Đồ án: Thiết kế bộ PID số điều khiển tốc độ động cơ DC

Đồ án PID điều khiển tốc độ động cơ DC: Tìm hiểu về thiết kế, mô phỏng và ứng dụng bộ điều khiển PID cho động cơ DC. Tài liệu tham khảo hữu ích.

• Tác giả: Nguyen Dinh Tuan
• Chuyên ngành: Điện tử ứng dụng
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Pid Số Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Dc
• Loại tài liệu: Đồ án

Mục lục chi tiết

• 1. PHẦN 1: LÝ THUYẾT
• 1.1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
• 1.1.1. Giới thiệu động cơ DC:
• 1.1.2. Mô hình hóa động cơ DC:
• 1.1.3. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:
• 1.1.4. Khảo sát hàm truyền:
• 1.1.4.1. Hàm truyền lý tưởng:
• 1.1.4.2. Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm:
• 1.1.5. Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID:
• 1.1.5.1. Thuật toán PID:
• 1.1.5.2. Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols:
• 1.2. Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG CYPRESS
• 1.2.1. Giới thiệu IC khả trình PSoC của hãng CYPRESS
• 1.2.2. Khái niệm PSoC
• 1.2.3. Tổng quan về tài nguyên chip PSoC
• 1.2.4. Cấu trúc chi tiết bên trong chip PSoC
• 1.2.5. Giới thiệu phần mềm PSoC Designer của hãng CYPRESS
• 1.2.5.1. Tổng quan về PSoC Designer
• 1.2.5.2. Xây dựng kiến trúc phần cứng( Device Editor)
• 1.2.5.3. Cửa sổ viết ứng dụng(Application Editor)
• 1.3. CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ MOSFET
• 1.3.1. Giới thiệu về MOSFET
• 1.3.2. Cấu trúc cơ bản của NMOS kiểu tăng cường :
• 1.3.3. Ưu nhược điểm và các thông số quan trọng của MOSFET:
• 1.3.3.1. Những ưu điểm của mosfet :
• 1.3.3.2. Các nhược điểm của mosfet
• 1.3.3.3. Các thông số quan trọng của mosfet :
• 2. PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 2.1. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG
• 2.1.1. Tính toán các thông số của mạch:
• 2.1.1.1. Mạch đảo chiều động cơ:
• 2.1.1.2. Tính toán cho FET:
• 2.1.1.3. Tính toán mạch Driver cho MOSFET:
• 2.1.2. Tính toán các tham số của bộ điều khiển PID số:
• 2.1.3. Cấu hình bên trong PSOC:
• 2.1.4. Giải thuật phần mềm:

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đồ Án PID Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC

Động cơ điện một chiều (DC) đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Việc điều khiển tốc độ động cơ DC một cách chính xác và hiệu quả là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để đạt được mục tiêu này. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về việc thiết kế và triển khai đồ án PID điều khiển tốc độ động cơ DC, từ lý thuyết cơ bản đến ứng dụng thực tế. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt. - Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng: Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này. Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: Ia Ra La Ua 1 + A Eg - 2 dia u a  R a i a  La e g (1.2) Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ. Momen điện từ: Td = Kt Φia (1.3) Phương trình của động cơ: d Td  J  B  TL (1.4) dt B: hệ số ma sát T: monen tải. Ở chế độ xác lập: u a  Ra ia e g (1.5) Td  2nB  TL  K t ia (1.6) Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập: U a  I a Ra n

1.1. Ứng Dụng Thực Tế của Động Cơ DC và PID Controller

Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác, như robot, máy CNC, hệ thống băng tải và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. Bộ điều khiển PID đảm bảo rằng động cơ đạt được và duy trì tốc độ mong muốn, bất kể tải trọng thay đổi hay có các yếu tố nhiễu tác động. Khả năng điều chỉnh linh hoạt của PID Controller giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

1.2. Các Loại Động Cơ DC Thường Gặp Trong Điều Khiển PID

Có nhiều loại động cơ DC khác nhau, bao gồm động cơ kích từ độc lập, động cơ kích từ nối tiếp và động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu. Mỗi loại động cơ có đặc tính riêng, ảnh hưởng đến phương pháp điều khiển PID được áp dụng. Đồ án này tập trung vào động cơ DC sử dụng nam châm vĩnh cửu, một lựa chọn phổ biến nhờ tính đơn giản và hiệu quả.

