Trong giai đoạn hiện nay nền khoa học kĩ thuật đã có những bước phát triển đột phá nhất là trong lĩnh vực tự động hóa. Trước đòi hỏi ngày càng cao của nhu cầu cuộc sống hiện nay việc điều khiển không chỉ đơn thần chỉ là đáp ứng được những yêu cầu con người đặt ra mà còn đòi hỏi hệ thống phải có khả năng thích nghi và hiểu được con người. Là một sinh viên trong ngành đo lường điều khiển, việc nắm bắt được các kiến thức liên quan đến lĩnh vực điều khiển tự động là rất quan trọng, điều đó đòi hỏi sinh viên không những phải nắm chắc kiến thức chuyên ngành mà còn phải tiếp cận với thực tế, nghiên cứu áp dụng những kiến thức mình đã học được để trau dồi kĩ năng và kiến thức của mình. Chính vì thế em đã chọn cho mình đề tài điều khiển động cơ như là một cách để tìm hiểu và tiếp cận đến lĩnh vực đo lường điều khiển. Mặc dù đây không phải là một đề tài mới song lượng kiến thức bao hàm ở đây rất nhiều. việc nghiên cứu và tìm hiểu về động cơ DC và cách điều khiển nó không những giúp em củng cố được kiến thức mà qua đó có thể làm sáng tỏ hơn những vần đề liên quan đến việc điều khiển động cơ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương hướng thực đề tài Bố cục khóa luận CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát động điện chiều 3 1.1.1 Nguyên lí, cấu tạo động điện chiều 1.1.2 Phân loại động điện chiều 1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 1.2 Mơ hình hệ thống động điện chiều 1.2.1 Thiết lập vật lý 1.2.2 Phương trình hệ thống CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU BẰNG THUẬT TỐN PID VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 2.1 Phương pháp điều khiển PID 2.2.1 Điều khiển vận tốc 10 2.2.2 Điều khiển vị trí15 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU25 3.1 Giới thiệu linh kiện 25 3.1.1 Vi điều khiển 16F877A 25 3.1.2 Mạch cầu H ( H-Bridge Circuit ) 3.1.3 Text LCD 33 30 3.1.4 Cổng com IC max 232 36 3.1.5 IC cổng logic AND 74HC08 39 3.1.6 Bộ lập mã quang (Optical Encoder) 42 3.2 Thiết kế mạch 44 3.2.1 Mạch nguyên lí 44 3.2.1.2 Khối điều khiển 44 3.2.2 Sản phẩm thực tế 3.3 48 Sơ đồ thuật toán lập trình 50 3.3.1 Sơ đồ thuật tốn 50 3.2.3 Lập trình giao diện giám sát điều khiển máy tính 3.4 Kết đo đạc mơ hình thực tế KẾT LUẬN 55 58 Kết đạt hạn chế đề tài 58 Hướng phát triển 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong giai đoạn khoa học kĩ thuật có bước phát triển đột phá lĩnh vực tự động hóa Trước địi hỏi ngày cao nhu cầu sống việc điều khiển không đơn thần đáp ứng yêu cầu người đặt mà đòi hỏi hệ thống phải có khả thích nghi hiểu người Là sinh viên ngành đo lường điều khiển, việc nắm bắt kiến thức liên quan đến lĩnh vực điều khiển tự động quan trọng, điều địi hỏi sinh viên khơng phải nắm kiến thức chuyên ngành mà phải tiếp cận với thực tế, nghiên cứu áp dụng kiến thức học để trau dồi kĩ kiến thức Chính em chọn cho đề tài điều khiển động cách để tìm hiểu tiếp cận đến lĩnh vực đo lường điều khiển Mặc dù đề tài song lượng kiến thức bao hàm nhiều việc nghiên cứu tìm hiểu động DC cách điều khiển khơng giúp em củng cố kiến thức mà qua làm sáng tỏ vần đề liên quan đến việc điều khiển động Từ có cải tiến giúp cho cấu sử dụng động DC trở nên thông minh linh hoạt Việc nghiên cứu đề tài góp phần đưa hướng việc điều khiển động cơ, tăng thêm khả ứng dụng động DC thực tế Qua đề tài em muốn hệ thống lại kiến thức liên quan đến động điện chiều, đồng thời làm sáng tỏ vấn đề qua việc mơ matlab, để người dễ dàng việc tìm hiểu tiếp cận vấn đề Mục tiêu đề tài Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển động chiều dựa thuật toán PID qua máy tính vi điều khiển Phương hướng