Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐÔNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Người hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Hoa Lư Sinh viên thực : Hồng Xn Cơng Lớp : Nghệ An-2018 54K2-KTĐK&TĐH TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Người hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Hoa Lư Sinh viên thực : Hồng Xn Cơng Lớp : Nghệ An-2018 54K2-KTĐK&TĐH MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỒ ÁN 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11 1.1 Giới thiệu động điện chiều 11 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều 12 1.1.2 Đặc điểm động điện chiều 13 1.2 Phân loại động điện chiều 13 1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều 14 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ cách dùng thêm Rp 15 1.3.2 Điều chỉnh từ thông cấp cho động 16 1.3.3 Điều chỉnh điện áp phần ứng 16 1.4 Mơ hình động điện chiều 19 1.5 Bộ điều chỉnh PID rời rạc 22 1.6 Phương pháp Zieger-Nichols 25 1.6.1 Phương pháp Zieger-Nichols thứ 25 1.6.2 Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai 26 1.7 Phần mềm lập trình mô hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều 27 1.7.1 Phần mềm mô Matlab Simulink 27 1.7.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE 30 KẾT LUẬN 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 31 2.1 Đặt vấn đề 31 2.2 Thiết kế hệ thống điều chỉnh rời rạc 32 2.3 Tính tốn hệ thống điều chỉnh rời rạc 36 2.3.1 Tính tốn hàm truyền hệ thống 36 2.3.2 Tính tốn tham số cho điều chỉnh PID 39 2.4 Mô hệ thống điều chỉnh tốc độ động Matlab 40 KẾT LUẬN 44 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 47 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Động điện chiều kích từ độc lâp 11 Hình 1.2 Cấu tạo động điện chiều 11 Hình 1.3 Mặt cắt ngang trục động điện chiều 12 Hình 1.4 Các loại động điện chiều 14 Hình 1.5 Đặc tính động thay đổi điện trở 15 Hình 1.6 Đặc tính động thay đổi từ thơng 16 Hình 1.7 Đặc tính động thay đổi điện áp 17 Hình 1.8 Đồ thị dạng xung điều chế 17 Hình 1.9 Sơ đồ xung van điều khiển đầu 18 Hình 1.10 Mơ hình động điện chiều 19 Hình 1.11 Sơ đồ khối động điện chiều miền ảnh laplace 21 Hình 1.12 Khâu vi phân 22 Hình 1.13 Khâu tích phân 23 Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ hở 25 Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ kín có PID 25 Hình 1.16 Đáp ứng nấc hệ hở có dạng S 25 Hình 1.17 Sơ đồ khối hệ kín có tỉ lệ P 26 Hình 1.18 Đáp ứng hệ kín K=Kgh 27 Hình 1.19 Cửa sổ làm việc phần mềm MATLAB 28 Hình 1.20 Cửa sổ thư viện Simulink MATLAB 29 Hình 1.21 Giao diện phần mềm lập trình 30 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số 32 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển rời rạc 33 Hình 2.3 Quá trình lấy mẫu liệu 34 Hình 2.4 Khâu giữ bậc (ZOH) 35 Hình 2.5 Sơ đồ khối mơ hệ thống kín 36 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ hở hệ thống 39 Hình 2.7 Đáp ứng hệ hở hệ thống 39 Hình 2.8 Sơ đồ mơ hệ thống chưa có điều chỉnh PID 40 Hình 2.9 Sơ đồ mơ hệ thống có điều chỉnh PID 40 Hình 2.10 Kết mơ hệ thống chưa có điều chỉnh PID 41 Hình 2.11 Kết mơ hệ thống có điều chỉnh PID 41 Hình 2.12 Kết sử dụng công cụ Tune 42 Hình 2.13 Kết đáp ứng hệ thống sử dụng công cụ Tune 42 Hình 2.14 Kết đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh 43 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng tính thơng số PID theo Ziegler–Nichols thứ 26 Bảng 1.2: Bảng tính thơng số PID theo Ziegler–Nichols thứ hai 27 Bảng 2.1: Bảng tính thơng số PID theo Ziegler–Nichols thực tế 39 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, ngành kĩ thuật điều khiển tự động hóa, cơng nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt vấn đề đòi hỏi phải nghiên cứu hoàn thiện hệ thống điều chỉnh tốc độ, ổn định đáp ứng yêu cầu ngày cao thực tế sống phù hợp với xu phát triển khoa học công nghệ Cho đến động điện chiều đóng vai trị quan trọng nghành cơng nghiệp sống chúng ta, ứng dụng phổ biến nghành cơng nghiệp khí, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay robot Để thực nhiệm vụ công nghiệp điện tử với độ xác cao, lắp ráp dây chuyền sản xuất, yêu cầu có điều chỉnh tốc độ Đối với phương pháp điều chỉnh kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều chỉnh PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) dùng phổ biến hệ thống điều chỉnh tự động công nghiệp Mục tiêu điều chỉnh nâng cao chất lượng với mức chi phí thấp, hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hoá truyền động điện dây chuyền sản xuất hệ thống điều chỉnh tự động Chính em giao đề tài “Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động điện chiều” Là vấn đề cần thiết, việc gắn liền nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn sống Trong trình thực đề tài em tìm hiểu, tổng hợp kiến thức mà học trường, tham khảo tài liệu liên quan đến đề tài để hoàn thành đề tài giao Cấu trúc đồ án gồm hai chương: Chương 1: Tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều Chương 2: Thiết kế, tính tốn mơ hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều LỜI CẢM ƠN Một lần em xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô bạn Viện Kỹ Thuật Công Nghệ trường Đại học Vinh tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập trường Đặc biệt PGS TS Nguyễn Hoa Lư tận tình hướng dẫn giúp đỡ tạo điều kiện tốt giúp em hoàn thành đồ án tốt nhiệp Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 05 năm 2018 Người thực Hồng Xn Cơng TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nhiệm vụ đề tài xây dựng điều chỉnh PID điều chỉnh tốc độ động điện chiều mơ phần mềm MATLAB, qua khảo sát chất lượng hệ thống Nhiệm vụ thứ hai sử dụng điều chỉnh PID số, ứng dụng vi điều khiển 8-bit ATmega328 nhân điều khiển trung tâm, Arduino 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 (Set point) nhập vào từ trước, khơng tải có tải Cụ thể, Encoder 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 chỉnh PID để điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) điều chỉnh động thông qua driver L298.Kết đạt thỏa mãn tốt yêu cầu đề ra: Xây dựng điều chỉnh PID Đo, điều chỉnh ổn định tốc độ động điện chiều Đáp ứng tốc độ nhanh khởi động, khơng tải có tải Hệ thống ổn định, thời gian đáp ứng nhanh PROJECT SUMMARY The task of the project is to build a PID regulator that adjusts the DC motor speed and simulates on the MATLAB software, thereby examining the quality of the system Ask the following action as following: Before, using the PID controller, application on the ATmega328 8-bit control is the kernel control center, Arduino is the process process program, usage the job section Driver tích hợp L298 để điều chỉnh tốc độ cài đặt (set point) datasation on the previous, without load and load Tool, Encoder will be the current motor speed variable, the following control will be calculate the current speed to display and perform the PID adjustment mode for this width (PWM - Pulse Width Modulation) motor driver via L298 driver 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động điện chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều ứng dụng rộng rãi ứng dụng dân dụng cơng nghiệp Một số hình ảnh thực tế động điện chiều: Hình 1.1 Động điện chiều kích từ độc lâp Hình 1.2 Cấu tạo động điện chiều 11 Kết mơ sau thay thơng số: Hình 2.10 Kết mơ hệ thống chưa có điều chỉnh PID Hình 2.11 Kết mơ hệ thống có điều chỉnh PID 41 Ngồi sử dụng cơng cụ tune để tìm thơng số hiệu chỉnh PID cho hệ thống Hình 2.12 Kết sử dụng cơng cụ Tune Hình 2.13 Kết đáp ứng hệ thống sử dụng cơng cụ Tune 42 Hình 2.14 Kết đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh Nhận xét: Ta thấy sử dụng điều chỉnh PID sau hiệu chỉnh Hình 2.10 giá trị đầu tốc độ động đáp ứng tốt chưa sử dụng hiệu chỉnh PID Cụ thể chưa sử dụng hiệu chỉnh tín hiệu khơng đáp ứng giá trị đặt sử dụng hiệu chỉnh PID tín hiệu đáp ứng giá trị đặt có độ vọt lố khơng cao giảm nhanh sau ổn định giá trị đặt, thời gian đáp ứng nhanh hệ thống làm việc êm, độ điều chỉnh thấp, chất lượng hệ thống tốt qua ta có thơng số PID giúp cho hệ thống ổn định 43 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp, em hồn thành đồ án Cụ thể, em làm được: - Tìm hiểu giới thiệu dạng động chiều thông dụng thực tế - Tìm hiểu tổng quan hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều vấn đề liên quan đến thực tiễn - Mô hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều - Nắm sở lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết điều khiển tuyến tính áp dụng sở lý thuyết điều khiển tuyến tính để giải vấn đề xây dựng khảo sát đối tượng, qua bổ sung củng cố kiến thức cần thiết cho thân - Em trang bị tốt hiểu biết thân công cụ điều khiển ứng dụng lớn điều khiển PID thực tế - Xây dựng phần cứng chương trình thí nghiệm mạch thực Bên cạnh có việc mà em chưa làm được, là: - Chưa hồn thiện chương trình phần mềm cho máy tính để ghép nối máy tính với mạch điều khiển động Để từ thực việc điều khiển giám sát thơng qua máy tính - Chương trình chế độ thử nghiệm nên kết cịn thiếu xác 44 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài sử dụng công cụ lý thuyết điều khiển tuyến tính để đánh giá,khảo sát, tính tốn, thiết kế mô hệ thống điều chỉnh tốc độ động qua đóng góp vào sở để xây dựng mơ hình thực tế nhằm phục vụ việc nghiên cứu việc sản xuất Tuy vấn đề khơng phần giúp ích cho việc nghiên cứu hệ thống cách đơn giản nhất, qua giúp việc đánh giá hệ thống lý thuyết điều khiển tuyến tính cách hiệu Thiết kế giao diện máy tính cho phép quan sát đáp ứng tốc độ Xây dựng điều khiển PID cho hệ thống điều khiển vị trí Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn em PGS TS Nguyễn Hoa Lư Và xin cảm ơn bạn bè có góp ý hỗ trợ cho tơi q trình tơi làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn! 