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 MÔN HỌC PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN

TỬ

2

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẤN SỰ

Khoa Hàng không Vũ trụ -* -

Hoàng Hải Huy

Lê Thế Trung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: “Điều khiển vị trí động cơ DC servo”

Giáo viên Hướng dẫn: Hoàng Quang Chính Cấp bậc: Trung tá

Đơn vị: Bộ môn Rôbốt đặc biệt và Cơ điện tử

3

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Vai trò và ý nghĩa của bài toán, khả năng ứng dụng trong ngành CĐT (4)

1.2 Mục đích và những yêu cầu của đồ án ( 5)

1.3 Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án (5)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC VÀ ỨNG DỤNG 2.1 cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều (6)

2.1.1 Cấu tạo (6)

2.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều (7)

2.1.3 Nguyên lý hoạt động (8)

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều (9)

2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều (9)

2.2.2.Phương pháp điều khiển vị trí động cơ một chiều (11)

2.3.Ứng dụng của động cơ điện một chiều (12)

2.4.Encoder xung quang tương đối (13)

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của encoder tương đối (13)

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT 3.1 Tổng quan về AVR (17)

3.1.1.Giới thiệu về vi điều khiển (17)

3.1.2.Các bộ vi điều khiển AVR (19)

3.1.3.Tổng quan về Atmega16 (20)

3.2 Phần tử công suất (23)

3.2.1 IC nguồn LM2576 5V và 12 V (23)

3.2.2 Modul điều khiển động cơ L298 (26)

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO 4.1 Xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển động cơ DC servo (29)

4.1.1 Xây dựng mô hình toán học động cơ một chiều (29)

4.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển vị trí động cơ (30)

4.2.2 Chương trình điều khiển động cơ (32)

Kết luận và hướng phất triển đồ án (35)

4

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.Vai trò và ý nghĩa của bài toán Khả năng ứng dụng trong ngành CĐT

Trong thực tế ngày nay, động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều các lĩnh vực của đời sống và khoa học như : trong các dây chuyền sản xuất, xe máy, xe điện, hàng không vũ trụ,… Bài toán điều khiển vị trí động cơ một chiều là bài toán

cơ bản, điển hình trong ngành cơ điện tử.Phương pháp điều khiển vị trí được sử dụng rộng rãi Chúng ta có thể bắt gặp trong rất nhiều các máy công cụ chính xác như: máy phay, máy tiện CNC, Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, điển hình như trong điều khiển các tay máy robot trong các hệ thống sản xuất : robot gắp phôi, hàn, khoan, lắp ráp, phun sơn

1.2.Mục đích và những yêu cầu của đồ án

Những vấn đề cần giải quyết trong đề tài:

- Tìm hiểu về vi điều khiển

- Tìm hiểu về động cơ điện một chiều DC servo

- Thiết kế driver điều khiển vị trí

5

- Lập trình điều khiển,mô phỏng

- Liên kết giữa phần cứng và phần mềm

1.3.Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đề tài, thiết kế mạch điều khiển vị trí, lập trình gồm những nội dung sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Tổng quan về động cơ DC servo và ứng dụng:

- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động,các phương pháp điều khiển, ứng dụng của động cơ điện DC servo

Chương 3: Tổng quan về vi điều khiển và các phần tử công suất:

- Trình bày tổng quan về họ vi điều khiển AVR

- Trình bày một số phần tử công suất thường dùng để thiết kế mạch công suất

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển vị trí đông cơ DC servo:

- Thiết kế mạch điều khiển vị trí động cơ DC servo

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển PID cho bài toán điều khiển vị trí động cơ

- Sử dụng mạch công suất đã thiết kế kết hợp với bộ điều khiển PID, phương pháp điều khiển động cơ DC theo vị trí

- Thử nghiệm

Chương 5: Thực hiện điều khiển động cơ:

- Xây dựng mô hình toán học của động cơ DC

- Thành lập sơ đồ thuật toán điều khiển

- Lập trình điều khiển động cơ

6

 Phạm vi nghiên cứu :

 Thiết bị điều khiển : mạch học tập atmega16

 Động cơ 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 và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 2.1.1 Cấu tạo

Hình 2 1:Động cơ một chiều

Động cơ một chiều gồm hai phần chính : Stato và Rôto.Ngoài ra, còn có các bộ phận như: cổ góp, chổi than, trục, ổ bi, nắp, vỏ và encoder.Trong động cơ DC-servo thì đĩa encoder lắp trên trục động cơ, một mạch cảm biến đếm xung encoder phản hồi về vi điều khiển(VĐK)

+ Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải

+ Có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.Còn động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền

- Nhược điểm:

9

So với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn

2.1.3.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực điện từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

10

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều

- Điều khiển tốc độ động cơ một chiều

- Điều khiển vị trí động cơ một chiều

2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một 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 là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều Nguyên lý điều khiển : Cho U = Uđm , Ф = Фđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

- Đặc điểm của phương pháp :

Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.Phương pháp này

11

chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực

tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

- Đánh giá các chỉ tiêu:

Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh

D = 𝜔max/𝜔min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 :

1 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

b Phương pháp thay đổi từ thông Ф

- Nguyên lý điều khiển :

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì

ta phải giảm mômentheo cùng tỉ lệ

- Đặc điểm của phương pháp:

Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi

- Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển:

12

Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1 Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Ф ≈ 1

Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

c Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng :

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết

bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển

Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

+ Nhận xét : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao

13

Trong nghiên cứu và thực hiện đề tài này em sử dụng phương pháp điều chế xung PWM, là một phương pháp phổ biến trong điều khiển động cơ DC

d Phương pháp điều chế xung PWM

Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra hay điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải

và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn

PWM được sử dụng phổ biến trong động cơ để điều khiển động cơ như là nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nó, được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều

2.2.2.Phương pháp điều khiển vị trí động cơ một chiều

Nguyên tắc xây dụng hệ điều chỉnh vị trí:

Trong hệ điều khiển vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đặt φd) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc hệ điều khiển.Thông thường, lượng điều khiển φd là một hàm của thời gian, có thể là hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hay tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parapol và hàm điều hòa

Tùy thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch hoặc hệ thống điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tùy động)

Trong hệ điều khiển truyền động, vị trí chuyển dịch trong các chỉ tiêu chất lượng chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác động nhanh của hệ Điều này liên quan đến giản đồ tối ưu về tốc độ ω(t), gia tốc ε(t) và vị trí φ(t) Để xây dựng hệ

14

điều khiển, ta dựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện trên nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động

2.3.Ứng dụng của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng:

- Trong đời sống hiện nay : Động cơ điện dùng trong quạt điện, máy sấy tóc, máy say sinh tố, …

- Trong nông nghiệp : Động cơ điện dùng trong máy bơm, máy tuốt lúa, máy xay xát, …

- Trong giao thông vận tải : Động cơ điện dùng trong xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện, tàu điện, …

- Trong công nghiệp : Động cơ điện dùng trong các máy công nghiệp, máy tiện, máy phay, các máy CNC hiện đại, trong các cánh tay robot, máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện,

Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng

cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

2.4.Encoder xung quang tương đối

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định

Hình 2.6: Cấu tạo encoder tương đối

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index) Trong Hình 2.6, ta thấy một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này Đó là kênh I của encoder Cứ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế, kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự

16

kờnh I, điểm khỏc nhau là trong 1 vũng quay của motor, cú N “xung” xuất hiện trờn kờnh A N là sụ́ rónh trờn đĩa và được gọi là độ phõn giải (resolution) của encoder Mỗi loại encoder cú độ phõn giải khỏc nhau, cú khi trờn mỗi đĩa chĩ cú vài rónh nhưng cũng cú trường hợp đến hàng nghỡn rónh được chia Để điều khiển động cơ,

ta phải biết độ phõn giải của encoder đang dựng Độ phõn giải ảnh hưởng đến độ chớnh xỏc điều khiển và cả phương phỏp điều khiển Khụng được vẽ trong Hỡnh 2.6, tuy nhiờn trờn cỏc encoder cũn cú một cặp thu phỏt khỏc được đặt trờn cựng đường trũn với kờnh A nhưng lệch một chỳt (lệch M+0,5 rónh), đõy là kờnh B của encoder Tớn hiệu xung từ kờnh B cú cựng tần sụ́ với kờnh A nhưng lệch pha 90 Bằng cỏch phụ́i hợp kờnh A và B,ta sẽ biết chiều quay của động cơ

b.Nguyờn lý làm việc của encoder tương đối

Một cảm biến quang đơn khụng thể truyền đạt được thụng tin về chiều quay

của đĩa.Vỡ vậy,một hệ ta sử dụng hai cảm biến quang Trờn Hỡnh 2.7 minh họa hai

cảm biến V1 và V2 được bụ́ trớ cựng trờn một đường và lệch với nhau Giả sử V1

ban đầu tắt (OFF), cũn V2 bật (ON) Tưởng tượng rằng đĩa bắt đầu quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW - counterclockwise) Điều đầu tiờn mà nú xảy ra là V1 sẽ

