sử dung động cơ Encorder kết hợp arduino điều khiển động cơ PID
Trang |1
ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
SINH VIÊN: TRẦN THẾ MOON
MSSV: 13151061
GVHD: TS. NGÔ VĂN THUYÊN
Trang |2
Lời Cảm Ơn
Để hoàn thành thành công đề tài này thì trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến thầy Ngô Văn Thuyên. Cám ơn thầy đã hướng dẫn tận tình, góp ý cho em trong
suốt quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài. Đồng thời em cũng xin cảm ơn
Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện tốt, cung cấp những tài liệu cũng như là những
kiến thức nền để em lấy nó làm nền tản để thực hiện đề tài này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp và các anh chị khóa trước đã
góp ý bổ xung cho em trong quá trình em thực hiện phần cứng và phần mềm để em hoàn
thành đề tài này.
TP.HCM Ngày…..Tháng 6 Năm 2016
Sinh Viên Thực Hiện Đề Tài
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trang |3
Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn
Giáo Viên Hướng Dẫn: TS.Ngô Văn Thuyên
Sinh Viên Thực Hiện: Trần Thế Moon
MSSV:
13151061
Lớp:
131511C
Ngành:
Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Tên Đề Tài: Điều Khiển Động Cơ DC
Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn: ………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
TP.HCM Ngày…..Tháng 6 Năm 2016
Giáo Viên Hướng Dẫn
Mục Lục
Trang |4
Chương 1
Tổng Quan........................................................................................................................6
1.1 Đặt Vấn Đề...............................................................................................................6
1.2 Mục Tiêu Đề Tài.......................................................................................................6
1.3 Nội Dung Đề Tài.......................................................................................................7
Chương 2
Cơ Sở Lý Thuyết..............................................................................................................9
2.1 Phương Trình Đặc Tính Cơ Của Động Cơ DC.........................................................9
2.2 Các Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ.................................................................10
2.2.1
Điều Khiển Từ Thông......................................................................................10
2.2.2
Điều Khiển Điện Trở Phần Ứng......................................................................10
2.2.3
Điều Khiển Điện Áp Phần Ứng.......................................................................10
2.3 Bộ Biến Đổi Xung Áp(Chopper)............................................................................11
2.3.1
Chopper...........................................................................................................11
2.4 Bộ Điều Khiển PID Số............................................................................................14
2.5 Board Điều Khiển Arduino:....................................................................................16
2.5.1
Giới Thiệu Về Arduino....................................................................................16
2.5.2 Chức Năng Các Khối Của Arduino.....................................................................17
2.5.2.1 Cổng USB (1)...................................................................................................17
2.5.2.2 Nguồn (2 và 3)..................................................................................................17
2.5.2.3 Chip Atmega328...............................................................................................17
2.5.2.4 Input Và Output (4, 5 và 6)...............................................................................18
2.5.2.5 Reset (7)............................................................................................................18
Chương 3
Thiết Kế Phần Cứng......................................................................................................19
3.1 Yêu Cầu Thiết Kế...................................................................................................19
3.1.1 Động cơ...............................................................................................................19
3.1.2
Encoder quang.................................................................................................20
Trang |5
3.1.3
Module Điều Khiển L298n..............................................................................21
3.1.4
Màn hình hiển thị LCD 16x2...........................................................................23
3.2 Sơ Đồ Khối.............................................................................................................24
3.3 Thiết Kế Sơ Đồ Khối..............................................................................................24
3.3.1
