Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID vị trí động cơ điện một chiều (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID vị trí động cơ điện một chiều (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ÐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ÐỘNG CƠ ÐIỆN MỘT CHIỀU MÃ SỐ: T2014-113 S K C0 0 5 6 6 2 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2014-113 Chủ nhiệm đề tài: Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương TP. HCM, Tháng 3/Năm 2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã số: T2014-113 Chủ nhiệm đề tài: Giảng viên, Thạc sỹ Trần Thụy Uyên Phương TP. HCM, Tháng 3/Năm 2015
4. Trang 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong Robot, DC Motor đóng vai trò là bộ phận truyền động cho các cơ cấu chấp hành, giúp Robot thực hiện một chức năng vận động nào đó . Việc điều khiển chính xác tốc độ và vị trí DC motor nhằm giúp cho Robot thao tác nhanh và chính xác hơn. Chính vì thế mà các bộ điều khiển như PID, bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển thích nghi, hoặc kết hợp các bộ điều khiển lại đã được áp dụng điều khiển DC motor. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày nay một số công ty đã tích hợp bộ điều khiển vào một chip đơn như bộ PID LM629 của National Semiconducter mở ra giải pháp thiết kế các bộ điều khiển chuyên dụng cho motor. Trong đề tài nghiên cứu khoa học này nội dung các vấn đề tác giả cần triển khai: tìm hiểu IC LM629, xây dựng tập lệnh điều khiển bằng ngôn ngữ C với vi điều khiển, thiết kế và chế tạo một driver PID chuyên dụng điều khiển DC Motor, xây dụng mạng kết nối các driver dùng áp dụng cho robot. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
5. Trang 2 ABSTRACT In Robot, DC motor acting as transmission parts for the structure of the Executive, to help robots perform a certain motor functions. The precise control of speed and DC motor position to help the robot faster and more accurate. Thus, like PID controllers, fuzzy controllers, adaptive controllers, or a combination of controls is applied again controlled DC motor. With the development of science and technology is today a company has integrated the controller into a single chip such as the National Semiconducter’ LM629 PID open solution designed for the dedicated motor controller. In scientific research this problem content authors need to deploy: IC LM629 learn, build script control language C with micro controller, designed and built a dedicated driver of PID DC Motor control, build connections apply to drivers using robots. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
6. Trang 3 A. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC. Hãng Maxon của Thụy Sĩ: đây là 1 hãng nổi tiếng về DC motor và các bộ điều khiển chuyên dùng. Hình 0.1 : Driver LSC30/2 và motor của hãng Maxon. Bộ điều khiển LSC30/2 có các thông số cơ bản sau: Điện áp hoạt động 10-30 VDC, Điện áp ngõ ra= điện áp vào - 5V. Dòng điện max = 2A. DC Motor lên đến công suất 50W. Ngoài ra cũng có một số bộ driver điều khiển motor của những hãng khác như : MD03 của Devantech. Hình 0.2 : Driver MD03 của hãng Devantech Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
7. Trang 4 Module này có áp cấp 24V, dòng tải lên đến 20A, nhưng các sản phẩm này chỉ ứng dụng cho các mô hình robot ứng dụng trong học tập và nghiên cứu. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
8. Trang 5 B. TÍNH CẤP THIẾT Trong phần trên nói đã nói về một số driver thông dụng của một số hãng nổi tiếng, các driver này có tính ổn định và tính chuyên dùng cao, nhưng bên cạnh đó cũng có một số nhược điểm : Giá thành đắt, như driver LSC30/2, dòng thấp nhất của Maxon, có giá 178USD. Driver đi chung với motor DC chuyên dụng của hãng sẽ cho hiệu suất cao, giá thành motor khá đắt, dòng thấp nhất của Maxon giá 51USD. Bộ công suất thường đi chung với board điều khiển, nên kích thước khá to, trong những trường hợp ta cần điều khiển motor có công suất nhỏ thì không có giải pháp. Từ lúc đặt mua thiết bị của hãng đến khi có hàng thường mất 4-6 tuần, chi phí vận chuyển cao nên trong thiết kế Robot cần có dự trù thời gian hợp lý. Từ những hạn chế trên, ta thấy việc nghiên cứu và chế tạo một driver điều khiển motor dựa trên các linh kiện chuyên dùng là vấn đề rất đáng quan tâm và nghiên cứu. Driver thiết kế có thể thay đổi phần công suất phù hợp với motor, nên sẽ có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp. Đó cũng chính là hướng nghiên cứu của đề tài. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
9. Trang 6 C. MỤC TIÊU Xây dựng chương trình mô phỏng đáp ứng của động cơ trên Matlab và xác định các thông số của bộ điều khiển PID. Tìm hiểu IC điều khiển PID chuyên dụng LM629 của hãng National Semiconducter. Thiết kế board điều khiển PID với ngõ vào RS485, các xung encoder và ngõ ra DIR, PWM. Bộ điều khiển trung tâm là vi điều khiển ATmega32. Phần công suất điều khiển DC Motor Hitachi 60W, encoder 240 xung/vòng. Xây dựng tập lệnh giao tiếp với các chức năng mà LM629 hỗ trợ bằng ngôn ngữ C. Xây dựng giao thức truyền thông giữa các driver với bộ điều khiển master, nhằm năng tính linh hoạt khi áp dụng các bộ điều khiển trên robot. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
10. Trang 7 D. CÁCH TIẾP CẬN Bước 1: Tìm hiểu mô hình toán học của động cơ. Bước 2: Mô phỏng đáp ứng vòng hở của động cơ trên Matlab. Bước 3: Mô phỏng đáp ứng của động cơ sử dụng bộ điều khiển PID. Bước 4: Tìm hiểu IC điều khiển PID vận tốc và vị trí DC Motor chuyên dụng LM629. Bước 5: Thiết kế bộ giao tiếp LM629 và vi điều khiển Atmega32, xây dựng tập lệnh C trên vi điều khiển giao tiếp điều khiển các chế độ hỗ trợ với LM629. Bước 6: Thiết kế bộ công suất cho DC motor Hitachi 60W, encoder: 240xung/vòng. Bước 7: Xây dựng giao thức truyền thông với mạng RS485 nhằm kết nối và điều khiển nhiều bộ điều khiển cùng lúc. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
11. Trang 8 E. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài được thực hiện với các phương pháp sau: Khảo sát, tìm hiểu một số driver chuyên dụng của các hãng nổi tiếng như Maxon, Devantech nhằm mục đích: nắm cách thức giao giữa thiết bị với người cùng, hình dáng của thiết bị, cách bố trí linh kiện và chống nhiễu từ đó khi thiết kế sẽ đảm bảo được tính kế thừa, tính dễ sử dụng và tính ổn định. Tìm hiểu mô hình toán động cơ điện một chiều và mô phỏng thuật toán điều khiển trên Mathlab. Xây dựng mạch thí nghiệm với IC LM629, mạch công suất Motor từ đó xây dựng các tập lệnh cơ bản và thử nghiệm chương trình. Thiết kế phần mềm giao tiếp trên máy tính với mạch thí nghiệm LM629 nhằm giúp khảo sát một DC Motor bất kỳ, chọn các hệ số Kp, Ki, Kd tối ưu cho bộ điều khiển. Từ kinh nghiệm của board thí nghiệm tiến hành thiết kế board driver có kích thước nhỏ gọn, mạch in 2 lớp thẩm mĩ cao. Khảo sát một số thiết bị có giao thức mạng như RC Motor của Robotis, từ đó rút ra giao thức mạng phù hợp với thiết bị, giúp hệ thống linh hoạt hơn trong hoạt động. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
12. Trang 9 F. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Phần mềm Mathlab ứng dụng trong tính toán và điều khiển tự động. IC điều khiển PID vận tốc và vị trí DC Motor chuyên dụng LM629. Thiết kế bộ giao tiếp LM629 và vi điều khiển Atmega32, xây dựng tập lệnh C trên vi điều khiển giao tiếp điều khiển các chế độ hỗ trợ với LM629 Thiết kế bộ công suất cho DC motor Hitachi 60W, encoder: 240xung/vòng. Xây dựng giao thức truyền thông với mạng RS485 nhằm kết nối và điều khiển nhiều bộ điều khiển cùng lúc. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
13. Trang 10 G. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
14. Trang 11 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ điều khiển trong trường hợp này được lựa chọn là bộ PID. 1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID liên tục: Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra. Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển dùng PID: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng PID Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch. Khâu P: Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ. Khâu P được tính dựa trên công thức: Trong đó: Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