thực đề tài Đề tài xây dựng dựa kiến thức động điện chiều lí thuyết điều khiển kết hợp với mô thực tế theo trình tự sau - Tìm hiều nghiên cứu cấu tạo , nguyên lí hoạt động động điện chiều, xây dựng phương trình động học động điện chiều - - Tìm hiểu thuật tốn PID, cách thức điều khiển động điện chiều thuật toán PID Mô matlab phương pháp điều khiển động điện chiều thuật tốn PID từ lựa chọn thơng số phù hợp cho mơ hình thực tế Triển khai xây dựng mơ hình điều khiển động vi điều khiển PIC 16F877A Bố cục khóa luận Nội dung khóa luận phân thành chương sau: Chương Mơ hình hệ thống động điện chiều Chương Phương pháp điều khiển động điện chiều thuật toán PID kết mô Chương Thiết kế xây dựng hệ giám sát điều khiển động điện chiều CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1.Khái quát động điện chiều Hiện động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động chiều từ vài watt đến hàng mê-ga watt Đây loại động đa dạng linh hoạt, đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, hãm với tải trọng nặng Động điện chiều dễ dàng đáp ứng với truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ Trong động điện chiều, biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động Chỉnh lưu thường sử dụng chỉnh lưu cầu pha 1.1.1 Nguyên lí, cấu tạo động điện chiều Giống loại động điện khác, động điện chiều gồm có stator rotor Động điện chiều gồm có stator, rotor, cổ góp chổi điện trình bày hình 1.1 sau Hình 1 Mặt cắt ngang trục động điện chiều Stator: gọi phần cảm, gồm dây quấn kích thích quấn tập trung cực từ stator Các cực từ stator ghép cách điện từ thép kỹ thuật điện dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, gắn gơng từ thép đúc, vỏ máy Rotor: gọi phần ứng, gồm lõi thép phần ứng dây quấn phần ứng lõi thép phần ứng có hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật điện ghép cách điện với Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, đặt vào rãnh lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor nối tiếp thông qua góp cổ góp Lõi thép phần ứng cổ góp cố định trục rotor Cổ góp chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dịng điện dây quấn phần ứng 1.1.2 Phân loại động điện chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động điện chiều thành loại sau: Động điện chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, từ thơng kích từ tạo nam châm vĩnh cữu, người ta gọi động điện chiều kích thích vĩnh cửu Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ song song thường cuộn chủ đạo Hình 1.2 trình bày loại động điện chiều Hình Các loại động điện chiều a) Động điện chiều kích từ độc lập b) Động điện chiều kích từ song song c) Động điện chiều kích từ nối tiếp d) Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Ưu điểm động điện chiều so với loại động điện khác khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng, điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, điều kiện bình thường, cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động điện chiều Đối với hệ thống truyền động điện chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động điện chiều kích từ độc lập Trong phạm vi khóa luận này, xét khả điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập 1.2.Mơ hình hệ thống động điện chiều 1.2.1 Thiết lập vật lý Động điện chiều thành phần quan trọng cấu chấp hành Nó cung cấp trực tiếp chuyển động quay chuyển động tinh tiến thông qua cấu truyền động Mạch điện tương đương phần ứng phần thân tự rotor thể hình 1.2.1 Hình Sơ đồ mạch điện động chiều Trong ví dụ này, giả sử đầu vào hệ thống nguồn điện áp (V) áp dụng cho phần ứng động cơ, đầu tốc độ quay trục d ( theta ) / dt Roto trục coi cố định với Giả thiết mô hình ma sát nhớt, mơ-men xoắn lực ma sát ma sát tỉ lệ với vận tốc góc trục Các thơng số vật lý ví dụ là: 1.2.2 (J) moment quán tính rotor 0,01 kg.m ^ (b) số ma sát nhớt motor 0,1 NMS (Ke) số suất điện động 0,01 V / rad / giây (Kt) số mô-men xoắn động 0,01 Nm / Amp (R) điện trở Ohm (L) điện cảm 0,5 H Phương trình hệ thống Nhìn chung, mơ-men xoắn tạo động chiều tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng độ lớn từ trường Trong ví dụ này, giả định từ trường khơng đổi, đó, mơ-men xoắn động tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng i số K t phương trình Đây coi cách điều khiển phần ứng động điện chiều (1.1) Suất điện động phản hồi e tỷ lệ thuận với vận tốc góc trục động số Ke (1.2) Trong đơn vị SI, mô-men xoắn động suất điện động phản hồi nhau, có nghĩa là, Kt = Ke , ta sử dụng K thay cho hai số mômen xoắn động số suất điện động phản hồi Từ hình trên, lấy đạo hàm phương trình điều khiển sau dựa định luật Newton định luật Kirchhoff điện (1.3) 1.2.2.1 Hàm truyền Áp dụng biến đổi Laplace, phương trình mơ hình thể biến Laplace s (1.4) (1.5) Bằng cách loại bỏ từ hai phương trình có hàm truyền vịng hở sau, tốc độ quay coi đầu điện áp phần ứng coi đầu vào (1.6) Trong trường hợp điều khiển vị trí vị trí trục động coi đầu ra, có ví trí cách tích phân tốc độ, cần chia hàm truyền cho s (1.7) 1.2.2.2 Không gian trạng thái Ở dạng không gian trạng thái, phương trình điều khiển thể cách chọn tốc độ quay dòng điện biến trạng thái Một lần nữa, điện áp phần ứng coi đầu vào tốc độ quay chọn đầu (1.8) Tương tự với trường hợp điều khiển vị trí, chọn vị trí động cơ, tốc độ quay dòng điện biến trạng thái ta có (1.9) CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU BẰNG THUẬT TOÁN PID VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mơ hình tổng qt hệ điều khiển vịng kín có phản hồi hình 2.1 Hình Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vịng kín Trong đó: - x tín hiệu vào mong muốn (điểm đặt) - y tín hiệu - u tín hiệu điều khiển - e sai lệch điểm đặt tín hiệu Với động chiều, có loại điều khiển cần quan tâm: - Điều khiển tốc độ trục quay motor tới giá trị đặt trước (setting speed) - Điều khiển vị trí góc quay trục motor tới giá trị đặt trước (setting position/rotation angle) Có nhiều phương pháp để điều khiển nhằm đảm bảo hệ thống đạt tới giá trị đặt trước (điểm đặt) cách tối ưu, ổn định: nghĩa có thời gian đáp ứng nhanh khơng q lố… Bản khóa luận quan tâm tới phương pháp điều khiển PID phương pháp sử dụng có hiệu Dưới mô tả phương pháp điều khiển PID kết mô phần mềm matlab 2.1 Phương pháp điều khiển PID Xét hệ điều khiển phản hồi hình sau 10 l++; } if(RB5&&RA3) { key[l]='0'; key[l+1]='\0'; l++; } /********************/ if(RB6&&RA0) { key[l]='3'; key[l+1]='\0'; l++; } if(RB6&&RA1) { key[l]='6'; key[l+1]='\0'; l++; } if(RB6&&RA2) { 67 key[l]='9'; key[l+1]='\0'; l++; } if(RB6&&RA3) { if(l>0) { vset = atof(key); key[0]='\0'; l=0; } } /*******************/ if(RB7&&RA0) { vset=-vset; } if(RB7&&RA1) { dung(); } if(RB7&&RA2) 68 { vset=vset+5; } if(RB7&&RA3) { vset=vset-5; } /*******************/ RBIF=0; //Xoa co ngat RB } } void pid() { //Kp=15; //Ki=0; //Kd=0; e2=vset-vtb; ppart=Kp*e2; dpart=Kd*(e2-e1); ipart=ipart+ Ki*e2; output= output + (ppart + dpart+ ipart); e1=e2; //! if (ipart>4000) ipart=4000; 69 //! if (ipart4000) ppart=4000; //! if (ppart4000) dpart=4000; //! if (dpart=30600) output=30600; if (output 25) e2=25; if(e2400) ipart=400; //! if (ipart400) ppart=400; //! if (ppart400) dpart=400; 78 //! if (dpart=30600) output=30600; if (output 0) quaythuan(); else if(e2