Khối Máy Tính................................................................................................24
3.3.2
Khối Điều Khiển.............................................................................................24
3.3.3
Khối Công Suất...............................................................................................25
3.3.4
Khối Động Cơ.................................................................................................25
3.3.5
Khối Encoder...................................................................................................25
3.3.6
Khối Hiển Thị..................................................................................................25
Chương 4
Thiết Kế Phần Mềm.......................................................................................................26
4.1 Lưu Đồ Giải Thuật..................................................................................................26
4.2 Giải Thích Lưu Đồ Và Một Số Chú Ý Trong Thiết Kế Lưu Đồ.............................27
Chương 5
Thi Công Mạch Phần Cứng...........................................................................................28
5.1 Lắp Ráp Mạch.........................................................................................................28
5.2 Kiểm Tra Hoạt Động Của Mạch.............................................................................28
Chương 6
Kết Luận Và Hướng Phát Triển...................................................................................29
6.1 Kết Luận.................................................................................................................29
6.2 Hướng Phát Triển...................................................................................................29
Phụ Lục........................................................................................................................... 30
Tài Liệu Tham Khảo......................................................................................................37
Trang |6
Chương 1
Tổng Quan
1.1 Đặt Vấn Đề
Động cơ DC là động cơ rất phổ biển trong dân dụng cũng như trong công nghiệp
ví dụ như động cơ DC dùng trong xe đạp điện, dùng để kéo bang tải, máy nâng vận, trong
robot… với đủ các kích cỡ khác nhau tùy vào mục đích sử dụng mà các động cơ có thể
được chọn lựa cho phù hợp. Cũng tùy vào mục đích sử dụng mà động cơ phải quay
nhanh hay chậm từ đó phát sinh ra việc điều khiển động cơ quay theo ý muốn của người
sử dụng. Đề giải quyết vấn đề này có rất nhiều cách đã được sử dụng để điều chỉnh tốc độ
động cơ như điều chỉnh điện áp phần ứng, điều chỉnh từ thông, điểu chỉnh điện trở phần
ứng…Nhằm mục đích hiểu sâu hơn về động cơ DC và các phương pháp điều khiển động
cơ DC nên em đã chọn đề tài”Điều Khiển Động Cơ DC” để thực hiện trong đồ án này.
1.2 Mục Tiêu Đề Tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công mạch điều khiển ổn định tốc độ động cơ
DC. Mạch có tính năng ổn định tốc độ động cơ khi không tải và khi có tải. Thay đổi tốc
độ động cơ thông qua biến trở. Có thể hiển thị tốc độ động cơ và các thông số khác qua
LCD và hiển thị trên màn hinh máy tính thông qua cổng Serial Monitor để giám sát tốc
độ động cơ.
1.3 Nội Dung Đề Tài
Bài báo cáo này sẽ trình bày tất cả các nội dung cần thiết để làm nên sản phẩm
mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bao gồm lý thuyết và các kinh nghiệm thực tế của
người thực hiện. Phần còn lại của đề tài là các chương 2, chương 3, chương 4, chương 5
và chương cuối cùng là chương 6. Chương 2 là chương về cơ sở lý thuyết, chương này sẽ
trình bày về đặc tính cơ của động cơ DC, bộ biến đổi điện áp DC-DC , phương pháp điều
khiển PWM, bộ điều khiển PID số và em sẽ trình bày sơ lượt qua board Arduino mà em
dùng để điều khiển trong đồ án này. Chương 3 là chương về thiết kế phần cứng. Chương
này sẽ trình bày về yêu cầu thiết kế, sơ đồ khối, cách thiết kế và hoạt động của nó.
Chương 4 sẽ là chương về thiết kế phần mềm. Lưu đồ giải thuật (PID) của chương trình
chính và giải thích lưu đồ là 2 phần sẽ được trình bày trong chương này. Chương thi công
mạch phần cứng là chương 5 sẽ trình bày về quá trình thi công mạch, các công đoạn để
Trang |7
thi công xong board mạch, những lỗi hay gặp phải khi làm phần cứng theo kinh nghiệm
của người làm, kiểm tra lại hoạt động của mạch sau khi thi công xong. Chương 6 là
chương cuối cùng. Chương này sẽ trình bày về kết luận hoạt động của mạch sau khi thực
hiện, mạch hoạt động như thế nào, đã đáp ứng yêu cầu hay chưa, còn thiếu sót những
gì… và hướng phát triển của đề tài trong tương lại của đề tài.
Cơ Sở Lý Thuyết
Chương II
Trang |8
Chương 2
Cơ Sở Lý Thuyết
2.1 Phương Trình Đặc Tính Cơ Của Động Cơ DC
Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là một đường thằng như hình 2.1. Tốc độ
không tải của động cơ được xác định bởi từ thông k Tốc độ động cơ suy giảm khi
moment tải tăng và độ ổn định của tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư.
U
k
Kích từ độc lập:
Ru
kMco Mco
kIu
2
E
k
ω
ωolt
ωo
ωđm
Iu
Rư
Ikt
Rkt
Ukt
E
k
t
U
0
I0
Iđm
I,
Mcơ
Hình 2.1 Cấấu tạo và phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ đ ộc
lập
Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập phụ thuộc vào điện trở phần ứng, điện áp
phần ứng và từ thông. Khi thay đổi điện trở phần ứng bằng cách thêm điện trở R f nối tiếp
với Ru thì ứng với 1 phụ tải nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ càng giảm đồng thời dòng
điện ngắn mạch và moment ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng
phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ
bản. Khi thay đổi điện áp phần ứng Uư đặt vào động cơ thì ta được một hệ đặc tính cơ
song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy khi thay đổi điện áp (giảm điện áp) thì
moment ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm, tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
Trang |9
phụ tải nhất định. Do đó, phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động
cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Khi thay đổi tử thông chính là thay đổi dòng Ikt
động cơ. Với tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông thì
tốc độ động cơ tăng lên.
Dòng điện phần ứng động cơ trong quá trình khởi động cần được giới hạn để tránh
phát sinh tia lửa điện quá mức trên cổ góp động cơ. Thông thường với động cơ không có
cuộn bù thì Iư =2*Iđm . Còn đối với động cơ có tụ bù thì Iư =3.5*Iđm.
Khi cấp điện áp định mức trực tiếp trong chế độ khởi động thì dòng điện I ư có thể
bằng 20 lần Iđm. Dòng khởi động này gây ra tia lửa điện quá mức trên cổ góp và làm phát
nhiệt trong cuộn dây phần ứng. Do đó cần hạn chế dòng khởi động bằng cách giảm điện
áp phần ứng hoặc dùng điện trở thêm vào mạch phần ứng.
2.2 Các Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ.
Tốc độ động cơ có thể được điều khiển theo nhiều phương pháp nhưng em chỉ
trình bày 3 phương pháp thông dụng là phương pháp điều khiển từ thông, phương pháp
điều khiển điện trở phần ứng và phương pháp điều khiển điện áp phần ứng.
2.2.1 Điều Khiển Từ Thông
Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao
hơn tốc độ định mức. Tốc độ cao nhất của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chể
bởi sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng và giới
hạn về mặt cơ khí của động cơ, các động cơ thông thường cho phép đạt đến 1.5 đến 2 lần
tốc độ định mức động cơ, một số động cơ được chế tạo đặc biệt cho phép tốc độ đạt đến 6
lần tốc độ định mức.
2.2.2 Điều Khiển Điện Trở Phần Ứng
Phương pháp này có khuyết điểm là hiệu suất đạt được thấp và độ cứng đặc tính
cơ thấp nhất là khi hoạt động ở tốc độ thấp. Do đó phương pháp này rất ít được sử dụng
trừ một số trường hợp phương pháp này được sử dụng như là trong khởi động động cơ và
thay đổi tốc độ trong thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại.
2.2.3 Điều Khiển Điện Áp Phần Ứng
Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ có thể làm việc ở bất kỳ cấp tốc độ
nào nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và trục moment vì điện áp động cơ chỉ điều khiển
được dưới điện áp định mức. Phương pháp này chỉ dùng để điều khiển các động cơ hoạt
động với các đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Tính chất quan trọng của phương
pháp này là độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh. Điều
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 10
này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải có moment hằng số vì dòng phần ứng là I max
tương ứng với nó là moment cực đại Mmax của động cơ giữ không đổi với mọi tốc độ.
Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều chỉnh theo 3 phương pháp là Máy phát
DC(hệ máy phát động cơ), Bộ chỉnh lưu có điều khiển(AC-DC), Bộ biến đổi xung
áp(Chopper).
2.3 Bộ Biến Đổi Xung Áp(Chopper)
2.3.1 Chopper
Chopper là một thiết bị tĩnh, nó được sử dụng rộng rãi để thay đổi điện áp DC từ
nguồn điện áp DC. Chopper cũng được biết đến như bộ chuyển đổi điện áp DC-DC.
Chopper cung cấp hiệu suất cao hơn, đáp ứng nhanh hơn, bảo trì dễ dàng, kích thước nhỏ
gọn, điều khiển trơn tru hơn.
Chopper có 2 loại là Step-down(boot) là điện áp ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào
và Step-up(buck) điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào.
