Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho vị trí động cơ điện một chiều tại HCMUTE

Hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID cho vị trí động cơ điện một chiều, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển.

• Tác giả: Trần Thụy Uyên Phương
• Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Trần Thụy Uyên Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Động Cơ Điện Một Chiều Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• A. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• B. TÍNH CẤP THIẾT
• C. MỤC TIÊU
• D. CÁCH TIẾP CẬN
• E. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• F. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• G. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID liên tục
• 1.2. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 2.1. Mô tả toán học động cơ điện DC
• 2.2. Xây dựng chương trình Matlab mô phỏng động cơ điện
• 2.3. Chương trình mô phỏng đáp ứng động cơ điện, ngõ ra là vị trí
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC
• 3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển

Tóm tắt

I. Thiết kế bộ điều khiển PID

Phần này tập trung vào thiết kế bộ điều khiển PID, một khía cạnh cốt lõi của đề tài. Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều DC đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về lý thuyết điều khiển tự động. Tài liệu trình bày chi tiết về việc lựa chọn thuật toán PID, điều chỉnh tham số PID, và mô phỏng trên phần mềm MATLAB PID và Simulink PID. Việc tối ưu hóa tham số PID được thực hiện thông qua mô phỏng điều khiển vòng kín, nhằm đảm bảo điều khiển tốc độ động cơ chính xác và ổn định. Các phương pháp được sử dụng bao gồm việc khảo sát đáp ứng của hệ thống với các tín hiệu vào khác nhau, từ đó xác định các giá trị Kp, Ki, Kd tối ưu. Đặc biệt, tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng MATLAB để mô phỏng điều khiển PID trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển động cơ điện một chiều DC, giúp đạt được độ chính xác cao và giảm thiểu thời gian đáp ứng.

1.1 Mô hình toán học và Mô phỏng

Đề tài sử dụng mô hình toán học của động cơ điện một chiều DC làm cơ sở để thiết kế bộ điều khiển PID. Mô hình này được xây dựng dựa trên các phương trình cơ bản mô tả mối quan hệ giữa điện áp vào, dòng điện, mômen và tốc độ của động cơ. Việc sử dụng MATLAB cho phép mô phỏng đáp ứng của động cơ điện một chiều DC với bộ điều khiển PID trong điều kiện khác nhau. Qua mô phỏng, tham số PID được tinh chỉnh để tối ưu hiệu suất hệ thống, đảm bảo đáp ứng nhanh, chính xác và ổn định. Phân tích hệ thống điều khiển được thực hiện dựa trên kết quả mô phỏng. Việc sử dụng phần mềm MATLAB cho phép phân tích đáp ứng tần số và đáp ứng bước của hệ thống, từ đó đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID. Mô hình động cơ điện một chiều DC được xây dựng một cách chi tiết, bao gồm cả các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ như ma sát, quán tính và momen tải. Mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa đáp ứng của hệ thống hở và hệ thống kín, chứng tỏ vai trò quan trọng của bộ điều khiển PID trong việc cải thiện hiệu suất điều khiển.

1.2 Tối ưu hóa tham số PID và điều khiển vòng kín

Tối ưu hóa tham số PID là một bước quan trọng trong thiết kế bộ điều khiển PID. Tài liệu đề cập đến việc sử dụng các phương pháp như phương pháp Ziegler-Nichols để xác định ban đầu tham số PID. Sau đó, tham số PID được tinh chỉnh dựa trên kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Mục tiêu là đạt được đáp ứng mong muốn, bao gồm giảm thời gian đáp ứng, giảm độ vọt lố và loại bỏ hiện tượng dao động. Điều khiển vòng kín được sử dụng để đảm bảo độ chính xác cao của hệ thống. Thông tin hồi tiếp từ cảm biến được sử dụng để tính toán sai lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn. Bộ điều khiển PID sau đó tính toán và điều chỉnh tín hiệu điều khiển để giảm thiểu sai lệch này. Quá trình tối ưu hóa liên tục được thực hiện để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Điều khiển vòng kín được mô phỏng trong MATLAB để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID và tối ưu hóa tham số PID trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Phân tích ổn định của hệ thống đóng kín cũng được thực hiện để đảm bảo hệ thống không bị mất ổn định.

II. Điều khiển động cơ điện một chiều

Phần này tập trung vào ứng dụng của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển động cơ điện một chiều DC. Điều khiển động cơ điện một chiều DC là một ứng dụng phổ biến của bộ điều khiển PID. Tài liệu trình bày chi tiết về quá trình điều khiển tốc độ và điều khiển vị trí của động cơ điện một chiều DC sử dụng bộ điều khiển PID. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình điều khiển như momen quán tính, ma sát và momen tải được xem xét. Tài liệu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn động cơ điện một chiều DC phù hợp với ứng dụng cụ thể. Điều khiển vị trí yêu cầu độ chính xác cao hơn điều khiển tốc độ. Do đó, việc tối ưu hóa tham số PID cho điều khiển vị trí đòi hỏi sự cẩn trọng hơn.