15. Trang 12 e: sai lệch (e = SP – PV) Sơ đồ khối của khâu P: Hàm truyền: G (s) = K p p Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt. Hình 1.2: Đáp ứng của khâu P Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định. Khâu I: Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I được tính theo công thức: Trong đó : Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
16. Trang 13 IOUT: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu I: Hàm truyền: U(s)K 1 G(s) = =I = E(s) s T s I. Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập. Hình 1.3: Đáp ứng quá độ của khâu I và khâu PI Khâu D Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn. Khâu D được tính theo công thức: Trong đó: DOUT: ngõ ra khâu D Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
17. Trang 14 KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu D: Hàm truyền: U() s G() s Kd s E() s Theo hình dưới, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P. Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định. Hình 1.4: Đáp ứng của khâu D và PD Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D. Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng: de(t) u(t) = K e(t)+ K e(t)dt + K PID dt Sơ đồ khối: Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
18. Trang 15 Đáp ứng của bộ PID: Hình 1.5: Đáp ứng của khâu P, PI và PID Nhận xét: - Nếu chỉ sử dụng riêng thành phần Kp thì sai số xác lập luôn tồn tại. Tăng Kp sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín, giảm thời gian quá độ và sai số xác lập nhưng lại làm tăng tính dao động của hệ (tăng độ vọt lố). Với đối tượng có bậc lớn hơn 2 thì khi Kp tăng quá cao sẽ làm hệ thống mất ổn định. - Nếu sử dụng them thành phần Ki thì trong phạm vi hệ thống còn ổn định, sai số xác lập luôn bằng 0. Tăng Ki sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín, giảm thời gian quá độ nhưng lại làm tăng độ vọt lố. Khi Ki tăng quá giới hạn, hệ thống sẽ mất ổn định. - Thành phần Kd có tác dụng làm giảm dao động, giảm độ vọt lố nhưng không ảnh hưởng đến sai số xác lập của hệ thống. Tín hiệu ra của thành phần Kd tỉ lệ với đạo hàm của e(t) nên tác dụng hiệu chỉnh của nó chủ yếu là ở giai đoạn đầu của đáp ứng quá độ. - Phối hợp cả ba thành phần Kp, Ki, Kd với giá trị thích hợp, ta có thể hiệu chỉnh để hệ thống kín ổn định với sai số xác lập bằng không, thời gian quá độ và độ vọt lố đạt yêu cầu mong muốn. Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
19. Trang 16 1.2 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID: Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc ở một vài mức. Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu: e(n) = X(n) – Y(n) Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng 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 sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn. Hình 1.6: Sơ đồ khối PID Hàm truyền của hệ thống: Hàm chuyển đổi: Tính gần đúng theo công thức: Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
20. Trang 17 Với n là bước rời rạc tại t. Kết quả thu được: Với: Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương
21. Trang 18 Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 2.1 Mô tả toán học động cơ điện DC Đối tượng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều khiển bằng điện áp phần ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình 2.1, trong đó, dòng kích từ ik được giữ không đổi. ik = const L R J u e i Mt  Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện DC - Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng, [V] - Tín hiệu ra là vận tốc góc  của động cơ, [rad/s; s-1] Sử dụng ba phương trình cơ bản : a) Phương trình mạch điện phần ứng : di u L Ri K  dt e Trong đó: R_ điện trở phần ứng, [] L_ điện cảm phần ứng, [H] i_ dòng điện phần ứng, [A] Ke _hằng số sức điện động ngược, [V.s /rad] Ke e : sức điện động ngược ở phần ứng, [V]. Biến đổi Laplace hai vế phương trình, ta được: U(s) LsI(s) RI(s) Ke  (s) U(s) Ke  (s) Ls R I(s) Sơ đồ khối tương ứng : U(s) I(s) E(s) (s) Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương