Điều khiển tốc độ động cơ dc sử dụng bộ điều khiển pid số

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S Đinh Văn Nam Sinh viên thực : Đặng Phúc Văn MSSV : 1151080440 Lớp : 52K - ĐTVT Nghệ An - 2016 MỤC LỤC Trang CÁC TỪ VIẾT TẮT i TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niện chung máy điện .2 1.2 Động điện chiều .2 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Nguyên lí làm việc động điện chiều .4 1.2.3 Phân loại động điện chiều .5 1.2.4 Các thông số ảnh hƣởng 1.2.5 Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ song song 1.2.6 Hệ thống diều khiển tự động 11 1.2.7 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung .16 CHƢƠNG II 19 GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TRONG MẠCH 19 2.1 Khối vi điều khiển PIC 18F4431 .19 2.1.1 Tổ chức nhớ .22 2.1.2 Khái quát chức Port PIC18F4431 24 2.2 Mạch nạp 27 2.3 Khối hiển thị .27 2.4 Mạch cầu 28 2.4.2 Mạch cầu H L298D 28 2.5 Đối tƣợng điều khiển : Động DC 29 2.6 Phần mềm thực chƣơng trình 30 2.6.1 Phần mềm CCS lập trình cho PIC 30 CHƢƠNG III 35 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35 3.1 Thiết kế phần cứng .35 3.1.1 Sơ đồ khối 35 3.1.2 Khối nguồn 36 3.1.3 Khối điều khiển (Khối CPU) 36 3.1.3 Khối hiển thị 37 3.1.4 Nút nhấn 38 3.2 Mạch sau hoàn thành 38 3.4 Hƣớng phát triển đề tài .40 KẾT LUẬN .41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều .3 Hình 1.2 Cổ góp Hình 1.3 Sơ đồ ngun lí hoạt động động điện chiều Hình 1.4 Sơ đồ ngun lí động điện chiều kích từ độc lập .5 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ song song Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ nối tiếp .5 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ hỗn hợp Hình 1.8 Phƣơng trình đặc tính .6 Hình1.9 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Hình 1.10 Đặc tính động giảm từ thông Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ điều khiển vịng kín 11 Hình 1.13 Điều khiển với PID số 13 Hình 1.14 Minh họa cơng thức xấp xỉ thành phần tích phân 15 Hình 1.15 Dạng xung PWM 16 Hình 1.16 Sơ đồ mắc PWM với mạch điện (volt kế) 16 Hình 1.17 Sơ đồ mắc động DC với PWM 17 Hình 1.18 Phƣơng pháp tạo PWM .17 Hình 2.1 Vi điều khiển pic 18F4431 20 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chân pic 18F4431 20 Hình 2.3 sơ đồ nguyên lí PIC 18F4431 .21 Hình 2.4 Cấu trúc ghi chức chung PIC18F4431 .23 Hình 2.5 Mạch nạp PIC qua cổng COM 27 Hình 2.6 Mạch nạp PIC qua cổng USB 27 Hình 2.7 LCD 27 Hình 2.8 Sơ đồ mạch cầu L298D .28 Hình 2.9 Động DC có gắn encoder .29 Hình 2.10 Cửa sổ chọn PIC 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển động DC 35 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động DC 35 Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lí khối điều khiển 36 Hình 3.4 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ( mạch cầu H ) 37 Hình 3.5 Module điều khiển động DC L298V1 37 Hình 3.6 Sơ đồ mạch hiển thị 38 Hình 3.7 Sơ đồ nút nhấn điều khiển 38 Hình 3.8 Sản phẩm sau hồn thành 39 CÁC TỪ VIẾT TẮT DC ( Direct curent): Nguồn chiều PID (Proportional Integral Derivative): Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM ( Pulse Width Modulation) : Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PIC ( Programmable Intelligent Computer): Vi điều khiển SFR (Special funcion