ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO

Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC servo từ màn hình LCD, sử dụng vi điều khiển atmega 16, mạch công suốt LM2576. Điều khiển vị trí động cơ dựa trên việc đếm xung encoder của động cơ, so sánh với giá trị đặt trước và xây dựng bộ điều PID.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẤN SỰ Khoa Hàng không Vũ trụ -* - Hoàng Hải Huy Lê Thế Trung ĐỒ ÁN MƠN HỌC PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẤN SỰ Khoa Hàng không Vũ trụ -* - Hồng Hải Huy Lê Thế Trung ĐỒ ÁN MƠN HỌC PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: “Điều khiển vị trí động DC servo” Giáo viên Hướng dẫn: Hồng Quang Chính Cấp bậc: Trung tá Đơn vị: Bộ môn Rôbốt đặc biệt Cơ điện tử MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Vai trò ý nghĩa tốn, khả ứng dụng ngành CĐT (4) 1.2 Mục đích yêu cầu đồ án ( 5) 1.3 Phương pháp nghiên cứu thực đồ án (5) CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC VÀ ỨNG DỤNG 2.1 cấu tạo, phân loại nguyên lý hoạt động động điện chiều (6) 2.1.1 Cấu tạo (6) 2.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm động điện chiều (7) 2.1.3 Nguyên lý hoạt động (8) 2.2 Các phương pháp điều khiển động điện chiều (9) 2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động chiều 2.2.2.Phương pháp điều khiển vị trí động chiều 2.3.Ứng dụng động điện chiều 2.4.Encoder xung quang tương đối (9) (11) (12) (13) 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc encoder tương đối (13) CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT 3.1 Tổng quan AVR (17) 3.1.1.Giới thiệu vi điều khiển (17) 3.1.2.Các vi điều khiển AVR 3.1.3.Tổng quan Atmega16 3.2 Phần tử công suất (19) (20) (23) 3.2.1 IC nguồn LM2576 5V 12 V (23) 3.2.2 Modul điều khiển động L298 (26) CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO 4.1 Xây dựng điều khiển PID điều khiển động DC servo (29) 4.1.1 Xây dựng mơ hình tốn học động chiều (29) 4.1.2 Thiết kế điều khiển PID điều khiển vị trí động (30) 4.2.2 Chương trình điều khiển động (32) Kết luận hướng phất triển đồ án (35) CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.Vai trò ý nghĩa tốn Khả ứng dụng ngành CĐT Trong thực tế ngày nay, động điện chiều ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống khoa học : dây chuyền sản xuất, xe máy, xe điện, hàng khơng vũ trụ,… Bài tốn điều khiển vị trí động chiều tốn bản, điển hình ngành điện tử.Phương pháp điều khiển vị trí sử dụng rộng rãi Chúng ta bắt gặp nhiều máy công cụ xác như: máy phay, máy tiện CNC, Trong sản xuất cơng nghiệp đại, điển điều khiển tay máy robot hệ thống sản xuất : robot gắp phôi, hàn, khoan, lắp ráp, phun sơn Hình 1.1:Robot hàn Hình 1.2:Máy phay CNC 1.2.Mục đích yêu cầu đồ án Những vấn đề cần giải đề tài: - Tìm hiểu vi điều khiển - Tìm hiểu động điện chiều DC servo - Thiết kế driver điều khiển vị trí - Lập trình điều khiển,mơ - Liên kết phần cứng phần mềm 1.3.Phương pháp nghiên cứu thực đồ án  Nghiên cứu sở lý thuyết đề tài, thiết kế mạch điều khiển vị trí, lập trình gồm nội dung sau: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Tổng quan động DC servo ứng dụng: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động,các phương pháp điều khiển, ứng dụng động điện DC servo Chương 3: Tổng quan vi điều khiển phần tử cơng suất: - Trình bày tổng quan họ vi điều khiển AVR - Trình bày số phần tử công suất thường dùng để thiết kế mạch công suất Chương 4: Thiết kế điều khiển vị trí đơng DC servo: - Thiết kế mạch điều khiển vị trí động DC servo - Nghiên cứu thuật toán điều khiển PID cho toán điều khiển vị trí động - Sử dụng mạch cơng suất thiết kế kết hợp với điều khiển PID, phương pháp điều khiển động DC theo vị trí - Thử nghiệm Chương 5: Thực điều khiển động cơ: - Xây dựng mơ hình tốn học động DC - Thành lập sơ đồ thuật toán điều khiển - Lập trình điều khiển động  Phạm vi nghiên cứu :  Thiết bị điều khiển : mạch học tập atmega16  Động encoder 100 xung  Mạch công suất – driver điều khiển vị trí  Chuẩn giao tiếp với máy tính RS232  Phần mềm lập trình: CodeVisionAVR V2.05.0 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC-SERVO VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Cấu tạo, phân loại nguyên lý hoạt động động điện chiều 2.1.1 Cấu tạo Hình 1:Động chiều Động chiều gồm hai phần : Stato Rơto.Ngồi ra, có phận như: cổ góp, chổi than, trục, ổ bi, nắp, vỏ encoder.Trong động DCservo đĩa encoder lắp trục động cơ, mạch cảm biến đếm xung encoder phản hồi vi điều khiển(VĐK) Hình 2.2 :Động DC-servo thực tế a Stato Stato phần kích từ động – phần cảm, phận sinh từ trường Gồm mạch từ dây cuốn kích từ - Mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc) - Dây ćn kích từ làm dây đồng có tiết diện tròn chữ nhật sơn cách điện cuốn thành cuộn, cuộn mắc nối tiếp với b Rôto Rôto phần sinh suất điện động - phần ứng Gồm lõi thép, dây ćn phần ứng, cổ góp chổi than - Lõi thép hình trụ làm thép kỹ thuật điện ghép lại với Các thép có lỗ thơng gió rãnh để đặt dây cuốn phần ứng - Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây ghép lại với theo quy luật định Mỗi bới dây gồm nhiều vòng dây, đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp - Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có hình dạng trụ, gắn đầu trục rôto - Chổi than làm than graphit, chổi than tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo 2.1.2.Phân loại, ưu,nhược điểm động điện chiều a Phân loại Khi xem xét động điện chiều phân loại theo cách kích thích từ động cơ.Có loại động điện chiều thường sử dụng: - Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ - Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng - Động điện chiều kích từ nới tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng - Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng b Ưu, nhược điểm động điện chiều - Ưu điểm: + Điều chỉnh tốc độ khả tải + Có thể điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao.Còn động khơng đồng khơng thể đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền - Nhược điểm: So với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp 2.1.3.Nguyên lý hoạt động động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều lực điện từ xác định quy tắc bàn tay trái Hình 2.3: Pha Pha 1: Từ trường rotor cực với stator đẩy tạo chuyển động quay rotor Hình 2.4: Pha (Rotor tiếp tục quay) Hình 2.5: Pha Pha 3: Bộ phận chỉnh điện đổi cực cho từ trường stator rotor dấu, trở lại pha 2.2 Các phương pháp điều khiển động điện chiều - Điều khiển tốc độ động chiều - Điều khiển vị trí động chiều 2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động chiều - Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Phương pháp thay đổi từ thông Ф - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng - Phương pháp điều chế xung PWM a Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động chiều Nguyên lý điều khiển : Cho U = Uđm , Ф = Фđm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng - Đặc điểm phương pháp : Điện trở mạch phần ứng tăng độ dớc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tớc độ sai số tốc độ lớn.Phương pháp 10 - Chân 22 đến 29 : Cổng nhập xuất liệu song song C ( PORTC ) sử dụng chức đặc biệt - Chân 30 : AVCC cấp điện áp so sánh cho ADC - Chân 32 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC - Chân 33 đến 40 : Cổng vào liệu song song A ( PORTA ) ngồi ra, tích hợp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC ( analog to digital converter) b Vào vi điều khiển Atmega16 - PORTA ( PA7 … PA0 ) : chân số 33 đến 40 Là cổng vào song song bit không dùng chế độ ADC Bên có sẵn điện trở kéo, PORTA output điện trở kéo không hoạt động , PORTA input điện trở kéo kích hoạt - PORTB ( PB7 PB0 ) : chân số đến Nó tương tự PORTA sử dụng vào song song Ngoài ra, chân PORTB có chức đặc biệt nhắc đến sau - PORTC ( PC7 PC0 ) : chân 22 đến 30 Cũng giống PORTA PORTB cổng vào song song Nếu giao tiếp JTAG bật, trở treo chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) hoạt động kiện reset xảy Chức giao tiếp JTAG số chức đặc biệt nhắc đến sau - PORTD ( PD7 PD0 ) : chân 13 đến 21 Cũng cổng vào song song giớng PORT khác, ngồi ra, có sớ tính đặc biệt nhắc đến sau c Mạch cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển Atmega16 Hình 3.2: Mạch cấp nguồn ni cho vi điều khiển Atmega16 23 Tuy nhiên, đồ án em sử dụng Adapter 24V-1A để cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển Atmega16 b Mạch cấp dao động cho vi điều khiển dùng thạch anh Hình 3.3: Mạch cấp dao động cho vi điều khiển dùng thạch anh c Mạch nạp avr910 usb Hình 3.4: Mạch nạp avr910 usb 3.2 Phần tử công suất 3.2.1 IC nguồn LM2576 5V 12 V LM2576 loại IC nguồn switching thơng dụng thị trường có khả hoạt động với điện áp vào lên tới 40V (loại thông thường) tới 57V (loại LM7526HV) Họ LM2576 có nhiều loại với mức điện áp đầu khác 24 nhau, LM2576-3.3V, LM2576-5V, LM2576-12V, LM2576-15V, loại có khả điều chỉnh điện áp đầu LM2576ADJ Ngoài ưu điểm dải điện áp đầu vào so với IC ổn định điện áp tuyến tính thơng thường, LM2576 có khả cho dòng đầu lớn nhiều, lên tới 3A dòng tải, lựa chọn phù hợp cho nhiều ứng dụng cần ổn áp dòng lớn motor DC Nguyên tắc dựa theo nguồn xung,điện áp đầu điều chỉnh liên tục để đảm bảo cho điện áp đầu giá trị cố định Trong sơ đồ cấu tạo,LM2576 gồm khối : So sánh, tạo dao động, cơng suất, q dòng - Cấu tạo : + Chân (Vin) : Chân nguồn đầu vào + Chân (Vout) : Chân điện áp đầu Tùy thuộc dòng LM2576 mà chân có điện áp ổn định khác + Chân (GND) : Chân nguồn chung + Chân (Feedback) : Chân đưa tín hiệu phản hồi từ đầu đầu vào Đưa vào so sánh để điều chỉnh ổn định điện áp + Chân (On/Off) : Chân đóng mở Thường để GND Hình 3.5: IC nguồn LM2576 25 Hình 3.6: Sơ đồ cấu tạo IC LM2576 - Thông số IC LM2576: Điện áp đầu vào: + LM2576 : 45V + LM2576HV : 60V + Dòng điện đầu : 3A + Giải nhiệt độ hoạt động : −65˚C to +150˚C Điện áp ổn định đầu : + LM2576HVS-3.3 : 3.3V + LM2576HVS-5.0 : 5V + LM2576HVS-12 : 12V + LM2576HVS-15 : 15V + LM2576HVS-ADJ : ADJ (1.25V ~ 37V) - Một sớ tính IC LM2576: + Điện áp đầu Serial 3.3V, 5V, 12V, 15V điện áp điều chỉnh + Điện áp điều chỉnh từ 1.25V đến 37V Với điện áp đầu vào lớn + Dòng đầu định mức 3A 26 + Điện áp đầu vào định mức 40V lớn 60V tùy dòng Serial + Chỉ giao tiếp với chân đầu vào + Tần sớ đóng cắt chuẩn 52Khz + Hiệu suất cao + Bảo vệ dòng nhiệt Trong đề tài em dùng IC nguồn LM2576 loại 5V 12V 3.2.2 Modul điều khiển động L298 a Mạch nguyên lý Hình 3.7: Mạch nguyên lý Với modul ta điều khiển động cơ.Do thời gian làm đồ án có hạn nên em định sử dụng modul để tăng tiến độ đồ án tập trung vào phần lập trình Khi sử dụng mạch cầu H thơng thường, nhầm lẫn điều khiển tín hiệu đầu vào dẫn đến hư hỏng module, chí gây hại cho vi xử lý Do đó, ta tạo module “mạch cầu H sử dụng IC L298” nhằm hạn chế rủi ro xảy thiết bị 27 Hình 3.8: MODUL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298 b IC L298 Hình 3.8:Sơ đồ chân Hình 3.9: Sơ đồ logic 28 L298 có nguồn cấp, nguồn cấp vào chân (Vpin9 max =7V thường dùng 5V) nguồn cấp cho phần điều khiển Nguồn cấp thứ vào chân cho mạch động lực ( nguồn cấp cho động cơ)Vpin4max = 50V Khi muốn hoạt động chân EN = 5V ok Các đầu OUTx = Inx Chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5,7,10,12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển Chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động Hai chân ENA, ENB đung để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nới 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầy H khơng hoạt động Điều khiển chiều quay với L298: - Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào - Khi ENA = 1: + IN1=1; IN2=0: Động quay thuận + IN1=0; IN2=1: Động quay nghịch + IN1=IN2: Động dừng Tương tự với chân ENB, IN3, IN4 29 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO 4.1 Xây dựng điều khiển PID điều khiển động DC servo 4.1.1 Xây dựng mơ hình tốn học động chiều Động điện chiều kích từ độc lập bao gồm thông số : - R: trở kháng (Ω) - H: cảm kháng cuộn dây (H) - i: dòng điện (A) - Kb: hệ sớ sức điện động cảm ứng (V/rad/s) - Kt : hệ số momen (Nm/Apm) - T: momen động (Nm) tính theo cơng thức : 𝑇 = Kt i - 𝜃: góc quay roto động (rad) - J: momen quán tính roto động tải (Kgm2/rad) - B: hệ số ma sát (Nm/rad/s) - E: sức điện động cảm ứng động (V), tính theo công thức: 𝐸 = Kb 𝜃̇ - theo định luật Newton định luật kirchoff ta có biểu thức : ̇ Kt.i 𝐽 𝜃̈ + 𝐵𝜃 = L 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + Ri=V- Kb.𝜃 - áp dụng phép biến đổi Laplace cho phương trình ta được: s(Js+B) 𝜃(s)=Kt.I(s) 30 (Ls+R)I(s)=V(s) - Kb 𝜃(s) - Trong điều khiển vị trí động điện áp cấp vào động coi đầu vào, góc quay roto đầu ra, từ phương trình ta có hàm truyền vòng hở động cơ: 𝜃(s) = V(s) = I(s)  W(s) = 𝜃(𝑠) 𝑉(𝑠) = 𝐾𝑡𝐼(𝑠) 𝑠(𝐽𝑠+𝐵) [𝑠(𝐿𝑠+𝑅)(𝐽𝑠+𝐵)+𝐾𝑡𝐾𝑏𝑆 ] 𝑠(𝐽𝑠+𝐵) 𝐾𝑡 𝐿𝐽𝑆 +(𝑅𝐽+𝐿𝐵)𝑆 +(𝑅𝐵+𝐾𝑏𝐾𝑡)𝑆 4.1.2 Thiết kế điều khiển PID điều khiển vị trí động - Mơ hình điều khiển động DC servo sử dụng điều khiển PID: - Hàm truyền PID liên tục: Udk (t) = e(t).Kp + Kd 𝑑(𝑒(𝑡)) 𝑑𝑡 + Ki.∫ 𝑒(𝑡)𝑑(𝑡) Trong đó: + Kp, Ki, Kd tham số khâu tỉ lệ, khâu vi phân, khâu tích phân tham sớ PID, tham sớ chọn tính tốn qua phương pháp matlab, khơng có thơng sớ động nên đồ án này, em chọn tham số phương pháp thực nghiệm + e(t) sai số xung encoder đếm từ trục động với xung đặt 31 - Từ e(t) tìm ta đưa vào thuật tốn tính tốn Udk cho động theo phương pháp tuyến tính hóa hàm e(t) sau: Udk = Kp.e(t) + Ki.e_sum + Kd.old_e Trong đó: + e_sum: thành phần tích lũy sai sớ theo thời gian + old_e: thành phần sai số thời điểm (t-1) 4.2 Thuật tốn chi tiết chương trình khiển động 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn điều khiển vị trí động - Trong toán này, em sử dụng phương pháp đếm xung từ encoder từ động để điều khiển góc quay động với lưu đồ thuật tốn điều khiển sau: Trong đó: + Xung sớ xung quy đổi từ vị trí góc mong ḿn điều khiển + PID điều khiển PID điều khiển xung động 32 + Dir chiều quay động cơ, động quay theo chiều dương quy định trước encoder tăng, quay theo chiều âm encoder giảm + Encoder sớ xung quay trục động (vị trí tại) phản hồi từ encoder gắn trục động 4.2.2 Chương trình điều khiển động - Từ ý tưởng sơ đồ thuật toán trên, tiến hành lập trình phần mềm code vision avr gồm chương trình chương trình sau: int encoder,xung,mid=500,max_e=200,max=200; float error,error_sum,old_error,delta,udk,kp=0.59,ki=0.15,kd=0.06; /////////// ngắt điều khiển hướng đếm xung trục động interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { if(PIND.1==1) encoder++; else encoder ; } ////////////////// chương trình hiển thị LCD void hienthilcd(int a) { int nghin, tram, chuc,dv; nghin=a/1000; tram=(a%1000)/100; chuc=(a%100)/10; 33 dv=a%10; lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("EN:"); lcd_putchar(nghin+48); lcd_putchar(tram+48); lcd_putchar(chuc+48); lcd_putchar(dv+48); } ///////////////thuật toán PID int PID() { xung=200; error=xung-encoder; delta=error-old_error; error_sum=error+error_sum; error=old_error; if(error_sum>max_e) error_sum=max_e; if(error_summax) udk=max; 34 if(udk