PID điều khiển động cơ

Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi Khoa ®iÖn Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng X\[]^W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiển PIC Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Xuân Minh Sinh viên thực hiện : Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp : ĐKTĐ1 Khoá : 49 Hà Nội 5 - 2009 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 1 Mục lục Lời mở đầu 5 Lời cảm ơn 6 Chương 1 : Họ vi điều khiển PIC và vi điều khiển PIC18F4520 7 1.1 Giới thiệu chung 7 1.2 . Vi điều khiển Pic18F4520 8 1.2.1. Tổ chức bộ nhớ (Memory Organization) 13 1.2.2. 8 x 8 HARDWARE MULTIPLIER 22 1.2.3. Ngắt (Interrupts) 23 1.2.4. Cổng vào ra (I/O Port) 32 1.2.5. Bộ định thời (Timer) 33 1.2.6. Bộ truyền nhận dữ liệu đồng bộ (EUSART-Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) 37 1.2.7. Module chuyển đổi tưong tự sang số 10 bit (A/D) 50 Chương 2 : Thiết kế bộ điều khiển PID số 57 2.1 Thiết kế mô hình phần cứng mạch điều khiển 57 2.1.1. Yêu cầu thiết kế 57 2.1.2. Các khối chức năng trên kit điều khiển 58 a) Khối vi điều khiển trung tâm 58 b) Khối giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp 59 c) Khối bàn phím 60 d) Khối hiển thị LCD 2x16(2 dòng, 16cột) 61 e) Khối mạch động lực điều khiển 62 f) Khối nguồn 12V/5V 62 g) Các khối khác 63 2.2 Thiết kế phần mềm trên nền vi điều khiển PIC 64 2.2.1. Yêu cầu phần mềm 64 2.2.2. Giải thuật chương trình 65 a) Loop điều khiển 65 b) Thuật toán PID số 66 2.2.3. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát trên máy tính 69 2.3 Kit điều khiển 71 Chương 3 : Ứng dụng bộ điều khiển PID số điều khiển động cơ một chiều 72 3.1 Đối tượng điều khiển 72 3.1.1. Thông số kĩ thuật 72 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 2 3.1.2. Nhận dạng mô hình động học của động cơ điện một chiều 72 3.1.3. Thu thập dừ liệu vào/ra của động cơ điện một chiều từ thựcnghiệm. 72 3.1.4. Nhận dạng động cơ điên một chiều bằng Toolbox Identification cảu Matlab 74 3.1.5. Đánh giá chất lượng mô hình 76 3.2 Thiết kế luật điều khiển PID 77 3.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols1 77 3.2.2. Phương pháp IMC 77 3.2.3. Mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển 78 3.3 Thiết bị chấp hành(IC L298) 78 3.4 Cảm biến (Encoder) 81 3.5 Hệ thống điều khiển 84 3.6 Một số hình ảnh về Kit điều khiển động cơ sử dụng vi điều khiển PIC 86 3.7 :Kết quả thực nghiệm 87 3.8 So sánh kết quả mô phỏng và thực tế 88 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 91 Phụ lục Code phần mềm 92 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 3 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 9 Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520 10 Hình 1.3: Tổ chức bộ nhớ chương trình 13 Hình 1.5: Clock/Instruction Cycle 15 Hình 1.6 Instruction Pipeline Flow 15 Hình 1.7 Instruction In Program Memory 16 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc bộ nhớ dữ liệu Pic18F4520 16 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc thanh ghi của Pic18F4520 17 Hình 1.10 Pic 18 Interrup logic 23 Hình 2.1 Mô hình khối mạch điều khiển 57 Hinh 2.2.Sơ đồ khối vi điều khiển trung tâm 58 Hinh 2.3 Mạch nạp cho vi điều khiển trung tâm 58 Hinh 2.4 Khối giao tiếp máy tính Max232 59 Hình 2.5 : Cấu tạo cổng COM 59 Hinh 2.6 Modul bàn phím 60 Bảng sơ lược chức năng LCD 2x16 61 Hình 2.7 Khối hiển thị LCD 62 Hinh 2.8 Khối thiết bị chấp hành 62 Hình 2.9 Sơ đồ khối nguồn 62 Sơ đồ nguyên lý kit điều khiển 63 Sơ đồ mạch in hai lớp 64 Hình 2.10 Lưu đồ loop điều khiển 65 Hình 2.11 Lưu đồ hàm ngắt dùng tạo chu lì trích mẫu 66 Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID số 67 Hình 2.13 Chống bão hào tích phân 68 Hình 2.14. Giao diện giao tiếp PC 69 Hình 3.1 Động cơ sủ dụng trong đồ án 72 Hinh 3.2 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng 72 Hình 3.2 Đặc tính thu thập dữ liệu nhận dạng 73 Hình 