Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 1 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỂ TÀI: THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 2 Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 3 Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 4 PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: 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 Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt - Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng: Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này 1.2 Mô hình hóa động cơ DC: Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 5 Ia R a La 1 Ua + A Eg 2 - u a = R a i a + La di a +e g dt e g = k v Φn (1.1) (1.2) Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra n là tốc độ động cơ Momen điện từ: Td = Kt Φia (1.3) Phương trình của động cơ: Td = J dω + Bω + TL dt (1.4) B: hệ số ma sát T: monen tải Ở chế độ xác lập: u a = Ra ia + e g (1.5) Td = 2πnB + TL = K t Φia (1.6) Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập: n= U a − I a Ra KvΦ (1.7) 1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto Việc cấp áp 1 chiều Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 6 thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1: PWM Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ Điện áp trung bình: Vdk = Ton Vin T Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau: Udk t Ia t Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 7 1.4 Khảo sát hàm truyền: 1.4.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được: U a ( p ) = Ra I a ( p ) + pLa I a ( p ) + E g (a ) (1.9) E g ( p ) = k v Φn( p ) (1.10) Td(p) = Kt ΦIa(p) (1.11) Td ( p ) = 2πpJn( p ) + 2πBn( p ) + TL ( p ) (1.12) Từ 1.12 tính được: n( p ) = Td ( p) − TL ( p ) 2πB( pτ m + 1) I a ( p) = Trong đó: (1.13) U a ( p) − Ea ( p) Ra (τ a p + 1) (1.14) τ a =La/Ra Hằng số thời gian của mạch phần ứng τ m =J/B Hằng số thời gian cơ Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Ia(p) Ua(p) 1 Ra (τ a p + 1) kt Φ Eg(p ) Td(p) TL(p) 1 2πB (τ m p + 1) kv Φ Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC Khi momen tải bằng 0, ta có: n( p ) = U a ( p ) 1 2πBRa (τ a p + 1)(τ m p + 1) + K v Φ Kt Φ Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động 1.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ Nhóm 1 – Lớp 04DT2 n(p) Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - 8 Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau G= k Tp + 1 Đáp ứng xung của động cơ: n(p)= kU (Tp + 1) p Biến đổi Laplace ngược ta được: n=kU(1-e-t/T) Khi t = T, n = kU(1-e-1)=0.63kU=0.63nmax Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63nmax sau đó tìm được T Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được các thông số kU và T kU = 150 vòng/s T = 30ms=0.03s Vậy hàm truyền gần đúng: G= k 150 / 24 37.5 = = Tp + 1 0.03 p + 1 0.03 p + 1 1.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 1.5.1 Thuật toán PID: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng G = K p + K i ∫ e(τ )dτ + K d Trang - 9 de(τ ) dτ Trong đó: - Kp: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) - Ki: Hệ số tích phân - Kd: hệ số vi phân Luật điều khiển PID: Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch Ta cần xác định các thông số Kp, Ki, Kd để được hệ thống có chất lượng mong muốn Thuật toán của bộ điều khiển PID số: Khâu tỉ lệ P (Proportional): GP(z) = KP Khâu tích phân I (Integrate): 1 GI ( z) = K I T 1 − z −1 kT với k 0 n =0 ∫ e(t )dt = ∑ Te(nT ) Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 10 - Trang - Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc Công thức tích phân gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới Khâu vi phân D (Derivative): GD ( z) = K D z −1 = K d (1 − z −1 ) với thành phần vi phân xấp xỉ bởi: Tz de(t ) e(nT ) − e((n − 1)T ) = dt T Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: G= U dk ( z ) 1 = K p + Ki + K d (1 − z −1 ) −1 E(z) 1− z Udk(z)(1-z-1) = E(z)(Kp(1-z-1) + Ki + Kd(1-z-1)2 Suy ra: uk – uk-1 = Kp(ek – ek-1) + Kiek + Kd(ek – 2ek-1 – ek-2) 1.