nghiên cứu thiết kế điều khiển động cơ điện một chiều bằng bộ điều khiển pid

i GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn LỜI NÓI ĐẦU Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần mềm, kỹ thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ bán dẫn và công nghệ tạo hệ thống chip khả trình (programmable system on a chip) đang mở ra những hướng mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng cho công nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) cùng với các vệ tinh viễn thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang lại nhiều ứng dụng thiết thực trong việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và có độ chính xác cao. Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện nay. Và để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được bộ điều khiển tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó. Việc nghiên cứu thuật toán PID trong điều khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các Robot, máy móc, các thiêt bị tự động…hoạt động linh hoạt và chính xác hơn. Với các lý do trên và được sự đồng ý của BCN khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Trường Đại Học Nha Trang, em đã thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID”. Đề tài được thực hiện từ ngày 20/2/2012 đến 25/6/2012. Mặc dù đã có cố gắng nhưng những hạn chế và thiếu sót không thể tránh khỏi. Kính mong được sự thông cảm và góp ý từ thầy cô và các bạn để các kết quả được trình bày trong đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn bè, người thân đã giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. ii GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn Đặc biệt cảm ơn thầy giáo Th.S Nhữ Khải Hoàn, người đã trực tiếp hướng dẫn đồ án. Thầy đã tận tình chỉ bảo, cung cấp những tài liệu quý giá cho em trong suốt quá trình làm đồ án. Xin cảm ơn tất cả thầy cô đã giảng dạy lớp 50 Điện- Điện tử, Trường Đại Học Nha Trang đã trang bị kiến thức cho em trong suốt 4 năm học tại trường để em hoàn thành đồ án này. Nha trang, tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện TRẦN THANH TOÀN iii GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án có mục đích nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động cũng như cách điều khiển động cơ bằng phương pháp PID, đồng thời thiết kế phần cứng cùng lập trình phần mềm để điều khiển động cơ bằng phương pháp PID iv GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 4 1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đông cơ một chiều 4 1.1.1 Cấu tạo: 4 1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều: 6 1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 7 1.1.4 Các phương trình động học cơ bản 8 1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến lập mã quang: 10 1.2.1 Cấu tạo: 10 1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của Encoder: 11 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 14 2.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động 14 2.2. Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động 14 2.2.1. Phân loại hệ thống điều khiển kiểu vòng 14 2.2.2. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống 16 2.2.3. Phân loại dựa trên ngõ vào - ngõ ra hệ thống 16 2.2.4. Phân loại theo chiến lược điều khiển 17 2.3. Hàm truyền 17 2.3.1. Mô hình toán học 17 2.3.2. Hàm truyền 18 2.4. Các mô hình biến trạng thái 20 2.4.1. Giới thiệu 20 2.4.2. Biến trạng thái của một hệ thống động 21 2.4.3. Phương trình vi phân của vector trạng thái 21 2.4.4. Đáp ứng theo thời gian rời rạc 24 2.5. Một số các kỹ thuật điều khiển và các hàm truyền tương ứng 26 2.5.1. Mạch bù 26 v GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn 2.5.2. Sớm pha 29 2.5.3. Bộ điều khiển PD 32 2.5.4. Chậm pha 33 2.5.5. Bộ điều khiển PI 35 Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 39 3.1 Kỹ thuật điều khiển PID 39 3.1.1. Kỹ thuật điều khiển P 39 3.1.2. Kỹ thuật điều khiển PI 40 3.1.3. Kỹ thuật điều khiển PD 42 3.1.4. Kỹ thuật điều khiển PID 43 3.2. Các vấn đề liên quan về lý thuyết điều khiển PID 46 3.3. Áp dụng kỹ thuật điều khiển PID cho động cơ một chiều: 46 3.3.1. Thuật toán PID và việc rời rạc hóa nó 46 3.3.2. Điều khiển động cơ DC bằng kỹ thuật PID 49 Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID 51 4.1.Sơ đồ khối phần cứng: 51 4.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: 52 Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý phần cứng 52 4.3.Chức năng từng khối: 52 4.3.1.Khối điều khiển: 52 4.3.2.Khối công suất: 61 4.3.3.Khối truyền thông: 63 4.3.4.Khối động cơ: 68 4.3.5.Khối xử lý và hiển thị: 69 Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ PID: 70 5.1.Thành phần: 70 5.2.Lưu đồ thuật toán chương trình trên VisualBasic: 70 vi GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn 5.3.1.Khai báo truyền thông nối tiếp: 71 5.3.2.Tính toán điều chỉnh tốc độ động cơ theo thuật toán PID: 72 5.3.3.Hiển thị tốc độ theo thời gian bằng biểu đồ: 73 5.4. Lưu đồ thuật toán chương trình trên ATMEGA16: 75 5.5.Code chương trình: 75 5.5.1. Bộ đếm xung từ bộ lập mã quang để xác định vận tốc motor 75 5.5.2. Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển tốc độ motor 76 5.5.3. Bộ UART giao tiếp máy tính theo chuẩn RS-232 79 Chương 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 85 6.1. Hình ảnh thực tế đồ án: 85 6.1.1.Mạch công suất: 85 6.1.2.Động cơ gắn encoder: 85 6.1.3.Giao diện VB: 86 6.1.4.Mạch điều khiển: 86 6.1.5.Toàn mạch đồ án: 87 6.2. Kết quả đạt được 88 6.3.Hướng phát triển của đề tài: 88 Tài liệu tham khảo 90 vii GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn DANH MỤC HÌNH VẼ Tên hình Hình 1.1.Mặt cắt ngang động cơ điện 1 chiều Hình 1.2.Stato động cơ điện 1 chiều Hình 1.3. Roto động cơ điện 1 chiều Hình 1.4.Chổi than và cổ góp trong động cơ điện 1 chiều Hình 1.5. Cấu tạo của bộ lập mã quang ENCODER Hình 1.6. Vị trí đặt của hai LED phát nguồn sáng tạo tín hiệu cầu phương Hình 1.7. Dạng tín hiệu cầu phương thu được ở bộ tách sóng quang (photodetector) khi động cơ quay Hình 1.8. Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay phải (cùng chiều kim đồng hồ) Hình 1.9. Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay trái (ngược chiều kim đồng hồ) Hình 1.20. Sơ đồ cấu tạo của bộ đếm (COUNTER) Hình 2.1. Quá trình cần điều khiển Hình 2.2.Hệ thống điều khiển vòng hở Hình 2.3.Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín Hình 2.4. Hệ thống điều khiển MIMO viii GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn Hình 2.5. Phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng. Hình 2.6. Các kiểu bù. Hình 2.7. Một mạch sớm pha Hình 2.8. Đồ thị của góc pha lớn nhất của mạch sớm pha khi  thay đổi Hình 2.9. Mạch của khâu hiệu chỉnh tỷ lệ - đạo hàm Hình 2.10. Một mạch chậm pha Hình 2.11. Mạch của khâu hiệu chỉnh PI Hình 2.12. Mạch của khâu hiệu chỉnh PID Hình 3.1. Quá trình điều khiển với các hệ số P khác nhau Hình 3.2. Quá trình quá độ của hệ thống điều khiển sử dụng quy luật PI Hình 3.3. Mô hình thuật toán PID Hình 3.4. Minh họa sai lệch điều khiển với các luật điều chỉnh. Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn quá trình lấy mẫu Hình 3.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID điều khiển vận tốc motor Hình 4.1.Sơ đồ khối phần cứng Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý phần cứng Hình 4.3.Mô tả các chân vi điều khiển ATmega16 Hình 4.4.Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16 Hình 4.5.Sơ đồ nguyên lý khối công suất Hình 4.6. Vi mạch Max232 Hình 4.7. Sơ đồ mắc nối vi mạch MAX232 ix GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn Hình 4.8. Tín hiệu truyền của kí tự “A” Hình 4.9. Sơ đồ chân của các cổng truyền nối tiếp theo chuẩn RS232 Hình 4.10. Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp x GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn DANH MỤC BẢNG Tên bảng Bảng 4.1.Chức năng các chân của port B Bảng 4.2.Chức năng các chân của port C Bảng 4.3.Chức năng các chân của port D Bảng 4.4. Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 Bảng 4.5. Chức năng các chân của các đầu nối DB25 và DB9 [...]... thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng công nghiệp 2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: động cơ điện một chiều có moment thay đổi Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ PID rồi sử dụng một trong số các phương pháp đó để thiết kế bộ điều khiển dùng vi xử lý để điều khiển tốc độ động cơ DC 3.Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu. .. QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ. .. trong điều khiển công nghiệp 5.Cấu trúc đồ án: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: sơ lược về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô tả toán học động cơ điện một chiều và kĩ thuật điều khiển động cơ Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG: nhắc lại lý thuyết về điều khiển tự động đã được học Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:... thuyết điều khiển tự động, lý thuyết điều khiển động cơ bằng PID, các mô hình động cơ điện một chiều, tập lệnh vi điều khiển Phương pháp điều khiển thực tế: sử dụng vi điều khiển và các mạch phụ kiện để tạo một mô hình điều khiển động cơ PID thu nhỏ GVHD: Ths Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn 3 4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Tìm ra những sai sót trong phương pháp điều khiển động cơ bằng PID. .. của các mạch điện tử cùng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ góp... tạo ra một tín hiệu ra là tín hiệu mà quá trình điều khiển mong muốn 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động 2.2.1 Phân loại hệ thống điều khiển kiểu vòng - Hệ thống điều khiển kiểu vòng hở (open-loop): Hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều khiển một quá trình ứng với một yêu cầu xác định trước GVHD: Ths Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn 15 Đáp ứng mong muốn Bộ điều khiển. .. THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2.1 Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động Kỹ thuật điều khiển sử dụng mô hình toán học của các hệ thống động trong việc phân tích hành vi của hệ thống, trên cơ sở đó áp dụng các lý thuyết điều khiển để xây dựng các bộ điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động như được mong muốn Một hệ thống điều khiển (control system) là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu... phương pháp xác định bộ điều khiển PID và cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID: nêu sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của phần cứng, phân tích chức năng từng khối Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO PID: Lưu đồ thuật toán và code chương trình Chương 6: KẾT LUẬN: một số hình ảnh thực tế về phần cứng và hiển thị của đề tài, kết quả đạt được, hạn... rotor Hình 1.3 Roto động cơ điện 1 chiều GVHD: Ths Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn 6 Chổi than – Cổ góp: đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm) Hình 1.4.Chổi than và cổ góp trong động cơ điện 1 chiều 1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều: Dựa vào hình... độ chính xác cao Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện nay Và để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được bộ điều khiển tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó Việc nghiên cứu thuật toán PID trong điều khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các Robot, máy móc, các thiêt bị tự động hoạt động linh hoạt và chính . TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng. để điều khiển tốc độ động cơ DC. 3.Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết điều khiển động cơ bằng PID, các mô hình động. đích nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động cũng như cách điều khiển động cơ bằng phương pháp PID, đồng thời thiết kế phần cứng cùng lập trình phần mềm để điều khiển động cơ bằng phương pháp PID