register) : Thanh ghi chức đặc biệt GPR(General purpose register) : Thanh ghi chức chung LCD ( Liquid Crystal Display) : Màn hình tinh thể lỏng (màn hình hiển thị) i TÓM TẮT ĐỒ ÁN Ngày nay, đất nƣớc lên cơng nghiệp hóa, đại hóa Điều khiển tốc độ động đƣợc ứng dụng nhiều sản xuất công nghiệp, dây chuyền sản xuất công nghiệp Đề tài em nghiên cứu điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID số Em tìm hiểu động chiều, biết cách lập trình điều khiển động chiều để áp dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp ABSTRACT Nowadays, the country go up the industrialization and modernization The speed control DC motors are being applied in the production and the industrial, in the industrial production lines My research topics of control DC motor speed use the number PID controller I learned about DC motor, knew how to program The DC motor speed control to apply in the industrial production lines and life ii LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển ngày mạnh mẽ nghành công nghiệp chiều rộng lẫn chiều sâu, điện máy điện đóng vai trị quan trọng, khơng thể thiếu nghành công nghiệp đời sống sinh hoạt ngƣời Nó ln trƣớc bƣớc làm tiền đề nhƣng mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất mà không cần tới điện máy điện Mặc dù động xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣng động điện chiều tồn Trong công nghiệp, động điện chiều đƣợc sử dụng nơi yêu cầu mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Vì động điện chiều có đặc tính làm việc tốt mặt điều chỉnh tốc độ( phạm vi điều chỉnh rộng, 0) Nhƣng độ tin cậy sử dụng động chiều thấp động khơng đồng có hệ thống tiếp xúc chổi than Qua qua trình tìm hiểu thực tế cơng trình nghiên cứu ứng dụng động chiều, với dẫn Thạc sĩ Đinh Văn Nam giúp em chọn thực đề tài : “Điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID số” Nội dung đồ án đƣợc trình bày chƣơng nhƣ sau: Chƣơng Tổng quan chung động điện chiều Chƣơng Giới thiệu linh kiện phần mềm lập trình mạch Chƣơng Thiết kế phần cứng Đồ án có kết cấu nhƣ sau: Tổng quan cung động điện chiều Giới thiệu linh kiện phần mềm lập trình mạch Thiết kế phần cứng Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục Nội dung đồ án nhiều điểm hạn chế khiếm khuyết, nhiều vấn đề cần bổ sung hoàn thiện Em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy để đồ án đƣợc hoàn chỉnh Em xin cảm ơn thầy Thạc sĩ Đinh Văn Nam toàn thể thầy giáo tận tình hƣớng dẫn cho em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực Đặng Phúc Văn CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niện chung máy điện Máy điện thiết bị điện tử, nguyên lí làm việc dựa tƣợng cảm ứng điện từ Máy điện gồm mạch từ(lõi thép) mạch điện(các dây quấn dùng để biến đổi dạng lƣợng: thành điện máy phát điện, điện thành động điện Máy điện máy thƣờng đƣợc gặp nhiều nghành kinh tế nhƣ công nghiệp, giao thông vận tải… Máy điện có nhiều loại đƣợc phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại theo chức , theo cơng suất, theo cấu tạo… Phân loại theo ngun lí biến đổi lƣợng: máy điện tĩnh, máy điện động (quay) 1.2 Động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều thiết bị điện từ quay, biến đổi điện thành Nguyên lí làm việc dựa tƣợng cảm ứng điện từ Đặc tính điều chỉnh tốc độ động tốt Vì đƣợc dùng nhiều