(Đề tài NCKH) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID vị trí động cơ điện một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ÐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ÐỘNG CƠ ÐIỆN MỘT CHIỀU MÃ SỐ: T2014-113 SKC005662 Tp Hồ Chí Minh, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2014-113 Chủ nhiệm đề tài: Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương TP HCM, Tháng 3/Năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2014-113 Chủ nhiệm đề tài: Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương TP HCM, Tháng 3/Năm 2015 Trang TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong Robot, DC Motor đóng vai trị phận truyền động cho cấu chấp hành, giúp Robot thực chức vận động Việc điều khiển xác tốc độ vị trí DC motor nhằm giúp cho Robot thao tác nhanh xác Chính mà điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi,…hoặc kết hợp điều khiển lại áp dụng điều khiển DC motor Với phát triển khoa học kỹ thuật ngày số cơng ty tích hợp điều khiển vào chip đơn PID LM629 National Semiconducter mở giải pháp thiết kế điều khiển chuyên dụng cho motor Trong đề tài nghiên cứu khoa học nội dung vấn đề tác giả cần triển khai: tìm hiểu IC LM629, xây dựng tập lệnh điều khiển ngôn ngữ C với vi điều khiển, thiết kế chế tạo driver PID chuyên dụng điều khiển DC Motor, xây dụng mạng kết nối driver dùng áp dụng cho robot Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang ABSTRACT In Robot, DC motor acting as transmission parts for the structure of the Executive, to help robots perform a certain motor functions The precise control of speed and DC motor position to help the robot faster and more accurate Thus, like PID controllers, fuzzy controllers, adaptive controllers, or a combination of controls is applied again controlled DC motor With the development of science and technology is today a company has integrated the controller into a single chip such as the National Semiconducter’ LM629 PID open solution designed for the dedicated motor controller In scientific research this problem content authors need to deploy: IC LM629 learn, build script control language C with micro controller, designed and built a dedicated driver of PID DC Motor control, build connections apply to drivers using robots Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang A TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Hãng Maxon Thụy Sĩ: hãng tiếng DC motor điều khiển chuyên dùng Hình 0.1 : Driver LSC30/2 motor hãng Maxon Bộ điều khiển LSC30/2 có thông số sau: Điện áp hoạt động 10-30 VDC, Điện áp ngõ ra= điện áp vào - 5V Dịng điện max = 2A DC Motor lên đến cơng suất 50W Ngồi có số driver điều khiển motor hãng khác : MD03 Devantech Hình 0.2 : Driver MD03 hãng Devantech Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang Module có áp cấp 24V, dịng tải lên đến 20A, sản phẩm ứng dụng cho mơ hình robot ứng dụng học tập nghiên cứu Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang B TÍNH CẤP THIẾT Trong phần nói nói số driver thông dụng số hãng tiếng, driver có tính ổn định tính chun dùng cao, bên cạnh có số nhược điểm : Giá thành đắt, driver LSC30/2, dịng thấp Maxon, có giá 178USD Driver chung với motor DC chuyên dụng hãng cho hiệu suất cao, giá thành motor đắt, dòng thấp Maxon giá 51USD Bộ công suất thường chung với board điều khiển, nên kích thước to, trường hợp ta cần điều khiển motor có cơng suất nhỏ khơng có giải pháp Từ lúc đặt mua thiết bị hãng đến có hàng thường 4-6 tuần, chi phí vận chuyển cao nên thiết kế Robot cần có dự trù thời gian hợp lý Từ hạn chế trên, ta thấy việc nghiên cứu chế tạo driver điều khiển motor dựa linh kiện chuyên dùng vấn đề đáng quan tâm nghiên cứu Driver thiết kế thay đổi phần cơng suất phù hợp với motor, nên có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp Đó hướng nghiên cứu đề tài Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang C MỤC TIÊU Xây dựng chương trình mơ đáp ứng động Matlab xác định thơng số điều khiển PID Tìm hiểu IC điều khiển PID chuyên dụng LM629 hãng National Semiconducter Thiết kế board điều khiển PID với ngõ vào RS485, xung encoder ngõ DIR, PWM Bộ điều khiển trung tâm vi điều khiển ATmega32 Phần công suất điều khiển DC Motor Hitachi 60W, encoder 240 xung/vòng Xây dựng tập lệnh giao tiếp với chức mà LM629 hỗ trợ ngôn ngữ C Xây dựng giao thức truyền thông driver với điều khiển master, nhằm tính linh hoạt áp dụng điều khiển robot Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang D CÁCH TIẾP CẬN Bước 1: Tìm hiểu mơ hình tốn học động Bước 2: Mơ đáp ứng vịng hở động Matlab Bước 3: Mô đáp ứng động sử dụng điều khiển PID Bước 4: Tìm hiểu IC điều khiển PID vận tốc vị trí DC Motor chuyên dụng LM629 Bước 5: Thiết kế giao tiếp LM629 vi điều khiển Atmega32, xây dựng tập lệnh C vi điều khiển giao tiếp điều khiển chế độ hỗ trợ với LM629 Bước 6: Thiết kế công suất cho DC motor Hitachi 60W, encoder: 240xung/vòng Bước 7: Xây dựng giao thức truyền thông với mạng RS485 nhằm kết nối điều khiển nhiều điều khiển lúc Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 34 chân 16 mức Byte trang thái đọc từ Port lệnh chân 16 mức Viết đọc liệu chân 16 mức Chân 17 ngõ ngắt HI: hoạt động mức cao có báo động điều kiện ngắt xảy Chân reset RST\: phải đặt mức thấp tối thiểu chu kỳ Khi bị reset: Hệ số lọc thơng số điều Set sai số vị trí cao thi hành lệnh LPEI Các ngắt SBBA SBPR điều bị vơ hiệu hóa Cho phép ngắt khác Đưa vị trí giá trị hay vị trí home Được set rở lại thời gian 2048/fclk Tuy nhiên, sau reset nên đọc port trạng thái 00 Nếu reset hồn thành từ trạng thái 84h hay C4h Nguyên lý hoạt động Vi xử lý chủ giao tiếp với LM629 qua port I/O để lập trình quỹ đạo vận tốc hình thang lọc bù số Ngõ PWM bit giao tiếp với mạch cầu H để cung cấp lượng cho động hoạt động tín hiệu hồi tiếp cho vọng điều khiển vị trí lấy từ encoder loại tương đối Khối tạo biên dạng vận tốc hình thang tính tốn quỹ đạo cần thiết hoạt động kiểu vận tốc kiểu vị trí Khi hoạt động, LM629 tính tốn sai số vị trí cách lấy vị trí mong muốn trừ vị trí thực (hiện tại), sai số đưa vào lọc số để điều khiển Bảng vài thông số LM629 Thông số LM629 Bảng 3.4: Thông số LM629 Hồi tiếp vị trí LM629 giao tiếp với encoder tương đối loại pha A, B, Z để kiểm sốt vị trí động Mỗi có tín hiệu chuyển mạch xung A B, ghi vị trí LM629 tăng giảm tương ứng Điều giúp nâng cao độ phân Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 35 giải encoder lên lần Tín hiệu từ encoder động với xung clock LM629 Xem thêm hình dưới: Hình 3.6: Giản đồ xung clock encoder Tín hiệu từ xung Index dùng để nhận biết động quay vịng Khi lập trình, LM629 ghi lại vị trí tuyệt đối động vào ghi Index tín hiệu encoder xuống mức logic thấp Nếu encoder khơng có pha Index ngõ vào Index LM629 dùng để ghi lại vị trí Home động Trong trường hợp này, người ta bố trí cho động đến điểm Home làm công tắc xuống mức logic thấp nối công tắc vào chân Index Khi LM629 ghi lại vị trí động vào ghi Index gây ngắt vi xử lý chủ Nếu không sử dụng, chân Index nên nối lên mức logic cao Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 36 Khối tạo biên dạng vận tốc Hình 3.7: Biên dạng vận tốc LM629 điều khiển vị trí với biên dạng vận tốc di chuyển hình thang Trong kiểu điều khiển vị trí, vi xử lý chủ xác định gia tốc, vận tốc tối đa