BÁO cáo THỰC tập kĩ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN THỰC TẬP KĨ THUẬT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN HOÀI NAM Sinh viên thực : PHẠM TÂN LONG MSSV: 20142700 TRẦN DOÃN XUÂN MSSV: 21045354 TRẦN XUÂN TIẾN MSSV: 20144499 NGUYỄN VĂN CƯỜNG MSSV: 20140607 HÀ NỘI-08/2017 Chương 1: Đối tượng điều khiển 1.1 Động DC Đối tượng nghiên cứu đồ án động chiều DC giảm tốc sử dụng encoder để xác định vị trí tốc độ động Thông số động encoder cho Bảng Bảng 1.1: Thông số động DC Thơng số thiết bị Động DC: • Điện áp định mức: U dm = 12V • Tốc độ khơng tải định mức: ndm = 4284 • (vòng/phút) Cơng suất định mức: Pdm = 12.6W • Dòng điện khởi động: ikdm = 6.3 A 1.2 Encoder động cơ: • Nguồn: 5V • 26xung/vòng Xây dựng mơ hình tốn học Hình ảnh Hình 1.1: Sơ đồ ngun lí động chiều kích từ độc lập uu = Riu + L Áp dụng đinh luật Kirchoff 1, ta có: Trong đó: R L diu + eu dt (1.1) : điện trở phần ứng : Điện cảm phần ứng Tu = L R Sức điện động cảm ứng: Tốc độ quay: eu = k Aφω dω = (M − M c ) dt J Moment quay: M = (k Aφ )i (1.2) (1.3) (1.4) Từ phương trình động học trên, ta xậy dựng sơ đồ cấu trúc điều khiển động chiều Hình 1.2: Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển động chiều Ở chế độ khơng tải ta có Mc = kφ k R + (kφ ) ω ( s) = U (s) = U ( s) RTu + Ts 1+ s R + (kφ ) (1.5 1.3 Mục đích phương pháp điều khiểu • • Mục đích điều khiển: Thiết lập trì vận tốc động giá trị đặt Phương pháp điều khiển: - Sử dụng phương pháp PWM (điều chế độ rộng xung) để điều chỉnh điện áp cấp cho động Dạng điện áp cấp cho động biễu diễn Hình 1.3  - - Hình 3: Dạng điện áp cấp cho động DC t U dc = x U ng Ts Điện áp trung bình cấp cho động : (1.6)  Thay đổi độ rộng xung PWM làm thay đổi điện áp cấp cho động cơ, từ thay đổi vận tốc động Ta xây dựng vòng điều khiển tốc độ, thực đo liên tục tốc độ động nhờ encoder phản hồi lại điều khiển để tính tốn, hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển để thay đổi độ rộng xung PWM cấp cho động Bộ điều khiển mà ta sử dụng điều khiển PID Giải thuật PID xây dựng AVR AVR thực Cụ thể trình hoạt động hệ thống sau: + AVR phát xung PWM cho mạch công suất, ta sử dụng mạch cầu H (chip L298) + AVR đọc số xung từ encoder tính vận tốc động Việc đọc số xung từ encoder thực ngắt + Giải thuật PID AVR thực tính tín hiệu điều khiển điều chỉnh độ rộng xung PWM cấp cho mạch cầu H + Tốc độ mong muốn, tốc độ thực, đồ thị biễu diễn giao diện người dùng Chương 2: Tổng quan điều khiển PID giải thuật PID số 2.1 Bộ điều khiển PID Cấu trúc đặc trưng hệ kín sử dụng điều khiển PID thể Hình 2.1: Hình 2.1: Cấu trúc đặc trưng điều khiển PID Proportional: tỉ lệ, integral: tích phân, derivative: vi phân Trong điều khiển PID, tín hiệu sai lệch tĩnh e(t ) sử dụng để thực lấy tỉ lệ, tích phân vi phân sau tổng hợp lại tạo tín hiệu u (t ) đưa vào đối tượng điều khiển Biểu thức toán học: t  de(t )  u (t ) = K p e(t ) + ∫ e(τ )dτ + Td  Ti dt   Với u (t ) e(t ) = r (t ) − y (t ) (2.1) tín hiệu đầu vào đối tượng điều khiển, tín hiệu sai lệnh tĩnh với r (t ) tín hiệu đặt đầu vào G = Kp + Hàm truyền đạt điều khiển: Ki = Kp Với Ti Ki + Kd s s (2.2) , K d = K pTd K p , Ki , K d hệ số khuếch đại tỉ lệ, tích phân, vi phân thời gian tích phân vi phân Ti , Td số Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh trình thơng qua phần tử điều Nhờ vậy, giá trị làm sáng tỏ quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ, D dự đoán sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi + Chức thành phần: Khâu tỉ lệ: Tác động khâu tỉ lệ thể thông qua giá trị hệ số khuếch đại Kp Khi Kp tăng tốc độ đáp ứng hệ tăng, sai lệch tĩnh giảm đồng thời độ điều chỉnh tăng Khi Kp tăng lớn hệ trở nên ổn định Khâu tích phân: Tác động khâu vi phân thể thông qua giá trị Khi Ti Ti tăng độ q điều chỉnh có xu hướng giảm hệ dao động mạnh tốc độ đáp ứng hệ chậm Khâu tích phân triệt tiêu sai lệch tĩnh Khâu vi phân: Tác động khâu vi phân thể hiên thông qua giá trị Td Khi Td tăng độ điều chỉnh độ điều chỉnh nhỏ Hai phương pháp xác định tham số điều khiển PID ZieglerNichols 2.2.1 Phương pháp chỉnh định Ziegler-Nichols thứ 2.2 Trong phương pháp này, xấp xỉ đối tượng điều khiển khâu G ( s) = qn tính bậc có trễ ke − Ls + Ts có đáp ứng bước nhảy Hình 2.2 Hình 2.2: Đáp ứng bước nhảy đối tượng Các tham số k , L, T xác định gần cách: + k h∞ = lim h(t ) giá trị giới hạn : t →∞ + Kẻ đường thằng tiếp tuyến h(t ) điểm uốn Khi hồnh độ giao điểm tiếp tuyến trục hoành, T thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị đến Từ tham số k , L, T tìm tính a = kL / T L khoảng k Các tham số điều khiển tính Bảng 2.1: Bảng 2.1: Tham số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Bộ điều khiển Kp P PI PID 1/a 0.9/a 1.2/a 2.2.2 Td Ti 10L/3 2L L/2 Phương pháp chỉnh định Ziegler-Nichols thứ 2: Phương pháp Ziegler-Nichols dựa tham số đặc tính dao động tới hạn hệ kín (đặc tín tần số) xác định qua thực nghiệm Hệ số khuếch đại tới hạn kth trình giá trị khuếch đại mà điều khiển P đưa vòng kín tới trạng thái dao động điều hòa tức hệ biên giới ổn định dao động tới hạn Tth gọi chu kì Hình 2.3: Xác định số khuếch đại tới hạn Các tham số điều khiển tính Bảng 2.2: Bảng 2.2: Tham số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Bộ điều khiển Ti Td kth P 0.5 PI 0.4 PID 2.3 Kp 0.6 kth kth 0.8 Tth 0.5 Tth 0.12 Tth Giải thuật PID số Công thức điều khiển PID (3) dạng hàm liên tục biến sai lệch e, có thành phần tỉ lệ, tích phân vi phân Tuy nhiên hệ thống máy tính hệ thống vi điều khiển lại hệ thống số Muốn xây dựng điều khiển PID máy tính hay vi điều khiển ta phải xấp xỉ hàm liên tục 2.3.1 dạng rời rạc Thời gian lấy mẫu Máy tính điều khiển hệ thống lấy mẫu theo chu kì, ta bỏ qua giá trị hay biến thiên biến hai lần lấy mẫu Đối với hệ thống có chức điều khiển xác, vào trạng thái biến mẫu phải chấp nhận Hình 3.2: Hình ảnh thực tế vi điều khiển ATmega 16 Hình 3.3: Sơ đồ chân Atmega 16 Ý nghĩa chân: + Chân VCC: Chân số 10 chân VCC cấp nguồn cho vi điều khiển Nguồn điện cấp khoảng +5V±0.5V + Chân GND: Chân 11 chân số 31 nối đất (nối Mass).Khi thiết kế cần sử dụng mạch ổn áp để bảo vệ cho vi điều khiển, cách đơn giản sử dụng IC ổn áp 7805 +Port A (PA): Port A gồm chân (từ 33 đến 40), chức đầu vào cho chuyển đổi ADC +Port B (PB): Port B gồm chân (từ đến 8), chức làm đường xuất/nhập có nhiều chức phụ khác +Port C (PC): Port C gồm chân (từ chân 22 đến 29): Nếu giao tiếp JTAG kích hoạt điện trở PC5(TDI),PC3(TMS), PC2(TCK) kích hoạt khởi động lại +Port D (PD): Port D gồm chân (từ chân 14 đến 21) chức xuất nhập +Chân RESET (RST): Dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển.Hệ thống thiết lập lại giá trị ban đầu ngõ mức tối thiểu chu kì máy +Chân XTAL1 XTAL2: Hai chân có vị trí 