is not so new, it suffices to meet a broader range of electronic knowledge that is widely used in the industry This subject is based on the dedicated instruction of Mr Nguyen Manh Hung, as well as the support of the school's equipment, through the online study, information datasheet of some electronic components The topic of this project is to welcome the protection committee, teachers, and students to improve the quality of the project vi an MỤC LỤC BÌA i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x DANH SÁCH BẢNG xi DANH SÁCH HÌNH xi CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.1.2 Giới thiệu tình hình nghiên cứu nước 1.1.3 Ứng dụng 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục đồ án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kit Arduino Uno R3 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Ưu điểm Arduino 2.2 2.2.1 Giới thiệu phần mềm Arduino Arduino .6 2.2.2 Phần mềm Visual Studio 10 2.3 Sơ lược giao tiếp I2C 11 2.4 Tổng quan giải thuật PID 13 vii an 2.5 Các linh kiện sử dụng 15 2.5.1 Cảm biến encoder 15 2.5.1.1 Giới thiệu chức encoder 15 2.5.1.2 Thông số kỹ thuật 16 2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ chân encoder 16 2.5.2 Triac BTA41 – 800B 17 2.5.2.1 Giới thiệu chức Triac 17 2.5.2.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân 17 2.5.2.3 Thông số kỹ thuật 17 2.5.2.4 Nguyên lý hoạt động Triac 17 2.5.3 IC MOC 3021 18 2.5.3.1 Giới thiệu chức MOC 3021 18 2.5.3.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân 18 2.5.3.3 Thông số kỹ thuật 19 2.5.4 Diode cầu chỉnh lưu 19 2.5.4.1 Giới thiệu chức diode cầu 19 2.5.4.2 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân 20 2.5.4.3 Nguyên lý hoạt động Didode cầu 20 2.5.5 LCD 16x2 20 2.5.5.1 Giới thiệu LCD 16x2 20 2.5.5.2 Sơ đồ chân LCD 16x2 .20 2.5.5.3 Chức chân LCD 21 2.5.6 Điện trở 23 2.5.7 Biến trở 24 2.5.7 Động AC phase 25 2.5.7.1 Giới thiệu động AC phase 25 2.5.7.2 Thông số kỹ thuật động 25 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG .26 3.1 Sơ đồ khối hệ thống .26 viii an Hình 3- 14 Giao diện hồn chỉnh 35 an 3.2.4 Lưu đồ giải thuật 3.2.4.1 Lưu đồ tính tốn giá trị PID Giải thích lưu đồ: Khi bắt đầu hệ thống tiến hành khởi tạo timer, LCD, khai báo BEGIN biến Ki, Kd, Kp, alpha,gama,beta, tocdodat,…,ta tiến hành tạo giá trị tốc độ Tạo PWM, Timer,khởi tạo LCD, Tốc độ đặt, khai báo alpha,beta,gamma,Kp, Ki, Kd, T động từ PWM, Sau ta tiến hành đọc tín hiệu xung từ encoder để tính tốc độ động cơ, tính giá trị gama, alpha,beta theo công thức lưu đồ để Đọc liệu từ Encoder tính tốn điện áp để ổn định tốc độ động đặt trước Sau tính tốn Tính tốc độ động giá trị tiến hành hiển thị tốc độ đặt trước tốc độ ổn định tḥt Tính alpha = 2*T*Kp + Ki*T*T + 2*Kd; tốn PID lên LCD quan sát tốc độ động LCD đồ thị arduino để beta = T*T*Ki - 4*Kd 2*T*Kp; xem sai số gamma = 2*Kd; Output = (alpha*E + beta*E1 + gamma*E2 + 2*T*LastOutput)/(2*T); Hiển thị lên LCD Điện áp điều khiển động Hình 3- 15 Lưu đồ tính tốn PID 36 an 3.2.4.2 Lưu đồ ngắt timer điều khiển động Giải thích lưu đồ: Ta bắt đầu bật chế độ timer ngắt để truyền thông số TIMER PWM để điểu khiển tốc độ động Bật chế độ timer Truyền thông số PWM Điều khiển tốc độ động Hình 3- 16 Sơ đồ ngắt timer, điều khiển động 3.2.4.3 Lưu đồ điều khiển ngõ Triac PWM Giải thích: Khi tính tốn thơng số PID để đưa điện áp Output > 255 điều khiển Output ta tiến hành S so sánh nên output lớn Đ Output = 255 255 cho output 0, ngược lại Output = nên khoảng 255 ta tiến hành đọc analog tương ứng output đồng thời kích chân điều Output > khiển Triac lên HIGH để động Đ Đọc analog PWM đưa Output Đưa chân digital kích triac lên S Đọc analog PWM đưa Output = Đưa chân digital kích triac xuống quay, ngược lại output bé khơng tín hiệu analog digital kích