Đồ án Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ dc sử dụng thuật toán Pid

i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP -------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID. GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm SVTH: Thiều Đoàn Quang Huy MSSV: 16341011 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018 ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Thiều Đoàn Quang Huy MSSV: 16341011 Chuyên ngành: CNKT Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Nhóm tiến hành việc khảo sát các loại vi điều khiển, lựa chọn động cơ DC, khảo sát các linh kiện liên quan để tiến hành thiết kế mạch.  Tiến hành tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập trình vi điều khiển ARM. Tham khảo các mô hình điều khiển động cơ để xây dựng lên mô hình điều khiển.  Tìm hiểu các mô hình điều khiển động cơ để lựa chọn và tham khảo cách thức hoạt động phù hợp cho mô hình. 2. Nội dung thực hiện:  NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển tốc độ của động cơ DC.  NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển.  NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển động cơ DC.  NỘI DUNG 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho Vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình để điều khiển.  NỘI DUNG 5: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế. iii  NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/09/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.Nguyễn Minh Tâm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH iv TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : THIỀU ĐOÀN QUANG HUY Lớp: 163410A MSSV: 16341011 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 25/09/2017 01/10/2017 Tìm tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển tốc độ của động cơ DC. 01/10/2017 15/10/2017 Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển. 15/10/2017 29/10/2017 Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC. 29/10/2017 10/11/2017 Thiết kế lưu đồ giải thuật và kiểm tra độ ổn định của mạch đã thi công. 10/11/2017 28/11/2017 Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển. 28/11/2017 15/12/2017 Thiết kế giao diện hiển thị để điều khiển động cơ DC. 15/12/2017 02/01/2018 Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của mô hình. 02/01/2018 15/01/2018 Viết báo cáo thực hiện. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và đề tài trước đó. Các số liệu trong đề tài này được nhóm thu thập từ các tài liệu hướng dẫn và tham khảo một số đề tài liên quan từ đó nhóm đã nghiên cứu và phát triển để thực hiện đề tài này. Không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018 Sinh viên thực hiện THIỀU ĐOÀN QUANG HUY vi LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập ở trường cùng với những kiến thức được các Thầy Cô giảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã được các Thầy Cô tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy, Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói chung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cung cấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thể thực hiện được đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy Nguyễn Minh Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cho nhóm trong suốt quá trình làm đồ án, cảm ơn Thầy đã giành thời gian quý báu để hướng dẫn cho nhóm, hỗ trợ các thiết bị cũng như đưa ra hướng đi giải quyết đúng cho nhóm mỗi khi gặp khó khăn. Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn tập thể lớp 163410A đã cùng đồng hành với nhóm trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Các bạn đã cùng nhau giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm và tạo thêm động lực để nhóm có thể hoàn thành được đồ án này. Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè. Những người đã giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để có thể hoàn thành tốt đồ án này. Xin chân thành cảm ơn mọi người Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện THIỀU ĐOÀN QUANG HUY x LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động ..................................................... 5 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ......................................................... 6 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu................................................................ 6 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu ...................................... 7 Hình 2.5 Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau .............................................. 8 Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian ............. 10 Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian ............... 12 Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID ....................................................... 13 Hình 2.9 Sơ đồ pipline ................................................................................................... 15 Hình 2.10 Sơ đồ module STM32F103VET617 ............................................................... 16 Hình 2.11 Sơ đồ động cơ DC ......................................................................................... 17 Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor ......................................................................................... 18 Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều ............................................................... 19 Hình 2.14: Cổ góp và chổi than ..................................................................................... 19 Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều ................................................. 21 Hình 2.16 Encoder động cơ DC ..................................................................................... 21 Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong ............................................................ 22 Hình 2.18 OptoPC817 ................................................................................................... 23 Hình 2.19 Mosfet IRF3205 ............................................................................................ 24 Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet .............................................................................................. 25 Hình 2.21 Hoạt động của Mosfet ................................................................................... 26 Hình 2.22 IC SN74HCO2N ............................................................................................ 27 Hình 2.23 IC SN74HC14N ............................................................................................. 28 Hình 2.24 Phần mềm Visual studio 2012 ....................................................................... 29 Hình 2.26 Chạy file vs_ premium ................................................................................... 31 Hình 2.27 Click vào I agree the license sau đó chọn Next .............................................. 32 Hình 2.28 Bắt đầu cài đặt Install ................................................................................... 32 Hình 2.29 Qúa trình chờ cài đặt .................................................................................... 33 x Hình 2.30 Cài đặt giao diện thành công ........................................................................ 33 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 34 Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm ....................................................................................... 36 Hình 3.3 Khối Driver ..................................................................................................... 37 Hình 3.4 Khối Logic ...................................................................................................... 37 Hình 3.5 Khối Nguồn 5V................................................................................................ 38 Hình 3.6 Khối Nguồn 3.3V ............................................................................................. 38 Hình 4.1 Mạch in lớp trên .............................................................................................. 40 Hình 4.2 Mạch in lớp dưới ............................................................................................. 41 Hình 4.3 Mạch in 3D lớp trên ........................................................................................ 41 Hình 4.4 Mạch in 3D lớp dưới ....................................................................................... 