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ Ở đây ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ Kgh và chu kì giới hạn của hệ kín Tgh Sau đó tìm các thông số khác theo bảng sau: Để tìm được Kgh và Tgh, ban đầu ta chỉnh Ki, Kd bằng 0 sau đó tăng từ từ Kp để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được Kgh và Tgh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên Ki = Kp/Ti Kd = KxTd Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 52 - Trang Tuy nhiên, phương pháp Ziegler – Nichols là phương pháp đã làm xấp xỉ hàm truyền, do đó áp dụng với động cơ có thể đáp ứng chưa được như mong muốn, ta có thể hiệu chỉnh các thông số này để có đáp ứng mong muốn dựa theo đồ thị Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 53 - Trang - CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 5.1 Cấu hình bên trong PSOC: Việc cấu hình cho PSOC gồm các bước: - Cấu hình cho các tài nguyên toàn cục: điện áp, tần số hoạt động, các bộ chia Clock bên trong Các thông số này được cấu hình như hình vẽ: Ở đây chọn CPU_Clock là 24Mhz, bộ chia tần sô VC1 và VC2 được Set để có tần số VC2 là 1M để phục vụ cho các khối định thời và điều xung Bộ chia VC3 được chọn là 26 để chọn tốc độ baud cho khối UART - Cấu hình các khối số: Khối điều xung:chọn bộ điều xung PWM 16bit để có thể dễ dàng thay đổi tần số điều xung, đặt tại block DB00 và DB01 Đầu ra của khối PWM nối đến Row_0_output_1 sau đó nối đến chân P2.5 Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 54 - Trang - Cấu hình các thông số khác cho khối PWM như hình vẽ: Tần số clock đầu vào là 48MHz, chu kì là 2000 xung tương ứng với tần số đầu ra là 48MHz/2000 = 24KHz Khối giao tiếp UART: Khối UART được đặt tại block DCB02 và DCB03, đối với các khối chức năng giao tiếp như UART, I2C, SPI… phục vụ cho truyền thông thì ta phải đặt tại các block số DCBxx (khác với DBBxx) Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 55 - Trang Định tốc độ baud: Tốc độ baud = tần số xung clock/8 Ta cần tốc độ baud là 115200, tần số clock là: 8.115200 = 921600 Clock chính là 24MHz, ta dung bộ chia tần để có được tần số 921600 Hệ số chia = 24MHz/921600 = 26.04 => chọn VC3 là 26 Đầu vào được nối đến Row_0_Input_2 sau đó nối đến chân P4.2 Đầu ra nối đến Row_0_Output_0 -> đến chân P4.4 Kích thước bộ đệm nhận 16byte Kí tự kết thúc lệnh 13 (ứng với Enter, kí tự CR) Kí tự phân cách các tham số trong dòng lệnh 32 (kí tự Space) Các thông số khác như hình vẽ: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 56 - Trang - Khối định thời: dùng để đinh thời gian lấy mẫu tốc độ Ta chọn bộ đinh thời 16 bit để dễ dàng thay đổi tốc độ lấy mẫu, định thời gian linh hoạt hơn Thiết lập các thông số cho khối này như sau: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 57 - Trang - Ở đây chu kì lấy mẫu vận tốc là 50ms, tần số clock đầu vào là 1MHz nên chọn chu kì là 50000 Khối counter 16 bit: dung để đếm số xung từ Encoder: Khối này được đặt ở block DBB20 và DBB21 như hình vẽ Thiết lập các thông số: xung clock ngõ vào là tín hiệu từ Encoder, do đó ta nối tới Row_2_Input_1 -> chân P2.1 Đồng thời ta phải thiết lập chân P2.1 là ngõ vào, chọn Mode là High Z Các thông số khác được chọn như hình sau: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 58 - Trang - Giá trị Period sẽ giảm mỗi khi có 1 clock ngõ vào, do đó ta thiêt lập giá trị này ban đầu là 65535 Khối giao tiếp LCD: Khối này thiêt lập bằng phần mềm, do đó không cần block số nào Để thiêt lập ta chỉ cần chọn cổng nối tới LCD Giao tiếp LCD ở đây hoạt động theo chế độ 4 bit nên chỉ cần 4 đường dữ liệu Chọn Port giao tiếp LCD là P3 5.2 Giải thuật phần mềm: Lưu đồ thuật toán chương trình chính: Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 59 - Trang - Begin Khởi động các Modul Ngắt timer? Đọc bộ đếm, Reset bộ đếm Tính giá trị ĐK theo PID Dữ liệu từ PC? Nhận dữ liệu từ PC Hiển thị Gửi vận tốc lên PC Giải thích: - Phần khởi động các module bao gồm: o Khởi động Module LCD o Khởi động Module UART o Khởi động khối PWM o Khởi động Timer dùng để định thời gian lấy mẫu vận tốc và Counter để đếm xung từ Encoder o Enable ngắt toàn cục và ngắt do timer - Mỗi lần có ngắt timer (kết thúc chu kì lấy mẫu), VDK sẽ đọc giá trị bộ đếm (Counter), Reset bộ đếm để bắt đầu lại từ đầu Sau đó VDK tính Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 60 - Trang - toán các giá trị điều khiển PWM theo thuật toán PID nhờ hàm pid_control() - Chương trình gửi dữ liệu lên PC gửi vận tốc hiện thời lên PC - Nếu có dữ liệu từ PC (các thông số vận tốc, hệ số Ki, Kp,) Chương trình con điều khiển PID: Áp dụng thuật toán PID số, thay giá trị u k bởi giá trị điều xung (vì điện áp trung bình ra tỉ lệ với chu kì nhiệm vụ (Duty Cycle)), ta có chương trình điều khiển như sau: void pid_control(){ e1=v_set-save_count; P_Term=(kp*e1)/10; //K'p = 0.1 -> 5 khi kp = 1-50, tranh truong hop tinhs toan vuot khoi nguong cua integer D_Term=(kd*((e1-e0)))/10; //K'd = 0.1 -> 5 khi kd = 150 (e1-2*e00 +e0)) e00=e0; e0=e1; I_state=(I_state+e1)/10; I_Term=(ki*I_state)/10;//k'i = 0.01,0.02 1 PWM_set=PWM_set + P_Term + D_Term + I_Term; if (PWM_set>2000) PWM_set=2000; if (PWM_set trả về chuỗi ‘P’ Gọi lần 2: UART_1_szGetParam()-> trả về chuỗi ‘10’ Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 62 - Trang Begin Đọc giá trị đầu tiên str[0] Str[0]= ’S’ Str[0]= ’P’ Str[0]= ’I’ Vân tốc = Dữ liệu từ PC Kp = Dữ liệu từ PC Ki = Dữ liệu từ PC Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Str[0]= ’D’ Kd = Dữ liệu từ PC - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Str[0]= 63 ’D’ Đóng Relaay đảo chiều động cơ Trang - Chương trình con hiển thị: End Chương trình hiển thị sẽ chuyển đổi các giá trị vận tốc, các hệ số Ki, Kp, Kd ra giá trị thích hợp để hiển thị Chương trình hiển thị dùng các hàm API: LCD_1_Position(byte i,byte j); Dịch chuyển con trỏ tới vị trí hàng I cột j LCD_1_PrHexByte(byte); Hiển thị 1 byte ở dạng Hexa lên LCD LCD_1_PrString(BYTE *s); hiển thị chuỗi s Chương trình gửi vận tốc lên máy tính void send_data_pc(){ int tem1; tem1=save_count*3; itoa(sp,tem1,10); UART_1_PutString(sp); } Trước khi gửi dữ liệu lên PC ta convert sang dạng chuỗi dùng hàm itoa(sp,tem1,10) Nhóm 1 – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 64 - Trang 5.3 Chương trình giao tiếp trên máy tính: Giao diện chương trình: Mã nguồn chương trình: Dim mang(1 To 50000) As Double Dim i As Double Dim str As String Dim even As Integer Dim direction As Integer Private Sub Command1_Click() MSComm1.Output = "O" MSComm1.Output = Chr(32) MSComm1.Output = "1" MSComm1.Output = Chr(13) End Sub Private Sub Command2_Click() MSComm1.Output = "O" MSComm1.Output = Chr(32) MSComm1.Output = "0" MSComm1.Output = Chr(13) End Sub Private Sub Check1_Click() MSComm1.Output = "R" Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 65 - Trang MSComm1.Output = Chr(32) If (direction = 1) Then 'Neu dang quay theo chieu thuan direction = 0 MSComm1.Output = "1" MSComm1.Output = Chr(13) Else direction = 1 MSComm1.Output = "0" MSComm1.Output = Chr(13) End If End Sub Private Sub Command3_Click() If MSComm1.PortOpen Then MSComm1.PortOpen = False End If End End Sub Private Sub Command4_Click() MyChart.Series(0).Clear i=1 End Sub Private Sub Command5_Click() frmsetting.Show End Sub Private Sub Exit_Click() End End Sub Private Sub Form_Load() MSComm1.Settings = "115200,N,8,1" MSComm1.CommPort = 1 MSComm1.PortOpen = True ' frmsetting.Show str = "00" i=1 direction = 1 End Sub Private Sub KP_Click() Nhóm 1 – Lớp 04DT2 - Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng 66 - Trang - End Sub Private Sub MSComm1_OnComm() If (MSComm1.CommEvent = comEvReceive) Then ' Text2.Text = MSComm1.Input str = MSComm1.Input mang(i) = Val(str) MyChart.Series(0).AddXY i, mang(i), "", vbRed Label8.Caption = str 'Text1.Text = str 'mang(i) = Asc(MSComm1.Input) 'MyChart.Series(0).AddXY i, mang(i), "", vbRed 'MyChart.Series(0).AddXY i, Val(Text6.Text), "", vbGreen i=i+1 End If End Sub Private Sub Setting_Click() frmsetting.Show End Sub Private Sub Slider1_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) Dim kp As String kp = Slider1.Value MSComm1.Output = "P" MSComm1.Output = Chr(32) MSComm1.Output = kp MSComm1.Output = Chr(13) End Sub Private Sub Slider1_Scroll() Text3.Text = Slider1.Value End Sub Private Sub Slider2_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) Dim ki As String ki = Slider2.Value MSComm1.Output = "I" MSComm1.Output = Chr(32) MSComm1.Output = ki Nhóm 1 – Lớp 04DT2 .. .Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - Nhóm – Lớp 04DT2 Đồ án mơn học: Điện tử ứng dụng - Trang - Nhóm – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng - Trang - PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: ĐỘNG... CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động DC: Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều ứng dụng rộng rãi ứng dụng dân dụng công nghiệp Cấu tạo động gồm có... ta có loại động điện chiều dùng nam châm vĩnh cữu Đây loại động sử dụng đồ án 1.2 Mô hình hóa động DC: Mơ hình tương đương phần ứng động sau: Nhóm – Lớp 04DT2 Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng -