Luận Văn Nghiên cứu thiết kế điều khiển động cơ điện một chiều bằng bộ điều khiển pid

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU . 4
1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đông cơ một chiều . 4
1.1.1 Cấu tạo: . 4
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều: 6
1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 7
1.1.4 Các phương trình động học cơ bản . 8
1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến lập mã quang: 10
1.2.1 Cấu tạo: . 10
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của Encoder: . 11
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG . 14
2.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động . 14
2.2. Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động . 14
2.2.1. Phân loại hệ thống điều khiển kiểu vòng 14
2.2.2. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống 16
2.2.3. Phân loại dựa trên ngõ vào -ngõ ra hệ thống 16
2.2.4. Phân loại theo chiến lược điều khiển . 17
2.3. Hàm truyền . 17
2.3.1. Mô hình toán học . 17
2.3.2. Hàm truyền 18
2.4. Các mô hình biến trạng thái 20
2.4.1. Giới thiệu 20
2.4.2. Biến trạng thái của một hệ thống động 21
2.4.3. Phương trình vi phân của vector trạng thái . 21
2.4.4. Đáp ứng theo thời gian rời rạc 24
2.5. Một số các kỹ thuật điều khiển và các hàm truyền tương ứng . 26
2.5.1. Mạch bù 26
2.5.2. Sớm pha 29
2.5.3. Bộ điều khiển PD . 32
2.5.4. Chậm pha 33
2.5.5. Bộ điều khiển PI 35
Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU
KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU . 39
3.1 Kỹ thuật điều khiển PID 39
3.1.1. Kỹ thuật điều khiển P 39
3.1.2. Kỹ thuật điều khiển PI . 40
3.1.3. Kỹ thuật điều khiển PD 42
3.1.4. Kỹ thuật điều khiển PID 43
3.2. Các vấn đề liên quan về lý thuyết điều khiển PID . 46
3.3. Áp dụng kỹ thuật điều khiển PID cho động cơ một chiều: 46
3.3.1. Thuật toán PID và việc rời rạc hóa nó . 46
3.3.2. Điều khiển động cơ DC bằng kỹ thuật PID . 49
Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID . 51
4.1.Sơ đồ khối phần cứng: . 51
4.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: . 52
Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý phần cứng . 52
4.3.Chức năng từng khối: 52
4.3.1.Khối điều khiển: . 52
4.3.2.Khối công suất: 61
4.3.3.Khối truyền thông: 63
4.3.4.Khối động cơ: . 68
4.3.5.Khối xử lý và hiển thị: 69
Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ PID: . 70
5.1.Thành phần: . 70
5.2.Lưu đồ thuật toán chương trình trên VisualBasic: 70
5.3.1.Khai báo truyền thông nối tiếp: 71
5.3.2.Tính toán điều chỉnh tốc độ động cơ theo thuật toán PID: 72
5.3.3.Hiển thị tốc độ theo thời gian bằng biểu đồ: . 73
5.4. Lưu đồ thuật toán chương trình trên ATMEGA16: . 75
5.5.Code chương trình: 75
5.5.1. Bộ đếm xung từ bộ lập mã quang để xác định vận tốc motor . 75
5.5.2. Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển tốc độ motor . 76
5.5.3. Bộ UART giao tiếp máy tính theo chuẩn RS-232 79
Chương 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 85
6.1. Hình ảnh thực tế đồ án: . 85
6.1.1.Mạch công suất: . 85
6.1.2.Động cơ gắn encoder: 85
6.1.3.Giao diện VB: . 86
6.1.4.Mạch điều khiển: 86
6.1.5.Toàn mạch đồ án: . 87
6.2. Kết quả đạt được 88
6.3.Hướng phát triển của đề tài: . 88
Tài liệu tham khảo . 90


LỜI NÓI ĐẦU
Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần mềm, kỹ
thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ bán dẫn và công nghệ
tạo hệ thống chip khả trình (programmable system on a chip) đang mở ra những hướng
mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng cho công nghiệp và trong đời
sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite
System) cùng với các vệ tinh viễn thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang
lại nhiều ứng dụng thiết thực trong việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau và có độ chính xác cao.
Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện nay. Và
để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được bộ điều khiển
tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó. Việc nghiên cứu thuật toán PID trong điều
khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các Robot, máy móc, các
thiêt bị tự động hoạt động linh hoạt và chính xác hơn.
Với các lý do trên và được sự đồng ý của BCN khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Trường Đại
Học Nha Trang, emđã thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID”. Đề tài được thực
hiện từ ngày 20/2/2012 đến 25/6/2012.


MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài:
Từ thuở xa xưa con người đã từng nghĩ và chế tạo ra những thiết bị điều khiển tự
động nhằm mục đích giảm sức lực, tăng năng suất lao động và tăng của cải vật chất cho
xã hội. Những thiết bị điều khiển tự động ngày càng hoàn thiện theo thời gian, theo sự
hiểu biết và nhu cầu của con người. Những hệ thống điều khiển ban đầu loài người phát
minh ra là những hệ thống điều khiển cơ học đơn giản như cơ cấu điều khiển đồng hồ
nước Ktesibios ở thành phố Alexandra, Ai Cập (Egypt) trước công nguyên hay thiết bị
điều khiển vận tốc (flyball governor) do James Watt phát minh vào cuối thế kỷ 18. Nhu
cầu sử dụng hệ thống điều khiển tự động ngày càng gia tăng. Những hệ thống điều khiển
tự động đặc biệt phát triển mạnh hơn khi có những phát minh mới về điện điện tử, công
nghệ bán dẫn và công nghệ máy vi tính trong thế kỷ 20. Những hệ thống điều khiển tự
động có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào cách phân loại. Nếu phân loại theo cách thức
vận hành và chuyển hóa năng lượng chúng ta có thể phân chia thành hệ thống cơ học
(mechanical systems), hệ thống thủy lực học (hydraulic systems), hệ thống hơi
(pneumatic systems), hệ thống điện điện tử (electric and electronic systems), hệ thống
điều khiển kết hợp giữa các loại trên. Những hệ thống điều khiển tự động ngày nay phổ
biến hơn cả là những hệ thống điện và điện tử. Nếu phân chia những hệ thống điện và
điện tử theo loại tín hiệu, chúng ta có hệ thống điều khiển tín hiệu liên tục (analogue
control systems) và hệ thống điều khiển số (digital control system) hay còn gọi là hệ
thống điều khiển bằng máy tính(computer-based control systems). Xu thế chung ngày nay
ngày càng xuất hiệnnhiều hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần mềm, kỹ
thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ bán dẫn và công nghệ
tạo hệ thống chip khả trình (programmable system on a chip) đang mở ra những hướng
mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng cho công nghiệp và trong đời
sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite
System) cùng với các vệ tinh viễn thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang
lại nhiều ứng dụng thiết thực trong việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau và có độ chính xác cao.
Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện nay. Và
để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được bộ điều khiển
tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó. Việc nghiên cứu thuật toán PID trong điều
khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các Robot, máy móc, các
thiêt bị tự động hoạt động linh hoạt và chính xác hơn.
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có
ứng dụng khá rộng rãi. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng
trong thực tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số PID hợp lý cho bộ
điều khiển thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng như mong muốn là trong tầm tay.
Ngày nay vi điều khiển đã dần phát triển sâu rộng và có nhiều ứng dụng trong cài đặt,
thiết kế bộ điều khiển chocác đối tượng công nghiệp.
2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: động cơ điện một chiều có moment thay đổi
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ PID rồi sử
dụng một trong số các phương pháp đó để thiết kế bộ điều khiển dùng vi xử lý để điều
khiển tốc độ động cơ DC.
3.Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động, lý
thuyết điều khiển động cơ bằng PID, các mô hình động cơ điện một chiều, tập lệnh vi
điều khiển
Phương pháp điều khiển thực tế: sử dụng vi điều khiển và các mạch phụ kiện để
tạo một mô hình điều khiển động cơ PID thu nhỏ.
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Tìm ra những sai sót trong phương pháp điều khiển động cơ bằng PID và góp phần
hoàn thiện phương pháp đó. Đồng thời mở ra hướng sử dụng các vi xử lý vào trong điều
khiển công nghiệp.
5.Cấu trúc đồ án:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:sơ lược về cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, mô tả toán học động cơ điện một chiều và kĩthuật điều khiển
động cơ.
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG:nhắc
lại lý thuyết về điều khiển tự động đã được học.
Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:các phương pháp xác định bộ điều
khiển PID và cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều.
Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID:nêu sơ đồ
khối, sơ đồ nguyên lý của phần cứng, phân tích chức năng từng khối.
Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO PID:Lưu đồ
thuật toán và code chương trình.
Chương 6: KẾT LUẬN: một số hình ảnh thực tế về phần cứng và hiển thị của đề
tài, kết quả đạt được, hạn chế còn vướng mắc và hướng phát triển của đề tài


Chương 1:TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1CHIỀU
1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của độngcơ một chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động
cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp.
Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độduy nhất khi nối với nguồn
điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của
các mạch điện tử cùng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là
liên tục. Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than
tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ
góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ,
khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu.
1.1.1 Cấu tạo:
Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện 1 chiều cũng gồm Stator,
Roto, cổ góp và chổi điện.


Tài liệu tham khảo
Tài liệu tiếng Việt:
[1]. Đặng Hoài Bắc. Cơ sở điều khiển tự động. Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông, 2006
[2]. Nguyễn Duy Cương, Đào Bá Phong, Phan Xuân Minh. Một số phương pháp thiết kế
bộ điều khiển. Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[3]. Lê Vũ Hà. Giáo trình Kỹ thuật điều khiển, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học
Quốc Gia Hà Nội.
[4]. Huỳnh Thái Hoàng. Lý thuyết điều khiển tự động. Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh.
[5]Vi điều khiển PsoC. Bản dịch: Nguyễn Xuân Sơn.ĐHBK. HN.
[6]. Tài liệu lập trình hệ thống –giao tiếp cổng nối tiếp. Biên soạn: Phạm Hùng Kim
Khánh.
[7] Luận văn: Ứng dụng lý thuyết hiện đại thiết kế MODUL điều khiển động cơ . Sinh
viên: Bùi Trung Hiếu. ĐHBK Tp HCM thực hiện
[8]. Kỹ thuật điện tử. Biên soạn: Đỗ Xuân Thụ. NXBGD. HN
Tài liệu tiếng Anh:
[9]. Robert A. Paz. 2001. The Design of the PID Controller. Klipsch School of Electrical
and Computer Engineering.
[10]. Dr M.J. Willis. 1999. Proportional-Integral-Derivative Control. Dept. of
Chemical and Process Engineering University of Newcastle.
Tài liệu trang web:
[11]. http://www.dieukhien.net
[12]. http://dientuvietnam.net
[13]. http://picvietnam.com