Chopper có 5 lớp hoạt động ở 4 góc phần 4:
Lớp A( bộ chopper kiểu giảm áp) chỉ hoạt động ở góc phần tư thứ nhất. Dòng điện
tải có thể đi ra khỏi nguồn và đến tải. Điện áp tải và dòng điện tải đều dương.
Lớp B(bộ chopper kiểu tăng áp) hoạt động ở góc phần tư thứ hai. Điện áp tải thì
dương nhưng dòng điện tải thì âm. Dòng điện ra khỏi tải và vào trong nguồn.
Lớp C(bộ đảo dòng) hoạt động ở góc phần 4 thứ nhất và thứ hai.
Lớp D hoạt động ở góc phần 4 thứ nhất và thứ tư. Dòng tải thì dương nhưng điện
áp tải có thể âm hoặc dương.
Lớp E hoạt động ở cả 4 góc phần 4.
Trong đồ án này thì mạch cầu H để điều khiển động cơ kích từ độc lập. Mạch cầu
H là chopper lớp E có thể hoạt động cở cả 4 góc phần tư. Chopper lớp E sẽ được mô tả
như sau:
Các mạch chopper được hình thành bởi (Q1, Q2) và (Q3, Q4) sẽ được điều khiển
đồng thời.
Khóa (Q1, Q2), (Q3, Q4) hợp thành các cặp bổ phụ, nghĩa là các khóa trong từng
cặp này sẽ được kích ngược pha nhau.
Chu kỳ đóng cắt của mỗi khóa là 2T trong khoảng thời gian đó hoạt động
của bộ chopper có thể chia thành 4 góc phần tư I, II, III, IV.
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 11
Hình 2.2 Chopper lớp E và động cơ dc kích từ độc lập
Giả sử động cơ đang hoạt động ở góc phần tư thứ I ta có:
Trong khoảng I Q1 và Q2 dẫn thì điện áp cung cấp cho động cơ do đó sẽ là dương
và dòng phần ứng tăng.
Trong khoảng II thì Q2 tắt, Q1 và Q3 được kích dẫn vì dòng qua động cơ đang
chảy theo chiểu dương nên sẽ khép mạch qua D1 và S1. Lúc này áp trên động cơ bằng 0
và dòng qua động cơ giảm, khóa Q3 ở trạng thái tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp sụt
qua D1(đang dẫn).
Trong khoảng III Q2 được kích dẫn trở lại. Do đó điện áp trên động cư sẽ là V và
Iư tăng.
Trong khoảng IV Q1 tắt, Q2 và Q4 nhận tín hiệu kích. Dòng động cơ lúc này vẫn
duy trì theo chiều dương, sẽ chảy qua Q2 và D2, khóa Q4 ở trạng thái tắt do bị phân cực
ngược bởi điện áp rơi trên D2(đang dẫn).
2.3.2 Phương Pháp Điều Chỉnh Độ Rộng Xung PWM
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.
Nguyên lý hoạt động là đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng
ngắt nguồn của tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử
thực hiện nhiện vụ đó trong mạch là các van bán dẫn.
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 12
Hình 2.3 Đồồ thị dạng xung điềồu chềấ PWM
Hình 2.4 Sơ đồồ xung của van điềồu khiển và đấồu ra
Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van mở, toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa
ra tải. Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì
vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn
điện áp cung cấp cho tải. Thời gian van mở hay thường được gọi là thời gian T on còn Toff
được gọi là thời gian van đóng. Với T = Ton + Toff là chu kỳ xung.
Để tạo ra xung PWM có hai phương pháp thông dụng là bằng phần cứng hoặc
bằng phần mềm. Phần cứng là chúng ta sử dụng các IC dao động tạo xung vuông như là
IC555, LM556…Bằng phần mềm thì được tạo từ các chip có thể lập trình được, tạo
PWM bằng phần mềm có độ chính xác cao hơn, xung này được tạo dựa trên xung của
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 13
CPU. Trong đồ án này thì board Arduino có chức năng tạo xung PWM và xuất xung ra
điều khiển động cơ.
2.4 Bộ Điều Khiển PID Số.
Bộ điều khiển PID(Proportional Integral Derivative) số là bộ điều khiển vi tích
phân tỉ lệ là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong
các hệ thống điều khiển công nghiệp. PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong
các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID cố gắng khắc phục sai số biến quá trình đo
được và giá trị đặt mong muốn bằng cách lấy giá trị đặt trừ đi giá trị đo được và sau đó
đưa ra hoạt động điều khiển để hiệu chỉnh cho phù hợp. Việc tính toán bộ điều khiển PID
liên quan đến 3 khâu riêng biệt là giá trị tỉ lệ, tích phân và vi phân. Khâu tỉ lệ được xác
định dựa trên sai số hiện tại, giá trị tích phân được xác định dựa trên tổng sai số đã xẩy ra,
và giá trị vi phân được xác định dựa trên tốc độ sai số đã thay đổi theo thời gian.
Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một thời gian
xác định(không liên tục) – thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị
thời gian của hệ thống. Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác bộ điều
khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như
tốc độ thay đổi của sai số. Điều này giúp cho quá trình điều chỉnh chính xác và ổn định
hơn
Giá trị đặt
Ngõ ra điều khiển
Giá trị thực
Hình 2.5 Thuật toán PID
Như chúng ta thấy đây là sơ đồ khối của bộ điều khiển PID rời rạc.
error = setpoint - Process variable
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 14
u(t ) = KP e (t ) + KI ∫ e(t )d t + KD (d e (t))/d t
e ( k )−e ( k−1 )
T
Trong đó KD (d e (t))/d =
k
KI ∫ e(t )d t =
∑ e ( k )∗T
0
Trong đó T là thời gian lấy mẫu.
Setpoint là giá trị đặt là giá trị mong muốn của ngõ ra đạt được.
Process variable: tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiển nhận được từ đối tượng điều
khiển.
U(t) hay Output là giá trị ngõ ra của bộ điều khiển.
Error là giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tượng điều
khiển.
KP: hệ số khâu tỉ lệ.
KI: hệ số khâu tích phân.
KD:hệ số khâu vi phân.
Tóm tắt vai trò của các khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID:
Khâu khuếch đại tỉ lệ: Khi tăng K P sai số xác lập giảm, độ vọt lố tăng, thời gian
lên nhanh. Nếu Kp quá lớn có thể làm cho hệ thống dao động cơ chu kỳ, gây ra độ
vọt lố cao.Nếu Kp quá nhỏ thí sẽ tạo ra thời gian lên lâu. Như vậy khi thay đổi Kp
làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng như độ vọt lố, thời gian lên…
Khâu tích phân: Đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên sai lệch và thời gian xẩy ra sai
lệch. Khi KI tăng thì giảm sai số (sai số bằng 0 với hàm nấc), thời gian đáp ứng
chậm.
Khâu vi phân: Luôn đưa ra tín hiệu điều khiển có tỉ lệ với tốc độ thay đổi của giá
trị sai lệch. Khi tăng KD thì độ vọt lố giảm, thời gian đáp ứng nhanh.
Bộ điều khiển PID số là bộ điều khiển bao gồm cả 3 khâu do đó nó khắc phục được
nhược điểm của mỗi khâu.
Phương pháp chỉnh thông số của bộ điều khiển PID là phương pháp tìm ra các hệ
số Kp, Ki, Kd tối ưu sao cho đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho trước. Vì thông số
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 15
động cơ, đặc tính cơ điện chưa chính xác lắm nên việc tìm mô hình toán của động cơ là
tương đối khó khăn. Do vậy em sẽ tiến hành tìm các thông số Kp, K, Kd theo phương
pháp điều chỉnh và quan sát. Bằng cách tăng dần giá trị Kp đến khi xẩy ra độ vọt lố hoặc
dao động vận tốc. Ta tiếp tục tăng giá trị Kd lên để loại bỏ độ vọt lố nhưng vẫn còn nhiễu,
sau đó ta tiếp tục tăng giá trị Ki lên để loại bỏ nhiễu nhưng nếu tăng quá cao sẽ làm cho
hệ thống dao động mạnh.
Hiện tượng Wind-Up(bão hòa tích phân) là hiện tượng đầu ra của bộ điều khiển
vẫn tiếp tục tăng quá mức giới hạn do sự tích lũy của thành phần tích phân vẫn tiếp tục
duy trì khi sai lệch điều khiển đã trở về 0. Hiện tượng này chỉ xẩy ra khi bộ điều khiển có
thành phần tích phân và tín hiệu bị hạn chế như trong hệ thống có cơ cấu chấp hành hai vị
trí như relay, van đóng mở và trường hợp bộ điều khiển có thành phần tích phân bị giới
hạn tín hiệu.
Các biện pháp chống hiện tượng này:
Khi sai số bằng 0 thì ta tách bỏ thành phần tích phân trong bộ điều khiển hoặc tốt
hơn là xóa bỏ hẳn trạng thái của thành phần tích phân.
Giảm hệ số khuếch đại K để đầu ra bộ điều khiển nằm trong giới hạn cho phép, có
nghĩa là thay đổi K sao cho tín hiệu điều khiển nhỏ hơn giá trị giới hạn. Đây là
phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, không tồn tại sai lệch tỉnh nhưng hệ thống tác
động chậm hơn nên thời gian quá độ kéo dài hơn
2.5 Board Điều Khiển Arduino:
2.5.1 Giới Thiệu Về Arduino
Arduino là board điều khiển được ứng dụng rộng rãi nhất trên thị trường hiện nay.
Bên cạnh các vi điều khiển cũng phổ biến và nổi tiếng không kém như PIC hay ARM….
Arduino được hỗ trợ rất nhiều về thư viện, cách lập trình khá đơn giản giúp cho người
dùng dễ dàng làm việc với nó. Bên cạnh đó giá cả của Arduino cũng khá canh tranh trên
thị trường với nhiều dòng sản phầm khác nhau. Ví dụ như Nano, Mega, ProMini…..ứng
với mục đích sử dụng để làm sản phầm thực tế mà người dùng có thể chọn các loại
Arduino cho phù hợp với yêu cầu của mình
Một số ứng dụng điển hình là máy bay quadcopter, xe điều khiển từ xa, xa tránh
vật cản, robot rò line… và các ứng dụng thông minh như là điều khiển các thiết bị như
đèn, quạt, tivi…
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 16
Hình 2.6 Hình ảnh Arduino ngoài thực tềấ
2.5.2 Chức Năng Các Khối Của Arduino
2.5.2.1 Cổng USB (1)
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB chúng ta
có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn cho
Arduino. Điều này thuận lợi hơn các vi điều khiển khác vì các vi điều khiển khác muốn
nạp chương trình thì phải thông qua một mạch nạp rời riêng.
2.5.2.2 Nguồn (2 và 3)
Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn thông qua 2
jack cấm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân GND và V in để cấp
nguồn cho Arduino. Bo mạch hoạt động ở nguồn ngoài ở điện áp từ 5>20 volt. Chúng ta
có thể cấp một điện áp lớn hơn 5 volt. Nếu chúng ta sử dụng nguồn điện áp lớn hơn 12
volt cấp cho Arduino thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng mạch. Vây chúng ta nên
dùng nguồn ổn định từ 5 volt đến dưới 12 volt.
Chân 5 volt và chân 3.3 volt để lấy nguồn ra từ nguồn chúng ta cấp cho Arduino
(không được cấp nguồn vào các chân này vì nếu cấp nguồn vào thì sẽ làm hỏng Arduino).
GND là chân mass.
2.5.2.3 Chip Atmega328
Chip Atmega328 có 32 bộ nhớ Flash trong đó có 0.5k sử dụng cho bootloader,
ngoài ra còn có 2k SRAM, 1k EEPROM.
Chương II
Cơ Sở Lý Thuyết
T r a n g | 17
2.5.2.4 Input Và Output (4, 5 và 6)
Arduino Uno có 14 chân digital với chức năng input và output. Cũng trên các chân
này chúng ta còn có bốn chân chức năng đó là:
Serial là Chân 0(Rx), chân 1(Tx). Hai chân này dung để truyền và nhận dữ liệu nối
tiếp TTL. Chúng ta có thể dung nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị và linh
kiện có chuẩn giap tiếp nối tiếp.
PWM(pulse width modulation) là các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên board mạch có
dấu “~” là các chân PWM chúng ta có thể dung chúng để điều khiển tốc độ động cơ hoặc
độ sáng của đèn…
SPI là các chân 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) các chân này hỗ trợ giao
tiếp theo chuẩn SPI.
Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C. Các chân A4(SDA), A5(SCL) cho phép
chúng ta giao tiếp giữa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp I2C.
2.5.2.5 Reset (7)
Dùng để reset Arduino(tương đương với việc chân reset được nối qua GND qua 1
điện trở 10k).
