TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực MSSV Lớp : Th.S Đinh Văn Nam : Đặng Phúc Văn : 1151080440 : 52K - ĐTVT Nghệ An - 2016 MỤC LỤC Trang CÁC TỪ VIẾT TẮT i TÓM TẮT ĐỒ ÁN i LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niện chung máy điện 1.2 Động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Nguyên lí làm việc động điện chiều 1.2.3 Phân loại động điện chiều .4 1.2.4 Các thông số ảnh hưởng 1.2.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ song song .8 1.2.6 Hệ thống diều khiển tự động 12 1.2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung 17 CHƯƠNG II 21 GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TRONG MẠCH 21 2.1 Khối vi điều khiển PIC 18F4431 21 2.1.1 Tổ chức nhớ 23 2.1.2 Khái quát chức Port PIC18F4431 .25 2.2 Mạch nạp .28 2.3 Khối hiển thị 28 2.4 Mạch cầu .29 2.4.2 Mạch cầu H L298D 29 2.5 Đối tượng điều khiển : Động DC 29 2.6 Phần mềm thực chương trình 31 2.6.1 Phần mềm CCS lập trình cho PIC 31 CHƯƠNG III .36 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 36 3.1 Thiết kế phần cứng .36 3.1.1 Sơ đồ khối 36 3.1.2 Khối nguồn .37 3.1.3 Khối điều khiển (Khối CPU) .37 3.1.3 Khối hiển thị .39 3.1.4 Nút nhấn 39 3.2 Mạch sau hoàn thành 39 3.4 Hướng phát triển đề tài .42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 44 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều Hình 1.2 Cổ góp Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí hoạt động động điện chiều .4 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ độc lập .5 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ song song Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ nối tiếp .6 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ hỗn hợp Hình 1.8 Phương trình đặc tính .7 Hình1.9 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Hình 1.10 Đặc tính động giảm từ thông 10 Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ điều khiển vòng kín 12 Hình 1.13 Điều khiển với PID số 15 Hình 1.14 Minh họa công thức xấp xỉ thành phần tích phân 16 Hình 1.15 Dạng xung PWM 18 Hình 1.16 Sơ đồ mắc PWM với mạch điện (volt kế) 18 Hình 1.17 Sơ đồ mắc động DC với PWM 19 Hình 1.18 Phương pháp tạo PWM .19 Hình 2.1 Vi điều khiển pic 18F4431 22 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chân pic 18F4431 22 Hình 2.3 sơ đồ nguyên lí PIC 18F4431 .23 Hình 2.4 Cấu trúc ghi chức chung PIC18F4431 25 Hình 2.5 Mạch nạp PIC qua cổng COM 28 Hình 2.6 Mạch nạp PIC qua cổng USB 28 Hình 2.7 LCD .28 Hình 2.8 Sơ đồ mạch cầu L298D .29 Hình 2.9 Động DC có gắn encoder .30 Hình 2.10 Cửa sổ chọn PIC 33 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển động DC 36 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động DC 37 Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lí khối điều khiển .38 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ( mạch cầu H ) .38 Hình 3.5 Module điều khiển động DC L298V1 39 Hình 3.6 Sơ đồ mạch hiển thị 39 Hình 3.7 Sơ đồ nút nhấn điều khiển 39 Hình 3.8 Sản phẩm sau hoàn thành 42 CÁC TỪ VIẾT TẮT DC ( Direct curent): Nguồn chiều PID (Proportional Integral Derivative): Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM ( Pulse Width Modulation) : Phương pháp điều chế độ rộng xung PIC ( Programmable Intelligent Computer): Vi điều khiển SFR (Special funcion register) : Thanh ghi chức đặc biệt GPR(General purpose register) : Thanh ghi chức chung LCD ( Liquid Crystal Display) : Màn hình tinh thể lỏng (màn hình hiển thị) TÓM TẮT ĐỒ ÁN i Ngày nay, đất nước lên công nghiệp hóa, đại hóa Điều khiển tốc độ động ứng dụng nhiều sản xuất công nghiệp, dây chuyền sản xuất công nghiệp Đề tài em nghiên cứu điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID số Em tìm hiểu động chiều, biết cách lập trình điều khiển động chiều để áp dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp ABSTRACT Nowadays, the country go up the industrialization and modernization The