Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Lời cảm ơn Lời cảm ơn Với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện tự động hóa Trường Cao Đẳng Công Nghệ Đại học Đà Nẵng cùng với người thân, gia đình và bạn bè, chúng em đã hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định. Để đạt được thành công này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phó giáo sư-Tiến sĩ Đoàn Quang Vinh, người đã luôn theo dõi, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài, người đã đóng góp ý kiến và hướng dẫn em hoàn thành đồ án. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Điện tử động đã tận tình dạy dỗ chúng em trong những năm học vừa qua. Cuối cùng, chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch Lời cam đoan Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Lời cam đoan Kính gởi: Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp khoa Điện tự động – Trường Cao Đẳng Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng. Em tên là: Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch Đang là sinh viên lớp 08LTĐ – Khoa Điện tự động – Trường Cao Đẳng Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng. Hiện nay chúng em làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ”. Chúng em xin cam đoan nội dung đồ án hoàn toàn không giống với bất kỳ đồ án hoặc công trình nào đã có trước đó. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch Mục lục MỤC LỤC Chương 1: Động cơ điện một chiều 1 1.1. Giới thiệu chương 1 1.2. Nội dung 1 1.2.1 Giới thiệu động cơ DC .1 1.2.2 Mô hình hóa động cơ DC .1 1.2.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: .3 1.2.4 Khảo sát hàm truyền 4 1.2.4.1 Hàm truyền lý tưởng: .4 1.2.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm .5 1.2.5 Phương pháp ổn định động cơ dùng thuật toán PID .6 1.2.5.1 Thuật toán PID .6 1.2.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: 7 1.3. Kết chương 8 Chương 2 : Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 9 1.4. Giới thiệu chương 9 1.5. Nội dung 9 2.2.1 Một vài chi tiết chính của vi điều khiển PIC16F887 9 2.2.2 Bộ dao động của PIC16F887 .11 2.2.3 Các Port I/O .12 2.2.4 Hoạt động của khối giao tiếp EUSART .13 2.2.5 Cấu tạo và hoạt động của khối điều xung PWM 15 2.2.6 Ngắt ngoài trên chân RB0 17 2.2.7 Cấu tạo và hoạt động của bộ Timer1 18 Mục lục 2.2.8 Cách nạp cho PIC16F887 18 1.6. Kết chương 20 Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng .21 1.7. Mở chương 21 1.8. Nội dung 21 3.2.1 Sơ đồ khối phần cứng 21 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các khối mạch 22 3.2.3 Tính toán các thông số của mạch .24 3.2.3.1 Mạch đảo chiều động cơ .24 3.2.3.2 Tính toán cho FET 25 3.2.3.3 Tính toán mạch lái cho FET 27 3.3.4 Layout và thi công mạch 30 1.9. Kết chương 31 Chương 4 : Thiết kế phần mềm 32 1.10. Mở chương 32 1.11. Nội dung 32 4.2.1 Phần mềm cho vi điều khiển PIC16F887 .32 4.2.1.1 Thuật toán chương trình chính 32 4.2.1.2 Thuật toán chương trình xử lý phím 35 4.2.1.3 Thuật toán chương trình đo tốc độ động cơ 38 4.2.1.4 Thuật toán chương trình phục vụ ngắt nhận UART 40 4.2.2 Phần mềm trên máy vi tính giao tiếp với mạch điều khiển 42 1.12. Kết luận chương . 47 1.13. Nhận xét đánh giá hệ thống 47 Mục lục 1.14. Hướng phát triển đề tài 47 48 Các từ viết tắt CÁC TỪ VIẾT TẮT PID Proportional–Integral–Derivative DC Direct Current PWM Pulse Width Modulation EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ADC Analog Digital Converter USART Universal Synchronous Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter MUX Multiplexer MCU Microcontroller Unit GPIO General Purpose Input Ourput EUSART Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter LCD Liquid Crystal Display FET Field-Effect Transistor BJT Bipolar Junction Transistor MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Mở đầu Mở đầu Với sự phát triển rộng rãi của thiết bị điện, ngày nay, người người, nhà nhà hầu hết đã sử dụng các công nghệ hiện đại. Và khi mức sống của người dân được nâng cao thì việc quản lý các thiết bị điện trong nhà là hết sức cần thiết. Chính vì vậy việc điều khiển thiết bị và giám sát hoạt động của nó thông qua một quá trình tự động là việc làm mang nhiều lợi ích. Đề tài thực hiện việc điều khiển thông qua vi điều khiển PIC16F887A, chính vì vậy đề tài nghiên cứu sâu về việc ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. Trong giới hạn thời gian nghiên cứu cho phép, đề tài chỉ phát triển một hệ thống điều khiển đơn giản. Các thiết bị được giám sát và điều khiển tiêu tốn rất ít năng lượng sẽ mang lại lợi ích kinh tế và hiệu quả sử dụng cao. Nội dung của đồ án gồm: Chương 1: Động cơ điện 1 chiều Chương 2: Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F887A Chương 3:Thiết kế và thi công phần cứng Chương 4: Thiết kế phần mềm Phương pháp nghiên cứu của đồ án là tính toán thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồ thuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của thiết kế và các lưu đồ thuật toán đã xây dựng. Với phương pháp trên, đồ án đã được thiết kế và thi công thành công. Vì thời gian chuẩn bị không nhiều cùng với kiến thức còn hạn hẹp, đồ án không tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô trong khoa, chúng em xin chân thành cảm ơn. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch Chương 1: Động cơ điện một chiều Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.1. Giới thiệu chương Chương này giới thiệu cơ bản về động cơ DC, các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID. 1.2. Nội dung 1.2.1 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 loại 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. 1.2.2 Mô hình hóa động cơ DC Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: Trang 1 Chương 1: Động cơ điện một chiều 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) Trang 2 Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.2.3 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 thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1 Điều chỉnh độ rộng xung 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. Trang 3 [...]... thiệu cơ sở lý thuyết về động cơ, phương pháp điều khiển động cơ và thuật toán điều khiển PID Chương tới sẽ giới thiệu vi điều khiển PIC16F887, trong đề tài này PIC16F887 được sử dụng làm khối điều khiển trung tâm, điều khiển động cơ dùng thuật toán PID và giao tiếp với máy tính theo chuẩn giao tiếp RS232 cho phép người sử dụng giám sát trạng thái của động cơ Trang 8 Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển. .. Khối sửa dạng xung Các phím điều khiển Encoder Đảo chiều Khối điều khiển trung tâm PIC16F887 Động cơ Khối điều khiển công PWM suất Cổng DB9 2 3 mức điện áp 2 thị LCD 16x2 S MAX232 chuyển đổi R UART Bộ phận hiển Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng Khối điều khiển trung tâm sẽ kết nối với khối điều khiển công suất qua chân điều xung CCP1, điều khiển khối công suất đảo chiều động cơ Trang 21 Chương 3: Thiết... cơ Trang 21 Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng Khối điều khiển công suất điều khiển công suất cung cấp cho động cơ Khối Encoder đọc tốc độ động cơ và xuất ra các xung đếm, các xung này được sửa thành xung vuông và đưa vào chân ngắt ngoài RB0 của vi điều khiển PIC16F887 cho phép PIC16F887 giám sát được tốc độ của động cơ Các phím điều khiển cho phép người dùng cài đặt các thông số của hệ thống... thời gian cơ Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Hình 1.3 Mô hình hệ thống động cơ điện DC Khi momen tải bằng 0, ta có: n( p ) = U a ( p ) 1 2πBR a (τ a p +1)(τ m p +1) + K v Φ Kt Φ Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động Trang 4 Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.2.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ Ta đặt... hoạt động của động cơ và các thông số của hệ thống Khối giao tiếp máy tính theo chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ sử dụng IC chuyển đổi điện áp MAX232 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các khối mạch Sơ đồ nguyên lý trong hình 3.2 được thiết kế dựa trên sơ đồ khối trên Chip PIC16F887 điều khiển trung tâm làm nhiệm vụ tính toán, xuất ra xung điều khiển cho khối điều khiển động cơ, điều khiển. .. điều khiển đảo chiều động cơ Điều khiển hiển thị LCD và giao tiếp với máy tính Khối giao tiếp máy tính gồm Max232 chuyển mức tín hiệu RS232 với mức logic 0 (+3V đến +15V) sang TTL 0V, và mức logic 1 (-15V đến -3V) thành 5V Nhờ khối này, vận tốc hiện thời của động cơ sẽ được cập nhật lên máy tính và các từ máy tính ta có thể điều khiển tốc độ động cơ, thay đổi các thông số của bộ điều khiển PID Giá trị... datasheet của nhà sản xuất Khối điều khiển công suất (mạch Drive cho FET) kích cho FET hoạt động theo tín hiệu PWM từ PIC16F887 Để đảm bảo cho FET chuyển mạch nhanh ở đây ta dùng mạch kích kiểu totem-pole gồm 2 BJT 2SD414 và 2SB548 Khối đảo chiều động cơ dùng 2 tiếp điểm để đảo điện áp đặt vào động cơ Khối hiển thị dùng LCD 16x2 để hiện thị thông số Ki, Kp, Kd tốc độ hiện thời, tốc độ cài đặt Khối nguồn cung... 0 1 2 3 4 5 O N 2 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý Trang 23 H n R Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng 3.2.3 Tính toán các thông số của mạch 3.2.3.1 Mạch đảo chiều động cơ Hình 3.3 Phần mạch đảo chiều động cơ Để điều khiển chiều quay của động cơ điện 1 chiều, ta có thể dùng mạch cầu H, hoặc có thể dùng Relay Vì dùng relay chi phí thấp hơn nên trong đồ án này chúng tôi đã lựa chọn giải pháp này Nguyên lý... tới chân 2 của CON2, cực D của FET nối tới chân 2 của CON2 động cơ chạy theo chiều thuận (chiều quy ước) Khi có tín hiệu kích 5V tại chân dir, BJT Q2 dẫn, tiếp điểm 3 nối đến 5, tiếp điểm 6 nối đến 7, lúc đó nguồn cung cấp cho động cơ đảo ngược so với trường hợp trên, do đó động cơ quay theo chiều ngược lại Ta tính chọn với dòng cực đại qua động cơ là 5A, Chọn Relay 10A Công suất của relay 530mW, -> dòng... R11 = 2k2 3.2.3.2 Tính toán cho FET Tính dòng tối đa qua động cơ: Ta có phương trình của động cơ ở trạng thái xác lập: Te = TL + Bω = K mφI a Ia = TL + Bω K mφ Ứng với tải cụ thể ta có thể xác định được TL từ đó ta có thể xác định được dòng Ia cực đại qua động cơ Giả sử ta tính với dòng tối đa qua động cơ là 5 A Ta phải chọn MOSFET có VDS >2Vđộng cơ, dòng >1.5 -> 2lần Imax, khoảng10A, công suất tiêu tốn