42 Hình 4.5 Hình ảnh khối nguồn và điều khiển ................................................................. 45 Hình 4.6 Hình ảnh mạch PID DRIVER được đóng gói .................................................. 46 Hình 4.7 Mạch PID DRIVER được đặt vào bên trong hộp ............................................. 46 Hình 4.8 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh .......................................................................... 47 Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển chương trình chính ............................................................. 48 Hình 4.10 Giao diện trình biên dịch Keil uVision5 ........................................................ 49 Hình 4.11 Giao diện trình biên dịch STM32CubeMX ..................................................... 51 Hình 4.12 Giao diện điều khiển PID .............................................................................. 52 Hình 5.1 Điều khiển động cơ Planet (24V, 60W) ........................................................... 55 Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 19W) ...................................................................... 55 Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 38W) ...................................................................... 56 Hình 5.3 Trường hợp Kp, Kd, Ki=1 ............................................................................... 56 Hình 5.5 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.001 ........................................................................ 57 Hình 5.6 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.005 ........................................................................ 57 Hình 5.3 Kết luận rút ra được từ việc thay đổi hệ số Kp, Kd, Ki từ thực nghiệm ............ 58 x xiii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện...............................................................................42 xiii xiii TÓM TẮT Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital. 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 hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD) sao cho phù hợp đối với các đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em xin chọn đề tài : Điều khiển động cơ DC motor với giải thuật PID MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...................................................................................ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.....................................................................iv LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................................v LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................vi MỤC LỤC............................................................................................................................vi LIỆT KÊ HÌNH VẼ...............................................................................................................ix LIỆT KÊ BẢNG............................................................................................................................xii TÓM TẮT.....................................................................................................................................xiii Chương1. TỔNG QUAN..................................................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................................. 1 1.2 MỤC TIÊU ................................................................................................................... 2 1.3 GIỚI HẠN .................................................................................................................... 3 Chương2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................4 2.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................................. 4 2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN .................................................................................. 4 2.2.1 Điều khiển (control).................................................................................................... 4 2.2.2 Điều khiển học (cybernctics) ...................................................................................... 4 2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động ...................................................................................... 5 2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) ......................................... 5 2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .......... 5 2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN ............................................................ 6 2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ........................................................................... 6 2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu .......................................................... 6 2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu ....................................................... 7 2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ ................................................................................................ 7 2.5.1 Quy luật tỉ lệ P ............................................................................................................ 7 2.5.2 Quy luật tích phân (I).................................................................................................. 8 2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân . ..............................................................................................9 2.5.4 Quy luật tỉ lệ vi phân ................................................................................................ 10 2.5.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) ................ 12 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................................... 14 2.6.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM. ............................................................................ 14 2.7 ĐỘNG CƠ DC (MOTOR) .......................................................................................... 17 2.7.1 Khái niệm động cơ điện 1 chiều ............................................................................... 17 2.7.2 Cấu tạo chung của động cơ DC ................................................................................ 17 2.7.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều .......................................................... 20 2.8 ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIẸN 1 CHIỀU ........................................................... 21 2.9 OPTO PC817 ............................................................................................................... 23 2.10 IC MOSFET IRF3205 ............................................................................................... 24 2.10.1 Giới thiệu IC Mosfet IRF3205 ............................................................................... 24 2.10.2 Cấu tạo của Mosfet ................................................................................................. 25 2.10.3 Nguyên lý hoạt động của Mosfet IRF3205 ............................................................ 26 2.11 IC SN74HCO2N ........................................................................................................ 27 2.11.1 Giới thiệu IC SN74HCO2N ................................................................................... 27 2.12 IC SN74HC14N ......................................................................................................... 28 2.12.1 Giới thiệu IC SN74HC14N .................................................................................... 28 2.13 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ....................................................................................... 29 2.13.1 Tổng quan phần mềm C# ....................................................................................... 29 2.13.2 Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012 .......................................................... 29 2.13.3 Tính năng mới của Visual studio 2012 ................................................................... 30 2.13.4 Cách cài đặt Visual studio 2012 ............................................................................. 31 Chương3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..................................................................34 3.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................