Chương III
Thiết Kế Phần Cứng
T r a n g | 18
Chương 3
Thiết Kế Phần Cứng
3.1 Yêu Cầu Thiết Kế
Thiết kế mạch điều khiển ổn định tốc độ động cơ với LCD hiển thị tốc độ và có
thể hiển thị trên máy tính để theo dõi. Tốc độ động cơ có thể thay đổi bằng biến trở vặn.
Để đạt được yêu cầu thiết kế như trên thì các thiết bị như dưới đây đã được chọn.
3.1.1 Động cơ
Động cơ DC có nhiều loại khác nhau như động cơ kích từ độc lập, động cơ kích từ
song song, động cơ kích từ nối tiếp hay động cơ kích từ hỗn hợp. MITSUMI là động cơ
kích từ độc lập đã được chọn để điều khiển. Động cơ hoạt động ở chế độ quay 1 chiều,
hoặc đảo chiều.
Thông số của động cơ được trình bày trong bảng 3.1.
Hình 3.1 Động cơ Mitsumi
Động cơ kích từ độc lập Mitsumi có 3 trạng thái hãm đó là:
Hãm tái sinh xẩy ra khi ta giãm điện áp phần ứng. Khi xẩy ra hãm tái sinh
thì Pđiện < 0, Pcơ < 0 động cơ biến cơ năng thành điện năng và trả năng
lượng về lưới.
Chương III
Thiết Kế Phần Cứng
T r a n g | 19
Hãm ngược xẩy ra khi cực tính nguồn hoặc phần ứng động cơ đảo chiều khi
động cơ đang hoạt động. Dòng qua động cơ sẽ có chiều ngược với chiều
của dòng điện ở chế độ động cơ và sinh ra moment hãm. P điện > 0, Pcơ < 0
công suất điện và công suất cơ chuyển thành nhiệt. Động cơ biến cơ năng
thành điện năng đồng thời nhận năng lượng từ lưới điện và chuyển các
năng lượng này thành tổn thất trên hệ.
Hãm động năng xẩy ra khi ngắt nguồn cung cấp khỏi động cơ và nối phần
ứng động cơ qua một điện trở thích hợp. Động cơ lúc này hoạt động như
một máy phát và tạo ra moment hãm. P điện = 0, Pcơ < 0 động cơ biến cơ
năng thành điện năng đồng thời chuyển năng lượng này thành tổn thất trên
hệ.
3.1.2 Encoder quang
Sử dụng encoder quang 334 xung để đọc tốc độ động cơ.Thông số của encoder
được trình bày trong bảng 3.2.
Để điều khiển vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta phải đọc được góc quay
của motor. Một số phương pháp có thể dùng để xác định góc quay của motor bao gồm
dùng biến trở xoay hoặc dùng encoder. Có 2 loại encoder là encoder tuyệt đối và encoder
tương đối, chúng ta sẽ tìm hiểu về encoder tương đối.
Encoder thường có 3 kênh bao gồm kênh A, kênh B và kênh I. Trong hình trên
bạn hãy chú ý một lỗ nhõ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát thu dành riêng cho
lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encode. Cứ mỗi lần motor quay được 1 vòng, lỗ nhỏ xuất
hiện tại vị trí của cặp phát thu hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm
biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến như thể kênh I xuất hiện một xung mỗi
vòng quay của rotor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành một rảnh nhỏ và một cặp thu
phát khác nhau dành cho rãnh này.Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A
cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất
hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải của encoder.
Chương III
Thiết Kế Phần Cứng
T r a n g | 20
Hình 3.2 Cấấu tạo của encoder quang
Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau. Để điều khiển động cơ bạn phải biết
độ phân giải của động cơ đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều
khiển và phương pháp điều khiển. Không được vẽ trong hình 2, tuy nhiên trên các
encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng
lệch một chút (lênh M+0.5 rảnh) đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh A
cùng tần số với kênh B nhưng lệch pha 90 độ. Bằng cách phối hợp giữa kênh A và B ta sẽ
biết được chiều quay của động cơ.
Hình 3.3 Cách đọc xung và xác định chiềồu quay
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại
xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trường hợp
motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Bạn hãy quan sát lúc
tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp.
Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc
- Xem thêm -