Điều khiển động cơ bằng PID

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN....................................................................................................11.1. Động cơ DC ..................................................................................................................11.1.1. Động cơ DC Servo................................................................................................11.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ...................................................................................11.2. Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) .....................................21.3. Giới thiệu về Arduino ..................................................................................................21.3.1. Arduino là gì?........................................................................................................21.3.2. Board Arduino Uno ..............................................................................................31.4. PID..................................................................................................................................41.4.1 Giới thiệu PID ........................................................................................................41.4.2. Hàm truyền ............................................................................................................51.4.3. Đặc tính bộ điều khiển PID .................................................................................5CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID.72.1. Sơ đồ khối hệ thống .....................................................................................................72.2. Lưu đồ giải thuật...........................................................................................................82.3. Cách đấu dây mô hình..................................................................................................82.3.1. Arduino Uno với L298N......................................................................................82.3.2. L298N với DC Servo ...........................................................................................82.3.3. Encoder với Arduino Uno....................................................................................92.4. Tìm hệ số cho bộ điều khiển PID ...............................................................................92.4.1. Lấy mẫu Encoder ..................................................................................................92.4.2 Khảo sát vòng hở để xác định mô hình động cơ bằng phương pháp thựcnghiệm............................................................................................................................ 112.4.3. Điều khiển vòng kín .......................................................................................... 12ii2.4.4 Các bước tìm hệ số Kp, Ki, Kd......................................................................... 122.4. Code Arduino ............................................................................................................. 162.4. Giao diện điều khiển ................................................................................................. 20PHỤ LỤC............................................................................................................................... 21Kinh phí thực hiện............................................................................................................. 21Code Matlab vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của động cơ.................................................. 21Code Matlab tìm hàm truyền của động cơ..................................................................... 23

BỘ GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG KHOA ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA

- -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Đề tài: Điều khiển tốc độ động cơ bằng PID

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Trọng Tài

Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Vân 141103007

: Trần Chánh Phát 141102044

TP.HCM 06/2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Động cơ DC 1

1.1.1 Động cơ DC Servo 1

1.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ 1

1.2 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) .2

1.3 Giới thiệu về Arduino .2

1.3.1 Arduino là gì? 2

1.3.2 Board Arduino Uno .3

1.4 PID 4

1.4.1 Giới thiệu PID 4

1.4.2 Hàm truyền 5

1.4.3 Đặc tính bộ điều khiển PID 5

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID.7 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 7

2.2 Lưu đồ giải thuật 8

2.3 Cách đấu dây mô hình 8

2.3.1 Arduino Uno với L298N 8

2.3.2 L298N với DC Servo .8

2.3.3 Encoder với Arduino Uno 9

2.4 Tìm hệ số cho bộ điều khiển PID 9

2.4.1 Lấy mẫu Encoder 9

2.4.2 Khảo sát vòng hở để xác định mô hình động cơ bằng phương pháp thực nghiệm 11

2.4.3 Điều khiển vòng kín 12

2.4.4 Các bước tìm hệ số Kp, Ki, Kd 12

2.4 Code Arduino 16

2.4 Giao diện điều khiển 20

PHỤ LỤC 21

Kinh phí thực hiện 21

Code Matlab vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của động cơ 21

Code Matlab tìm hàm truyền của động cơ 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Động cơ DC

1.1.1 Động cơ DC Servo

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng

cơ Nguyên tắc hoạt động: phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các

từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen

Thông số động cơ DC Servo dùng làm đề tài:

1.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện, ngẫu lực quay lớn nhất khi động cơ khởi động (nghĩa là khi động cơ bắt đầu quay) khi đó động cơ sẽ cần 1 dòng điện lớn để khởi động Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp và dòng vào động cơ

1.2 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation)

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi

độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động

cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong bài báo cáo này là Module L298N

Thông số kỹ thuật:

Driver: Tích hợp 2 mạch cầu H Điện áp điều khiển động cơ: 5 ~ 12V Dòng tối đa qua mỗi cầu H: 2A Điện áp tín hiệu điều khiển: 5 ~ 7V Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm:

 Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556

 Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng

1.3 Giới thiệu về Arduino

1.3.1 Arduino là gì?

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển) và các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development

Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử

vì nó đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận Không giống như các loại vi điều khiển khác, Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phụ vụ việc nạp code, ví dụ để nạp code cho PIC cần phải có Pic Kit Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối với máy tính bằng cáp USB Thêm vào đó việc lập trình cho Arduino rất dễ dàng, trình biên dịch Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ C++

1.3.2 Board Arduino Uno

Một trong những board thông dụng, được sử dụng nhiều nhất là board Arduino Uno Dòng này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 với tên gọi là Arduino Uno Revision 3 (Arduino Uno R3)

Hình 1.1: Board Arduino Uno R3

Analog Input Pins 6 (độ phân giải 10 bit)

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P) 0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

1.4.1 Giới thiệu PID

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển

sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động

Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau

đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển tốc

độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp

PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

1.4.2 Hàm truyền

P K P

K K P T P T K

p

P D

I

)(

Bộ điều khiển gồm có 3 thành phần:

- KP: hệ số tỷ lệ

- KI : hệ số tích phân

- KD: hệ số vi phân

Xét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống Plant: đối tượng cần điều khiển

Controller: đưa tín hiệu điều khiển đối tượng, được thiết kế để hệ thống đạt đáp

u p  I  DLúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra là (Y) (Y) được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điều khiển lại tiếp tục như trên

1.4.3 Đặc tính bộ điều khiển PID

- Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)

- Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

- Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:

- Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd

Đáp ứng

vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

PC: Gửi giá trị cài đặt và nhận tốc độ hiện tại của động cơ Và điều khiển chạy

hoặc ngừng chạy của hệ thống

Arduino Uno: Bộ điều khiển trung tâm với giải thuật PID, nhận giá trị cài đặt từ

máy tính, điều khiển động cơ bằng L298N, thông qua encoder lấy tốc độ hiện tại gửi cho máy tính qua RS232, cổng USB của máy tính

L298N: có nhiệm vụ nhận tín hiệu xung PWM, điều khiển mức điện áp vào động

cơ

DC Servo, Encoder: Dựa vào mức điện áp mà L298N cấp vào động cơ, động cơ

hoạt động với tốc độ mong muốn Encoder dùng để lấy tốc độ về cho Arduino Uno

2.2 Lưu đồ giải thuật

2.3 Cách đấu dây mô hình

2.3.1 Arduino Uno với L298N

Arduino có 6 chân PWM tuy nhiên chân PWM 5, 6 có tần số cao nhất trong 6 chân PWM

2.3.2 L298N với DC Servo

2.3.3 Encoder với Arduino Uno

Trong bài báo cáo này dùng một phase để đo tốc độ nên có thể chọn phase A hoặc B

2.4 Tìm hệ số cho bộ điều khiển PID

2.4.1 Lấy mẫu Encoder

Sử dụng Arduino lập trình xuất xung từ 30% đến 90%, dùng encoder đọc về tốc

độ với thời gian lấy mẫu là 10ms, truyền lên máy tính thông qua RS232

Code dùng để lấy mẫu:

Ta được các số liệu thực tế như sau: 0.00 0.93 0.93 0.93 1.85 1.85 2.78 2.78 4.63 4.63 4.63 4.63 5.56 5.56 5.56 5.56 6.48 6.48 6.48 7.41 6.48 7.41 6.48 7.41 7.41 8.33 7.41 8.33 7.41 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26

2.4.2 Khảo sát vòng hở để xác định mô hình động cơ bằng phương pháp thực nghiệm

Dùng MATLAB vẽ đồ thị từ số liệu tìm được ở trên thị để xác định : Hàm truyền tương đương cho hệ thống: với 30% PWM thời gian lấy mẫu 10ms

Đáp ứng (step) vòng hở của động cơ tại điện áp nguồn có PWM = 30%

Mô hình động cơ được xác định bằng hai điểm quy chiếu với hàm sau:

1 + T(s) Xác định : K, T trong đó:

2.4.3 Điều khiển vòng kín

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Sử dụng SISO Tool trong Matlap để tìm Kp, Ki cho hệ thống:

HÀM TRUYỀN

HỆ THỐNG

TÍNH HIỆU HỒI TIẾP

+

-

b Trên của sổ Control and Estimation Tool Manager, thêm Pole/Zero:

Thêm cực vào hàm C

Thêm Zero vào hàm C

Kiểm tra đáp ứng step của hàm G

Sử dụng Automatic Tuning để chỉnh tự động: Design method: PID Tuning  PI

 chọn  Update Compensator ta được dạng đồ thị như sau:

Chuyển Hàm C (hàm Control PI) ra Workspace: File Export, chọn như hình vẽ:

Trên Workspace : đánh lệnh để tìm Kp, Ki của C (Control PI)

Continuous-time zero/pole/gain model

Continuous-time PI controller in parallel form

Tương tự cho các số liệu còn lại ta cũng tìm được các Kp, Ki còn lại ứng với các mức khác

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);

unsigned int readValue = 0;

2.4 Giao diện điều khiển

Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ động cơ

4 Động cơ DC Servo 1 Chợ Nhật Tảo 180.000 180.000

5 Khác (dây bus, ốc, vít, …) Chợ Nhật Tảo, HShop 30.000

Tổng cộng: 465.000

Code Matlab vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của động cơ

clc

clear all

t = 10/1000 % khoang thoi gian lay mau 10ms

Tmax = 500/1000 % Tong thoi gian lay mau 500 ms

x=[0:t:Tmax]

y2 = [0.00 0.93 0.93 0.93 1.85 1.85 2.78 2.78 4.63 4.63 4.63 4.63 5.56 5.56 5.56 5.56 6.48 6.48 6.48 7.41 6.48 7.41 6.48 7.41 7.41 8.33 7.41 8.33 7.41 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26 ]

ts = 10/1000 % khoang thoi gian lay mau 10 ms

Tmax = 500/1000 % Tong thoi gian lay mau 500 ms

x=[0:ts:Tmax];

y2 = [0.00 0.93 0.93 0.93 1.85 1.85 2.78 2.78 4.63 4.63 4.63 4.63 5.56 5.56 5.56 5.56 6.48 6.48 6.48 7.41 6.48 7.41 6.48 7.41 7.41 8.33 7.41 8.33 7.41 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26 8.33 9.26 9.26 9.26 ]

%figure(1)

step(x,G,'m')

grid on;