3.3Chọn đầu vào và mô hình nhận dạng của đối tượng 75 Hình 3.4Phương thức nhận dạng và đánh giá mô hình thu được 75 Hình 3.5 Đặc tính quá độ đối tượng sau khi nhận dang 76 Hình 3.6 Sai lệch mô hình nhận dạng 76 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 4 Hình 3.7 Mô phỏng trên Simulink các phương pháp điều khiển 78 Hình 3.9 Đặc tính mô phỏng 78 Hình 3.10 Sơ đồ chân L298 79 Hình 3.11: Các chế độ của L298 80 Hình 3.12 : Sơ đồ giải pháp 81 Hình 3.13 : Mô hình1 - En coder quang tương đối 81 Hình 3.14 : Phương thức hoạt động Encoder quang tương đối 82 Hình 3.15 : Mô hình 2 -En coder quang tương đối 82 Hình 3.16 : Sơ đồ xung của En coder quang tương đối(mô hình 2) 83 Hình 3.17 Sơ đồ hệ thốngđiều khiển động cơ 84 Hình 3.18 Cấu trúc hệ thống điều khiển 84 Hình 3.19 Cấu trúc khối điều khiển động cơ 85 Một số hình ảnh mạch điều khiển động cơ một chiều 86 Hình 3.20 Đặc tính với bộ điều khiển PI 87 Hình 3.21 Đặc tính với bộ đièu khiển PID 87 Hình 3.22 Hệ thống khi có nhiễu 88 Hình 3.23 Đặc tính khi hệ thống có thay đỏi giá trị đặt 88 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 5 Lời mở đầu Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực dời sống, công nghiệp. Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dưòng như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, một giả pháp đa năng chocác ứng dụng cả Analog cũng như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ đ iều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ đ iều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu ch ỉnh định. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng độngcơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như :dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển… Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm khác nhau nhưng đều có mục đích ổn định và điều khiển được tốc độ động cơ. Ngày nay vi điều khiển phát triển sâu rộng và ngày càng ứng dụng nhiều trong cài đặt thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng công nghiệp. Trên cơ sở muốn tìm hiểu về lĩnh vực vi điều khiển chúng em chọn đề tài: Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiểnPIC. Vì khả năng và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong đồ án. Do vậy chúng em rất mong được thầy cô và bạn bè đóng góp xây dựng để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Sinh viên Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp ĐKT1 - K49 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 6 Lời cảm ơn Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà truờng, khoa điện, bộ môn ĐKTĐ, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt 5 năm học vừa qua để có được những kiến thức chuyên môn cơ sở sau này chúng em có thể vào đời làm việc, sử dụng có ích cho xã hội. Để thực hiện thành công đồ án là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Xuân Minh, Người đã hướng dẫn t ận tình , giúp chúng em định hướng, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu và các tiến trình thực hiện đồ án .Sự hướng dẫn của cô là một yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này . Cuối cùng chúng em xin chân thành gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình, những người luôn sát cánh cùng chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có k ết quả như ngày hôm nay. Chúng em xin chân thành cảm ơn Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 7 Chương 1: Họ vi điều khiển PIC và vi điều khiển PIC18F4520 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người. Thực tế hiện nay là hầu hết các thiết bị điện hiện nay đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lí. Ứng dụng vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩ m đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống. Trên thị trường hiện nay có nhiều họ vi điều khiển để lựa chọn như: 8051, Motola68HC, AVR, ARM, Pic…và có lẽ 8051 là dòng mà chúng ta được làm quen nhiều nhất trong môi trường đại học nhưng tại sao chúng ta chọn dòng vi điều khiển Pic để thực hiện ứng dụng và phát triển không ngoài những nguyên nhân sau: - Họ vi điều khiển Pic phát triển và sử dụng phổ biến ở nước ta => việc tìm mua và trao đổi kinh nghiệm là hết sức thuận lợi. - Giá thành các dòng Pic là không quá mắc. - Các dòng Pic có đầy đủ tính năng để hoạt động độc lập. - Là sự bổ sung hợp lý về kiến thức cũng như ứng dụng cho họ vi điều khiển 8051 - Có sự hỗ trợ cao của nhà sản xuất về các công cụ l ập trình, trình biên dịch, mạch nạp Pic từ đơn giản tới phức tạp. Không những vậy các tính năng đa dạng của các đòng Pic không ngừng được phát triển. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM)… - Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ d ữ liệu được tích hợp ngay trên chip. Đây là họ VĐK được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ VĐK khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Pic18F4520 nằm trong dòng sản phẩm PIC18F2420/2520/4420/4520 của nhà sản xuất Microchip với đặc điểm 28/40/44 -Pin Enhanced Flash Microcontrollers with 10- Bit A/D and nanoWatt Technology. Dòng sản phẩm này có nhiều cải tiến đáng kể về tính n ăng so các dòng Pic trước đó như : - Bộ nhớ chương trình được tăng cường (16Kbytes for PIC18F2420/4420 devices and 32Kbytes for PIC18F2520/4520 devices). Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 8 - I/O ports (3 bidirectional ports on 28-pin devices, 5 bidirectional ports on 40/44-pin devices). - Tăng cường modul CCP. - Sử dụng công nghệ nanoWatl Dòng sản phẩm này nói chung có nhiều sự tương đồng về tính năng nhưng có thể chia làm hai nhóm Pic18F2420/2520 với 28 chân và Pic 18F4420/4520 với 40 hoặc 44 chân ghép nối. Phần này chủ yếu chúng ta tìm hiểu Pic18F4520 nhưng những đặc điểm các Pic khác thuộc dòng này sẽ hoàn toàn tương tự với các kí hiệu tương ứng. Trong đồ án chúng ta quan tâm chủ yếu Pic18F4520 loại PDIP sử dụng trong mạ ch thiết kế. 1.2 . Vi điều khiển Pic18F4520 Vi điều khiển Pic18F4520 có các đặc điểm cơ bản: - Sử dụng công nghệ nanoWatl: Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít - Kiến trúc RISC ¾ 75 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong bốn chu kì xung. ¾ Tốc độ thực hiện lên tới 10 triệu lệnh trong 1s với tần số 40Mhz ¾ Có bộ nhân cứng . - Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu c ố định ¾ 32 Kbytes bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống có thể thực hiện được 100.000 lần ghi/xóa ¾ 256 bytes EEPROM có thể thực hiện được 1.000.000 lần ghi/xóa- ¾ 256 bytes SRAM - Những ngoại vi tiêu biểu ¾ 4 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ đặt trước và chế độ so sánh. ¾ Bộ đếm thời gian thực vớ i bộ tạo dao động riêng biệt ¾ 2 kênh PWM ¾ 13 kênh ADC 10 bit ¾ Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình ¾ Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt ¾ Bộ so sánh tương tự - Các đặc điểm đặc biệt khác ¾ Power on Reset và dò Brown out khả trình Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 9 ¾ Bộ tạo dao động RC được định cỡ bên trong ¾ Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài - I/O và các kiểu đóng gói ¾ 32 đường I/O khả trình ¾ Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, và 44-pad MLF Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 [...]... liệu EEPROM Bit 1 (WR): bit điều khiển hoạt động viết − Giá trị 1: Bắt đầu chu kỳ xóa/viết dữ liệu trên bộ nhớ dữ liệu EEPROM hoặc bộ nhớ chương trình − Giá trị 0: Chu kỳ viết trên bộ nhớ EEPROM hoàn tất Bit 0 (RD): Bit điều khiển hoạt động đọc − Giá trị 1: Bắt đầu hoạt động đọc dữ liệu EEPROM − Giá trị 0: Chưa bắt đầu hoạt động đọc dữ liệu Ta có thể xác định hoặc điều khiển các bit 0 và bit 1 nhờ... này được điều khiển bới bộ đếm thời gian on-Chip • Thanh ghi EEADR (EEADR Register) Chức năng thanh ghi này dùng dể đưa địa chỉ dữ liệu trong hoạt động đọc/viết Thanh ghi này độ rộng 8 bit có khả năng quản lý bộnhớ rộng 256byte(00h-FFh) • EECON1 and EECON2 Registers Cả hai thanh ghi này dùng để điều khiển truy nhập dữ liệu EEPROM, hoạt động thanh ghi này hoàn toàn tương tự như các thanh gi điều khiển. .. nguồn(cả bên trong và bên ngoài) Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 33 Vi điều khiển Pic • Lự chon giới hạn cho xung từ bên ngoài • Ngắt - mở - tràn Đặc trưng cho Timer0 là thanh ghi T0CON bit 7(TMR0ON): bit điều khiển đóng mỏ Timer0 − Giá trị 1:cho phép hoạt động − Giá trị 0: dừng hoạt động bit 6 (T08BIT): bit điều khiển Timer0 8-Bit/16-Bit − Giá trị 1:Timer0 cấu hình như 8-bit timer/counter −... ra hoạt động viết khi mà một từ trước đó ở bộ đệm chưa được đọc(cần xoá bởiphần mềm) − Giá trị 0: Không xảy ra tràn bit 4 (PSPMODE): bit lựa chon kiểu cho cổng PSP − Giá trị 1:hoạt động cổng PSP − Giá trị 0: hoạt động như cổng vào ra thông thường bit 3 (Unimplemented): mang giá trị ‘0’ bit 2 (TRISE2): bít điều khiển hướng cho RE2 − Giá trị 1:đầu vào − Giá trị 0: đầu ra bit 1 (TRISE1): bít điều khiển. .. (TRISE0): bít điều khiển hướng cho RE0 − Giá trị 1:đầu vào − Giá trị 0: đầu ra • Parallel Slave Port(PSP) Đây có thể coi là sự thêm chức năng của các cổng vào ra nói chung PSP được chuyển đổi từ các chân PortD PSP được điều khiển bởi 4 bit cao của thanh ghi TRISE Trong đó TRISE-PSPMODE coi là bít diều khiển cổng PSP cũng được tăng cường modul CCP nó có thể là giao diện có hướng tới một vi điều khiển 8...Vi điều khiển Pic Sơ đồ chân của các vi điều khiển Pic18F4420/4520 Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520 Sau đây là giới thiệu cấu tạo chân loại 40 chân (40 Pin PDIP): • Chân 1( MCLR /VPP/RE3) : - MCLR là đầu vào Master Clear (reset) hoạt động ở mức thấp dể reset toàn bộ thiết bị - VPP dùng để thay đổi điện áp đầu vào... Port A là đầu ra Thanh ghi LATA kiểm soát hoạt động đọc viết hiệu chỉnh của Port A Cụ thể chức năng các chân của cổng này đã nói chi tiết ở cấu trúc chân của vi điều khiển • PORTB, TRISB and LATB Registers • PORTC, TRISC and LATC Registers • PORTD, TRISD and LATD Registers Về cơ bản Port B, PortC, PortD có nguyên tắc hoạt động giống PortA Còn các chức năng cơ bản khác trong sơ đồ chân phần cứng đã giải... tăng cường CCP1 Các chân cổng Port E • Chân 8(RE0/ RD /AN5): RE0 đầu vào ra số, RD đầu vào điều khiển đọc cho cổng PSP, AN5 đầu vào tương tự Input5 • Chân 9(RE1/ WR /AN6): RE1 đầu vào ra số, WR đầu vào điều khiển viết dữ liệu cổng PSP, AN6 đầu vào tương tự Input6 • Chân 10(RE2/ CS /AN7): RE2 đầu vào ra số, CS điều khiển chọn Chip cho cổng PSP, AN7 đầu vào tương tự Input7 - Đầu RE3 nằm ở chân 1 Các chân... Vi điều khiển Pic • Reading the Flash Program Memory Khi đọc dữ liệu chúng ta sử dụng cấu trúc lệnh TBLRD để lấy dữ liệu từ bộ nhớ tới bộ nhớ RAM Hoạt động theo hình sau: • Erasing Flash Program Memory Việc thực hiện xoá dữ liệu có thể thông qua người lập trình hoặc thông qua điều khiển ISCP Chúng ta có thể xoá khối nhỏ nhất 32 từ tới 64 byte, có khả nưng cho ta xoá khối lớn nhưng thông qua cổng điều. .. liệu giữa chúng cần thanh ghi 8bit (TABLAT): Bảng đọc hoạt động lấy ra dữ liệu từ bộ nhớ chương trình đưa chúng tới khoảng nhớ của RAM.: Bảng viết hoạt động lưu trữ dữ liệu từ bộ nhớ dữ liệu htông qua đó giữ trong bộ nhớ chương trình: Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 19 Vi điều khiển Pic • Control Registers Có bốn thanh ghi điều khiển: • EECON1 register • EECON2 register • TABLAT (TABLE . Loop điều khiển 65 b) Thuật toán PID số 66 2.2.3. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát trên máy tính 69 2.3 Kit điều khiển 71 Chương 3 : Ứng dụng bộ điều khiển PID số điều khiển động cơ. động cơ 84 Hình 3.18 Cấu trúc hệ thống điều khiển 84 Hình 3.19 Cấu trúc khối điều khiển động cơ 85 Một số hình ảnh mạch điều khiển động cơ một chiều 86 Hình 3.20 Đặc tính với bộ điều khiển. định. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng độngcơ điện một chiều theo nhiều