CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH

n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC SV : MAI THCH DUY 1 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 Ngành : điện tử - viễn thông HảI phòng 2009 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 2 MỤC LỤC Lời mở đầu 1 PHẦN A : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2 CHƢƠNG 1 : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2 1.1 Cấu tạo của động cơ một chiều 2 1.2 Phân loại động cơ một chiều 3 1.2.1 Động cơ một chiều,kích từ vĩnh cửu 3 1.2.2 Động cơ một chiều không chổi than 3 1.3. Các phương trình quan trọng 4 1.4 Nguyên tắc hoạt động 4 1.5. Đáp ứng của motor một chiều 5 CHƢƠNG 2 : PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 8 2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung 8 2.2 Phương pháp tạo ra PWM? 9 2.3. Ghép nối PWM với động cơ một chiều 10 CHƢƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN 11 3.1 Bộ Điều Khiển PID Liên Tục 11 3.1.1 Sử Dụng Mô Hình Xấp Xỉ Bậc Nhất Có Trễ Của Đối Tượng 13 3.1.2 Xác định tham số bằng 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 Nguyên lý điều khiển PID số 21 3.2.2 Xác định tham số cho PID số bằng thực nghiệm 23 3.2.2.1 Xác định hàm quá độ của đối tượng 23 3.2.2.2 Xác định từ giá trị tới hạn 24 CHƢƠNG 4 : 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 cơ 26 4.4 Khối nguồn 27 4.5 Khối Jump và bàn phím 28 4.6 Lưu đồ thuật toán và chương chình điều khiển 29 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 3 PHẦN B: PHỤ LỤC 39 ** GỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A. 39 + Tổng quan về thiết bị. 39 +Tổ chức bộ nhớ. 44 + Cổng vào ra. 51 + Các bộ Timer của chip. 57 + Bộ chuyển đổi tương tự sang số. 66 + Các ngắt của PIC16F877A. 69 +So sánh với vi điều khiển 8051. 70 ** GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ HIỂN THỊ LCD. 71 + Hình dáng kích thước. 71 + Các chân chức năng. 72 + Sơ đồ khối của HD44780. 73 + Tập lệnh của LCD. 78 + Đặc tính của các chân giao tiếp. 84 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 4 LỜI MỞ ĐẦU Động cơ một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn , vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất nhiều trên các sách báo , tạp trí và internet . Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định . Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì ta phải thiết kế cho nó một bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt . Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó , tuy nhiên cá nhân em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển động cơ DC , bộ điều khiển này được ứng dụng rất rộng rãi vì nó là một điều khiển đơn giản nhưng lại rất linh hoạt có thể áp dụng được cho rất nhiêu loại động cơ, vì vậy em đã nhận đề tài này nhằm tìm hiểu kĩ hơn về bộ điều khiển đó. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do sự hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi có thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô trong hội đồng và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện- Điện tử, đặc biệt là thầy ĐOÀN HỮU CHỨC đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này. Hải phòng 9 tháng 7 năm 2009 Sinh viên thực hiện MAI THẠCH DUY PHẦN A: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHƢƠNG 1 : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Cấu tạo của động cơ một chiều Một động cơ một chiều có 6 phần