1.3. Vai Trò Của PWM trong Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC

Phương pháp điều xung (PWM) là một kỹ thuật quan trọng để điều khiển tốc độ động cơ DC. PWM cho phép điều chỉnh điện áp trung bình đặt lên động cơ bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của xung vuông. Điều này giúp điều khiển tốc độ động cơ một cách mượt mà và chính xác. Ưu điểm của PWM là giữ tần số không đổi, đảm bảo dòng qua động cơ là dòng liên tục.

II. Thách Thức và Vấn Đề Trong Điều Khiển Động Cơ DC Bằng PID

Mặc dù bộ điều khiển PID rất hiệu quả, nhưng việc thiết kế và triển khai nó trong thực tế vẫn đối mặt với một số thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là xác định các tham số PID (Kp, Ki, Kd) phù hợp để đạt được hiệu suất mong muốn. Việc lựa chọn sai tham số có thể dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định, đáp ứng chậm hoặc dao động quá mức. Ngoài ra, các yếu tố như mô hình động cơ không chính xác, nhiễu và trễ thời gian cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1: PWM Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ. Điện áp trung bình: Ton Vdk  Vin T Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau: Udk t Ia t Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ.4 Khảo sát hàm truyền: 1.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.4 ) ta được: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.12 tính được: Td ( p)  TL ( p ) n( p )  (1.14) Ra ( a p  1) Trong đó:  a =La/Ra Hằng số thời gian của mạch phần ứng  m =J/B Hằng số thời gian cơ. Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Ia(p) TL(p) Ua(p) Td(p) 1 n(p) 1 kt  Ra ( a p  1) 2B( m p  1) Eg(p ) kv  Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC Khi momen tải không đổi, ta có: 1 n( p )  U a ( p ) 2BRa ( a p  1)( m p  1)  K v  Kt  Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ. Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian. Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Điều Khiển PID

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển PID, bao gồm: độ chính xác của mô hình động cơ, sự thay đổi tải trọng, nhiễu điện từ và trễ thời gian trong hệ thống. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để thiết kế một bộ điều khiển PID mạnh mẽ và đáng tin cậy.

2.2. Vấn Đề Về Tuning Tham Số PID và Cách Giải Quyết

Việc tuning (điều chỉnh) các tham số PID (Kp, Ki, Kd) là một thách thức lớn. Có nhiều phương pháp tuning khác nhau, bao gồm phương pháp thử và sai, phương pháp Ziegler-Nichols và các phương pháp tối ưu hóa tự động. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống.

2.3. Sai Số và Độ Ổn Định Trong Hệ Thống Điều Khiển PID

Sai số và độ ổn định là hai yếu tố quan trọng cần xem xét khi thiết kế hệ thống điều khiển PID. Sai số là sự khác biệt giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế của động cơ. Độ ổn định đảm bảo rằng hệ thống không dao động hoặc trở nên không kiểm soát được. Việc cân bằng giữa sai số và độ ổn định là một nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế.

