Thiết kế bộ pid điều khiển tốc độ động cơ một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ” Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Văn Chương Sinh viên thực : Hồng Văn Hịa MSSV : 135D5202163008 Lớp : 54K3- KTĐK&TĐH NGHỆ AN, 2018 LỜI NÓI ĐẦU Lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển, đặc biệt điều khiển có độ xác cao, trở thành phần khơng thể thiếu công nghiệp đại Phần lớn loại máy móc, thiết bị dân dụng hay công nghiệp sử dụng động điện, từ động điện máy công cụ, máy CNC, cánh tay robot,… đến thiết bị gia dụng máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, máy vi tính Những thiết bị yêu cầu độ xác cao, tiết kiệm lượng, tuổi thọ chu kì bảo dưỡng dài Một yêu cầu cần đáp ứng để đạt tiêu điều khiển tốc độ động điện cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru xác lập thay đổi trạng thái Việc ứng dụng thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động đạt nhiều kết khả quan Ví dụ sử dụng điều khiển PI, PID cho kết tốt số đối tượng động Đặc biệt điều khiển PID điều khiển dễ thực cho kết ổn định nhanh Trong khn khổ Đồ án, em xin trình bày thuật toán điều khiển PID để điều khiển, xây dựng điều khiển vi điều khiển STM32F407VG LỜI CẢM ƠN Kính gửi đến thầy Th.S LÊ VĂN CHƯƠNG, lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy tận tình giúp đỡ, dạy chúng em suốt q trình hồn thành đồ án Chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Vinh nói chung, Viện Kỹ Thuật Cơng Nghệ nói riêng tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức bổ ích, quý báu Nghệ An, ngày 21, tháng 05, năm 2018 Sinh viên thực Hồng Văn Hịa TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nhiệm vụ đề tài sử dụng giải thuật PID ứng dụng vi điều khiển để điều chỉnh, ổn định tốc độ vị trí cho động cơ, đồng thời so sánh lý thuyết chất lượng thực tế điều khiển Đề tài thực sau: Trước tiên, sử dụng giải thuật PID số, ứng dụng kít phát triển STM32F407 Discovery MATLAB chương trình xử lý trung gian, phần cơng suất sử dụng Driver tích hợp L298 để điều chỉnh tốc độ động đạt giá trị đặt nhập nhập vào từ trước, không tải có tải Cụ thể, Encoder quang đưa xung phản ánh tốc độ động vi điều khiển, sau vi điều khiển tính tốn tốc độ để hiển thị thực giải thuật điều khiển PID để điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) điều khiển động thông qua driver L298 Kết đạt thỏa mãn tốt yêu cầu đề ra: - Xây dựng điều khiển PID vi điều khiển 32 bit STM - Đo, điều chỉnh ổn định tốc độ động DC Đáp ứng tốc độ nhanh khởi động, khơng tải có tải - Hệ thống ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, thời gian độ điều chỉnh nhỏ Kiến thức cần có: Lý thuyết điều khiển kinh điển, Lý thuyết điều khiển đại, Điện tử bản, lý thuyết điều khiển mạng nơ ron, Điện tử công suất, mô Matlab Simulink PROJECT SUMMARY The task of the subject is to use the PID algorithm applied on the microcontroller to adjust, stabilize the speed and position of the motor, and compare the theoretical and practical quality of the controller Topics are as follows: First, use the digital PID algorithm, application on the STM32F407 Discovery development kits MATLAB is an intermediate processing program, which uses the integrated L298 driver to adjust the motor speed to the set value entered before, when not loaded and loaded Specifically, the optical encoder will give a pulse reflecting the motor speed on the microcontroller, then the microcontroller will calculate the current speed to display and implement the PID control algorithm for pulse width modulation (PWM) - Pulse Width Modulation) controls the motor via the L298 driver The results are satisfactory satisfactory requirements have set out: - Built-in PID controller on STM 32 bit microcontroller - Measurement, adjust the speed of DC motor Response speed is quite fast on startup, no load and load - Stable system, fast response time, adjustment time is relatively small Basic knowledge needed: Classical control theory, Modern control theory, Basic electronics, Control theory and neural networks, Power electronics, Matlab simulation Simulink MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11 1.1 Giới thiệu động điện chiều 11 1.1.1 Nguyên lý chung .11 1.1.2 Cấu tạo chung 12 1.1.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều 15 1.2 Mơ hình tốn học động DC sử dụng nam châm vĩnh cửu 15 1.3 Ứng dụng động chiều 17 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .18 2.1 Khái niệm chung 18 2.2 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động chiều .19 2.2.1 Điều chỉnh cách thay đổi từ thông động 20 2.2.2 Điều chỉnh cách thay đổi điện trở phụ Rf 21 2.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp .22 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 27 3.1 Phân tích yêu cầu đặt .27 3.2 Thiết kế sơ đồ khối 27 3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý .28 3.3.1 Khối điều khiển .28 3.3.2 Khối driver 29 3.3.3 Motor ( động chiều DC ) 31 3.3.4 USB to com PL2303 V2 ( truyền tín hiệu mạch với máy tính) 32 3.4 Bộ điều khiển PID 32 3.4.1 Tổng quan điều khiển PID 32 3.4.2 Chỉnh định tham số điều khiển PID 35 3.4.3 Bộ điều khiển PID số 40 3.5 Nhận dạng mơ hình tốn học động chiều .41 3.5.1 Đọc xung encoder 41 3.5.2 Đọc vận tốc động 43 3.5.3 Nhận dạng động 45 3.6 Thiết kế PID điều khiển động chiều 48 3.7 Chế tạo, thử nghiệm .49 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Mục Lục Bảng Hình Ảnh Hình 1: Cấu tạo động điện chiều 11 Hình 2: sơ đồ cấu tạo Roto 13 Hình 3: Động điện chiều thực tế .15 Hình 4: Động DC sử dụng nam châm vĩnh cửu .15 Hình 5: a) Sơ đồ thay ; b) Đặc tính điều chỉnh điều chỉnh từ thơng 21 Hình 6: Đồ thị đặc tính tải thay đổi 22 Hình 7: Xác định phạm vi điều chỉnh 24 Hình 8: Quan hệ hiệu suất truyền động tốc độ với loại tải .26 Hình 1: Sơ đồ khối .27 Hình 2: Sơ đồ chân STM32F407VG Discovery 28 Hình 3: Module điều khiển động L298 30 Hình 4: Động encoder 334 xung 31 Hình 5: usb to com PL2303 V2 .32 Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển vịng kín 32 Hình 7: xác định tham số đặc tính 36 Hình 8: Xác định số khuếch đại tới hạn .36 Hình 9: Đáp ứng nấc hệ kín k = kth 37 Hình 10: Đáp ứng nấc hệ thích hợp cho pp Chien-Hrones-Reswick .38 Hình 11: Chương trình đọc xung encoder 41 Hình 12: Khối Encoder Read UART Tx 42 Hình 13: sơ đồ nối dây mạch đọc xung Encoder 42 Hình 14: kết xung hiển thị teminal 43 Hình 15: Chương trình đọc vận tốc matlab simulink 44 Hình 16: Sơ đồ khối Function .44 Hình 17: sơ đồ nối dây mạch đọc xung Encoder 44 Hình 18: Vân tốc đo gần 1500 vong/phút 5V 45 Hình 19: chương trình nhận dang matlab .45 Hình 20 Số liệu đo thị teminal chuyển sang file excel .46 Hình 21các bước biên dịch tính tốn chọn hàm truyền .47 Hình 22: Hàm truyền động tín hiệu matlab tính tốn chọn .48 Hình 23: Mơ chọn hệ số PID 48 Hình 24: Turn PID để chọn hệ số kp, ki, kd 48 Hình 25: kết sau turn PID so với trước 49 Hình 26: Chương trình điều khiển vận tốc PID 49 Hình 27: sơ đồ khối function 50 Hình 28: sơ đồ khối Subsystem khối PID 50 Hình 29: sơ đồ mạch nối thực tế 51 Hình 30: Đồ thị đáp ứng với kp=0.0026112, ki=1.26698, kd=-0.009 52 Hình 31: Đồ thị đáp ứng với kp=0.50213, ki=1.266749468, kd=2.521e-08 .52 Hình 32: Đồ thị đáp ứng với kp=0.50261363, ki=1.26668, kd=2.561e-08 53 Hình 33: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261123, ki=4.2668, kd=2.5652241e-08 53 Hình 34: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261125363, ki=1.26698106749468 54 Hình 35: vận tốc mà uart đo từ động 54 Mục Lục Bảng: Bảng 1: Lựa chọn tham số PID theo Ziegler-Nichols 36 Bảng 2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 37 Bảng 3:Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick .38 Bảng 4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 39 