12 13 sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên để hoạt động, thưởng ghép nối với thạch anh tụ để tạo nguồn clock ổn định +Chân AVCC: Nguồn cấp cho cổng A, chuyển đổi ADC, chân nối với nguồn cấp VCC bên ADC không sử dụng +Chân AREF: chân chuẩn analog cho chuyển đổi ADC  Encoder động Encoder gắn trục động loại encoder quang Ở ta dụng loại encoder tương đối (incremental optical encoder) Hình 3.4: Cấu tạo encoder Như hình ta thấy Encoder gồm đĩa gắn vào trục động cơ, cặp thu phát tín hiệu (cảm biến quang) Bên ngồi đĩa chia thành rãnh nhỏ, số rãnh độ phân giải encoder, encoder ta sử dụng có độ phân giải 26 xung/vòng Khi động quay có tín hiệu xung vuông xuất ngõ (kênh) A B, số xung vuông xuất vòng quay động độ phân giải encoder.Tín hiệu từ xung từ kênh B có tần số với kênh A lệch pha 90º.Bằng cách phối hợp kênh A B ta đọc chiều quay động Nhưng phần ta cần đo tốc độ động cần sử dụng kênh A B đủ Tín hiệu từ từ kênh A đưa vào chân ngắt vi điều khiển, có xung kênh A ngắt xuất hiện, tăng giá trị biến đếm xung lên 1.Giả sử khoảng thời gian 1s vi điều khiển đếm n xung kênh A.Từ ta tính tốc độ đông theo công thức sau: V= Với N n N = (vòng/s) 60n N (vòng/phút) độ phân giải encoder Encoder mà ta sử dụng có dây: Màu dây Tên dây Vin+( nguồn cấp cho động cơ) Vin-( nguồn cấp cho động cơ) 5V(nguồn cấp cho encoder) GND Kênh B Kênh A Đỏ Đen Xanh lam Xanh lục Vàng Trắng  Mạch cầu (driver): Mạch cầu ta sử dụng IC L298.L298 chip tích hợp mạch cầu H gói 15 chân.Điện áp danh nghĩa lớn lên tới 50V, dòng điện danh nghĩa lớn 2A Hình 3.5: Cầu L298 sơ đồ chân Các chân từ 1,2,3,5,6,7 cho cầu 1, chân 10,11,12,13,14,15 cho cầu Bằng cách đưa tín hiệu PWM tín hiệu điều hướng DIR thích hợp vào cầu ta vừa điều khiển tốc độ vừa điều khiển chiều quay động phần nói chi tiết phân thiết kế phần cứng 3.3 Thiết kế phần cứng  Mạch nguồn Điện áp 5V tạo từ điện áp 12V cách sử dụng Ic ổn áp 7805 Hình 3.6: Mạch nguồn 5V  Mạch điều khiển Hình 3.7: Mạch điều khiển Từ hình vẽ ngun lí:  o o Ta sử dụng Port C để xuất liệu điều khiển hiển thị LCD Các nút ấn để bật tắt động (On/Off), tăng giảm tốc độ ( lần tăng o giảm 50v/p), đảo chiều động cơ(Thuan/Nguoc) Các chân Txd, Rxd nối với module USB –Com UART để giao tiếp o với máy tính Chân PWM(OC1A) ,DIR(PB1) cấp cho mạch Driver điều khiển tốc độ đảo chiều động Mạch driver Hình 3.8: Mạch Driver Các chân Out1 , Out2 cấp nguồn cho động 3.4 Kiến trúc phần mềm 3.4.1 Thuật toán PID vi điều khiển Công thức điều khiển PID miền thời gian là: t  de(t )  u (t ) = K p e(t ) + ∫ e(τ )dτ + Td  Ti dt   Với u (t ) tín hiệu điều khiển, e(t ) tín hiệu sai lệch tĩnh Để thực điều khiển PID vi điều khiển (bộ điều khiển PID số), phải chuyển đổi thành phần P-I-D điều khiển từ miền liên tục sang miền gián đoạn.Bộ điều khiển PID số đọc vào sai số giá trị đặt giá trị thời, thực tính tốn đầu khoảng thời gian cho trước, gọi thời gian trích mẫu T Ta thực xấp xỉ thành phần P-I-D điều khiển sau: Với thành phần P: u p (t ) = K p e(t ) u p (k ) ≈ k p ek Thưc xấp xỉ: Với thành phần I: t ui = k p ∫ e(τ ) dτ Ti Thực xấp xỉ : T ui ≈ k p Ti T k −1 T ei−1 ⇒ ui (k − 1) ≈ k p ∑ ei−1 ⇒ ui ( k ) ≈ ui (k − 1) + k p ei−1 ∑ Ti i=1 Ti i =1 k Với thành phần D: ud = k pTd de(t ) dt Thực xấp xỉ: ud (k ) ≈ k pTd ek − ek −1 T Như đầu điều khiển PID số sau: u ≈ u p (k ) + ui (k ) + ud (k ) Với thông số động thực thế, ta chọn thời gian trích mẫu 0.5s lưu đồ thuật tốn sau: Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán PID 3.4.2 Sơ đồ cấu trúc chương trình Các hàm vi điều khiển bao gồm: - Chương trình ( Main function) Đo đọc tốc độ động Điều khiển động - Truyền tốc độ động lên máy tính Đọc giá trị đặt (SP) tham số điều khiển Chương trình bao gồm: đọc giá trị nút ấn , thị LCD Vòng lặp điềukhiển tốc độ: định thời gian trích mẫu Timer2, phát xung PWM Timer1 Tốc độ động đo việc sử dụng ngắt (INT2 kênh A Encoder) Truyền thơng với máy tính HMI sử dụng UART (ngắt) 3.5 Giao diện HMI máy tính Hình 3.10: Lưu đồ thuật tốn chương trình Để thuận tiện cho việc quan sát đáp ứng đối tượng cách trực quan, đánh giá chất lượng hệ điều khiển cách nhanh chóng, ta xây dựng phần mềm PC thực truyền nhận liệu qua UART với thiết bị, có giao diện Hình 3.10 Hình 3.11: Giao diện người dùng máy tính Phần mềm xây dựng ngôn ngữ C# Visual Studio Các thành phần giao diện gồm: - The Graph of Desired Velocity and Real Velocity: đồ thị tốc độ động - theo thời gian Set a Com gate: lựa chọn cổng giao tieepsUART, tốc độ Baudrate, số bit - liệu, bit kiểm tra chẵn lẻ, Stop bit Connect/Disconnect: để bắt đầu hay dừng kết nối với thiết bị Input: giá trị cài đặt SP, Kp, Ki Send: Gửi liệu Start/Stop: bắt đầu , dừng vẽ đồ thị Real Velocity: thị giá trị tốc độ Chương 4: Kết thực nghiệm hướng phát triển 4.1 Kết đạt • Ưu điểm: Nhìn lại kết đạt trình làm đồ án, chúng em nhận thấy đạt mục tiêu ban đầu đặt thiết kế xây dựng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển cho động chiều: - Về mặt thiết bị: vận hành ổn định, tin cậy, thỏa mãn tốt yêu cầu từ đo, truyền thông đến điều khiển - Về mặt điều khiển: vận dụng thành công kiến thức học để thiết kế điều khiển, tiến hành mô chạy thực tế cho • kết đạt u cầu Hạn chế: Nhìn vào đáp ứng đầu ta thấy, đáp ứng đầu có thời gian đáp ứng tương đối chậm, có độ điều chỉnh Hình 4.1: Mạch điều khiển hệ thống Hình 4.2: Kết thị LCD Hình 4.3: Kết chạy thực 4.2 Tính thực tế sản phẩm • Sản phẩm ứng dụng sản phẩm ô tô đồ chơi trẻ em dùng điều khiển tay, xe dò đường… 4.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển Hướng cải tiến: • Phát triển module board mạch để sản phẩm thống đỡ rối mắt phải nối nhiều dây • Nhận dạng đối tượng để xác định xác mơ hình đối tượng thực tế, từ thiết kế xác điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển  Hướng phát triển: • Xây dựng thêm vòng điều khiển dòng bên mạch chạy ổn định khởi động lắp thêm tải • Có thể kết hợp điều khiển từ xa kết nối với ứng dụng thông minh điện thoại để có điều khiển tốt  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2016 [2] Hoàng Minh Sơn: Cơ sở hệ thống điều khiển trình NXB Bách khoa Hà Nội,2016 ... Việc đọc số xung từ encoder thực ngắt + Giải thuật PID AVR thực tính tín hiệu điều khiển điều chỉnh độ rộng xung PWM cấp cho mạch cầu H + Tốc độ mong muốn, tốc độ thực, đồ thị biễu diễn giao... 2.3.2 • • f s ≥ f max Xây dựng thuật toán điều khiển Thuật toán điều khiển tỉ lệ: P = K pe quan hệ tuyến tính nên ta áp dụng trực tiếp mà khơng cần phải xấp xỉ Thuật tốn điều khiển vi phân: P... sau: u ≈ u p (k ) + ui (k ) + ud (k ) Với thông số động thực thế, ta chọn thời gian trích mẫu 0.5s lưu đồ thuật tốn sau: Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn PID 3.4.2 Sơ đồ cấu trúc chương trình Các hàm