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư (chủ biên), Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất đại học Vinh, 2017 [2] Nguyễn Hoa Lư, Giáo trình sở tự động, Nhà xuất Đại học Vinh,2004; [3] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,2006; [4] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,2006; [5] Matlab – Simulink 2013a, MathWorks; [6] Các tài liệu Internet tham khảo diễn đàn công nghệ 46 PHỤ LỤC Giới thiệu thiết bị linh kiện chương trình Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác ARDUINO UNO R3 Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Hình PL 1.1 Bo mạch Arduino Uno R3 Thơng số Atmega328P-PU: Atmega328 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hẳn Atmega8 Atmega 328 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, nhớ RAM vơ lớn giới vi xử lý bit (2KB SRAM) + Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V + Số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit + Số kênh xung PWM: kênh (1timer kênh) MODULE L298N Module L298 điều khiển động DC động bước, có lỗ nằm góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí module.Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC điều khiển với dịng đỉnh đạt 2A.IC L298N gắn với ốt board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động Hình PL 1.2 Mạch cầu H Thơng số kỹ thuật: + Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H + Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V + Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) + Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V + Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA (Arduino chơi đến 40mA nên khỏe re bạn) + Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) + Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ Chức chân L298 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3,13,14 L298 Các chân nối với động Hai chân ENA ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động ĐỘNG CƠ SERVO NISCA NF5475 ENCODER 200PPR Đầu trục có gắn sẵn bulley 2mm 20 , đường kính 12.2mm, Sản xuất Japan chất lượng cịn tốt , sử dụng bạc đạn nên độ bền cao Hình PL 1.3 Động SERVO NISCA NF5475 Encoder 200xung cho độ xác cao , Ứng dụng làm máy CNC , điều khiển bánh xe robot , làm mô hình tự cân , làm máy bắn loại bóng bàn , tennis , cầu lơng - Điện Áp Hoạt Động : 24VDC - Tốc Độ Không Tải : 4884 Vòng/Phút - Encoder : 200 Xung / Vòng - Dịng Khơng Tải : 0.218A Sơ đồ khối hệ thống PC: Gửi giá trị cài đặt nhận tốc độ động Và điều khiển chạy nghừng chạy hệ thống Arduino Uno: xử lí tín hiệu từ cảm biến gửi từ encoder q trình đọc xung sau giử tín hiệu điều xung qua mạch cầu H L298: cấp mức điện áp khác để điều khiển động chạy nhanh hay chậm theo yêu cầu Sơ đồ nguyên lý Chương trình điều khiển #include double T, xung; double tocdo, Tocdodat; double E, E1, E2; float alpha, beta, gama, Kp, Kd, Ki; double Output, LastOutput; void setup() { pinMode(2, INPUT_PULLUP); pinMode(4, INPUT_PULLUP); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT); Tocdodat = 1200; tocdo = 0; E = 0; E1 = 0; E2 = 0; Output = 0; LastOutput = 0; //thong so pid T=0.01; Kp = 0.002611263531; Kd = 2.56522193; Ki = 1.26698106; // Kp = 0.01; Kd = 3; Ki =1.26; Serial.begin(9600); attachInterrupt(0, Demxung, FALLING);// chan ngat Timer1.initialize(10000); // ham khoi tao Timer1.attachInterrupt(PID); } void loop() { int i; for(i=0; i 255) Output = 255; if(Output < 0) Output = 0; if(Output > 0) { analogWrite(5, Output); digitalWrite(7, HIGH); digitalWrite(8, LOW); } else { analogWrite(5, 0); digitalWrite(7, LOW); digitalWrite(8, LOW); } } Mơ hình điều khiển tốc độ động điện chiều ... QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động điện chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều ứng... VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11 1.1 Giới thiệu động điện chiều 11 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều 12 1.1.2 Đặc điểm động điện chiều. .. matlab để mô hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Đặt vấn đề Lĩnh vực điều khiển tự động ngày