ON hoàn toàn, trong khi V2 vẫn giữ ON Sau khi quay nhiều hơn, V2 sẽ OFF, và sau một chỳt V1 cũng sẽ OFF Hỡnh dưới phần b chỉ ra dạng súng của V1 và V2

(a) Hai cảm biến quang đ-ợc sắp xếp để xác định chiều quay

(b) Dạng sóng khi quay theo chiều ng-ợc chiều kim đồng hồ

(c) Dạng sóng khi quay theo chiều chiều kim đồng hồ

17

Phần cứng của encoder xung đơn giản hơn so với encoder tuyệt đối.Vì lý đơn giản này là chúng ta không nhận được thông tin về vị trí trực tiếp dưới dạng mã nhị phân từ V1 và V2.Thay vào đó, một mạch giải mã phải được đưa vào để chuyển đổi tín hiệu từ các cảm biến quang thành các từ nhị phân.Thực tế, mạch này có hai phần: Phần thứ nhất xác định thông tin về chiều quay, và phần thứ hai là một bộ đếm tăng - giảm (an up-down counter) để đếm số rãnh Sơ đồ khối của mạch này

được trình bày trên Hình 2.7 Nhìn trên sơ đồ chúng ta thấy V1 và V2 được chuyển

đổi thành hai tín hiệu mới ký hiệu là “count-down” và “count-up”

Hình 2.7: Sơ đồ khối của mạch giải mã

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN

TỬ CÔNG SUẤT 3.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AVR

3.1.1.Giới thiệu về vi điều khiển

Khái niệm vi điều khiển (microcontroller – MC) đã khá quen thuộc với các sinh viên CNTT, điện tử, điều khiển tự động,Cơ điện tử… Nó là một trong những

IC thích hợp nhất để thay thế các IC số trong việc thiết kế mạch logic Ngày nay đã

có những MC tích hợp đủ tất cả các chức năng của mạch logic Nói như vậy không

có nghĩa là các IC số cũng như các IC mạch số lập trình được khác như PLC… không cần dùng nữa MC cũng có những hạn chế mà rõ ràng nhất là tốc độ chậm hơn các mạch logic… MC cũng là một máy tính – máy tính nhúng vì nó có đầy đủ

18

chức năng của một máy tính Có CPU, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, có I/O

và các bus trao đổi dữ liệu Cần phân biệt khái niệm MC với khái niệm vi xử lý (microprocessor – MP) như 8088 chẳng hạn MP chỉ là CPU mà không có các thành phần khác như bộ nhớ I/O, bộ nhớ Muốn sử dụng MP cần thêm các chức năng này, lúc này người ta gọi nó là hệ vi xử lý (microprocessor system) Do đặc điểm này nên nếu để lựa chọn giữa MC và MP trong một mạch điện tử nào đó thì tất nhiên người ta sẽ chọn MC vì nó sẽ rẻ tiền hơn nhiều do đã tích hợp các chức năng khác vào trong chip Vậy để một vi điều khiển chạy được thì cần những điều kiện gì :

Thứ nhất là nguồn cấp.Nguồn cấp là cái đầu tiên, cơ bản nhất trong các mạch điện tử.Không có nguồn thì không thể gọi là 1 mạch điện được Nguồn cấp cho vi điều khiển là nguồn 1 chiều

Thứ hai là mạch dao động.Giả sử khi lập trình cho con AVR : đến thời điểm

A làm 1 công việc gì đó, thế thì nó lấy cái gì để xác định được thời điểm nào là thời điểm A ? Đó chính là mạch dao động Ví dụ như mọi người đều thống nhất vào một giờ chuẩn để làm việc Cả hệ thống vi điều khiển cũng vậy, cả hệ thống khi đó đều lấy xung nhịp clock – xung nhịp mạch dao động làm xung nhịp chuẩn để hoạt động

Thứ ba là ngoại vi.Ngoại vi ở đây là các thiết bị để giao tiếp với vi điều khiển để thực hiện 1 nhiệm vụ nào đó mà vi điều khiển đưa ra Ví dụ như muốn