Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động cơ robot di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Ngọc Hải THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Ngọc Hải THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG Ngành : Công nghệ Điện tử-Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Trần Quang Vinh Hà Nội - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi thực đề tài luận văn tốt nghiệp với tên đề tài là:“Thiết kế chế tạo điều khiển PID ghép nối máy tính vi điều khiển PSoC dùng cho động robot di động” Tôi xin cam đoan nội dung viết luận văn hoàn toàn trung thực, tài liệu tham khảo đầy đủ có nguồn gốc rõ ràng Nếu có sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội 10/2008 Nguyễn Ngọc Hải MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chƣơng 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm 1.2 Các nguyên tắc điều khiển tự động 1.2.1 Nguyên tắc giữ ổn định 1.2.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình 1.3 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4 Mô hình toán học hệ thống 1.4.1 Phương trình vi phân hệ thống vật lý 1.4.2 Xấp xỉ tuyến tính hệ thống vật lý 1.4.3 Phép biến đổi Laplace 1.4.4 Hàm truyền đạt hệ thống tuyến tính 10 1.4.5 Phương trình trạng thái 10 1.5 Chất lƣợng trình điều khiển 11 1.5.1 Đánh giá chất lượng chế độ xác lập 11 1.5.2 Đánh giá chất lượng trình độ 12 1.6 Nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển 13 1.6.1 Hiệu chỉnh sớm pha Lead 13 1.6.2 Hiệu chỉnh trễ pha Leg 14 1.6.3 Hiệu chỉnh trễ-sớm pha Leg-Lead 14 1.6.4 Điều khiển tỷ lệ P 15 1.6.5 Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân PI 15 1.6.6 Điều khiển Tỷ lệ - Vi phân PD 16 1.6.7 Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân PID 16 Chƣơng 2-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động động chiều 18 2.2 2.1.1 Giới thiệu động chiều 18 2.1.2 Cấu tạo động chiều 19 2.1.3 Nguyên lý làm việc động chiều 20 2.1.4 Phân loại động chiều 20 2.1.5 Công suất điện từ moment điện từ 21 Nguyên lý điều khiển động chiều 22 2.2.1 Động chiều điều khiển dòng điện phần trường 23 2.2.2 Động chiều điều khiển phần ứng 24 2.3 Điều khiển PID cho động chiều 26 2.3.1 Bộ điều khiển PID 26 2.3.2 Sơ đồ điều khiển PID 26 2.3.3 Điều khiển mô tơ chiều theo luật PID 28 Chƣơng 3-XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ỨNG DỤNG CHO ROBOT DI ĐỘNG 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển động cho robot di động 31 31 3.1.1 Động sử dụng cho robot di động 31 3.1.2 Sơ đồ hệ thống động cho robot di động 31 3.1.3 Nguyên lý điều khiển động mạch cầu H 32 3.1.4 Thiết kế mạch cầu H điều khiển động vi mạch L289 33 3.2 Xây dựng điều khiển PID cho động với vi điều khiển PSoC C8Y29466 3.2.1 Sơ lược dòng vi điều khiển PSoC 35 35 3.2.2 Thiết kế điều khiển động xung điện có độ rộng biến đổi 38 3.2.3 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động lập mã động chiều 39 3.2.4 Thiết kế xác định tốc độ chiều quay động đếm 41 3.2.5 Sơ đồ điều khiển PID điều khiển động 42 3.2.6 Giải thuật PID điều khiển tốc độ động thực tế 42 3.3 Thiết kế chƣơng trình giao tiếp truyền tham số cho vi điều khiển để xác định tham số PID 46 3.3.1 Chương trình truyền tham số điều khiển cho điều khiển PID 46 3.3.2 Truyền nối tiếp không đồng theo chuẩn RS232 47 Chƣơng 4-MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 4.1 Bộ PID điều khiển động chiều 48 4.2 Một số kết khảo sát trình điều khiển PID ứng dụng cho động chiều 49 4.2.1 Khảo sát tín hiệu PWM điều khiển mô-tơ 49 4.2.2 Khảo sát trình điều khiển PID ứng dụng cho điều khiển động 50 4.3 Thảo luận 52 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC A – Phép biến đổi Laplace 56 PHỤ LỤC B – Các thông số mô-tơ chiều 59 PHỤ LỤC C - Mã nguồn chƣơng trình sử dụng luận văn 60 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 1.2.a Phương pháp