Điều khiển tốc độ động cơ bằng PID

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1. Động cơ DC 1 1.1.1. Động cơ DC Servo 1 1.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ 1 1.2. Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) 2 1.3. Giới thiệu về Arduino 2 1.3.1. Arduino là gì? 2 1.3.2. Board Arduino Uno 3 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID 5 2.1. PID 5 2.1.1 Giới thiệu PID 5 2.1.2. Hàm truyền 6 2.1.3. Đặc tính bộ điều khiển PID 6 2.2. Sơ đồ khối hệ thống 7 2.3. Lưu đồ giải thuật 8 2.4 Giao diện phần mềm điều khiển trên PC 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1.Động cơ DC 1.1.1. Động cơ DC Servo Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ. Nguyên tắc hoạt động: phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen. Thông số động cơ DC Servo dùng làm đề tài: Kiểu: DSE38BE27001 Điện áp cấp cho động cơ: 24VDC Tốc độ: 4400 vòngphút Điện áp cấp cho encoder: 5VDC Encoder: 108xungvòng Số encoder: 2 encoder đặt lệch 90o Ghi chú: Để đơn giản và thuận tiện trong việc làm mô hình, trong bài này sử dụng điện áp cấp cho DC Servo là 12V. Việc sử dụng điện áp bằng một nửa điện áp định mức của động cơ làm giảm tốc độ quay của động cơ xuống khoảng còn một nửa (2200 vòngphút) so với số vòng quay khi sử dụng đúng điện áp quy định (4400 vòngphút). 1.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện, ngẫu lực quay lớn nhất khi động cơ khởi động (nghĩa là khi động cơ bắt đầu quay) khi đó động cơ sẽ cần 1 dòng điện lớn để khởi động. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp và dòng vào động cơ. 1.2. Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ. Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong bài báo cáo này là Module L298N. Thông số kỹ thuật: Driver: Tích hợp 2 mạch cầu H Điện áp điều khiển động cơ: 5 ~ 12V Dòng tối đa qua mỗi cầu H: 2A Điện áp tín hiệu điều khiển: 5 ~ 7V Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm: • Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556... • Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. 1.3. Giới thiệu về Arduino 1.3.1. Arduino là gì? Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử. Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển) và các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board. Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử vì nó đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận. Không giống như các loại vi điều khiển khác, Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phụ vụ việc nạp code, ví dụ để nạp code cho PIC cần phải có Pic Kit. Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối với máy tính bằng cáp USB. Thêm vào đó việc lập trình cho Arduino rất dễ dàng, trình biên dịch Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ C++.