vị trí đích LM629 dùng thông tin để tạo chuyển động cách gia tốc đạt vận tốc tối đa giảm dần cho khơng đạt vị trí Giá trị gia tốc vận tốc Trong suốt thời gian di chuyển, vận tốc cực đại vị trí đích thay đổi động tăng hay giảm gia tốc cho phù hợp Hình 3.5(a) hình thang đơn giản lý tưởng, hình 3.5(b) hình thang, có vận tốc thay đổi thời gian khác lúc chuyển động Khi hoạt động kiểu vận tốc, động tăng đến vận tốc xác định ứng với gia tốc đặt trước giữ vận tốc ổn định có lệnh dừng Nếu có nhiễu lúc hoạt động vận tốc trung bình khơng đổi LM629 tính tốn bù trừ cần thiết Nếu động khơng đạt vận tốc đặt (ví dụ động bị kẹt công suất không đảm bảo) vị trí u cầu từ LM629 tiếp tục tăng dẫn đến sai lệch vị trí ngày lớn Nếu ngẫu nhiên lỗi khắc phục động nhanh chóng đạt vận tốc cao để đạt vị trí u cầu Lỗi phát cách dùng lệnh LPEI, LPES.Tất thơng số quỹ đạo có số dạng 32 bit Thơng số vị trí giá trị có dấu Giá trị gia tốc vận tốc số dương gồm 16 bit biểu thị phần nguyên 16 bit biểu thị phần thập phân Cách xác định thông số u cầu sau: Ví dụ động có encoder 500 xung, yêu cầu tăng vận tốc từ đến 600 v/ph sau giảm vận tốc dừng xác vị trí 100 vịng kể từ lúc bắt đầu Cách tính thơng số sau: P = vị trí đích (đơn vị = số đếm encoder) Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 37 R = encoder * (độ phân giải hệ thống) R=500*4=2000 P = 2000 * số vòng yêu cầu = 2000 * 100 = 200000 = 30D40h (số Hex ghi vào LM629) V = vận tốc (số xung encoder/mẫu) T = thời gian lấy mẫu = 341 us (6MHz) C = hệ số chuyển đổi = phút/60 giây V = R * T * C * vận tốc yêu cầu V = 2000 * 341E-6 * 1/60 * 600 = 6.82 xung/mẫu V (nhân số) = 6.82 * 65536 = 446,955.52 = 446,956 = 6D1Ech cho A = số đếm/ tgian * tgian A = R * T * T * gia tốc yêu cần = 2000 * 341E-6 * 341E-6 * = 2.33E-4 (xung/sample/sample) A (nhân số) = 2.33E-4 * 65536 = 15.24 = 15 = 0Fh Vận tốc, vị trí, gia tốc phải chuyển thành số nhị phân trước load vào LM629 Giá trị vận tốc gia tốc phải nhân lên với 65536 để đảm bảo giá trị số nguyên Chú ý giá trị phải làm tròn Bộ lọ bù PID: LM629 dùng PID số để điều khiển vịng kín Biểu thức minh họa cho PID: n u(n) kp.e(n) ki.e(n) kd[e(n') e(n'1)] N0 Ki,Kp,Kd thông số rời rạc load người dùng, giới hạn 16 bit Tinh chỉnh hệ số PID Việc tinh chỉnh lọc PID thực qua hai bước Bước điều chỉnh thô quan sát đáp ứng để giới hạn khoảng giá trị tham số Bước dùng LM629 kết hợp với mạch điện ghép thêm dao động ký để quan sát đáp ứng độ, tinh chỉnh tham số cho đạt đáp ứng tốt  Tạo lọc PID: Phần thiết lập tham số Kp, Ki, il Kd = 2, ds = nạp lệnh xuống LM629 để giữ động vị trí Sau thực hiện, vị trí yêu cầu vị trí thực động đứng yên Nếu di chuyển trục động Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 38 tạo sai số vị trí Kp, Ki nên vịng điều khiển khơng thể khử sai số  Xác định hệ số vi phân: Thành phần vi phân lọc làm giảm dao động vọt lố, tăng độ ổn định hệ thống, thành phần tạo lực tỉ lệ với độ biến thiên vị trí động hệ số có giá trị Kd x ds Tham số Kd tăng dần trục bắt đầu dao động với tần số cao, sau tăng dần ds đạt đáp ứng thích hợp Thời gian lấy mẫu vi phân số nguyên lần chu kỳ tính tốn LM629 có giá trị nhỏ số khí hệ thống từ đến 10 lần Điều có nghĩa đa số hệ thống cần giá trị nhỏ ds, nhiên nhìn chung Kd ds điều chỉnh cho đạt giá trị lớn mà không làm hệ thống dao động  Xác định hệ số tỷ lệ: Thành phần tỉ lệ cung cấp tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai số vị trí Nếu Kp thấp, hệ đáp ứng chậm có sai số vị trí Ngược lại, Kp lớn làm hệ đáp ứng nhanh làm hệ vọt lố dao động Điều chỉnh Kp cách tăng dần hệ bắt đầu dao động  Xác định hệ số tích phân: Thành phần tỉ lệ làm giảm sai số hệ thống khơng thể triệt tiêu nó, nhiên khâu Ki khử sai số xác lập Thành phần tích phân tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số vị trí tăng tuyến tính theo thời gian Giá trị Ki lớn làm tăng đáp ứng gây vọt lố dao động Do điều chỉnh Ki cho đạt giá trị nhỏ thỏa đặc tính: độ vọt lố, thời gian xác lập, thời gian khử sai số xác lập Thành phần giới hạn tích phân có tác dụng đặt giới hạn ngưỡng giá trị cho thành phần tích phân Nếu giá trị tích phân vượt giới hạn Il bị xén giá trị Il Trong nhiều hệ thống, Il thiết lập tới giá trị cao 7FFFH mà không gây tác dụng ngược Nếu Il 0, khâu tích phân khơng có tác dụng điều khiển Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 39 Tập Lệnh LM629 Bảng 3.6: Tập lệnh LM629 b) Mạch điện điều khiển: Vi điều khiển giao tiếp với LM629, lựa chọn Atmega32 Sơ đồ kết nối phần cứng sau : Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 40 Hình 3.8: Mạch điện vi điều khiển Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 41 Hình 3.9: Mạch điện kết nối LM629 c) Hình dáng phần cứng mạch thi cơng: Hình 3.10: Phần cứng thi công Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 42 3.2.4 Giao thức mạng Chuẩn truyền sử dụng giao thức mạng RS485 Chuẩn truyền có dạng hình: Hình 3.11: Sơ đồ nhiều truyền nhận Nguyên lý mạch điện sau: Hình 3.12: Nguyên lý mạch RS485 Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 43 Chương 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Trong trình thiết kế, ta sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử Orcad 9.2 để tạo sơ đồ nguyên lý mạch in cho module Các linh kiện dán SMD sử dụng chế tạo board mạch để board có kích thước nhỏ gọn Board driver lắp chung với board cơng suất hình sau: Hình 4.1: Phần cứng thi công Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 44 Hình 4.2: Giao diện kết nối với board điều khiển máy tính Hình 4.3: Kết nối thành cơng Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 45 Hình 4.4: Các thơng số điều khiển Hình 4.5: Đồ thị điều khiển vị trí Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 46 H KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tổng kết đề tài, tác giả đạt dược kết sau: Thiết kế thi công thành công board driver điều khiển PID DC Motor dùng LM629 Xây dựng tập lệnh giao tiếp C cho vi điều khiển Atmega32 LM629 Xây dựng giao thức giao tiếp driver với board chủ theo giao thức mạng RS485 Các kiến nghị mở rộng phạm vi nghiên cứu: Hoàn thiện giao diện khảo sát cài đặt thông số driver máy tính Thiết kế board cơng suất phù hợp với motor lớn Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Trang 47 I TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Hùng - Ứng dụng Matlab điều khiển tự động - Đại học sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, 2010 [2] Nguyễn Hùng - Giáo trình điều khiển tự động - Đại học sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, 2009 [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng - Điều khiển tự động - Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2004 [4] [Atmel Inc, 2010] http://www.atmel.com [5] [National Inc, 2010] http://www.national.com [6] [Spark Fun Electronics, 2010] Spark Fun Electronics (2010) Spark Fun Electronics http://www.sparkfun.com Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT... KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2014-113 Chủ nhiệm đề tài: Giảng viên, Thạc sỹ Trần... 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ điều khiển trường hợp lựa chọn PID 1.1 Giới thiệu điều khiển PID liên tục: Bộ điều khiển PID điều khiển vịng kín sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Sử dụng điều khiển PID để điều