công nghiệp điều chỉnh tốc độ động quay liên tục phạm vi rộng nhƣ máy bơm, quạt gió, máy cắt Ngồi dây quấn xếp máy điện chiều cịn có dây quấn song Các phần tử đƣợc nối thành mạch vịng kín vào dây quấn song đơn có hai mạch nhánh song song, thƣờng thấy máy có cơng suất nhỏ - Cổ góp chổi điện + Cổ góp gồm phiến góp đồng đƣợc ghép cách điện, có dạng hình trụ gắn đầu trục roto Các đầu dây phần từ đƣợc nối với phiến góp + Chổi điện đƣợc làm than grafit Các chổi tì đặt lên cổ góp nhờ lị xo giá chổi điện đƣợc gắn nắp máy - Cấu tạo động điện chiều gồm hai phần chính: + Phần tĩnh (stato) + Phần động (roto) a Phần tĩnh (stato) Hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trƣờng Gồm có mạch từ dây quấn kích từ lồng ngồi mạch từ - Mạch từ đƣợc làm sắt từ (thép đúc thép đặc biệt) - Dây quấn kích từ đƣợc làm dây điện từ (êmay) Các cuộn dây kích từ đƣợc nối với Mạch từ Cuộn dây kích từ Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều b Phần động (phần ứng) Phần sinh sức điện động Gồm có mạch từ đƣợc làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật điện) xếp lại với Trên mạch từ có xẻ rãnh để lồng dây quấn phần ứng (đƣợc làm dây điện từ) Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây đƣợc nối với theo quy luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây, đầu dây bối dây đƣợc nối với phiến đồng gọi phiến góp Các phiến góp đƣợc ghép cách điện với cách điện với trục đƣợc gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp cặp chổi than, đƣợc làm than grafit đƣợc áp sát vào mặt cổ góp nhờ lị xo CHƢƠNG III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Thiết kế phần cứng 3.1.1 Sơ đồ khối Tốc độ đặt Tốc độ thực PID số  Mạch khuếch đại DC motor  Hồi tiếp Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển động DC Mạch gồm đƣợc thiết kế gồm khối nhƣ : khối nguồn, khối hiển thị, khối điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động DC 35 Nguyên lý hoạt động : Khi cấp nguồn cho mạch, ta khởi tạo LCD, động điện chiều, khối mạch điều khiển PIC18F4431 Ta nhấn nút nhấn để thiết lập số KI,KP,KD (các số PID) Ta nhấn nút để thiết lập tốc độ cài đặt trƣớc động điện chiều Sau ta nhấn nút nhấn để điều khiển hoạt động động điện chiều đo tốc độ thực động 3.1.2 Khối nguồn Mạch lấy nguồn 9VDC-12VDC đƣợc ổn áp IC 7805 Dùng transistor 7805 để ổn định điện áp vào Sơ đồ khối nguồn đƣợc tích hợp vào khối cơng suất khối điều khiển 3.1.3 Khối điều khiển (Khối CPU) Sử dụng PIC18F4431 để điều khiển động DC - Port B nối với ngõ vào mạch công suất - Port C nối với ngõ vào mạch công suất dùng than trở thay trở - Port D nối với mạch hiển thị LCD Hình 3.3 Sơ đồ mạch ngun lí khối điều khiển  Mạch công suất dùng cầu H với IC L298 để điều khiển tốc độ động phƣơng pháp băm xung PWM đảo chiều động 36 Hình 3.4 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ( mạch cầu H ) Hình 3.5 Module điều khiển động DC L298V1 3.1.3 Khối hiển thị Mạch gồm LCD kết nối với PIC18F4331 qua Port D 37 Hình 3.6 Sơ đồ mạch hiển thị 3.1.4 Nút nhấn Dùng để thiết lập tốc độ chiều quay cho mạch điều khiển Hình 3.7 Sơ đồ nút nhấn điều khiển 3.2 Mạch sau hồn thành 38 Hình 3.8 Sản phẩm sau hoàn thành 39 3.4 Hƣớng phát triển đề tài Chúng ta lập trình điều khiển động thuật toán QEI cho động trơn xác sử dụng ngắt để điều khiển động Từ đồ án phát triển lên để điều khiển động có cơng suất lớn để phục vụ công nghiệp nặng nhƣ nâng vật nặng, khởi động máy lớn xây dựng Chúng ta sử dụng dịng IC, PIC mạnh để ứng dụng đời sống công việc sau 40 KẾT LUẬN Qua trình hồn thành đồ án “Điều khiển tốc độ động chiều sử dụng điều khiển PID số” Em đạt đƣợc nhƣng kết nhƣ mong muốn : - Điều khiển động DC thuật toán PID số - Hoàn thành sản phẩm theo yêu cầu đặt - Hiểu lập trình đƣợc mạch phần mềm CCS - Hiểu biết động nhƣ máy điện chiều Do thời gian làm đề tài có hạn nên đề tài em cịn số hạn chế Sau lần em xin chân thành biết ơn Ths Đinh Văn Nam thầy cô khoa Điện Tử Viên Thông giúp em hoàn thành tốt đồ án 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.dientuvietnam.net [2] www.alldatasheet.com [3] tailieu.vn http://tailieu.vn/doc/encoder-quay-quang-encoder-tuyet-doi-encoder-xung1218196.html http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-matlab-326012.html http://tailieu.vn/tag/giao-trinh-css.html http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-ky-thuat-dieu-khien-dong-co-dien-chuong-4-dactinh-co-ban-cua-dong-co-dien-705274.html [4] doc.ed.vn http://doc.edu.vn/tai-lieu/giao-trinh-lap-trinh-labview-59152/ [5] Nguyễn Thị Phƣơng Hà, Lí thuyết điều khiển tự động , nhà xuất đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh) [6] Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh(2006), Giáo trình Kỹ thuật điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 42 PHỤ LỤC Lƣu đồ thuật toán START Kh ởi tạo PI C18F4431 Set KI , KP, KD, T ốc độ đặ t sa i Kiểm tr a tốc độ Đú ng PI D số END Code chƣơng trình 43 #include #device ADC=16 #FUSES HS #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or B5(PIC18) used for I/O #use delay(crystal=20000000) #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D2 #define LCD_RS_PIN //// PIN_D0 //// #define LCD_RW_PIN PIN_D1 //// #define LCD_DATA4 PIN_D4 //// #define LCD_DATA5 PIN_D5 //// #define LCD_DATA6 PIN_D6 //// #define LCD_DATA7 PIN_D7 //@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@222 #include //!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1 #define en1 pin_c4 #define en2 pin_c1 #define mode pin_b4 #define up pin_b5 #define down pin_b6 //############################################ #define Sampling_time 0.01 #define inv_Sampling_time 100 signed int16 Pulse; //thoi gian lay mau (s) // 1/Sampling_time //khai bao bien dem so xung 44 Float rSpeed, Err, pre_Err, pre_pwm_duty, Ap_speed; //khai bao bien van toc hien tai,sai so hien tai,sai so truoc float delta_duty ,pPart=0, iPart=0, dPart=0,Kp=0.02,Kd=0.02,Ki=0.02; //cac phan PID unsigned int16 Ctrl_Speed=0; //van toc cai dat ban dau signed int16 duty_temp,pwm_duty=100,PWM_Period=1023; //gia tri PWM max int8 sample_count; // khai bao bien lam cham thoi gian cap nhat van toc int mode_=0; void Motor_Speed_PID(signed int16 des_Speed) //chuong trinh tinh phan PID { Err = (des_Speed - (rSpeed)); //tinh error (loi) //cac phan cua PID pPart=Kp*Err; //khau ty le dPart=Kd*(Err-pre_Err)*inv_Sampling_time; //khau vi phan iPart+=Ki*(Sampling_time*(Err+pre_Err)); //khau tich phan delta_duty =(pPart+dPart+iPart); //tong phan P-I-D if(delta_duty>1023)delta_duty=1023; if(delta_duty PWM_Period) PWM_Period -1; // muc dich de PWM # 100% chu ky xung // if (duty_temp