Bảng 5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 39 Bảng 6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 39 MỞ ĐẦU Lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển, đặc biệt điều khiển có độ xác cao, trở thành phần khơng thể thiếu công nghiệp đại Phần lớn loại máy móc, thiết bị dân dụng hay công nghiệp sử dụng động điện, từ động điện máy công cụ, máy CNC, cánh tay robot,… đến thiết bị gia dụng máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, máy vi tính Những thiết bị yêu cầu độ xác cao, tiết kiệm lượng, tuổi thọ chu kì bảo dưỡng dài Một yêu cầu cần đáp ứng để đạt tiêu điều khiển tốc độ động điện cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru xác lập thay đổi trạng thái Việc ứng dụng thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động đạt nhiều kết khả quan Ví dụ sử dụng điều khiển PI, PID cho kết tốt số đối tượng động Đặc biệt điều khiển PID điều khiển dễ thực cho kết ổn định nhanh Trong khn khổ Đồ án, em xin trình bày cách nhận dạng động sử dụng công cộ hỗ trợ tìm hàm truyền ident từ Matlab simulink, từ sử dụng thuật tốn điều khiển PID để điều khiển, xây dựng điều khiển vi điều khiển STM32, kết thu hướng phát triển đề tài Hướng giải - Tìm hiểu động điện chiều (DC), sử dụng nam châm vĩnh cửu, đặc tính, phương pháp điều khiển tốc độ động DC - Tìm hiểu boar mạch STM32F407VG, tiến hành cài đặt thư viện Waijung hỗ trợ lập trình nạp trực tiếp chương trình xuống boar mạch phần mềm Matlab Simulink - Sử dụng chương trình đọc tín hiệu encoder để kiểm tra so sánh sai số xung động quay vòng so với nhà sản xuất cung cấp - Tiến hành lập trình nhận dạng động cách cung cấp điện áp lấy thông số theo thời gian thực mà động đáp ứng Sử dụng cơng cụ IDENT Hình 12: Khối Encoder Read UART Tx - Trong khối uart chọn kiểu liệu: Ascii - Thời gian lấy mẫu với thời gian stm - Chọn uart giống với khối uart setup Tiến hành nạp trực tiếp xuống mạch đấu nối theo sơ đồ sau: Hình 13: sơ đồ nối dây mạch đọc xung Encoder 42 Chân A, B, 5V, Gnd encoder nối với chân E9, E11 Vdd, Gnd STM Chân Tx, Gnd PL2303 nối với D8 Gnd STM Kết hiển thị máy tính: Hình 14: kết xung hiển thị teminal Nhận xét: số xung đo 5334 xung Do khối Encoder Read số xung nhân với nhân với (ngắt cạnh lên A - ngắt cạnh xuống A, ngắt cạnh lên B - ngắt cạnh xuống B) Kết luận: encoder hoạt động tốt, số xung đọc với lý thuyết đưa 3.5.2 Đọc vận tốc động Gọi T =0.01 (s) thời thời gian đếm N xung, suy số xung 1(s) N*(1/T) Từ số xung /1(s) ta tính số vịng phút là: Số vịng/phút = (số xung /1s) *(60/5344) (3.7) Trong 5344 số xung đếm động quay vịng Dựa cơng thức (3.7) ta có chương trình thuật tốn sau: 43 Hình 15: Chương trình đọc vận tốc matlab simulink Hình 16: Sơ đồ khối Function Tiến hành nạp chương trình xuống mạch đấu nối dây theo sơ đồ sau: Hình 17: sơ đồ nối dây mạch đọc xung Encoder 44 Kết vận tốc đo hiển thị máy tính: Hình 18: Vân tốc đo gần 1500 vong/phút với điện áp cấp cho động 5V 3.5.3 Nhận dạng động Chương trình nhận dang lý thuyết cấp cho động điện áp xác định sử dụng thời gian thực để đo thay đổi tốc độ động thời gian xác định Từ số liệu ghi nhận đưa vào matlab để nhận dạng hàm truyền tương đối Chương trình nhận dạng: Hình 19: chương trình nhận dang matlab 45 Hình 20 Số liệu đo thị teminal chuyển sang file excel Sử dụng công cụ ident để tiến hành nhận dạng đưa hàm truyền cách xác Ở em chọn thời gian lấy mẫu T= 0.001 Tiến hành gõ lệnh sau lên matlab lưu lại với tên ‘nhan_dang’: >> u1= xlsread('C:\matlab\nhan dang\Book2',1,'F1:F20'); >> u2= xlsread('C:\matlab\nhan dang\Book2',1,'G1:G20'); // lệnh giúp matlab đọc cột tròng excel, cột G cột F >> save nhan_dang u1 u2; // lưu thành tên ‘nhan_dang’ >> ident // mở cửa sổ iden matlab 46 Lúc có sổ hình: Hình 21các bước biên dịch tính tốn chọn hàm truyền Thực bước sau để tính tốn hàm truyền: - Vào import data >> time domani data >> cửa sổ - Chọn cá giá trị input : u1, out: u2 Thời gian từ – 0.001>> import - Chọn estimate >> Transfer function >> chọn t =0.001>> estimate - Matlab bắt đầu tính tốn đưa hàm truyền Từ số liệu thu thập qua tính tốn matlab em chọn hàm truyền tương đối động là: 47 Hình 22: Hàm truyền động tín hiệu matlab tính tốn chọn 3.6 Thiết kế PID điều khiển động chiều Mô hàm truyền PID để chọn thơng số kp, ki, kd.: Hình 23: Mô chọn hệ số PID Hình 24: Turn PID để chọn hệ số kp, ki, kd 48 Hình 25: kết sau turn PID so với trước Sau turn PID ta chọn hệ số PID sau: - kp = 0.00168406850813938 - ki = 1.7890436366847e-05 - kd = 0.00154139165661653 3.7 Chế tạo, thử nghiệm Hình 26: Chương trình điều khiển vận tốc PID 49 Trong chương trình trên: Bộ PID chọn để làm điều khiển, tín hiệu xung PWM tạo qua chân ENA module L298 xung điều khiển tốc độ nhanh chậm động Sau UART đọc tín hiệu trả so sánh với tín hiệu đặt để hiểu chỉnh cho sai số đầu vào đầu Chân D12 STM32F407 chân tạo xung PWM, thời gian phát xung cách 0.002s Chân nối với chân ENA L298 Chân A13 Chân A 15 hai chân quy định chiều quay động Hai chân nối với chân IN1 chân IN2 L298, IN1 = 0, IN2 = động quay thuận, IN1=1 IN2 = >> động quay ngược Hình 27: sơ đồ khối function Hình 28: sơ đồ khối Subsystem khối PID Khối Subsystem có chức lấy trung bình 10 tín hiệu đo 50 Tiến hành nối mạch theo sơ đồ sau: Hình 29: sơ đồ mạch nối thực tế Từ mục 3.5 ta chọn thông số PID gồm” - kp = 0.00168406850813938 - ki = 1.7890436366847e-05 - kd = 0.00154139165661653 Từ hệ số em tiến hành dị tìm cách thay đổi nhỏ hệ số (do trình nhận dạng cho hàm truyền xấp xỉ gần đúng, dẫn tới hệ số PID tương đối hệ thống chưa đáp ứng tốt cịn sai số nhiều) tìm hệ số so với ban đầu sau: 51 Hình 30: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261126351175363, ki=1.26698106749468, kd=-0.009 Nhận xét: - hệ thống chưa ổn định, tốc độ giao động mạnh Hình 31: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261126351175363, ki=1.26698106749468, kd=2.56522193202241e-08 Nhận xét: Txl = (s), tốc độ bám sát tốc độ đặt, hệ thống ổn định tốt 52 Hình 32: Đồ thị đáp ứng với kp=0.50261126351175363, ki=1.26698106749468, kd=2.56522193202241e-08 Nhận xét: hệ thống chưa ổn định cao, tốc độ sai lệch với tốc độ đặt nhiều Hình 33: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261126351175363, ki=4.26698106749468, kd=2.56522193202241e-08 Nhận xét: hệ thống ổn định, thời gian xác lập cịn cao 53 Hình 34: Đồ thị đáp ứng với kp=0.00261126351175363, ki=1.26698106749468kd=4.56522193202241e-08 Từ đáp ứng vận tốc thực tế động ứng với hệ số PID trên, em chọn hệ số sau: - kp=0.00261126351175363 - ki=1.26698106749468 - kd=2.56522193202241e-08 Hình 35: vận tốc mà uart đo từ động 54 KẾT LUẬN Qua thử nghiệm thực tế hệ thống đáp ứng nhanh, thời gian xác lập t= 1(s), tốc độ thực tế sai lệch nhỏ so với tốc độ đặt nhở từ - 3% Định hướng phát triển đề tài nghiên cứu ứng dụng điều khiển logic mờ kết hợp với PID tạo thành Fuzzy PID để tối ưu hóa hệ số kp, ki, kd 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://waijung.aimagin.com https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/50373-stm32f4discovery-board-programming-with-embedded-coder Sách Matlab & Simulink dành cho kỹ thuật điều khiển tự động _ TG Phùng Quang Nguyễn https://hocarm.org/ 56 ... CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 Phân tích yêu cầu đặt Dùng Matlab simulink thiết kế PID điều khiển tốc độ động chiều theo yêu cầu sau : Hệ thống ổn định, động chạy... chỉnh tốc độ động chiều có loại điều khiển theo mạch kón (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động ) loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển ''hở'') Hệ điều chỉnh tự động động điện có... điều khiển, điều khiển PID xem giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% điều khiển công nghiệp sử dụng điều khiển PID Nếu thiết kế tốt, điều khiển PID có khả điều khiển