speed control DC motors are being applied in the production and the industrial, in the industrial production lines My research topics of control DC motor speed use the number PID controller I learned about DC motor, knew how to program The DC motor speed control to apply in the industrial production lines and life ii LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển ngày mạnh mẽ nghành công nghiệp chiều rộng lẫn chiều sâu, điện máy điện đóng vai trò quan trọng, thiếu nghành công nghiệp đời sống sinh hoạt người Nó trước bước làm tiền đề mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất mà không cần tới điện máy điện Mặc dù động xoay chiều sử dụng rộng rãi động điện chiều tồn Trong công nghiệp, động điện chiều sử dụng nơi yêu cầu mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Vì động điện chiều có đặc tính làm việc tốt mặt điều chỉnh tốc độ( phạm vi điều chỉnh rộng, 0) Nhưng độ tin cậy sử dụng động chiều thấp động không đồng có hệ thống tiếp xúc chổi than Qua qua trình tìm hiểu thực tế công trình nghiên cứu ứng dụng động chiều, với dẫn Thạc sĩ Đinh Văn Nam giúp em chọn thực đề tài : “Điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID số” Nội dung đồ án trình bày chương sau: Chương Tổng quan chung động điện chiều Chương Giới thiệu linh kiện phần mềm lập trình mạch Chương Thiết kế phần cứng Đồ án có kết cấu sau: Tổng quan cung động điện chiều Giới thiệu linh kiện phần mềm lập trình mạch Thiết kế phần cứng Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục Nội dung đồ án nhiều điểm hạn chế khiếm khuyết, nhiều vấn đề cần bổ sung hoàn thiện Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô để đồ án hoàn chỉnh Em xin cảm ơn thầy Thạc sĩ Đinh Văn Nam toàn thể thầy cô giáo tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực Đặng Phúc Văn CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niện chung máy điện Máy điện thiết bị điện tử, nguyên lí làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Máy điện gồm mạch từ(lõi thép) mạch điện(các dây quấn dùng để biến đổi dạng lượng: thành điện máy phát điện, điện thành động điện Máy điện máy thường gặp nhiều nghành kinh tế công nghiệp, giao thông vận tải… Máy điện có nhiều loại phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại theo chức , theo công suất, theo cấu tạo… Phân loại theo nguyên lí biến đổi lượng: máy điện tĩnh, máy điện động (quay) 1.2 Động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều thiết bị điện từ quay, biến đổi điện thành Nguyên lí làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Đặc tính điều chỉnh tốc độ động tốt Vì dùng nhiều công nghiệp điều chỉnh tốc độ động quay liên tục phạm vi rộng máy bơm, quạt gió, máy cắt Ngoài dây quấn xếp máy điện chiều có dây quấn song Các phần tử nối thành mạch vòng kín vào dây quấn song đơn có hai mạch nhánh song song, thường thấy máy có công suất nhỏ - Cổ góp chổi điện + Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ gắn đầu trục roto Các đầu dây phần từ nối với phiến góp + Chổi điện làm than grafit Các chổi tì đặt lên cổ góp nhờ lò xo giá chổi điện gắn nắp máy - Cấu tạo động điện chiều gồm hai phần chính: + Phần tĩnh (stato) + Phần động (roto) a Phần tĩnh (stato) Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động DC Nguyên lý hoạt động : Khi cấp nguồn cho mạch, ta khởi tạo LCD, động điện chiều, khối mạch điều khiển PIC18F4431 Ta nhấn nút nhấn để thiết lập số KI,KP,KD (các số PID) Ta nhấn nút để thiết lập tốc độ cài đặt trước động điện chiều Sau ta nhấn nút nhấn để điều khiển hoạt động động điện chiều đo tốc độ thực động 3.1.2 Khối nguồn Mạch lấy nguồn 9VDC-12VDC ổn áp IC 7805 Dùng transistor 7805 để ổn định điện áp vào Sơ đồ khối nguồn tích hợp vào khối công suất khối điều khiển 3.1.3 Khối điều khiển (Khối CPU) Sử dụng PIC18F4431 để điều khiển động DC - Port B nối với ngõ vào mạch công suất 37 - Port C nối với ngõ vào mạch công suất dùng than trở thay trở - Port D nối với mạch hiển thị LCD Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lí khối điều khiển  Mạch công suất dùng cầu H với IC L298 để điều khiển tốc độ động phương pháp băm xung PWM đảo chiều động Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ( mạch cầu H ) 38 Hình 3.5 Module điều khiển động DC L298V1 3.1.3 Khối hiển thị Mạch gồm LCD kết nối với PIC18F4331 qua Port D Hình 3.6 Sơ đồ mạch hiển thị 3.1.4 Nút nhấn Dùng để thiết lập tốc độ chiều quay cho mạch điều khiển Hình 3.7 Sơ đồ nút nhấn điều khiển 3.2 Mạch sau hoàn thành 39 40 41 Hình 3.8 Sản phẩm sau hoàn thành 3.4 Hướng phát triển đề tài Chúng ta lập trình điều khiển động thuật toán QEI cho động trơn xác sử dụng ngắt để điều khiển động Từ đồ án phát triển lên để điều khiển động có công suất lớn để phục vụ công nghiệp nặng nâng vật nặng, khởi động máy lớn xây dựng Chúng ta sử dụng dòng IC, PIC mạnh để ứng dụng đời sống công việc sau 42 KẾT LUẬN Qua trình hoàn thành đồ án “Điều khiển tốc độ động chiều sử dụng điều khiển PID số” Em đạt kết mong muốn : - Điều khiển động DC thuật toán PID số - Hoàn thành sản phẩm theo yêu cầu đặt - Hiểu lập trình mạch phần mềm CCS - Hiểu biết động máy điện chiều Do thời gian làm đề tài có hạn nên đề tài em số hạn chế Sau lần em xin chân thành biết ơn Ths Đinh Văn Nam thầy cô khoa Điện Tử Viên Thông giúp em hoàn thành tốt đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 [1] www.dientuvietnam.net [2] www.alldatasheet.com [3] tailieu.vn http://tailieu.vn/doc/encoder-quay-quang-encoder-tuyet-doi-encoder-xung-1218196.html http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-matlab-326012.html http://tailieu.vn/tag/giao-trinh-css.html http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-ky-thuat-dieu-khien-dong-co-dien-chuong-4-dac-tinh-co-bancua-dong-co-dien-705274.html [4] doc.ed.vn http://doc.edu.vn/tai-lieu/giao-trinh-lap-trinh-labview-59152/ [5] Nguyễn Thị Phương Hà, Lí thuyết điều khiển tự động , nhà xuất đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh) [6] Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh(2006), Giáo trình Kỹ thuật điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội PHỤ LỤC Lưu đồ thuật toán 44 Code chương trình #include #device ADC=16 #FUSES HS #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or B5(PIC18) used for I/O #use delay(crystal=20000000) #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D2 //// 45 #define LCD_RS_PIN #define LCD_RW_PIN PIN_D0 //// PIN_D1 //// #define LCD_DATA4 PIN_D4 //// #define LCD_DATA5 PIN_D5 //// #define LCD_DATA6 PIN_D6 //// #define LCD_DATA7 PIN_D7 //@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@222 #include //!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1 #define en1 pin_c4 #define en2 pin_c1 #define mode pin_b4 #define up pin_b5 #define down pin_b6 //############################################ #define Sampling_time 0.01 #define inv_Sampling_time 100 signed int16 Pulse; //thoi gian lay mau (s) // 1/Sampling_time //khai bao bien dem so xung Float rSpeed, Err, pre_Err, pre_pwm_duty, Ap_speed; //khai bao bien van toc hien tai,sai so hien tai,sai so truoc float delta_duty ,pPart=0, iPart=0, dPart=0,Kp=0.02,Kd=0.02,Ki=0.02; //cac phan PID unsigned int16 Ctrl_Speed=0; //van toc cai dat ban dau signed int16 duty_temp,pwm_duty=100,PWM_Period=1023; //gia tri PWM max int8 sample_count; // khai bao bien lam cham thoi gian cap nhat van toc int mode_=0; void Motor_Speed_PID(signed int16 des_Speed) //chuong trinh tinh phan PID 46 { Err = (des_Speed - (rSpeed)); //tinh error (loi) //cac phan cua PID pPart=Kp*Err; //khau ty le dPart=Kd*(Err-pre_Err)*inv_Sampling_time; //khau vi phan iPart+=Ki*(Sampling_time*(Err+pre_Err)); //khau tich phan delta_duty =(pPart+dPart+iPart); //tong phan P-I-D if(delta_duty>1023)delta_duty=1023; if(delta_duty PWM_Period) PWM_Period -1; // muc dich de PWM # 100% chu ky xung // if (duty_temp