bù tác động bên Hình 1.2.b Phương pháp điều khiển theo sai lệch Hình 1.2.b Phương pháp hỗn hợp Hình 1.3 Hệ thống lò xo – vật cản Hình 1.4 Hệ RLC Hình 1.5 Hệ thống gồm m đầu vào r đầu Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín Hình 1.7 Các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển trình độ Hình 1.8 Đặc tính logarit hiệu chỉnh sớm pha (K = 1, T = 0.1, a = 5) Hình 1.9 Đặc tính logarit hiệu chỉnh trễ pha (K = 1, T = 0.1, a = 5) Hình 1.10 Đặc tính logarit điều khiển PI (K = 1, Ti =0.1) Hình 1.11 Đặc tính logarit điều khiển PD (K = 1, Td =10) Hình 1.12 Đặc tính logarit điều khiển PID Hình 2.1 Một số loại động chiều thực tế Hình 2.2 Cấu tạo động chiều Hình 2.3 Cấu tạo Roto động điện chiều Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc động điện chiều Hình 2.5 Sơ đồ động chiều Hình 2.6 Mô hình sơ đồ khối động điều khiển phần trường Hình 2.7 Mô hình sơ đồ khối động điều khiển phần ứng Hình 2.8 Minh họa tác dụng điều khiển P Hình 2.9 Minh họa tác dụng điều khiển I Hình 2.10 Minh họa tác dụng điều khiển D Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển PID Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển tốc độ mô-tơ chiều có mắc tải Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ điều khiển vị trí trục quay mô-tơ Hình 3.1 Môtơ sử dụng cho robot di động Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống động cho robot di động Hình 3.3 Sơ đồ mạch cầu H điều khiển motor Hình 3.4 Vi mạch L289N Hình 3.5 Nối song song hai mạch cầu H vi mạch L289N Hình 3.6 Mạch bảo vệ cho vi mạch L289N Hình 3.7 Mạch nguyên lý điều khiển động Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển PsoC Hình 3.9 Tín hiệu PWM điều khiển tốc độ môtơ Hình 3.10 Cấu tạo tín hiệu giải mã quang đơn kênh Hình 3.11 Cấu tạo tín hiệu giải mã quang hai kênh Hình 3.12 Sơ đồ chuyển trạng thái giải mã quang kênh Hình 3.13 Sơ đồ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang kênh Hình 3.14 Sơ đồ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang kênh PSoC Hình 3.15 Sơ đồ điều khiển PID cho động robot Hinh 3.16 Rời rạc hóa trình tính toán PID Hình 3.17 Lưu đồ chương trình nạp cho vi điều khiển để điều khiển động robot di động Hình 3.18 Giao diện chương trình giao tiếp với PSoC Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển PID cho động chiều có giao tiếp với máy tính Hình 4.2 Mạch điều khiển PID Hình 4.3 Sự phụ thuộc tốc độ mô-tơ vào tín hiêu PWM Hình 4.4 Điều khiển P với vận tốc đặt 720 vòng/phút Hình 4.5 Điều khiển P,I với KI = 0,1 Hình 4.6 Điều khiển P,I với KI = 0,5 Hình 4.7 Điều khiển P,I với KI = 3,5 MỞ ĐẦU Các ứng dụng robot vào sống không điều mẻ Các robot ứng dụng rộng rãi sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thám hiểm, y học nhiều lĩnh vực khác Hiện nay, hầu hết hệ thống tự động công nghiệp có góp mặt robot mang lại hiệu to lớn với ưu điểm như: cung cấp khả điều khiển xác, hiệu suất cao tạo hệ thống sản xuất ổn định Một nước phát triển ứng dụng robot công nghiệp điển hình Nhật Bản Đến cuối năm 1995 có khoảng 387.000 robot công nghiệp sử dụng quốc gia có khoảng 80.000 robot công nghiệp sử dụng Mỹ thời điểm Bên cạnh robot nghiên cứu chế tạo để ứng dụng công nghiệp, robot di động tự quản trị (hay robot thông minh nhân tạo) mối quan tâm đặc biệt hầu hết phòng nghiệm robot giới khả ứng dụng to lớn hiệu Robot di động tự quản trị robot có khả tự hoạch định đường định vị thông tin (khả tự lập đồ xác định vị trí xác robot) trình di chuyển môi trường nhằm thực nhiệm vụ đặt từ trước Với khả robot di động tự quản trị dùng cho nhiệm vụ thám hiểm đại dương, không gian… nơi nguy hiểm, độc hại để thay cho người Một robot di động tự quản trị thường bao gồm: hệ thống cảm biến để thu thập thông tin môi trường xung quanh, điều khiển trung tâm dùng cho việc hoạch định hoạt động robot cấu chấp hành, phận giúp robot di chuyển thao tác môi trường mà hoạt động, cụ thể thường hệ thống mô-tơ, điều khiển trực tiếp từ điều khiển trung tâm Điều khiển chuyển động robot tự quản trị quan trọng định robot có thực chiến lược hoạch định robot nhằm đạt đến mục tiêu hay không, công việc điều khiển hoạt động robot điều khiển hệ thống môtơ tạo chuyển động robot Việc điều khiển chuyển động robot gặp phải nhiều trở ngại như: cấu khí khó chế tạo hoàn toàn xác đối xứng, bề mặt môi trường chuyển động có độ ma sát khác nhau, sai số sinh trình điều khiển… dẫn đến tốc độ môtơ khó ổn định đồng Những trở TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đoàn Hữu Chức (2007), Thiết kế chế tạo điều khiển PID điều khiển mạch điện, tr 38-56, Luận văn Thạc sĩ khoa học Công nghệ Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Lê Vũ Hà (2006), Kỹ thuật điều khiển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Ngô Diên Tập (2004), Đo lường Điều khiển máy tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Ngô Diên Tập (2005), Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Quang Vinh, (2007), Cấu trúc máy vi tính, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Trần Quang Vinh, Vũ Tuấn Anh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2006), “Xây dựng robot di động dẫn đường cảm biến siêu âm cảm biến ảnh toàn phương”, Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử, tr 153-160 Trần Quang Vinh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2005), “Giám sát điều khiển robot di động qua mạng LAN vô tuyến INTERNET”, Tạp chí khoa học, tr 85-91 Tiếng Anh Allen J Stubberud, Ivan J Williams, Joseph J DiStefano (1994), Feedback and Control Systems, McGraw-Hill 10 Brian R Hunt, Ronald L Lipsman, Jonathan M Rosenberg, Kevin R Coombes, John E Osborn, Garrett J Stuck (2006), A Guide to MATLAB: For Beginners and Experienced Users, Cambridge University Press 11 Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design: Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University Press, USA 12 Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk edition, USA 13 Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A Guide for beginners, JUMO GmbH & Co KG Fulda, Germany 14 Patrick Marchand, O Thomas Holland (2003), Graphic and GUIs with MATLAB, Chapman & Hall/CRC [...]... 4 Ngô Di n Tập (2004), Đo lường và Điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 5 Ngô Di n Tập (2005), Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 6 Trần Quang Vinh, (2007), Cấu trúc máy vi tính, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội 7 Trần Quang Vinh, Vũ Tuấn Anh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2006), “Xây dựng robot di động được dẫn đường bằng các cảm biến siêu âm và cảm... KHẢO Tiếng Vi t 1 Đoàn Hữu Chức (2007), Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID điều khiển mạch điện, tr 38-56, Luận văn Thạc sĩ khoa học Công nghệ Điện tử - Vi n thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 2 Lê Vũ Hà (2006), Kỹ thuật điều khiển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 3 Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật,... toàn quốc lần thứ 3 về Cơ điện tử, tr 153-160 8 Trần Quang Vinh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2005), “Giám sát và điều khiển robot di động qua mạng LAN vô tuyến và INTERNET”, Tạp chí khoa học, tr 85-91 Tiếng Anh 9 Allen J Stubberud, Ivan J Williams, Joseph J DiStefano (1994), Feedback and Control Systems, McGraw-Hill 10 Brian R Hunt, Ronald L Lipsman, Jonathan M Rosenberg, Kevin R Coombes, John E Osborn,... Experienced Users, Cambridge University Press 11 Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design: Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University Press, USA 12 Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk edition, USA 13 Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A