III. Phương Pháp Điều Chỉnh Thông Số PID Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là một trong những phương pháp phổ biến để điều chỉnh các tham số PID. Phương pháp này dựa trên việc xác định các đặc tính dao động của hệ thống khi chỉ sử dụng khâu tỉ lệ (P). Bằng cách tăng dần hệ số Kp cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động ổn định, ta có thể xác định được giá trị Kgh (hệ số khuếch đại giới hạn) và Tgh (chu kỳ dao động giới hạn). Sau đó, các tham số Ki và Kd có thể được tính toán dựa trên Kgh và Tgh theo các công thức được đề xuất bởi Ziegler và Nichols. Tuy phương pháp này không hoàn toàn chính xác, đặc biệt đối với các hệ thống phức tạp, nhưng nó cung cấp một điểm khởi đầu tốt để điều chỉnh các tham số PID. k 150 / 24 37.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 1.1 Thuật toán PID: de( ) G  K p  K i  e( )d  K d d Trong đó: - Kp: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) - Ki: Hệ số tích phân - Kd: hệ số vi phân Luật điều khiển PID: Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng. Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm. Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số Kp, Ki, Kd để được hệ thống có chất lượng mong muốn. Thuật toán của bộ điều khiển PID số: Khâu tỉ lệ P (Proportional): GP(z) = KP Khâu tích phân I (Integrate): kT k 1 GI ( z )  K I T với  e(t )dt   Te(nT ) 1  z 1 0 n 0 Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc. Công thức tích phân gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới. Khâu vi phân D (Derivative): LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -9- z 1 GD ( z )  K D  K d (1  z 1 ) với thành phần vi phân xấp xỉ bởi: Tz de(t ) e(nT )  e((n  1)T )  dt T Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: U dk ( z ) 1 G  K p  Ki 1  K d (1  z 1 ) E ( z) 1 z Udk(z)(1-z-1) = E(z)(Kp(1-z-1) + Ki + Kd(1-z-1)2 Suy ra: uk – uk-1 = Kp(ek – ek-1) + Kiek + Kd(ek – 2ek-1 – ek-2) 1.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Ở đây ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt. Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ Kgh và chu kì giới hạn của hệ kín Tgh. Sau đó tìm các thông số khác theo bảng sau: Để tìm được Kgh và Tgh, ban đầu ta chỉnh Ki, Kd bằng 0 sau đó tăng từ từ Kp để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được Kgh và Tgh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên. Ki = Kp/Ti Kd = KxTd Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, trong đồ án này chúng tôi đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển.

3.1. Ưu Điểm và Hạn Chế Của Phương Pháp Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols có ưu điểm là đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế. Phương pháp này dựa trên mô hình tuyến tính của hệ thống, và có thể không hoạt động tốt đối với các hệ thống phi tuyến hoặc có trễ thời gian lớn. Ngoài ra, phương pháp này có thể dẫn đến hệ thống có độ vọt lố cao, cần điều chỉnh thêm để đạt được hiệu suất mong muốn.

3.2. Các Bước Thực Hiện Phương Pháp Ziegler Nichols

Để thực hiện phương pháp Ziegler-Nichols, cần thực hiện các bước sau: 1. Đặt Ki và Kd bằng 0. 2. Tăng dần Kp cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động ổn định. 3. Xác định Kgh và Tgh. 4. Tính toán Ki và Kd dựa trên Kgh và Tgh theo các công thức được đề xuất bởi Ziegler và Nichols. 5. Điều chỉnh thêm các tham số PID để đạt được hiệu suất mong muốn.

3.3. Áp Dụng Phương Pháp Ziegler Nichols trong Phần Mềm

Để thuận tiện cho việc điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, có thể xây dựng một chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển. Chương trình này cho phép điều chỉnh các tham số PID, hiển thị tốc độ hiện tại và tốc độ cài đặt, và vẽ đồ thị đáp ứng của động cơ.