cơ bản: + Phần ứng hay Rotor (Armature) + Cổ góp (Commutat) + Chổi than (Brushes) + Trục motor (Axle) + Nam châm từ trường + Bộ phận cung cấp dòng điện DC 1.2 Phân loại động cơ một chiều Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 6 Động cơ một chiều có thể chia làm một số loại cơ bản - Động cơ một chiều,kích từ độc lập - Động cơ một chiều, kích từ nối tiếp - Động cơ một chiều, kích từ song song - Động cơ một chiều, không chổi than 1.2.1 Động cơ một chiều,kích từ vĩnh cửu + Là trường hợp đặt biệt của động cơ một chiều kích thích độc lập. Cuộn dây kích từ trên stator được loại bỏ và thay bằng một cặp nam châm vĩnh cửu + Điện áp nuôi được đưa vào qua cổ góp cơ khí.Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra một từ trường và bị từ trường nam châm cố định hấp hẫn khiến rotor quay cho tới khi cực được nam châm hóa thẳng với cực nam châm. Đúng lúc ấy, chổi than và vành góp chuyển điện áp cung cấp sang cặp cực tiếp theo. + Chiều quay của động cơ một chiều do chiều dòng điện cấp vào phần ứng, để đảo chiều chỉ cần đảo điện áp phần ứng. 1.2.2 Động cơ một chiều không chổi than + Động cơ một chiều không chổi than không được cấp liên tục một điện áp một chiều.Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu.Stator gồm các cực dây cuốn, khi được cấp điện, các cực này hoạt động giống như một nam châm điện. + Động cơ một chiều không chổi than không sử dụng chổi than và cổ góp.Việc cấp điện áp lần lượt cho các cực từ thực hiện bằng mạch điện tử của driver + Việc loại bỏ chổi than cổ góp tránh được đánh lửa cổ góp, tăng công suất, tăng tốc độ maximum. Tuy nhiên luôn đòi hỏi phải có một bộ điều khiển điện tử. 1.3. Các phƣơng trình quan trọng Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 7 Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều E=KΦ.omega (1.1) V=E+Rư.Iư (1.2) M=KΦIư (1.3) Với: Φ : Từ thông trên mỗi cực (Wb) Iư:Dòng điện phần ứng (A) V: Điện áp phần ứng (V) Rư : Điện trở phần ứng (Ohm) Omega : Tốc độ động cơ (rad/s) M : moment động cơ (Nm) K : Hằng số phụ thuộc cấu trúc động cơ + Phương trình tốc độ I K RR K U ufng +Phương trình moment IKM . U ng Điện áp nguồn nuôi R f Điện trở phụ K Hệ số động cơ Φ Từ thông cực từ R u Điện trở mạch phần ứng 1.4 Nguyên tắc hoạt động Để cho motor 1 chiều hoạt động,chúng ta cần đặt 1 điện áp 1 chiều vào motor và 1 dòng điện 1 chiều sẽ chạy qua motor, motor sẽ chạy theo chiều nào đó. Nếu chúng ta đảo chiều của điện áp một chiều này, motor sẽ quay ngược lại 1.5. Đáp ứng của motor một chiều Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 8 Các thông số của motor một chiều DC cảm ứng gồm: - R a : điện trở cuộn dây cảm ứng [ohm] - L a : điện cảm cuộn dây [Henrry] - v a : thế đặt trên cuộn dây [V] - v b : sức điện động cảm ứng phản hồi ngược [V] - : góc quay trục motor [radian] - T: lực xoắn [N.m] - J L : mômen quán tính của tải [kg.m 2 ] - J: mômen tương đương của quán tính motor và tải tác độ lên trục motor: J = J L /n 2 + J m [kg.m 2 ] - n: tỷ số truyền bánh răng - B: hệ số nhớt ma sát tương đương của motor và tải tác động lên trục quay [N.m/rad/sec] - K p : hằng số sức điện động phản hồi ngược [V/rad/s] - K t : hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ ( tachometer) - K m : hằng số motor [N.m/A] Như vậy, môtơ một chiều dùng cuộn dây cảm ứng tự nó đã là một hệ điều khiển có phản hồi. Trong đó sức điện động phản hồi ngược (back – emf voltage ) tỷ lệ với tốc độ của môtơ. Sơ đồ khối của một môtơ một chiều được trình bày trên hình vẽ. Trong đó đã bao gồm cả tác dụng của tải ngoại như lực xoắn nhiễu Tt. V a (s) là lượng vào (thế đặt) và O(s) là lượng ra (tốc độ trục quay môtơ). Tỷ số L a /R a được gọi là hằng số điện – thời gian của môtơ và được ký hiệu là e . Vì L a rất nhỏ nên có thế bỏ qua được e . Từ đó có thể tìm được tốc độ của trục môtơ như sau: )()( 2 sV JR BRKK s R L BJs R L JR K sO a ma abm a a m a a ma m Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 9 )( /1 2 sT JR BRKK s R L BJs R L J R L s L ma abm a a m a a m a a Hay )( 1 )( 1 )( sT s J sV sT K sO L m m m a m eff (1.4) Với: K eff = K m /(R a B +K m K b ) là hằng số khuếch đại điện của môtơ m = R a J m / (R a B +K m K b ) là hằng số cơ của môtơ. Nếu kết hợp quán tính tải và tỷ số bánh răng giảm tốc thì có thể thay thế J m trong các biểu thức bằng J. Ta có thể viết: 0)()(0)()()( sVsOsTsOsO aL (1.5) Để tính đáp ứng w(t), cho T L = 0 ( không có can nhiễu và B = 0 ) và thế V a (t) = A, như vậy V a (s) = A/s, ta có: )1()( / m t b e K A tw (1.6) Trong trường hợp này lưu rằng hằng số cơ m phản ánh khả năng của môtơ khi thắng độ quán tính J m nhanh bao nhiêu để đạt tới trạng thái xác lập với tốc độ không đổi ở thế V a . Từ đẳng thức trên tính được giá trị cuối cùng của tốc độ là w(t) = A/K b . Khi tăng m lên dẫn đến tăng thời gian đạt tới trạng thái xác lập. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC SV : MAI THẠCH DUY 10 Nếu tác động một tải có độ xoắn không đổi D lên hệ, thí dụ T L =D/s, thì đẳng thức trên sẽ trở thành: )1)(( 1 )( / m t m a b e K DR A K tw Đẳng thức này chứng tỏ can nhiễu T L tác động tới tốc độ xác lập của môtơ. Tốc độ cuối cùng đó là: )( 1 m a b final K DR A K w aa m RsL K BJs 1 K t Kb V a (s) E(s) T L (s) T(s) O(s) V out (s) + - - + Hình 1.1. Sơ đồ một môtơ DC có cuộn cảm ứng. V b (s) [...]... học vào ra nh- sau: t u(t ) k p [e(t ) 1 e( )d TI 0 TD de(t ) ] dt (3.1) Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào và u(t) là tín hiệu đầu ra, k p đ-ợc gọi là hệ số khuếch đại, TI là hằng số tích phân và TD là hằng số vi phân Từ đó có ảnh Laplace của bộ điều khiển PID nh- sau: R( s ) kp 1 1 TD s TI s (3.2) Điều khiển tỷ lệ P với hệ số khuếch đại Kp có tác dụng làm giảm thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống và. .. Điều khiển vi phân D với hệ số KD làm tăng tính ổn định của hệ thống, giảm hiệu ứng quá điều chỉnh (overshoot) và cải thiện đáp quá độ Chất l-ợng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI và TD Muốn hệ thống có đ-ợc chất l-ợng tốt nh- mong muốn thì phải phân tích đối t-ợng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số đó cho phù hợp Có nhiều ph-ơng pháp xác định các tham số trên cho bộ điều khiển PID, đ-ợc... xác định tham số kp , TI và TD cho bộ điều khiển PID trên cơ sở đối t-ợng có thể đ-ợc mô tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng: S ( s) ke Ls 1 Ts (3.4) sao cho hệ thống nhanh chóng về chế độ xác định và độ quá điều chỉnh hmax không đ-ợc v-ợt quá một giá trị cho phép, khoảng 40% so với h hmax h lim t h(t ) 0.4 (hình minh họa) Ba tham số L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuếch đại) và T Step Response 1.5... điều khiển PI: Chọn kp = 7b/(10ak) và TI = 23a/10 c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 6b/(5ak), TI = 2a và TD = 21a/50 Yêu cầu 3: Yêu cầu tối -u theo tín hiệu đặt tr-ớc (giảm sai lệch bám) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh hmax a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 3b/(10ak) b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 7b/(10ak) và TI = 6a/5 c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 3b/(5ak), TI = b và TD = a/2 Yêu cầu 4: Yêu cầu tối... chữ cái t và m trong các biểu thức trên không phải mang ý nghĩa lũy thừa mà kí hiệu đó thuộc về tử số hay mẫu số trong hàm truyền đạt S(s) một cách lần l-ợt Gọi A là diện tích bao bởi đ-ờng cong h(t) và k = lim h(t) khi t (hình 3.6) Vậy thì: Định lý 2.1: Giữa diện tích A và các hằng số thời gian T ti , Tmj, T có quan hệ: n A kT m T jm ( j 1 Ti t (3.7) T) i 1 Hình 3.6 Quan hệ giữa diện tích A và tổng... Reswick Về nguyên lý, ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick gần giống với ph-ơng pháp thứ nhất của Ziegler - Nichols, tuy nhiên nó không sử dụng mô hình tham số gần đúng dạng quán tính bậc nhất có trễ cho đối t-ợng mà thay vào đó là trực tiếp dạng hàm quá độ của đối t-ợng Ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick cũng phải giả thiết rằng đối t-ợng là ổn định, hàm quá độ không dao động và có dạng hình chữ... : ON HU CHC Yêu cầu 1: Yêu cầu tối -u theo nhiễu (giảm ảnh h-ởng nhiễu) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh: a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 3b/(10ak) b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 6b/(10ak) và TI = 4a c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 19b/(20ak), TI = 12a/5 và TD = 21a/50 Yêu cầu 2: Yêu cầu tối -u theo nhiễu (giảm ảnh h-ởng nhiễu) và hệ kín có độ quá điều chỉnh hmax không v-ợt quá 20% so với h lim t h(t... gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển đó là: khuếch đại tỷ lệ P (Proportional), tích phân I (Integral) và vi phân D (Derivative) nh- hình 3.1.a Ng-ời ta vẫn th-ờng ví von rằng bộ điều khiển PID là một tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác nhau: - Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ đ-ợc giao (tỷ lệ); - Làm việc và có tích luỹ kinh nghiệm để thực hiện tốt... gian đầu ra h(t) ch-a có đáp ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào b k là giá trị giới hạn h lim h(t ) t c Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trên trục hoành có hoành độ bằng L Khi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt đ-ợc giá trị k Tr-ờng hợp hàm quá độ h(t) không có dạng lý t-ởng nh- hình trên song có dạng gần giống hình chữ S của khâu quán... s )(1 5s ) Do G(s) có: k =1, Tt1 = 3, Tm1 = 5, Tm2 = 2 và Tm3 = 1 thoả mãn điều kiện Tm1 > Tt1 nên ta áp dụng đ-ợc định lý 3.1 để xác định sai lệch 22 SV : MAI THCH DUY y(t) n Tt Nghip e(t )dt 0 [ w(t ) GVHD : ON HU CHC y(t )]dt 0 [k h(t )]dt A (5 2 1) 3 5 0 Định lý 3.1 chỉ rằng tổng T có thể dễ dàng đ-ợc xác định từ hàm quá độ h(t) dạng chữ S và đi từ 0 của đối t-ợng ổn định không dao động, bằng cách . 3.1 B iu khin PID liờn tc Bộ điều khiển PID đ-ợc sử dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống SISO theo nguyên lý điều khiển bù trừ hồi tiếp nh- hình 3.1.b. Lý do bộ PID đ-ợc sử dụng rộng. Phần ứng hay Rotor (Armature) + Cổ góp (Commutat) + Chổi than (Brushes) + Trục motor (Axle) + Nam châm từ trường + Bộ phận cung cấp dòng điện DC 1.2 Phân loại động cơ một. điện áp xuất ra ở cổng theo khoảng thời gian khác nhau. V2 PWM source M MO1 DC- MOTOR Hình 2. 2: Mạch điện mắc Động cơ với PWM Hình 2. 3: Phương pháp tạo ra PWM - + Comparator 3 2 1 SAW REF Output