Báo cáo Đồ Án Điều khiển tự Động Đề tài Điều khiển vị trí Động cơ dc dùng thuật toán pid với arduino

 Trên cơ sở lý thuyết về những môn đã được học về bộ điều khiển PID trước đó, cùng với mong muốn điều khiển được vị trí cho động cơ một chiều bằng Arduino, nhóm em xin chọn đề tài: “Điề

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -⸙∆⸙ -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

DÙNG THUẬT TOÁN PID VỚI ARDUINO

GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm SVTH : Nguyễn Xuân Sáng 19151030

Lê Văn Tùng 19151028

Trang 2

Nội dung

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Xây dựng giải thuật PID

Chương 4 Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 5 Kết luận và đánh giá

Trang 3

Chương 1 Tổng Quan

 Cần đáp ứng những yêu cầu về điều khiển để hệ thống hoạt động chính xác, năng suất cao, tăng hiệu quả kinh tế Và trong quá trình công nghiệp, việc áp dụng bộ điều khiển PID đã chứng minh tính hiệu quả trong việc: khống chế nhiệt, điều khiển vị trí, tốc độ,…

 Có thể điều khiển động cơ DC theo nhiều phương pháp như sử dụng: PLC, biến tần, vi điều khiển, Nhưng trong đó, vi điều khiển khá phổ biến với sinh viên do giá thành rẻ

 Trên cơ sở lý thuyết về những môn đã được học về bộ điều khiển PID trước đó, cùng với mong muốn

điều khiển được vị trí cho động cơ một chiều bằng Arduino, nhóm em xin chọn đề tài: “Điều khiển vị trí

động cơ một chiều dùng thuật toán PID với Arduino”.

 Đặt vấn đề

 Do sự phổ biến rộng rãi của động cơ DC trong rất nhiều lĩnh vực nên

việc điều khiển động cơ theo ý muốn của chúng ta là việc cần thiết

 Ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như là: robot, băng chuyền

tải, máy cuộn công nghiệp, máy ép công nghiệp, máy in 3D,…

Trang 4

Chương 1 Tổng Quan

 Lập trình được giải thuật điều khiển PID để điều

khiển vị trí động cơ một chiều với vi điều khiển

Arduino

 Điều khiển chính xác vị trí đáp ứng các chỉ tiêu

chất lượng đề ra

 Thực nghiệm và đánh giá chất lượng bộ điều

khiển PID trên mô hình thực tế với Arduino Uno

R3 và so với giải thuật trên Matlab Sịmulink

 Dựa trên các đề tài nghiên cứu có trên sách, báo, tạp chí khoa học,… từ đó nghiên cứu và phát triển đồ án

 Sử dụng phương pháp thiết kế thử sai để tìm thông số bộ điều khiển PID

 Dựa vào kiến thức đã được học ở các môn học trước để thiết kế có chọn lọc

 Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình giải thuật điều khiển PID số cho vị trí động cơ một chiều

Trang 5

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết

: Hằng số xuất điện động (Vs/rad)

: Momen xoắn của động cơ (Nm)

: vị trí góc của rotor (rad)

: tốc độ góc (rad/s)

Áp dụng định luật Kirchoff về cân bằng điện áp ở phần ứng

và định luật Newton cho chuyển động quay, ta có:

Lấy Laplace cho 2 phương trình:

Từ 2 phương trình trên ta rút được:

Trang 6

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết

Bộ điều khiển PID

Luật điều khiển PID sẽ được định nghĩa như sau:

Khâu tỉ lệ được tính bởi:

Khâu tích phân được tính bởi:

Khâu vi phân được tính bởi:

Phương pháp điều chỉnh

thông số PID

 Phương pháp điều chỉnh thủ công

 Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn.

 Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị Kd

 Nếu muốn triệt tiêu sai số xác lập có thể điều chỉnh Ki Ảnh hưởng của ba thông số lên hệ thống được trình bày dưới bảng sau:

Trang 7

Chương 3 Xây Dựng Giải Thuật PID Số

 Yêu cầu thiết kế

Điều khiển vị trí động cơ DC dùng thuật toán điều khiển PID số

 Lý thuyết bộ điều khiển PID số

Một loại hệ thống điều khiển có hồi tiếp, trong đó tín hiệu tại một hay nhiều điểm là một chuỗi xung, không phải là hàm liên tục theo thời gian

Trang 8

Chương 3 Xây Dựng Giải Thuật PID Số

Xây dựng bộ điều khiển PID số

cho động cơ DC

Hàm truyền sử dụng bộ điều khiển PID rời rạc được

viết như sau:

Đặt

Ta viết lại được phương trình sau:

Chia 2 vế phương trình cho , ta được:

Chuyển về dạng tín hiệu:

Vậy ta có tín hiệu điều khiển PID số là:

Trang 9

Chương 4 Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống

 Sơ đồ khối hệ thống

 Sử dụng máy tính để viết chương trình tính

toán và mô phỏng, sau đó sẽ truyền vào khối

điều khiển để điều khiển động cơ

 Khối điều khiển (chính ở đây là Arduino Uno

R3) để tiếp nhận dữ liệu ra từ máy tính và

dữ liệu phản hồi về từ khối cảm biến từ đó

sẽ xử lý và truyền đến khối thực thi

 Khối động cơ tiếp nhận tín hiệu gửi đến từ

khối điều khiển để di chuyển đến vị trí đã

được thiết lập

 Khối cảm biến (cụ thể là Encoder) dùng để đọc số liệu, tính toán và phản hồi về khối điều khiển để điều chỉnh công suất động cơ phù hợp

 Khối hiển thị (LCD 16x2) để hiển thị dữ liệu được gửi tới từ Arduino và được hồi tiếp về từ khối cảm biến

 Khối nguồn (DC12V-5A) dùng để cung cấp nguồn

để cho các khối hoạt động ổn định

Trang 10

 Lựa chọn và nêu thông số kỹ thuật phần cứng

Arduino Uno R3

Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển

được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng

điện tử mã nguồn mở Với Arduino chúng ta có

thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác

với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ

trợ

Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3

Trang 11

L298N

Module L298 là một mạch điều khiển 2 động

cơ một chiều DC cùng lúc L298 là IC điều khiển

cầu kép toàn kỳ có dải điện áp hoạt động rộng,

xử lý dòng tải có mức tối đa 2A Bao gồm điện

áp bão hòa thấp và bảo vệ quá nhiệt Có cấu tạo

từ hai mạch cầu H transistor

Thông số kỹ thuật của L298N

Điều khiển chiều quay với L298N

Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào

Khi ENA = 1:

INT1 = 1, INT2 = 0: Động cơ quay thuận

INT1 = 0, INT2 = 1: Động cơ quay nghịch

INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tại vị trí trước

Tương tự với các chân ENB, INT3, INT4

Trang 12

GA25 – 370 37 RPM

Động Cơ DC JGA25-370 DC được tích hợp

thêm Encoder hai kênh AB giúp đọc và điều kiển

chính xác vị trí, chiều quay của động cơ trong

các ứng dụng cần độ có chính xác cao: điều

khiển PID, Robot tự hành,

Thông số kỹ thuật của động cơ

Thông số kỹ thuật của Encoder

Trang 13

Nguồn tổ ong 12V – 5A

Cung cấp nguồn ổn định cho các khối giúp hệ

thống hoạt động tốt Có thể cấp nguồn cho hệ

thống bằng nhiều cách như pin, nguồn xung tổ

ong hoặc adapter chuyển đổi AC-DC,…

Lựa chọn khối cấp nguồn: Nguồn tổ ong 12V-5A

Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong

Trang 14

Màn hình LCD 16x2 có I2C

Thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display)

được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của

VĐK LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng

hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa

dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ

dàng đưa vào mạch ứng dụng

Thông số kỹ thuật của màn LCD

Trang 15

 Lắp mạch và nối dây thiết bị

Các bước thực hiện:

 Vì cảm biến Encoder được tích hợp trong

động cơ DC nên việc kết nối cảm biến với vi

điều khiển cũng đồng thời kết nối động cơ với

vi điều khiển Ngõ ra pha A và pha B của động

cơ nối lần lượt về 2 chân Pin 3, Pin 2 của vi

điều khiển để có thể đọc tín hiệu trả về từ

Encoder Nguồn của Encoder được lấy trực

tiếp từ Arduino với thông số là 3.3V Chân

M1+ và M1- của động cơ được kết nối và cấp

nguồn bởi Output A của L298

 Nguồn 12V của L298N được cấp bởi nguồn tổ ong

 Chân ENA là chân băm xung của mạch cầu H nên được kết nối với chân Pin 5, chân Pin 5 là chân xung PWM

 Chân IN1, IN2 là 2 chân điều khiển động cơ quay thuận nghịch, nối vào Pin 6, Pin 8

 LCD 16x2 được kết nối với Arduino Mega thông qua chuẩn giao tiếp I2C

Trang 16

Sơ đồ kết nối cách thiết bị phần cứng:

Trang 17

Thiết kế phần cứng

Sau khi lắp mạch theo sơ đồ nối dây bên dưới:

Trang 18

Sơ đồ mô phỏng trên Matlab Simulink Thông số khối FCN

Thiết kế phần mềm

Trang 19

Code lập trình PID rời rạc trên Aruino IDE Sử dụng ngắt ngoài để đọc giá trị xung từ Encoder

Thiết kế phần mềm

Cấu hình chân xuất xung và điều hướng

Trang 20

Chương 5 Kết Quả Và Kết Luận

Góc quay là 700 0 và thông số Kp=5, Ki=0.001

Kd=0.49 Ta có kết quả thang nâng ở tầng 1

Trang 21

Góc quay là 1400 0 và thông số Kp=5, Ki=0.001,

Trang 22

Góc quay là 2100 0 và thông số Kp=5, Ki=0.001,

Trang 23

Đánh giá kết quả và hướng phát triển đề tài

 Đánh giá:

 Sử dụng được phần mềm Matlab và IDE để điều khiển và khảo sát đáp ứng của hệ thống

 Xây dựng thành công chương trình và mô hình điều khiển động cơ một chiều bằng Arduino

 Bộ điều khiển hoạt động tương đối ổn định, nhưng vẫn còn sai số

 Lựa chọn được các thông số Kp Ki Kd tối ưu cho hệ thống

 Hướng phát triển đề tài:

 Tạo giao diện thực hiện điều khiển trực tiếp mô hình trên màn hình HMI và điện thoại bằng internet,…

 Có thể cài đặt chế độ Manual hoăc Auto tùy nhu cầu của người dùng và mục đích sử dụng

 Tiếp tục hoàn thiện mô hình và triển khai trên mô hình có công suất lớn với đầy đủ các tham số liên quan và nhiễu thực tế

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	5,76 MB