triac Hình 3- 17 Lưu đồ điều khiển triac PWM 37 an CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Giới thiệu Khi thi công hệ thống chia thành phần phần cứng phần mềm Phần cứng gồm: Thi cơng PCB có kích thước khoảng 15x10, hồn thành hoạt động tốt, xếp linh kiện dây hợp lý Mạch thiết kế với moudle tách riêng khỏi mạch để hoạt động tốt Khi thi công hàn linh kiện thường xuyên đo thông mạch để bảo mạch không bị đứt dây đồng, kiểm tra moudle sau kết hợp tồn mạch Khi hoàn thành kết nối lại với tiến hành đóng mạch vào hộp nhằm gọn gàng Về mơ hình băng truyền gia cơng khí cách nhỏ gọn khoảng 16kg có gắn động AC pha Phần mềm gồm: Được lập trình phần mềm Arduino nạp chương trình vào Arduino Uno gắn mơ hình băng truyền Lập trình Arduino xử lý trình đọc xung cảm biến Encoder, sau chip tính tốn thơng số PID từ đưa mức điện áp hợp lý sau xuất tín hiệu để điều khiển góc mở Triac cấp cho động quay theo tốc độ đặt trước 4.2 Thi công hệ thống 4.2.1 Thi công bo mạch Sơ đồ mạch in: Hình 4- Sơ đồ mạch in module mạch dị điểm mạch On/off 38 an Hình 4- Sơ đồ mạch in Arduino kết nối với chân tín hiệu vào/ Sơ đồ mạch in bố trí linh kiện dây hợp lý, chân nguồn 220V dây với kích thước T40 với tiêu chuẩn mạch công suất Danh sách linh kiện sử dụng: Mã linh kiện Tên linh kiện ARD1 Module Arduino Uno R3 LCD1 LCD 16x2 I2C Module I2C U1 MOC 3021 U3 Opto 4N35 U2 Triac BTA41 Encoder Encoder pha AB 600 xung BR1 Didode Cầu 3A AC1 Động AC pha 400W J1, J2, J3, Nguồn 220V Domino chân cắm J4 Jack cắm đực vuông 39 an Điện trở R1, R2, R3, R4, R5 Bảng - Bảng linh kiện sử dụng 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra Hình 4- Lắp ráp thi cơng mạch Hình 4- Hiển thị LCD 40 an 4.3 Đóng gói và thi cơng mơ hình băng tải Hình 4- Mơ hình băng tải 41 an CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu chuyên ngành, tổng hợp lại kiến thức có năm qua , tài liệu internet, em hoàn thành đề tài : “Giám sát điều khiển động AC” qua gần tháng thực Sau đề tài chúng em nghiên cứu tích lũy thêm nhiều hiểu biết kiến thức như: - Hiểu cấu tạo vi điều khiển Arduino - Hiểu thức đọc xung cảm biến Encoder - Nguyên lý hoạt động ESP, mơi trường lập trình phương pháp nạp code cho ESP, điều kiện ổn định - Nguyên lý hoạt động hình LCD, nguyên lý hoạt động theo chuẩn I2C - Nguyên lý hoạt động Triac, điều khiển tải xoay chiều 220V, chuyển đổi ADC tín hiệu analog cảm biến vào vi điều khiển - Dùng linh kiện cách ly mạch công suất để đưa vào vi điều khiển xử lý - Lập trình Atmega328 Arduino ide để đọc liệu từ cảm biến encoder, ADC từ mạch dò điểm - Sử dụng mạch dò điểm để điều khiển độ rộng xung tiến hành điều khiển tốc độ động AC - Hiểu nguyên lý linh kiện điện tử thiết kế driver để điều khiển động AC - Có khả thi cơng board mạch, dây, xếp linh kiện hợp lý - Hiểu nguyên lý linh kiện mạch công suất Opto - Thiết kế hệ thống điều khiển 42 an Chương trình hoạt động 90% so với yêu cầu đặt ra, giá trị tín hiệu đọc nhanh chóng xác, điều khiển giám sát tốc độ động AC có tḥt tốn PID với sai số – % Ta đặt tốc độ 140 vòng / phút chạy chế độ có tải khơng tải kết đo ln đạt mức ổn định Khi ta bỏ tải 6Kg kết quả: Hình 4- Tốc độ hiển thị LCD Hình 4- Tốc độ hiển thị giao diện máy tính 43 an 5.2 Nhận xét Sau khoảng thời gian tháng nghiên cứu đến hoàn thành đề tài: “Giám sát điều khiển động AC” hồn tất Nhìn chung mơ hình hoạt động tương đối tốt ổn định, ngõ cảm biến encoder sử dụng loại phổ biến cơng nghiệp với độ xác tương đối cao, với chip xử lý Arduino hoạt động khơng ổn định nên đọc tín hiệu gây nhiễu sai số trình hoạt động Hệ thống dây tiêu chuẩn mạch công suất, xếp linh kiện nhỏ gọn, module thiết kế riêng biệt thích hợp cho q trình kiểm tra sửa chữa dễ dàng Atmega328 hoạt động tương đối ổn định, tốc độ xử lý cao, thời gian đáp ứng tương đối xác Màn hình LCD sử dụng phổ biến nay, với việc theo dõi dễ dàng với kích thước 16x2, cơng suất tiêu thụ thấp, sử dụng chuẩn truyền I2C nên tiết kiệm số chân giao tiếp với vi điều khiển, hiển thị rõ ràng môi trường kể ban ngày đêm, với độ phân giải cao, giá thành rẻ, độ bền tương đối cao 44 an CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Với đề tài: “Giám sát điều khiển động AC” , biết băng tải hệ thống ứng dụng sản xuất với chức vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu… từ điểm đến điểm mà khơng cần dùng đến sức người, đặc biệt việc vận chuyển hàng hóa nặng nề, cồng kềnh Ngày với sự phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa, nhà máy thường phải thường xuyên giám sát lượng tải, vận tốc từ tính tốn lượng hàng tải , đề tài ứng dụng quy trình đó, việc giám sát tốc độ băng tải giúp cho trình sản xuất ổn định, thúc tiến trình cho sản phẩm cách thời điểm, giảm thiểu lượng sản phẩm bị lỗi, từ giúp cho nhà máy sản xuất ổn định phát triển hơn, việc giám sát tốc độ động quan trọng bậc sản xuất Tuy phần cứng phần mềm 90% yêu cầu song xảy số trường hợp bị nhiễu số tác nhân bên ngồi, thiết kế mơ hình mang tính chất tượng trưng chưa có tính thẩm mỹ cao phù hợp với thực tế Thông số điều chỉnh PID chưa tối ưu nhìn chung hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt trước 6.2 Hướng phát triển Tuy đạt kết quả, song đề tài nhiều hạn chế chưa tối ưu Sau số phương pháp để đưa đề tài phát triển thực tế tốt nhất: - Sẽ sử dụng vi xử lý chuyên bên tư động hóa PLC biến tần để thay cho arduino - Sẽ tìm hiểu vẽ mạch lớp sử dụng linh kiện dán cho mạch nhỏ gọn - Nâng công suất động lên pha để tải trọng lượng nặng - Cải tiến thêm thiết kế giao diện web để giám sát thuận tiện 45 an PHỤ LỤC Sau code hệ thống: #include #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); double T,xung; double tocdo,Tocdodat; double E,E1,E2; int tam; double alpha,beta,gamma,Kp, Kd, Ki; double Output, LastOutput; void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.clear(); pinMode(2, INPUT_PULLUP); // KENH A pinMode(4, INPUT_PULLUP); // KENH B pinMode(5, OUTPUT); // CHAN PWM pinMode(8, OUTPUT); // CHAN TRIAC Tocdodat = 140; tocdo = 0; E = 0; E1 = 0; E2 = 0; Output = ; LastOutput = 0; // THONG SO PID T = 0.01; // THOI GIAN LAY MAU Kp =0.04; Kd = 0; Ki = 0.01; Serial.begin(9600); attachInterrupt(0, Demxung, FALLING); Timer1.initialize(10000); Timer1.attachInterrupt(PID); } void loop() { int i; for ( i = 0;i255) Output =255; if (Output 0) { analogWrite(5, Output); digitalWrite(8, HIGH); } else { analogWrite(5, 0); digitalWrite(8, LOW); } } 47 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình vi xử lý”, NXB Đại học Quốc Gia, TPHCM, 2007 [2] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, “Giáo trình Điện tử bản”, NBX Đại học Quốc Gia TPHCM, 2013 [3] “Tra cứu thông tin linh kiện” alldatasheet.com.Link: http://alldatasheet.com/ [4] “Lý thuyết điện tử” codientu.org.Link: http://codientu.org/ [5] “Lập trình Arduino” arduino.vn.Link: http://arduino.vn/ [6] “Mạch phát điểm 0” hqdt.vn.Link: http://hqdt.vn/baiviet/mach-phat-hien-dien-ap-diem-0-co-cach-ly-voltagezero-crossing-detector-1472891968.html 48 an S an K L 0 ... vi điều khiển Arduino Uno để điều khiển tốc độ động AC, điều khiển tốc độ động theo phương pháp dị điểm 0, đóng ngắt động triac, hệ thống dùng thêm cảm biến encoder để đo tốc độ động điều khiển. .. phần điều khiển PID rõ Tùy vào mục đích đối tượng điều khiển mà điều khiển PID lượt bớt để trở thành điều khiển P, PI PD Cơng việc người thiết kế điều 14 an khiển PID chọn hệ số Kp, Kd Ki cho điều. .. sản xuất tiến độ giảm thiểu lỗi, nên em định chọn với đề tài ? ?Giám sát và điều khiển động AC ” Tuy đề tài giám sát điều khiển động AC khơng phải q mới, đủ đáp ứng lượng kiến thức điện tử chuyên