Trong thực tế có nhiều loại encoder khác nhau như: Encoder tiếp xúc, Encoder từ trường, Encoder quang (gồm: Encoder quang tương đối, Encoder quang tuyệt đối). Mỗi loại lại có một nguyên lý hoạt động khác nhau, trong đồ án này, tôi chỉ sử dụng loại Encoder quang tương đối (incremental encoder)
nên trình bày về loại encoder này.
Loại incremental encoder dùng trong đồ án được gắn đồng trục với động cơ DC 24V – 20W, và có độ phân giải là 100 xung/vịng.
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
- Mơ hình thứ 1:
Incremental encoder về cơ bản là một đĩa tròn quay quanh một trục được đục lỗ như hình 2.9. Ví dụ Encoder có 100, 200, 500 hay 1000 vạch khe hở trên vành đĩa.
Hình 2.10 Encoder quang loại tương đối- mơ hình 1
Ở hai bên mặt của cái vành đĩa, sẽ có một bộ thu phát quang. Trong quá trình encoder quay quanh trục, nếu gặp lỗ trống thì ánh sáng chiếu qua được, nếu gặp mãnh chắn thì tia sáng khơng chiếu qua được. Do đó tín hiệu nhận được từ encoder quang là một chuỗi xung. Mỗi encoder được chế tạo với số khe hở trên vành đĩa, sẽ cho biết sẵn số xung khi quay hết một vịng. Do đó ta có thể dùng vi điều khiển đếm số xung đó trong một đơn vị thời gian và tính ra tốc độ động cơ (có encoder được gắn đồng trục), khi đó encoder nào có số khe hở (lỗ) trên vành đĩa càng nhiều thì độ chính xác càng cao.
Hình 2.11 Cách thức hoạt động của encoder quang loại tương đối
Encoder mà tơi sử dụng trong đồ án, hồn tồn giống với mơ hình ở trên. Tuy nhiên, mơ hình trên có nhược điểm lớn là: ta khơng thể xác định
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
được động cơ quay trái hay quay phải, vì có quay theo chiều nào đi nữa thì chỉ có một dạng xung đưa ra. Ngoài ra thời điểm bắt đầu hoạt động của động cơ, ta cũng không thể nào biết được.
- Mơ hình thứ 2: (Cải tiến mơ hình 1, nhằm khắc phục các nhược điểm )
Hình 2.12 Mơ hình 2 của encoder quang loại tương đối
Trong mơ hình này, người ta đục tất cả là 2 vịng lỗ. Vịng ngồi cũng giống như mơ hình 1 ( thường được gọi là vòng A) , vòng giữa lệch pha so với vịng ngồi là 90 độ ( gọi là vịng B ). Khi đó, dạng xung ra từ 2 vịng trên như sau :
Hình 2.13 Sơ đồ xung ra của encoder quang tương đối – mơ hình 2
Hai xung đưa ra từ 2 vịng lệch nhau 90 độ, nếu vịng ngồi (chuỗi xung A) nhanh pha hơn vịng trong (chuỗi xung B) thì chắc chắn động cơ quay từ trái sang phải và ngược lại.
Một lỗ ở vòng trong cùng dùng để phát hiện điểm bắt đầu của động cơ. Có thể viết chương trình cho vi điều khiển nhận biết: nếu có một xung phát ra từ vòng trong cùng này, tức là động cơ đã quay đúng một vịng. Tín hiệu của chuỗi xung do 1 lỗ này tạo ra thường gọi là xung Z.
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
phổ
biến trong việc xác định vị trí góc của động cơ…..
Tuy nhiên: Vấn đề quan trọng trong việc tìm mua những loại động cơ có gắn encoder như thế này để là đồ án – hay Luận văn đối với sinh viên là khá khó, và cặp mắt quang 2 bên encoder để tạo xung thường bị hư và khơng có đồ thay thế.
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
CHƯƠNG 3
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Giới thiệu chung về PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển (hình 3.1): khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Bộ điều khiển PID được ví như một tập thể hồn hảo gồm ba cá nhân với ba tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ được giao (tích phân).
- Ln có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân).
Hình 3.1 Sơ đồ khối của một bộ điều chỉnh PID
Bộ điều khiển PID được thực hiện khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO (một vào, một ra) theo nguyên lý hồi tiếp (hình 3.2). Lý do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi là vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID được mô tả một cách định tính như sau:
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần uP(t), tín hiệu điều chỉnh
u(t) càng lớn (vai trò của khâu khếch đại KP).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phần uI(t), bộ điều khiển PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh u(t) (vai trị của khâu tích phân TI).
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần uD(t), bộ điều khiển PID sẽ phản ứng càng nhanh (vai trò của khâu vi phân TD).
Hình 3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển với bộ PID
Biểu thức toán học của bộ điều khiển PID có dạng:
u(t) = Kp + + ∫t D I dt t de T d e T t e 0 ) ( ) ( 1 ) ( τ τ (3.1)
trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, KP được gọi là hệ số
khuếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân.
Từ biểu thức toán học trên ta suy ra được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
Gc(s) = Kp(1+ T s s
T1I + D ) (3.2)
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD. Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số KP, TI, TD cho phù hợp. Hiện có khá nhiều phương pháp xác định các tham số KP, TI, TD cho bộ điều khiển PID. Dưới đây là một số những phương pháp thường được sử dụng:
- Phương pháp của Ziegler – Nichols.
- Phương pháp tối ưu mô đun, phương pháp tối ưu đối xứng. - Phương pháp thực nghiệm.
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
Một điểm cần chú ý là trong nhiều trường hợp không cần xác định cả ba tham số KP, TI, TD cho bộ điều khiển PID. Chẳng hạn như bản thân đối tượng đã có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta khơng cần phải thêm khâu tích.
phân mới triệt tiêu được sai lệch tĩnh, tức là ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD là đủ.
Nếu tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối chậm và bản than bộ điều khiển khơng cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI.