Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển đồng bộ hai động cơ sử dụng STM32F04 và Matlab

Tài liệu đồ án tốt nghiệp điều khiển đồng bộ hai động cơ DC sử dụng STM32F04 và mô phỏng Matlab Simulink. Báo cáo phân tích, sơ đồ nguyên lý chi tiết.

• Tác giả: Lê Công Kỳ Vọng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Đồng Bộ Hai Động Cơ Sử Dụng STM32F04 Và Matlab/Simulink
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Điều Khiển Đồng Bộ Hai Động Cơ

Điều khiển đồng bộ hai động cơ là một ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại như cán thép, sản xuất giấy và dệt may. Hệ thống này yêu cầu sự chính xác cao về tốc độ hoặc vị trí của các thiết bị để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng STM32F04 và Matlab Simulink cung cấp một giải pháp toàn diện cho việc thiết kế, mô phỏng và thực hiện hệ thống điều khiển đồng bộ. Công nghệ vi điều khiển ARM Cortex trên STM32F04 mang lại khả năng xử lý mạnh mẽ, giúp thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp. Đồng thời, Matlab Simulink cho phép mô phỏng hệ thống trước khi triển khai thực tế, giảm chi phí phát triển và tăng độ tin cậy.

1.1. Tầm quan trọng của Điều Khiển Đồng Bộ

Điều khiển đồng bộ hai động cơ đảm bảo các thiết bị hoạt động với tốc độ nhất quán, tránh hiện tượng lệch pha gây hư hỏng sản phẩm. Trong công nghiệp, sai số đồng bộ nhỏ nhất cũng có thể dẫn đến mất mát kinh tế lớn. Hệ thống STM32F04 với khả năng xử lý nhanh chóng giúp giảm thiểu sai số đồng bộ và cải thiện hiệu suất hoạt động.

1.2. Lợi ích của Matlab Simulink trong Thiết kế

Matlab Simulink cung cấp công cụ mô phỏng mạnh mẽ, cho phép kiểm tra thuật toán điều khiển trước khi triển khai. Kỹ sư có thể điều chỉnh tham số PID, thử nghiệm các phương pháp đồng bộ khác nhau và đánh giá hiệu suất hệ thống một cách an toàn. Điều này rút ngắn chu kỳ phát triển và nâng cao chất lượng hệ thống.

II. Kiến Trúc Hệ Thống và Các Thành Phần Chính

Hệ thống điều khiển đồng bộ bao gồm nhiều thành phần phần cứng và phần mềm phối hợp với nhau. Động cơ DC là bộ thi hành chính, được điều khiển qua mạch cầu H cung cấp năng lượng. Bộ mã hóa Encoder đặt trên trục động cơ giúp phản hồi vị trí và tốc độ thực tế. Vi điều khiển STM32F04 xử lý các tín hiệu cảm biến, tính toán tín hiệu điều khiển PWM, và giao tiếp với máy tính qua UART. Matlab Simulink mô phỏng hành vi của hệ thống động lực học và tối ưu hóa bộ điều khiển PID trước khi triển khai trên vi điều khiển.

2.1. Động Cơ DC và Bộ Mã Hóa Encoder

Động cơ DC Planet 60W 468rpm là bộ thi hành chính trong hệ thống. Bộ mã hóa Encoder 600 xung cung cấp phản hồi tốc độ góc với độ phân giải cao. Tín hiệu từ Encoder được đọc bởi STM32F04 để tính toán sai số đồng bộ giữa hai động cơ. Sự kết hợp này tạo nên một vòng phản hồi kín mạnh mẽ.

2.2. Vi Điều Khiển STM32F04 và Giao Tiếp

STM32F04 Discovery là bộ xử lí ARM Cortex-M4 với tốc độ xung nhịp 84MHz. Nó quản lý PWM, đọc tín hiệu Encoder, tính toán thuật toán PID, và giao tiếp với máy tính qua UART CP2102. Ngôn ngữ C được sử dụng để lập trình các hàm điều khiển phức tạp, đảm bảo độ tin cậy cao.

III. Phương Pháp Đồng Bộ và Bộ Điều Khiển PID

Hai phương pháp đồng bộ hai động cơ chính được áp dụng là Master-Slave và Cross Coupling. Phương pháp Master-Slave sử dụng một động cơ làm tham chiếu, động cơ thứ hai theo dõi. Phương pháp Cross Coupling xử lý sai số đồng bộ trực tiếp bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển của cả hai động cơ. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là lõi của hệ thống, với ba thành phần: khâu tỉ lệ P phản ứng nhanh, khâu tích phân I loại bỏ sai số tĩnh, và khâu vi phân D cải thiện ổn định hệ thống. Matlab Simulink cho phép mô phỏng và tối ưu các tham số PID trước khi triển khai.

3.1. Phương Pháp Master Slave

Trong phương pháp Master-Slave, động cơ chủ hoạt động theo setpoint từ người dùng, động cơ tớ theo kịp động cơ chủ. Bộ điều khiển PID của động cơ tớ nhận tín hiệu sai số là hiệu giữa tốc độ chủ và tớ. Phương pháp này đơn giản và dễ triển khai, nhưng độ chính xác đồng bộ phụ thuộc vào hiệu suất của bộ điều khiển tớ.

3.2. Phương Pháp Cross Coupling và Tối Ưu PID

Phương pháp Cross Coupling sử dụng sai số đồng bộ làm tín hiệu điều khiển cho cả hai động cơ, cải thiện độ chính xác đồng bộ đáng kể. Bộ điều khiển PID được tối ưu hóa bằng Matlab Simulink qua công cụ System Identification và Control Design. Các tham số Kp, Ki, Kd được điều chỉnh sao cho hệ thống vừa nhanh vừa ổn định.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tế

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp Cross Coupling vượt trội hơn Master-Slave với sai số đồng bộ nhỏ hơn 5%. Hệ thống được triển khai thành công trên STM32F04 với mã C được tạo tự động từ Matlab Simulink sử dụng Embedded Coder. Dữ liệu thực tế được thu thập qua UART và phân tích trong Matlab để xác minh hiệu suất bộ điều khiển. Ứng dụng này có thể mở rộng cho các ngành công nghiệp khác như dệt may, sản xuất giấy, cán tôn nơi yêu cầu điều khiển đồng bộ chính xác. Hệ thống STM32F04 + Matlab Simulink chứng minh là một giải pháp hiệu quả, kinh tế, dễ mở rộng.

4.1. Kết Quả Thực Nghiệm Hệ Thống

Hệ thống được kiểm tra với setpoint tốc độ từ 100 đến 400 rpm. Phương pháp Cross Coupling giảm sai số đồng bộ từ 50 rpm xuống dưới 25 rpm so với phương pháp Master-Slave. Thời gian vào ổn định của hệ thống khoảng 2-3 giây. Các kết quả được vẽ đồ thị trong Matlab, cho thấy tính ổn định và độ chính xác cao của thuật toán.

4.2. Ứng Dụng và Hướng Phát Triển

Hệ thống điều khiển đồng bộ này có thể ứng dụng trong công nghiệp sản xuất giấy, dệt may, cán tôn, in ấn. Ngoài ra, có thể mở rộng để điều khiển nhiều động cơ hơn hoặc tích hợp các cảm biến khác như cảm biến tải. Việc sử dụng vi điều khiển STM32F04 mạnh mẽ hơn cho phép triển khai các thuật toán điều khiển nâng cao như Model Predictive Control (MPC).

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay với sự bùng nổ cách mạng khoa học kỹ thuật mạnh mẽ các hệ thống điều khiển tự động nói chung và lĩnh vực điều khiển động cơ DC nói riêng đã giúp điều khiển động cơ DC ngày càng trở nên toàn diện hơn, một trong số các vấn đề của điều khiển động cơ DC là điều khiển tốc độ đã đặt trƣớc và vị trí biến thiên theo thời gian. Bên cạnh đó việc áp dụng các phƣơng pháp đồng bộ động cơ về cả tốc độ và vị trí là mục tiêu chính của nhóm trong đề tài này. Vì vậy nhóm đã quyết định nghiên cứu giải thuật điều khiển vị trí, tốc độ cho động cơ và đồng bộ về vị trí, tốc độ cho hai động cơ DC. Đồng thời cùng với sự bùng nổ của khoa học nói chung và khoa học công nghệ nói riêng.

Đã đem tới những bƣớc ngoặt phát triển vƣợt bậc trong các thiết bị điện tử đặc biệt là các bộ điều khiển hoàn thiện hơn bao giờ hết nhƣ là: bộ điều khiển lập trình PLC của các hãng nhƣ: Siemens, Rock-well, Mitshubishi… .Xong bên cạnh đó cùng với sự phát triển của của PLC thì các dòng vi xử lý cũng phát triển không hề kém cạnh để đáp ứng những yêu cầu khác nhau của ngƣời dùng nhƣ: vi điều khiển của Atmel, Microchip…. Bên cạnh đó trong sự hoạt động của các động cơ sẽ ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau: robot, các máy cuộn trong công nghiệp… Mỗi ứng dụng khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau nên các phƣơng pháp điều khiển khác nhau phù hợp và ổn định hơn cho từng ứng dụng. Đối với ngành công nghiệp cán thép và cán nhựa thì việc đồng bộ về tốc độ của hai động cơ có tỉ lệ chênh lệch xấp xỉ nhau không cần chính xác hoàn toàn về tần số, tốc độ và vị trí của hai động cơ. Đối với ngành công nghiệp sản xuất giấy thì việc hai động cơ chạy tốc độ và vị trí phải chênh lệch rất nhỏ.

Bên cạnh đó thì việc canh lực giữa hai động cơ sao cho hợp lý để không làm rách giấy. Đối với ngành robot cần đồng bộ cực kì chính xác vì các sản phẩm khi vận hành thì cần có độ chính xác cao. Ngoài việc đồng bộ về tốc độ mà còn phải tính lực tác động lên mỗi động cơ và cộng hƣởng của các động cơ với nhau. Đồng bộ tốc độ hai động cơ là điều khiển tốc độ hoặc vị trí của hai động cơ điện có cùng tốc độ hoặc vị trí cho dù mỗi động cơ có thể kéo các tải khác nhau, không tải hoặc một động cơ có tải một động cơ không tải.

Điều khiển tốc độ, vị trí các hệ thống truyền động điện dùng nhiều động cơ truyền động cho nhiều trục để thực hiện công nghệ trong các lĩnh vực:  Nhóm công nghệ cán thép bao gồm: Cán thép thanh, thép tấm, cán ống. 1 Chƣơng 1 Tổng quan Hình 1.1 Công nghiệp cán thép Khi hai động cơ ép thanh thép thì cần phải có tốc độ tƣơng đƣơng nhau để cho ra sản phẩm tốt. Tốc độ hai động cơ chênh lệch càng ít thì thì sản phẩm càng đẹp. Vì vậy cần phải đồng bộ tốc độ của hai động cơ.

 Nhóm công nghệ gia công sản phẩm từ hạt nhựa: Các máy sản xuất sợi từ hạt nhựa, các máy tráng, các máy sản suất ống nhựa … Hình 1.2 Máy cán ống hút Khi ép các ống hút hai động cơ phải chạy tỉ lệ với nhau. Nếu các động cơ có tốc độ chênh lệch nhỏ thì sẽ cho ra các ống hút có kích thƣớc điều nhau. Vì vậy việc đồng bộ hai động cơ về tốc độ và vị trí là cần thiết.  Nhóm công nghệ sản xuất giấy bao gồm các máy cuốn giấy, các truyền động quấn tháo.

Đặc điểm nổi bật về cấu trúc của các hệ thống thực hiện công nghệ là phải dùng nhiều trục truyền động bằng nhiều động cơ điện. Yêu cầu điều khiển truyền động điện cho các hệ thống: Đồng bộ hoá tốc độ các trục truyền động; 2 Chƣơng 1 Tổng quan Điều chỉnh mômen các động cơ truyền động để giữ sức căng không đổi; Điều khiển và giám sát công nghệ bằng mạng máy tính.3 Máy cán giấy trong công nghiệp Trong ngành công nghiệp này phải cực kì chú trọng đến tốc độ của hai động cơ một kéo và một xả. Việc tốc độ hai động cơ phải chạy bằng để giấy không bị rách. Vì vậy cần phải đồng bộ động cơ thật là chính xác trong ngành công nghiệp này.Mục tiêu và giới hạn đề tài 1.Mục tiêu:  Thiết kế và điều khiển đồng bộ vị trí và tốc độ cho hai động cơ một chiều.

 Nhận dạng hàm truyền hai động cơ, mô phỏng hệ thống với hai phƣơng pháp đồng bộ.  p dụng hai phƣơng pháp đồng bộ là Master-Slave, và Cross Coupling. So sánh các hai phƣơng pháp đồng bộ này với việc không sử dụng phƣơng pháp đồng bộ.  Mô phỏng và đánh giá các bộ điều khiển đồng bộ trên MATLAB Simulink.

 Thực nghiệm và đánh giá các bộ điều khiển đồng bộ trên mô hình thực nghiệm với STM32F4 và MATLAB Simulink.Giới hạn đề tài:  Trong đề tài này, tác giả chỉ động bộ hai động cơ với giải thuật điều khiển PID Controller và sử dụng hai phƣơng pháp động bộ Master-Slave và Cross Coupling.  Sử dụng KIT STM32F04 và phần mềm Matlab/Simulink để điều khiển hệ thống và sử dụng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển vận tốc và vị trí. 3 Chƣơng 1 Tổng quan 1.Kết cấu đồ án Phần còn lại của đề tài có nội dung nhƣ sau:  Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết  Chƣơng 3.

Thiết kế phần cứng của hệ thống và thiết kế phần mềm của hệ thống  Chƣơng 4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink  Chƣơng 5. Kết quả thực tế của hệ thống  Chƣơng 6. Kết luận – hƣớng phát triển 4 Chƣơng 2 Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để thiết kế và thi công đƣợc một hệ thống ổn định, nhóm cần có một lƣợng kiến thức đầy đủ về đề tài.

Do đó, chƣơng hai này tác giả sẽ trình bày về các cơ sở lý thuyết đƣợc sử dụng trong hệ thống.Lý thuyết phần cứng 2. Động cơ DC Động cơ một chiều (Direct Current Motor) là động cơ điều khiển bằng dòng có hƣớng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp một chiều. Đầu dây ra của đông cơ thƣờng gồm hai dây (dây nguồn VCC và dây tiếp đất GND). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.

Khi bạn cung cấp năng lƣợng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cƣờng độ RPM rất cao (số vòng quay/ phút). Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thể đạt từ 1000RPM tới 40. Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện một chiều (hình 2.1) gồm có stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.

Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm gồm nhiều bối dây đặt trong các rãnh của lõi sắt. Rotor gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện. Vỏ máy: Vỏ máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vật bên ngoài rơi vào trong máy làm hỏng cuộn dây, mạch từ …Đồng thời vỏ máy để cách ly ngƣời sử dụng với một số bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện. Ngoài ra vỏ máy còn là giá đỡ ổ bi của trục đông cơ [4].

Cực từ chính: là phần sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt và cuộn dây. Lõi sắt cực từ đƣợc làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày đƣợc ép lại với nhau và tán chặt thành một khối. Các cực từ đƣợc gắn vào vỏ máy bằng bulông. Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam – bắc đặt đối xứng với nhau qua trục động cơ, tùy theo hoạt động mà có thể có 1,2,3, … cặp cực từ trong động cơ.

Các máy điện nhỏ thƣờng có cực từ làm bằng thép khối. Dây quấn kích từ lằm bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật đƣợc sơn cách điện và đƣợc quấn thành từng cuộn. Các cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp với nhau. Các cuộn dây đƣợc bọc cách điện cẩn thận trƣớc khi đặt vào các cực từ [4].

Cực từ phụ: cực từ phụ đƣợc đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều. Cực từ phụ đƣợc làm bằng thép khối, trên cực từ phụ đƣợc đặt các cuộn dây quấn. Dây quấn cực từ phụ tƣơng tự nhƣ dây quấn cực từ chính [4]. Rotor (còn gọi là phần ứng): gồm nhiều lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau.

Trên phần ứng có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều đƣợc đƣa vào phần ứng thông qua hệ thống chổi than – vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có 5 Chƣơng 2 Cơ Sở Lý Thuyết khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực theo độ mòn chổi than. Chức năng của chổi than – vanh góp là để đƣa điện một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện của cuộn dây phần ứng [4].1 Cấu tạo động cơ DC 2.

Nguyên lý làm việc Stato của động cơ điện một chiều thƣờng là một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và đƣợc kết nối với nguồn điện một chiều. Một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều chính là bộ phận chỉnh lƣu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thƣờng, bộ phận này sẽ có hai thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.2 Nguyên lý hoạt động Nếu trục của động cơ điện một chiều đƣợc kéo bằng một lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động nhƣ một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Electromotive force. Khi vận hành ở chế độ bình thƣờng, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp đƣợc gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ.

Sức điện động này sẽ tƣơng tự nhƣ sức điện động đƣợc phát ra khi động cơ sử dụng nhƣ một máy phát điện. Nhƣ vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm hai thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng.