Đang tải... (xem toàn văn)
Điều khiển mờ và giao thức CAN trong đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC
http://www.ebook.edu.vn i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ------------o0o------------ BK TP.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ GIAO THỨC CAN TRONG ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ HỆ ĐỘNG CƠ DC GVHD : KS. LÊ NGỌC ĐÌNH SVTH : NGUYỄN GIA MINH THẢO LỚP : DD04KSTN MSSV : 40402363 TP. HỒ CHÍ MINH , 1/ 2009 http://www.ebook.edu.vn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Thành phố Hồ Chí Minh =================================== Khoa: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bộ môn: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: MSSV:……………. NGÀNH: .….LỚP:………… 1. Đầu đề luận án: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3. Ngày giao nhiệm vụ luận án:______________________________________________ 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ______________________________________________ 5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn: 1) ___________________________________ _________________________ 2) ___________________________________ _________________________ 3) ___________________________________ _________________________ Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua bộ môn. Ngày_____ tháng_____ năm________ CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ): ______________________ Đơn vò: ______________________________________ Ngày bảo vệ: _________________________________ Điểm tổng kết:________________________________ Nơi lưu trữ luận án: ____________________________ http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ----------- Ngày tháng năm PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN ( Dành cho người hướng dẫn ) 1. Họ và tên SV: ___________________________________________________________ MSSV: Ngành (chuyên ngành): ______________________________ 2. Đề tài : _________________________________________________________________ 3. Họ tên người hướng dẫn : __________________________________________________ 4. Tổng quát về bảng thuyết minh : ____________________________________________ Số trang _________ Số chương _____________ Số bảng số liệu _________ Số hình vẽ _____________ Số tài liệu tham khảo _________ Phần mềm tính toán _____________ Hiện vật ( sản phẩm ) _________ 5. Tổng quát về các bản vẽ : - Số bảng vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác -Sốbảnvẽtay sốbảnvẽtrênmáytính 6. Những ưu điểm chính của LVTN : ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 7. Những thiếu sót chính của LVTN: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 8. Đề nghò: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 9. 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng : a) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ b) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ c) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 10. Đánh giá chung ( bằng chữ :giỏi, khá , TB ) : Điểm __________ / 10 Ký tên (ghi rõ họ tên ) http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ----------- Ngày tháng năm PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN ( Dành cho người phản biện ) 1. Họ và tên SV: ___________________________________________________________ MSSV: Ngành(chuyên ngành) : ______________________________ 2. Đề tài : _________________________________________________________________ 3. Họ tên người phản biện :___________________________________________________ 4. Tổng quát về bảng thuyết minh : ____________________________________________ Số trang _________ Số chương _____________ Số bảng số liệu _________ Số hình vẽ _____________ Số tài liệu tham khảo _________ Phần mềm tính toán _____________ Hiện vật ( sản phẩm ) _________ 5. Tổng quát về các bản vẽ : - Số bảng vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác -Sốbảnvẽtay sốbảnvẽtrênmáytính 6. Những ưu điểm chính của LVTN : ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 7. Những thiếu sót chính của LVTN: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 8. Đề nghò: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 9. 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng : a) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ b) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ c) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 10. Đánh giá chung ( bằng chữ :giỏi, khá , TB ) : Điểm __________ / 10 Ký tên (ghi rõ họ tên ) http://www.ebook.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết xin cảm ơn ba mẹ , gia đình đã là nguồn động viên rất lớn và là chỗ dựa vững chắc nhất của con trong suốt quá trình học tập. Kính gửi đến thầy LÊ NGỌC ĐÌNH lời cảm ơn chân thành và sâu sắc, cảm ơn thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy em từ các đồ án môn học cho đến khi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô của trường đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung, quý thầy cô của khoa Điện-Điện tử và bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng đã tận tình giảng dạy , trang bò cho em những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học đại học. Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện luận văn . Tôi xin cảm ơn tất cả. Thành phố Hồ Chí Minh ,tháng 1 năm 2009 Nguyễn Gia Minh Thảo http://www.ebook.edu.vn iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng giải thuật điều khiển kết hợp với vi điều khiển để ổn đònh và đồng bộ tốc độ hệ động cơ điện một chiều ( động cơ DC ). Đề tài được thực hiện như sau: Sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ kết hợp với vi điều khiển 16-bit MC9S12DP512 để ổn đònh và đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC . Mô hình phần cứng bao gồm 3 mô-đun mạch : mô-đun 0 đóng vai trò làm trung tâm điều khiển-giám sát toàn hệ thống , mô-đun 1 điều khiển động cơ 1, mô-đun 2 điều khiển động cơ 2 . Vi điều khiển trên mô-đun 1 sẽ nhận tốc độ đặt từ người dùng ,sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ để điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) điều khiển động cơ 1 chạy đúng theo tốc độ đặt , đồng thời truyền giá trò tốc độ của động cơ 1 cho vi điều khiển trên mô- đun 2 qua Port A của 2 vi điều khiển. Vi điều khiển trên mô-đun 2 sẽ lấy giá trò tốc độ của động cơ 1 từ Port A để làm tốc độ đặt , và sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ để điều rộng xung ( PWM ) điều khiển động cơ 2 chạy đúng theo tốc độ của động cơ 1. Cả 3 mô-đun đều được kết nối với nhau trong mạng CAN ( Controller Area Network) để hai mô-đun 1 và 2 có thể truyền nhanh dữ liệu về mô-đun 0 (có vai trò là trung tâm điều khiển-giám sát) cho người dùng có thể giám sát .Thêm vào đó , kết hợp với máy vi tính đặt tại mô-đun 0, người dùng có thể điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống. Kết quả đạt được thỏa mãn khá tốt yêu cầu đề ra: Điều khiển ổn đònh được tốc độ động cơ DC , đồng bộ được tốc độ của 2 động cơ DC . Thay đổi tốc độ khá linh hoạt . Xây dựng thành công mạng CAN dùng để kết nối các mô-đun trong hệ thống , cho phép điều khiển và giám sát toàn hệ thống từ máy vi tính hay từ mô-đun điều khiển trung tâm. http://www.ebook.edu.vn iv MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục iv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……… .…………………………………………… 1 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế 2 1.3 Nhiệm vụ của luận văn .5 1.4 Thực hiện 5 1.5 Sơ lược về mô hình hệ thống .7 1.5.1 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống .7 1.5.2 Mô tả hoạt động của mô hình hệ thống 7 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ , ĐIỀU KHIỂN PID .………………… .… . 9 2.1 Lý thuyết điều khiển Mờ 9 2.1.1 Giới thiệu về Logic Mờ .9 2.1.2 Một số khái niệm cơ bản 11 2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 14 2.1.4 Bộ điều khiển mờ .17 2.2 Lý thuyết điều khiển PID .20 2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P 20 2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD .20 2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI .21 2.2.4 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID .21 2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID 22 CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT GIAO THỨC CAN ………………………………… . 24 3.1. Giới thiệu ( CAN: Controller Area Network ) .24 3.2. Giao thức CAN ( CAN Protocol ) .26 3.2.1 Nội dung giao thức 26 http://www.ebook.edu.vn v 3.2.2 Mô hình CAN trong OSI .27 3.2.3 Lớp vật lý .29 3.2.4 Cấu trúc bức điện .32 3.2.5 Cấu trúc bit trong giao thức CAN 35 3.2.6 Truy cập và giải quyết tranh chấp trên đường truyền .37 3.2.7 Sự đồng bộ xung clock 38 CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN …. 40 4.1 Đặc tính cơ tónh của động cơ điện một chiều ( Động cơ DC ) 40 4.2 Sơ lược về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 44 4.2.1 Điều khiển từ thông 45 4.2.2 Điều khiển điện áp phần ứng .46 4.2.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ .47 4.3 Phương pháp điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) 48 4.4 Giới thiệu về Encoder được sử dụng trong luận văn 50 CHƯƠNG 5: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN HCS12 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN MC9S12DP512 ………. 53 5.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển HCS12 53 5.1.1 Các thành phần cơ bản của bộ xử lý 55 5.1.2 Các chế độ hoạt động 56 5.2 Vi điều khiển được sử dụng trong Luận văn - MC9S12DP512 .58 5.2.1 Các Port xuất nhập đa dụng 60 5.2.2 Khối chức năng thời gian ( Timer ) .63 5.2.3 Bộ điều rộng xung ( PWM ) 67 5.2.4 Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ ( SCI ) 70 5.2.5 Khối chức năng Key-WakeUp 72 5.2.6 Khối Mô-đun chức năng CAN ( Controller Area Network ) 73 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG ………………… 79 6.1 Cấu trúc phần cứng của các mô-đun trong mô hình 79 6.2 Các khối mạch chức năng trên mô-đun điều khiển động cơ và mô-đun trung tâm. .80 6.2.1 Khối mạch vi điều khiển trung tâm 81 6.2.2 Khối mạch giao tiếp máy vi tính qua cổng nối tiếp 82 6.2.3 Khối giao tiếp CAN 84 6.2.4 Khối giao tiếp song song giữa 2 mô-đun điều khiển 2 động cơ 85 6.2.5 Khối bàn phím điều khiển động cơ ( 4 phím) 85 6.2.6 Khối bàn phím chọn các chế độ hoạt động cho mô hình 86 http://www.ebook.edu.vn vi 6.2.7 Khối mạch nguồn 5 Vdc cho hệ thống điều khiển 87 6.2.8 Khối thời gian thực .87 6.2.9 Khối hiển thò LCD 91 6.2.10 Khối mạch động lực điều khiển động cơ .92 6.2 Khối nguồn 24/12/5 Vdc cung cấp cho mạch động lực và động cơ .94 6.3 Sơ đồ mạch BDM-Pod :Mạch dùng để Nạp ,Debug cho họ HCS12 .95 Hình ảnh thật của mô hình phần cứng luận văn…………………………………….… .96 CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH …………….…………………… 97 7.1 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ , ổn đònh tốc độ động cơ DC .97 7.1.1 Sơ lược sơ đồ khối và hệ phương trình toán 97 7.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ 98 7.1.3 Cách tính tốc độ của động cơ DC được sử dụng trong luận văn .102 7.2 Cách thức điều khiển từ máy vi tính ( PC ) .103 7.3 Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển trên các mô-đun 110 7.3.1 Lưu đồ giải thuật đoạn chương trình MAIN 112 7.3.2 Trình tự chi tiết trong các chương trình con và 5 chương trình phục vụ Ngắt .116 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC , HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI …………… . 123 8.1 Một số hình ảnh về hoạt động của hệ thống 123 8.1.1 Tại giao diện trên máy tính ở mô-đun điều khiển động cơ 1 .123 8.1.2 Hình ảnh tại giao diện trên máy tính và mô-đun ở trung tâm điều khiển ……… 125 8.2 Các kết quả đã đạt được 127 8.3 Một số điểm hạn chế .128 8.4 Hướng khắc phục các điểm hạn chế và phát triển đề tài 128 8.4.1 Hướng khắc phục các điểm hạn chế 128 8.4.2 Hướng phát triển đề tài 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………… 130 PHỤ LỤC: BẢN VẼ TỔNG HP SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÁC MẠCH http://www.ebook.edu.vn Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề - Cùng với công cuộc công nghiệp hóa-hiện đại hóa của đất nước , lónh vực tự động hóa có những bước phát triển vượt bậc và trở thành yếu tố quan trọng không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Khi nói đến tự động hóa là nói đến sự thay thế dần dần đến hoàn toàn các hoạt động chân tay bằng máy móc trong các dây chuyền sản xuất. - Trong nền công nghiệp hiện đại và phát triển , các dây chuyền sản xuất hoạt động chủ yếu dựa trên các máy móc , dưới sự điều khiển và giám sát của con người. Khi có càng nhiều máy móc và nhiều công đoạn sử dụng máy móc thì sự phối hợp ăn khớp hay còn gọi là sự đồng bộ giữa các công đoạn là điều cần phải quan tâm. Điều này càng được chú trọng trong các lónh vực cần có độ chính xác tốc độ của các động cơ cao như: ngành công nghiệp vải , giấy , dệt ,… . - Xét một ví dụ đơn giản về ứng dụng của sự đồng bộ , như mô hình băng chuyền sau: Hình 1.1: Mô hình băng chuyền có 2 trục quay [...]... khiển đồng bộ tốc độ tốc độ động cơ DC Phản hồi: Vòng trong- dòng điện ; vòng ngoài -tốc độ Bộ điều khiển 1 Động cơ DC 1 Bộ cập nhật tốc độ động cơ 1 ( Encoder hay Tacho generator ) Phản hồi: Vòng trong- dòng điện ; vòng ngoài -tốc độ Động cơ DC 2 Bộ điều khiển 2 Hình 1.3 : Điều khiển tốc độ động cơ DC dùng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha - Các bộ điều khiển 1 và 2: sử dụng phương pháp chỉnh lưu điều khiển. .. động cơ - Viết chương trình điều khiển với 2 mục đích chính : Thứ nhất là ổn đònh tốc độ của một động cơ DC , sau đó là điều khiển đồng bộ tốc độ của tất cả các động cơ trong hệ thống – nghóa là: Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 , động cơ 3… phải thay đổi tốc độ và luôn bám theo động cơ 1 - Đồng thời phải điều khiển và giám sát được hoạt động của tất cả các động cơ từ mạch điều khiển và từ... pha để điều khiển ổn đònh tốc độ động cơ DC có hồi tiếp , với phản hồi ở vòng trong là dòng điện và phản hồi ở vòng ngoài là vận tốc - Bộ điều khiển 1 sẽ điều khiển động cơ 1 chạy đúng theo tốc độ đặt Tốc độ thật của động cơ 1 sẽ được truyền đến cho bộ điều khiển 2 để điều khiển động cơ 2 chạy đúng theo tốc độ này - Ưu điểm: Hệ thống điều khiển nhiều vòng nên điều khiển ổn đònh tốc độ động cơ tốt... một chiều (động cơ DC ) đều được sử dụng rộng rãi trong nhiều lónh vực Phạm vi của Luận văn là giải quyết bài toán đồng bộ tốc độ động cơ DC 1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế Phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ AC dùng biến tần Biến tần 1 Động cơ AC 1 Encoder Động cơ AC 2 Biến tần 2 Bộ tỷ lệ Analog Hình 1.2: Sơ đồ đồng bộ tốc độ động cơ AC sử... trò tốc độ từ Port A , điều khiển động cơ 2 chạy theo đúng tốc độ này( lúc đó tốc độ động cơ 2 sẽ bám theo và phụ thuộc vào động cơ 1 ) , và gởi tốc độ thật của động cơ 2 ra Port H (Chu kỳ đọc gởi cũng là 20ms ) - Cả ba mô-đun gồm: 2 mô-đun điều khiển và mô-đun giám sát (mô-đun 0) được kết nối với nhau qua mạng CAN : + Tất cả dữ liệu của 2 mô-đun điều khiển như : tốc độ các động cơ , chế độ hoạt động. .. , đồng bộ đó từ đâu mà có? Sử dụng phương pháp nào để có thể ổn đònh được tốc độ các động cơ và điều khiển chúng hoạt động đồng bộ tốc độ với nhau ? Ngoài ra, khi hệ thống có nhiều dây chuyền ở xa nhau, làm sao để điều khiển đồng bộ và giám sát tất cả hoạt động của các dây chuyền đó? Đây chính là ý tưởng cho đề tài của Luận Văn này - Đồng bộ tốc độ động cơ điện xoay chiều (động cơ AC ) hay động cơ. .. Đình + Trong mô hình băng chuyền này ta có 2 động cơ: động cơ 1 dùng để kéo trục xả và động cơ 2 dùng kéo trục cuốn + Yêu cầu điều khiển là: Động cơ 1 và động cơ 2 luôn phải hoạt động ổn đònh ở cùng một tốc độ đặt trước , ngay cả khi băng tải vận chuyển các hàng hóa có khối lượng khác nhau Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 cũng phải thay đổi tốc độ theo-phù hợp với sự thay đổi của động cơ 1... vụ điều khiển động cơ 1 chạy đúng tốc độ đã đặt Encoder sẽ phản hồi tốc độ thật của động cơ 1 và đưa vào bộ tỉ lệ analog Sau đó biến tần 2 sẽ điều khiển động cơ 2 chạy theo đúng tốc độ mà động cơ 1 đang chạy - Ưu điểm : được dùng cho các động cơ AC có công suất lớn và điều khiển tốc độ rất tốt - Nhược điểm: cần sử dụng nhiều biến tần mà giá thành của một bộ biến tần là khá cao Phương pháp điều khiển. .. thuyết điều khiển PID , Logic Mờ và đã thiết kế bộ điều khiển PI -Mờ ( với luật hợp thành mờ 5x5 cho từng tham số: K P , K D , α ) để điều khiển ổn đònh tốc độ động cơ DC Đây là bộ điều khiển tích hợp giữa bộ điều khiển PI kinh điển và Logic Mờ , tổng hợp được các ưu điểm của điều khiển kinh điển và điều khiển thông minh - Vi điều khiển được sử dụng trong luận văn là MC9S12DP512 , thuộc họ vi điều khiển. .. qua 2 port giao tiếp song song ( Port A, H ) nhằm trao đổi nhanh thông tin về tốc độ: + Vi điều khiển trên Mô-đun 1 điều khiển tốc độ động cơ 1 theo tốc độ đặt trước, và gởi tốc độ thật của động cơ 1 ra Port A ( Chu kỳ gởi là 20ms và chỉ gởi khi giá trò tốc độ thật của động cơ 1 có thay đổi ) , và đọc giá trò tốc độ thật của động cơ 2 từ Port H để hiển thò lên LCD và máy vi tính + Vi điều khiển trên