IV. Thiết Kế và Thi Công Phần Cứng PSoC và MOSFET

Việc lựa chọn phần cứng phù hợp là yếu tố quan trọng để xây dựng một hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC hiệu quả. Trong đồ án này, chip PSoC (Programmable System-on-Chip) của hãng CYPRESS được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm, đảm nhiệm vai trò tính toán, xuất xung điều khiển cho động cơ, điều khiển đảo chiều, hiển thị LCD và giao tiếp với máy tính. PSoC tích hợp vi điều khiển, các thành phần tương tự và số, giúp giảm thời gian thiết kế và chi phí. Bên cạnh đó, MOSFET được sử dụng để điều khiển công suất cho động cơ, đảm bảo khả năng chuyển mạch nhanh và hiệu quả. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 10 - Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG CYPRESS 2. Giới thiệu: Trong chương này sẽ giới thiệu chi tiết chip PSoC của hãng CYPRESS gồm các nội dung như sau:  Trình bày kiến trúc bên trong chip PSoC: Tổng quan về tài nguyên chip, chi tiết kiến trúc bên trong của một chip PSoC.  Giới thiệu phần mềm thết kế PSoC Designer dành cho chip PSoC của hãng CYPRESS, phương pháp lập trình phần cứng (Device Editor) và lập trình ứng dụng (Application Editor). Đồng thời giới thiệu tất cả các module (embedded cores) trong thư viện API mà hãng này hỗ trợ. Giới thiệu IC khả trình PSoC của hãng CYPRESS 2.1 Khái niệm PSoC PSoC hay PSoC Mixed-Signal Arrays là từ viết tắt của Programmable system-on-chips. PSoC là chip mà có thể tích hợp cả vi điều khiển các thành phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ thống. Một chip đơn PSoC có thể tích hợp lên đến 100 chức năng ngoại vi với 1 vi điều khiển, làm giảm thời gian thiết kế, không gian board, năng lượng tiêu hao và giảm 5% giá thành sản phẩm ít nhất 10$ cho mỗi hệ thống.2 Tổng quan về tài nguyên chip PSoC PSoC khác với các vi điều khiển 8 bit thông thường là có các khối số và các khối tương tự có thể lập trình được cho phép thực hiện nhiều giao tiếp ngoại vi. Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ có thể được cấu hình cho các ứng dụng khác nhau. Khối tương tự được sử dụng cho các công cụ Analog như bộ lọc, bộ so sánh tín hiệu tương tự, các bộ khuyếch đại đảo, không đảo như AD, DA. Có một số họ PSoC khác nhau mà ta có thể lựa chọn xây dựng cho phù hợp với yêu cầu dự án. Điểm khác nhau giữa cá họ PSoC là số lượng các khối LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 11 - khả trình cho phép nhúng vào chip và số chân I/O. Mỗi chip PSoC có từ 4-16 khối số và 3-12 khối tương tự khả trình phụ thuộc vào các họ khác nhau. Cần mức tích hợp cao hơn và ít thành phần hơn (lower BOM) Microcontroller Cần khả năng thích nghi và linh hoạt hơn PSoC Cần sự tích hợp Standard cao và linh hoạt ASIC Product hơn PSoC đáp ứng tất cả các yêu cầu trên Hình 2.1 Vị trí của PSoC Một số điểm nổi bật của PSoC là:  Khối MAC, bộ nhân 8x8 hardware 32 bit.  Điện áp hoạt động có thể thay đổi 3.3V hoặc 5V  Khả năng hoạt động với điện áp cung cấp thấp hơn yêu cầu 1V  Có thể lựa chọn tần số hoạt động cho chip LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 12 - Hình 2.2 Tổng quan kiến trúc PSoC Những tài nguyên hỗ trợ người dùng xây dựng kiến trúc PSoC:  32 KBytes ROM (FLASH) cho việc lập trình với 50000 lần xóa ghi.  Hỗ trợ lên đến 2KByte SRAM, bộ nhớ động EEPROM  Bộ chuyển đổi AD với độ phân giải tối đa lên đến 14 bits  Bộ chuyển đổi DA với độ phân giải tối đa 9bits  Bộ khuếch đại điện áp khả trình  Bộ lọc và so sánh tín hiệu tương tự khả trình  Timer và Counter 8, 16 ,24hoặc 32 bits.  Chuỗi giả và bộ phát mã CRC.

4.1. Lựa Chọn và Cấu Hình Chip PSoC CY29566

Chip PSoC CY29566 được lựa chọn vì khả năng tích hợp nhiều chức năng, giúp đơn giản hóa thiết kế và giảm chi phí. PSoC được cấu hình để thực hiện các nhiệm vụ sau: tính toán PID, xuất xung PWM, điều khiển đảo chiều động cơ, giao tiếp LCD và giao tiếp với máy tính thông qua giao thức RS232.

4.2. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Công Suất Sử Dụng MOSFET

Mạch điều khiển công suất sử dụng MOSFET để điều khiển dòng điện cung cấp cho động cơ. MOSFET được chọn vì khả năng chuyển mạch nhanh và hiệu suất cao. Mạch điều khiển bao gồm mạch driver để kích MOSFET hoạt động theo tín hiệu PWM từ PSoC, và mạch bảo vệ để đảm bảo an toàn cho MOSFET.

4.3. Thiết Kế Giao Diện LCD và Giao Tiếp Máy Tính RS232

Giao diện LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị các thông số quan trọng như tốc độ hiện tại, tốc độ cài đặt và các tham số PID. Giao tiếp RS232 được sử dụng để giao tiếp với máy tính, cho phép điều khiển tốc độ động cơ và thay đổi các tham số PID từ máy tính.

V. Giải Thuật Phần Mềm và Điều Khiển PID Số trên PSoC

Phần mềm điều khiển PID được triển khai trên chip PSoC, thực hiện các tính toán và điều khiển dựa trên thuật toán PID số. Thuật toán này bao gồm các khâu tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), mỗi khâu có một tham số điều chỉnh (Kp, Ki, Kd). Các tham số này được điều chỉnh để đạt được hiệu suất điều khiển mong muốn, đảm bảo tốc độ động cơ ổn định và chính xác. Để Q6 dẫn bão hòa dòng ibQ6 > icQ6/βmin = 6.1mA Chọn ibQ6 = 0.2mA R15 có tác dụng giảm thời gian tắt của BJT. Chọn dòng qua R15 khoảng 0.7mA  R15 = Vbe/Ir15 = 0.3 Tính toán các tham số của bộ điều khiển PID số: Tăng dần Kp, tại biên giới ổn định ta có được đồ thị vận tốc

5.1. Cấu Hình Phần Mềm PSoC để Điều Khiển Động Cơ DC

Phần mềm PSoC được cấu hình để đọc tín hiệu từ encoder, tính toán tốc độ động cơ, thực hiện thuật toán PID, xuất xung PWM để điều khiển MOSFET, và giao tiếp với LCD và máy tính. Các ngắt được sử dụng để đảm bảo thời gian thực cho các nhiệm vụ điều khiển.

5.2. Triển Khai Thuật Toán PID Số Trong Phần Mềm PSoC

Thuật toán PID số được triển khai trong phần mềm PSoC bằng ngôn ngữ C. Các khâu P, I, D được tính toán dựa trên công thức rời rạc. Các tham số Kp, Ki, Kd được lưu trữ trong bộ nhớ và có thể được thay đổi từ máy tính thông qua giao tiếp RS232.

5.3. Giao Tiếp Phần Mềm và Phần Cứng trong Đồ Án

Phần mềm và phần cứng giao tiếp với nhau thông qua các chân I/O của PSoC. Tín hiệu từ encoder được đọc vào PSoC, xung PWM được xuất ra từ PSoC để điều khiển MOSFET, và dữ liệu được truyền và nhận thông qua giao tiếp RS232.

VI. Kết Quả và Đánh Giá Hiệu Suất Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC

Sau khi thiết kế và triển khai hệ thống, kết quả điều khiển tốc độ động cơ DC được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác, độ ổn định và thời gian đáp ứng. Các thử nghiệm được thực hiện với các tải trọng khác nhau để đánh giá khả năng của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Kết quả cho thấy hệ thống điều khiển PID có khả năng duy trì tốc độ động cơ ổn định và chính xác, đồng thời đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi tải trọng. (Trục hoành tính theo đơn vị là 0.05s do chu kì lấy mẫu là 50ms) Khi vận tốc động cơ ở biên giới ổn định này, ta có được Kgh = 12.04375 => KD = KxTd Ki (của bộ PID số) = KIxT = 42.475 Đáp ứng vận tốc của động cơ lúc này:

6.1. Đánh Giá Độ Chính Xác và Độ Ổn Định Của Hệ Thống

Độ chính xác của hệ thống được đánh giá bằng cách đo sai số giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế. Độ ổn định được đánh giá bằng cách quan sát đáp ứng của hệ thống khi có thay đổi tải trọng hoặc nhiễu. Hệ thống được đánh giá là ổn định nếu không có dao động hoặc dao động được kiểm soát.

6.2. Đánh Giá Thời Gian Đáp Ứng và Khả Năng Chống Nhiễu

Thời gian đáp ứng được đánh giá bằng cách đo thời gian cần thiết để hệ thống đạt được tốc độ mong muốn sau khi có thay đổi tốc độ cài đặt. Khả năng chống nhiễu được đánh giá bằng cách quan sát đáp ứng của hệ thống khi có nhiễu điện từ hoặc nhiễu cơ học.

6.3. So Sánh Với Các Phương Pháp Điều Khiển Khác

Hiệu suất của hệ thống điều khiển PID được so sánh với các phương pháp điều khiển khác, như điều khiển ON-OFF hoặc điều khiển PI. So sánh này giúp đánh giá ưu và nhược điểm của phương pháp PID so với các phương pháp khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt.

- Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng: Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này.2 Mô hình hóa động cơ DC: Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -4- Ia Ra La Ua 1 + A Eg - 2 dia u a  R a i a  La e g (1.2) Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ. Momen điện từ: Td = Kt Φia (1.3) Phương trình của động cơ: d Td  J  B  TL (1.4) dt B: hệ số ma sát T: monen tải.

Ở chế độ xác lập: u a  Ra ia e g (1.5) Td  2nB  TL  K t ia (1.6) Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập: U a  I a Ra n (1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -5- thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1: PWM Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ. Điện áp trung bình: Ton Vdk  Vin T Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau: Udk t Ia t Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ.4 Khảo sát hàm truyền: 1.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.4 ) ta được: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.12 tính được: Td ( p)  TL ( p ) n( p )  (1.14) Ra ( a p  1) Trong đó:  a =La/Ra Hằng số thời gian của mạch phần ứng  m =J/B Hằng số thời gian cơ. Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Ia(p) TL(p) Ua(p) Td(p) 1 n(p) 1 kt  Ra ( a p  1) 2B( m p  1) Eg(p ) kv  Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC Khi momen tải không đổi, ta có: 1 n( p )  U a ( p ) 2BRa ( a p  1)( m p  1)  K v  Kt  Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ.

Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian. Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -7- k G Tp  1 Đáp ứng xung của động cơ: kU n(p)= (Tp  1) p Biến đổi Laplace ngược ta được: n=kU(1-e-t/T) Khi t = T, n = kU(1-e-1)=0.63nmax Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63nmax sau đó tìm được T Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được các thông số kU và T kU = 150 vòng/s T = 30ms=0.03s Vậy hàm truyền gần đúng: k 150 / 24 37.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 1.1 Thuật toán PID: de( ) G  K p  K i  e( )d  K d d Trong đó: - Kp: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -8- - Ki: Hệ số tích phân - Kd: hệ số vi phân Luật điều khiển PID: Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng. Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm.

Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số Kp, Ki, Kd để được hệ thống có chất lượng mong muốn. Thuật toán của bộ điều khiển PID số: Khâu tỉ lệ P (Proportional): GP(z) = KP Khâu tích phân I (Integrate): kT k 1 GI ( z )  K I T với  e(t )dt   Te(nT ) 1  z 1 0 n 0 Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc. Công thức tích phân gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới.

Khâu vi phân D (Derivative): LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang -9- z 1 GD ( z )  K D  K d (1  z 1 ) với thành phần vi phân xấp xỉ bởi: Tz de(t ) e(nT )  e((n  1)T )  dt T Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: U dk ( z ) 1 G  K p  Ki 1  K d (1  z 1 ) E ( z) 1 z Udk(z)(1-z-1) = E(z)(Kp(1-z-1) + Ki + Kd(1-z-1)2 Suy ra: uk – uk-1 = Kp(ek – ek-1) + Kiek + Kd(ek – 2ek-1 – ek-2) 1.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Ở đây ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt. Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ Kgh và chu kì giới hạn của hệ kín Tgh.

Sau đó tìm các thông số khác theo bảng sau: Để tìm được Kgh và Tgh, ban đầu ta chỉnh Ki, Kd bằng 0 sau đó tăng từ từ Kp để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được Kgh và Tgh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên. Ki = Kp/Ti Kd = KxTd Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, trong đồ án này chúng tôi đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 10 - Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG CYPRESS 2. Giới thiệu: Trong chương này sẽ giới thiệu chi tiết chip PSoC của hãng CYPRESS gồm các nội dung như sau:  Trình bày kiến trúc bên trong chip PSoC: Tổng quan về tài nguyên chip, chi tiết kiến trúc bên trong của một chip PSoC.

 Giới thiệu phần mềm thết kế PSoC Designer dành cho chip PSoC của hãng CYPRESS, phương pháp lập trình phần cứng (Device Editor) và lập trình ứng dụng (Application Editor). Đồng thời giới thiệu tất cả các module (embedded cores) trong thư viện API mà hãng này hỗ trợ. Giới thiệu IC khả trình PSoC của hãng CYPRESS 2.1 Khái niệm PSoC PSoC hay PSoC Mixed-Signal Arrays là từ viết tắt của Programmable system-on-chips. PSoC là chip mà có thể tích hợp cả vi điều khiển các thành phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ thống.

Một chip đơn PSoC có thể tích hợp lên đến 100 chức năng ngoại vi với 1 vi điều khiển, làm giảm thời gian thiết kế, không gian board, năng lượng tiêu hao và giảm 5% giá thành sản phẩm ít nhất 10$ cho mỗi hệ thống.2 Tổng quan về tài nguyên chip PSoC PSoC khác với các vi điều khiển 8 bit thông thường là có các khối số và các khối tương tự có thể lập trình được cho phép thực hiện nhiều giao tiếp ngoại vi. Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ có thể được cấu hình cho các ứng dụng khác nhau. Khối tương tự được sử dụng cho các công cụ Analog như bộ lọc, bộ so sánh tín hiệu tương tự, các bộ khuyếch đại đảo, không đảo như AD, DA. Có một số họ PSoC khác nhau mà ta có thể lựa chọn xây dựng cho phù hợp với yêu cầu dự án.

Điểm khác nhau giữa cá họ PSoC là số lượng các khối LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 11 - khả trình cho phép nhúng vào chip và số chân I/O. Mỗi chip PSoC có từ 4-16 khối số và 3-12 khối tương tự khả trình phụ thuộc vào các họ khác nhau. Cần mức tích hợp cao hơn và ít thành phần hơn (lower BOM) Microcontroller Cần khả năng thích nghi và linh hoạt hơn PSoC Cần sự tích hợp Standard cao và linh hoạt ASIC Product hơn PSoC đáp ứng tất cả các yêu cầu trên Hình 2.1 Vị trí của PSoC Một số điểm nổi bật của PSoC là:  Khối MAC, bộ nhân 8x8 hardware 32 bit.  Điện áp hoạt động có thể thay đổi 3.3V hoặc 5V  Khả năng hoạt động với điện áp cung cấp thấp hơn yêu cầu 1V  Có thể lựa chọn tần số hoạt động cho chip LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang - 12 - Hình 2.2 Tổng quan kiến trúc PSoC Những tài nguyên hỗ trợ người dùng xây dựng kiến trúc PSoC:  32 KBytes ROM (FLASH) cho việc lập trình với 50000 lần xóa ghi.