Thiết kế bộ điều khiển luật pid điều khiển động cơ dc

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC BỘ GIÁO DỤC  ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LUẬT PID ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngµnh : ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG HẢI PHÒNG – 2009 SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC MỤC LỤC Lời mở đầu PHẦN A : CƠ SỞ Lí THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .2 1.1 Cấu tạo động chiều .2 1.2 Phân loại động chiều 1.2.1 Động chiều,kích từ vĩnh cửu 1.2.2 Động chiều không chổi than 1.3 Các phương trỡnh quan trọng .4 1.4 Nguyên tắc hoạt động 1.5 Đáp ứng motor chiều CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 2.2 Phương pháp tạo PWM? 2.3 Ghép nối PWM với động chiều 10 CHƯƠNG : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN 11 3.1 Bộ Điều Khiển PID Liên Tục 11 3.1.1 Sử Dụng Mụ Hỡnh Xấp Xỉ Bậc Nhất Cú Trễ Của Đối Tượng 13 3.1.2 Xác định tham số thực nghiệm 15 3.1.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 16 3.1.4 Phương pháp tổng Kuhn 18 3.2 Bộ Điều khiển PID số 21 3.2.1 Nguyờn lý điều khiển PID số 21 3.2.2 Xác định tham số cho PID số thực nghiệm .23 3.2.2.1 Xác định hàm độ đối tượng 23 3.2.2.2 Xác định từ giá trị tới hạn 24 CHƯƠNG : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 25 4.1 Khối vi điều khiển 25 4.2 Khối hiển thị 25 4.3 Khối mạch động 26 4.4 Khối nguồn 27 4.5 Khối Jump bàn phím 28 4.6 Lưu đồ thuật toán chương chỡnh điều khiển 29 SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC PHẦN B: PHỤ LỤC 39 ** GỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 39 + Tổng quan thiết bị 39 +Tổ chức nhớ 44 + Cổng vào 51 + Các Timer chip .57 + Bộ chuyển đổi tương tự sang số .66 + Các ngắt PIC16F877A .69 +So sánh với vi điều khiển 8051 70 ** GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ HIỂN THỊ LCD 71 + Hỡnh dỏng kớch thước .71 + Các chân chức 72 + Sơ đồ khối HD44780 73 + Tập lệnh LCD 78 + Đặc tính chân giao tiếp 84 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC LỜI MỞ ĐẦU Động chiều ứng dụng rộng rói nhiều lĩnh vực thực tiễn , vỡ có nhiều đề tài thiết kế điều khiển cho động chiều đề cập nhiều sách báo , tạp trí internet Việc ứng dụng động DC vào sản xuất nghiên cứu khoa học mang lại thành tựu định Tuy nhiên để động DC hoạt động tốt thỡ ta phải thiết kế cho nú điều khiển giúp cho động hoạt động cách linh hoạt Hiện có nhiều điều khiển làm tốt việc , nhiên cá nhân em nhận thấy điều khiển PID đáp ứng tốt yêu cầu việc điều khiển động DC , điều khiển ứng dụng rộng rói vỡ nú điều khiển đơn giản lại linh hoạt áp dụng cho nhiêu loại động cơ, vỡ em nhận đề tài nhằm tỡm hiểu kĩ điều khiển Trong quỏ trỡnh làm đồ ỏn tốt nghiệp, hạn chế thời gian, tài liệu trỡnh độ có hạn nên khơng tránh khỏi có thiếu sót Em mong gúp ý kiến thầy cụ hội đồng bạn để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Khoa Điện-Điện tử, đặc biệt thầy ĐỒN HỮU CHỨC giỳp đỡ em hoàn thành tốt đồ án Hải phũng tháng năm 2009 Sinh viên thực MAI THẠCH DUY SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC PHẦN A: CƠ SỞ Lí THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo động chiều Một động chiều có phần bản: + Phần ứng hay Rotor (Armature) + Cổ góp (Commutat) + Chổi than (Brushes) + Trục motor (Axle) + Nam châm từ trường + Bộ phận cung cấp dũng điện DC SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC 1.2 Phân loại động chiều Động chiều chia làm số loại - Động chiều,kích từ độc lập - Động chiều, kích từ nối tiếp - Động chiều, kích từ song song - Động chiều, khơng chổi than 1.2.1 Động chiều,kích từ vĩnh cửu + Là trường hợp đặt biệt động chiều kích thích độc lập Cuộn dây kích từ stator loại bỏ thay cặp nam châm vĩnh cửu + Điện áp nuôi đưa vào qua cổ góp khí.Dũng điện chạy qua cuộn dây tạo từ trường bị từ trường nam châm SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC cố định hấp hẫn khiến rotor quay cực nam châm hóa thẳng với cực nam châm Đúng lúc ấy, chổi than vành góp chuyển điện áp cung cấp sang cặp cực + Chiều quay động chiều chiều dũng điện cấp vào phần ứng, để đảo chiều cần đảo điện áp phần ứng 1.2.2 Động chiều không chổi than + Động chiều không chổi than không cấp liên tục điện áp chiều.Rotor động nam châm vĩnh cửu.Stator gồm cực dây cuốn, cấp điện, cực hoạt động giống nam châm điện + Động chiều không chổi than không sử dụng chổi than cổ góp.Việc cấp điện áp cho cực từ thực mạch điện tử driver + Việc loại bỏ chổi than cổ góp tránh đánh lửa cổ góp, tăng cơng suất, tăng tốc độ maximum Tuy nhiên đũi hỏi phải cú điều khiển điện tử 1.3 Các phương trỡnh quan trọng Phương trỡnh động chiều E=KÖ.omega (1.1) V=E+Rư.Iư (1.2) M=KƯIư (1.3) Với: Ư : Từ thơng cực (Wb) Iư:Dũng điện phần ứng (A) SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC V: Điện áp phần ứng (V) Rư : Điện trở phần ứng (Ohm) Omega : Tốc độ động (rad/s) M : moment động (Nm) K : Hằng số phụ thuộc cấu trúc động + Phương trỡnh tốc độ   U ng K  R f  Ru K I +Phương trỡnh moment M  K  I Ung Điện áp nguồn nuôi Rf Điện trở phụ K Hệ số động Ö Từ thông cực từ Ru Điện trở mạch phần ứng 1.4 Nguyên tắc hoạt động Để cho motor chiều hoạt động,chúng ta cần đặt điện áp chiều vào motor dũng điện chiều chạy qua motor, motor chạy theo chiều Nếu đảo chiều điện áp chiều này, motor quay ngược lại 1.5 Đáp ứng motor chiều Các thông số motor chiều DC cảm ứng gồm: - Ra: điện trở cuộn dây cảm ứng [ohm] - La: điện cảm cuộn dây [Henrry] SV : MAI THẠCH DUY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC - va: đặt cuộn dây [V] vb: sức điện động cảm ứng phản hồi ngược [V] : góc quay trục motor [radian] T: lực xoắn [N.m] JL: mơmen qn tính tải [kg.m2] J: mơmen tương đương qn tính motor tải tác độ lên trục motor: J = JL/n2 + Jm [kg.m2] - n: tỷ số truyền bánh - B: hệ số nhớt ma sát tương đương motor tải tác động lên trục quay [N.m/rad/sec] - Kp: số sức điện động phản hồi ngược [V/rad/s] - Kt: hệ số khuếch đại cảm biến tốc độ ( tachometer) - Km: số motor [N.m/A] Như vậy, môtơ chiều dùng cuộn dây cảm ứng tự hệ điều khiển có phản hồi Trong sức điện động phản hồi ngược (back – emf voltage ) tỷ lệ với tốc độ môtơ Sơ đồ khối môtơ chiều trỡnh bày trờn hỡnh vẽ Trong đó bao gồm tỏc dụng tải ngoại lực xoắn nhiễu Tt Va(s) lượng vào (thế đặt) O(s) lượng (tốc độ trục quay môtơ) Tỷ số La/Ra gọi số điện – thời gian môtơ ký hiệu e Vỡ La nhỏ nên bỏ qua e Từ tỡm tốc độ trục môtơ sau: O( s)  Km Ra J m La  L s   J m  B a Ra Ra   K K  Ra B  s  m b Ra J m  10 Va ( s)  SV : MAI THẠCH DUY