THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

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 Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. “nội dung được trích dẫn từ 123doc.vn cộng đồng mua bán chia sẻ tài liệu hàng đầu Việt Nam”

Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 1 - ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỂ TÀI: THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC NHÓM 1 LỚP 04DT2 1. Nguyễn Ngọc Nhân (Nhóm trưởng) 2. Đặng Vân Khánh 3. Lê Văn Sanh 4. Phạm Thị Hoa 5. Thongsoul Sengchaleung Phân công công việc: - Thiết kế và tính toán: Nhân, Hoa - Thi công và kiểm thử mạch: Khánh, Thongsoul - Thiết kế phần mềm o Phần giao tiếp máy tính: Sanh o Chương trình điều khiển PSOC: Nhân Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 2 - Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 3 - Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 4 - PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: 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 Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt. - Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng: Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này. 1.2 Mô hình hóa động cơ DC: Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 5 - A - + 12 R a L a E g U a I a g a aaaa e dt di LiRu ++= (1.1) nke vg Φ= (1.2) Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ. Momen điện từ: T d = K t Φi a (1.3) Phương trình của động cơ: Ld TB dt d JT ++= ω ω (1.4) B: hệ số ma sát T: monen tải. Ở chế độ xác lập: gaaa eiRu += (1.5) atLd iKTnBT Φ=+= π 2 (1.6) Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập: Φ − = v aaa K RIU n (1.7) 1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 6 - thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1: PWM Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ. Điện áp trung bình: in on dk V T T V = Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau: Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ. Nhóm 1 – Lớp 04DT2 U dk t Ia t Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 7 - 1.4 Khảo sát hàm truyền: 1.4.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được: )()()()( aEpIpLpIRpU gaaaaa ++= (1.9) )()( pnkpE vg Φ= (1.10) T d (p) = K t ΦI a (p) (1.11) )()(2)(2)( pTpBnppJnpT Ld ++= ππ (1.12) Từ 1.12 tính được: )1(2 )()( )( + − = m Ld pB pTpT pn τπ (1.13) )1( )()( )( + − = pR pEpU pI aa aa a τ (1.14) Trong đó: a τ =L a /R a Hằng số thời gian của mạch phần ứng m τ =J/B Hằng số thời gian cơ. Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC Khi momen tải bằng 0, ta có: Φ+++ Φ = vma t a a Kpp K BR pUpn )1)(1( 2 1 )()( ττ π Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động. 1.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ. Nhóm 1 – Lớp 04DT2 I a (p) Φ v k )1( 1 + pR aa τ Φ t k )1(2 1 + pB m τπ U a (p) E g (p ) T d (p) T L (p) n(p) Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 8 - Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian. Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau. 1+ = Tp k G Đáp ứng xung của động cơ: n(p)= pTp kU )1( + Biến đổi Laplace ngược ta được: n=kU(1-e -t/T ) Khi t = T, n = kU(1-e -1 )=0.63kU=0.63n max Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63n max sau đó tìm được T Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được các thông số kU và T kU = 150 vòng/s T = 30ms=0.03s Vậy hàm truyền gần đúng: 103.0 5.37 103.0 24/150 1 + = + = + = ppTp k G 1.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 1.5.1 Thuật toán PID: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 9 - τ τ ττ d de KdeKKG dip )( )( ++= ∫ Trong đó: - K p : Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) - K i : Hệ số tích phân - K d : hệ số vi phân Luật điều khiển PID: Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng. Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm. Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số K p , K i , K d để được hệ thống có chất lượng mong muốn. Thuật toán của bộ điều khiển PID số: Khâu tỉ lệ P (Proportional): G P (z) = K P Khâu tích phân I (Integrate): 1 1 1 )( − − = z TKzG II với ∫ ∑ = = kT k n nTTedtte 0 0 )()( Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 10 - Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc. Công thức tích phân gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới. Khâu vi phân D (Derivative): )1( 1 )( 1− −= − = zK Tz z KzG dDD với thành phần vi phân xấp xỉ bởi: T TnenTe dt tde ))1(()()( −− = Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: )1( 1 1 )( )( 1 1 − − −+ − +== zK z KK zE zU G dip dk U dk (z)(1-z -1 ) = E(z)(K p (1-z -1 ) + K i + K d (1-z -1 ) 2 Suy ra: u k – u k-1 = K p (e k – e k-1 ) + K i e k + K d (e k – 2e k-1 – e k-2 ) 1.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Ở đây ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt. Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ K gh và chu kì giới hạn của hệ kín T gh . Sau đó tìm các thông số khác theo bảng sau: Để tìm được K gh và T gh , ban đầu ta chỉnh K i , K d bằng 0 sau đó tăng từ từ K p để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được K gh và T gh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên. Ki = Kp/Ti Kd = KxTd Nhóm 1 – Lớp 04DT2 [...]... 2KByte SRAM, bộ nhớ động EEPROM • Bộ chuyển đổi AD với độ phân giải tối đa lên đến 14 bits • Bộ chuyển đổi DA với độ phân giải tối đa 9bits • Bộ khuếch đại điện áp khả trình • Bộ lọc và so sánh tín hiệu tương tự khả trình • Timer và Counter 8, 16 ,24hoặc 32 bits • Chuỗi giả và bộ phát mã CRC Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 14 - Trang - • Hai bộ UART song công • Bộ SPI nhiều thiết bị... đại đảo và không đảo, bộ phát chuỗi serial giả và bộ phát mã CRC cũng như bộ mã hóa MAC (Multiplyaccumulate) cần thiết cho phần xử lí tín hiệu số, với sử cho phép xử lí đầy đủ các thuật toán xử lí tín hiệu số Một điều đáng quan tâm là bộ nhân bằng phần cứng này là 32 bit chứ không phải 8 bit như vi điều khiển Điện áp làm việc có thể thay đổi và đặc biệt loại trừ khả năng phải thiết kế lại mạch PCB vì... của CPU được sử dụng trong các phép toán số học như phép cộng, trừ dịch trái phải,và các phép toán logic Dữ liệu sau tính toán có thể được lưu trữ trong thanh ghi A, X hoặc RAM data • Đặc điểm tần số hoạt động Bộ phát tần số là sự sống của CPU và các khối khả trình Mỗi thành phần khả trình đòi hỏi một tốc độ hoạt động khác nhau PSoC có 1 hệ thống phát ra các tấn số khác nhau Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn... nhập vào Ví dụ nhập giá trị VC3 Divider • Component Parameters Để thiết lập các thông số cho User Module Các thiết bị ngoại vi của PSoC hết sức linh hoạt nó hoạt động phụ thuộc vào các thông số người dùng thiết lập.Điển hình là chọn tần số của tín hiệu, các kết nối với các khối khác và các liên kết bên trong.Vì vậy thiết lập các thông số này là đièu kiện bắt buột Hình bên dưới thí dụ cho module PWM16... Trang - Bộ tạo tần số  SYSCLK là bộ tạo dao động nhip clock nội với tốc độ 24MHz, được sử dụng như là 1 nguồn clock chuẩn cho hầu hết cá tín hiệu Từ đó có thể lựa chọn các tần số mong muốn như : SYSCLKx2(48MHz), 24V1=SYSCLK/N1 (N1=1-16), 24V2=SYSCLK/N1N2,  CPU_CLK được sử dụng cho CPU CPU_CLK có thể có một số của 8 tần số trong giới han từ 93.75MHz đến 24MHz  CLK32K là tín hiệu chậm với tần số 32kHz... là tín hiệu chậm với tần số 32kHz Tín hiệu SYSCLK có thể được yêu cầu sử dụng bộ dao động nội IMO (internal main oscillator), trong khi tín hiệu CLK32K có được thông qua ILO (internal local oscillator) PSoC cung cấp bộ dao động nội với độ chính xác 2.5% và có thể mở rộng bộ dao động thạch anh bên ngoài • Reset: Có 3 chế độ Reset: POR, XRES và WDR  POR Trong quá trình làm việc nguồn cung cấp PSoC có... năng, các thông số đặc điểm kĩ thuật, nơi đặt nó, thước đo tài nguyên chiếm dụng, thư viện API, code mẫu và các thanh ghi) (4):Thước đo tài nguyên (Khối số, analog, ROM, RAM, Decimator, I2C controller đã sử dụng) Hình 2.26: Thước đo tài nguyên  Các Module mà PSoC Designer hỗ trợ:  ADCs: ADCINC, ADCINC12, ADCINC14, ADCINCVR, DELSIG8, DELSIG11, DUALADC, DUALADC8, DelSig, SAR6, TRIADC, TRIADC8  AMPLIFIERS:... tích hợp cả vi điều khiển các thành phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ thống Một chip đơn PSoC có thể tích hợp lên đến 100 chức năng ngoại vi với 1 vi điều khiển, làm giảm thời gian thiết kế, không gian board, năng lượng tiêu hao và giảm 5% giá thành sản phẩm ít nhất 10$ cho mỗi hệ thống 2.2.2 Tổng quan về tài nguyên chip PSoC PSoC khác với các vi điều khiển 8 bit... Comparator outputs Mỗi cột có 1 đường so sánh goi là “compare line” có thể nối đến các khối số hoặc khối tương tự khác  Frequency signal Những khối ADC, DAC và bộ lọc cần những tần số đặc biệt để hoạt động, tần số này được chọn qua bộ MUX: từ VC1, VC2, đầu ra của 1 số khối clock (Counter, timer, PWM) Hình 2.17 Tần số tín hiệu cho khối Ananlog  Các mức điện áp tham chiếu: Trong PSoC có 3 mức điện áp tham... tích hợp cao và linh hoạt hơn PSoC đáp ứng tất cả các yêu cầu trên Hình 2.1 Vị trí của PSoC Một số điểm nổi bật của PSoC là: • Khối MAC, bộ nhân 8x8 hardware 32 bit • Điện áp hoạt động có thể thay đổi 3.3V hoặc 5V • Khả năng hoạt động với điện áp cung cấp thấp hơn yêu cầu 1V • Có thể lựa chọn tần số hoạt động cho chip Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 13 - Hình 2.2 Trang Tổng quan kiến . 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 2 - Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 3 - Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 4 - PHẦN. Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 1 - ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỂ TÀI: THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC NHÓM 1 LỚP 04DT2 1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: 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