2.1 Điều khiển tốc độ động cơ

Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều DC bằng bộ điều khiển PID là một ứng dụng quan trọng trong nhiều hệ thống tự động. Tài liệu mô tả cách sử dụng bộ điều khiển PID để duy trì tốc độ động cơ ở giá trị mong muốn bất chấp sự thay đổi của tải. Thuật toán PID được sử dụng để tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên sai lệch giữa tốc độ thực tế và tốc độ đặt. Việc điều chỉnh tham số PID là rất quan trọng để đảm bảo điều khiển tốc độ chính xác và ổn định. Phân tích ổn định của hệ thống được thực hiện để đảm bảo hệ thống không bị mất ổn định. Mô phỏng điều khiển tốc độ trong MATLAB cho phép đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID và tối ưu hóa các tham số PID trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng của bộ điều khiển PID trong việc duy trì tốc độ động cơ ổn định và chính xác.

2.2 Điều khiển vị trí động cơ

Điều khiển vị trí động cơ điện một chiều DC là một ứng dụng phức tạp hơn so với điều khiển tốc độ. Tài liệu mô tả cách sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ đến một vị trí mong muốn. Điều khiển vị trí yêu cầu sự chính xác cao và khả năng loại bỏ sai số xác lập. Bộ điều khiển PID được sử dụng để tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên sai lệch giữa vị trí thực tế và vị trí đặt. Việc tối ưu hóa tham số PID là rất quan trọng để đảm bảo điều khiển vị trí chính xác và ổn định. Mô phỏng điều khiển vị trí trong MATLAB cho phép đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID và tối ưu hóa các tham số PID trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển động cơ đến vị trí mong muốn với độ chính xác cao và giảm thiểu thời gian đáp ứng.

III. Ứng dụng thực tế và kết luận

Phần này tóm tắt những kết quả đạt được và đánh giá giá trị thực tiễn của đề tài. Ứng dụng thực tế của bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều DC rất rộng rãi. Đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều DC với các tham số PID được tối ưu hóa. Việc sử dụng MATLAB và Simulink đã góp phần đáng kể vào quá trình thiết kế và phân tích. Kết luận khẳng định thành công của đề tài trong việc thiết kế và thử nghiệm bộ điều khiển PID. Đề tài góp phần vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực tự động hóa tại HCMUTE. Công trình nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa.

3.1 Kết quả và phân tích

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển PID được thiết kế hoạt động hiệu quả trong việc điều khiển động cơ điện một chiều DC. Mô phỏng trên MATLAB và thử nghiệm thực tế đều cho thấy độ chính xác cao và đáp ứng nhanh. Phân tích dữ liệu mô phỏng cho phép đánh giá hiệu quả của các tham số PID đã được tối ưu hóa. Việc so sánh giữa đáp ứng của hệ thống với và không có bộ điều khiển PID cho thấy sự vượt trội của bộ điều khiển PID trong việc cải thiện hiệu suất điều khiển. Các số liệu đo đạc từ hệ thống thực tế khớp với kết quả mô phỏng, chứng tỏ độ chính xác của mô hình và phương pháp thiết kế.

3.2 Ứng dụng và triển vọng

Bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều DC có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ robot công nghiệp đến hệ thống điều khiển máy móc tự động. Kết quả của đề tài có thể được áp dụng để thiết kế các hệ thống điều khiển tự động hiệu quả hơn. Việc sử dụng vi điều khiển như Arduino PID hoặc ESP32 PID cũng mở ra khả năng tích hợp hệ thống vào các thiết bị nhúng. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh như điều khiển mờ để nâng cao hiệu suất hệ thống. Ngoài ra, có thể nghiên cứu về việc áp dụng vào các loại động cơ khác và hệ thống phức tạp hơn. Nghiên cứu này đóng góp cho sự phát triển của nghiên cứu khoa học HCMUTE và các luận văn tốt nghiệp HCMUTE, dự án tốt nghiệp HCMUTE trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực robot, động cơ điện một chiều (DC Motor) đóng vai trò quan trọng như bộ phận truyền động cho các cơ cấu chấp hành, giúp robot thực hiện các chức năng vận động chính xác và nhanh chóng. Việc điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của động cơ DC là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất hoạt động của robot. Theo báo cáo của ngành, các bộ điều khiển như PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi hoặc sự kết hợp của chúng được ứng dụng phổ biến trong điều khiển động cơ DC. Tuy nhiên, các bộ điều khiển chuyên dụng hiện nay thường có giá thành cao, kích thước lớn và thời gian cung ứng kéo dài, gây khó khăn trong thiết kế và ứng dụng thực tế.

Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID vị trí cho động cơ điện một chiều, sử dụng IC chuyên dụng LM629 của National Semiconductor, kết hợp với vi điều khiển ATmega32 và giao thức truyền thông RS485 để kết nối nhiều driver trong hệ thống robot. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ DC công suất 60W, encoder 240 xung/vòng, với thời gian thực hiện từ năm 2014 đến 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các bộ điều khiển nhỏ gọn, chi phí thấp, linh hoạt và dễ dàng tích hợp trong các ứng dụng robot hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative), một bộ điều khiển vòng kín phổ biến trong công nghiệp. Bộ PID gồm ba thành phần chính:

• P (Proportional): Tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo được, giúp tăng tốc độ đáp ứng nhưng có thể gây dao động nếu quá lớn.
• I (Integral): Tích phân sai lệch theo thời gian, giúp triệt tiêu sai số xác lập, tuy nhiên có thể làm hệ thống chậm và dao động nếu không điều chỉnh hợp lý.
• D (Derivative): Đạo hàm sai lệch theo thời gian, giúp giảm dao động và độ vọt lố, cải thiện đáp ứng quá độ.

Bộ điều khiển PID được rời rạc hóa để phù hợp với vi điều khiển, sử dụng các thuật toán tính toán sai số và tín hiệu điều khiển theo từng khoảng thời gian lấy mẫu. Ngoài ra, mô hình toán học động cơ DC một chiều kích từ độc lập được xây dựng dựa trên các phương trình mạch điện phần ứng, mômen điện từ và cân bằng mômen trên trục động cơ. Hàm truyền của động cơ được xác định để mô phỏng đáp ứng vận tốc và vị trí trên phần mềm Matlab.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm thông số kỹ thuật động cơ DC Hitachi 60W, IC điều khiển PID LM629, vi điều khiển ATmega32 và các linh kiện điện tử chế tạo board mạch. Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Khảo sát và phân tích các driver điều khiển motor chuyên dụng của các hãng nổi tiếng như Maxon, Devantech để kế thừa tính ổn định và dễ sử dụng.
• Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng đáp ứng động cơ trên Matlab, xác định các hệ số PID tối ưu bằng phương pháp Ziegler-Nichols.
• Thiết kế mạch điện tử với IC LM629 và vi điều khiển ATmega32, xây dựng tập lệnh giao tiếp bằng ngôn ngữ C.
• Thi công board driver công suất sử dụng cầu H với MOSFET dòng cao, đảm bảo điều khiển động cơ 60W.
• Xây dựng giao thức truyền thông RS485 để kết nối nhiều driver trong hệ thống robot.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ khảo sát đến hoàn thiện phần cứng và phần mềm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công board driver PID cho động cơ DC: Board driver tích hợp IC LM629 và vi điều khiển ATmega32 với kích thước nhỏ gọn, sử dụng mạch in 2 lớp, linh kiện SMD, đáp ứng công suất 60W, dòng tối đa 2A. Hệ thống hoạt động ổn định với điện áp 24VDC.

2. Xây dựng tập lệnh giao tiếp hiệu quả: Tập lệnh C được phát triển để vi điều khiển giao tiếp với LM629, điều khiển các chế độ vận tốc và vị trí, xử lý tín hiệu encoder 240 xung/vòng. Tập lệnh hỗ trợ cập nhật tham số PID trong quá trình vận hành.

3. Mô phỏng và tinh chỉnh bộ PID trên Matlab: Qua mô phỏng, giá trị hệ số Kpcrit được xác định là khoảng 43.8, với Ki và Kd lần lượt là 2767.1 và 0.0624. Hệ thống đáp ứng tốt với tín hiệu tham chiếu dạng hằng số và biến thiên (sin), độ vọt lố đầu vào không đáng kể.

4. Xây dựng giao thức truyền thông RS485: Giao thức mạng RS485 cho phép kết nối nhiều driver với bộ điều khiển trung tâm, nâng cao tính linh hoạt và mở rộng hệ thống robot. Mạch điện và phần mềm giao tiếp được thiết kế và thử nghiệm thành công.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế board driver PID sử dụng IC LM629 cho thấy khả năng điều khiển vị trí và tốc độ động cơ DC một chiều đạt hiệu quả cao, ổn định và chính xác. So với các driver thương mại như Maxon LSC30/2 có giá 178 USD, giải pháp tự chế tạo có ưu điểm về chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn và thời gian cung ứng nhanh hơn nhiều (không phải chờ 4-6 tuần). Mô phỏng trên Matlab giúp xác định chính xác các hệ số PID, giảm thiểu sai số xác lập và độ vọt lố, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

Việc áp dụng giao thức RS485 giúp hệ thống có thể mở rộng dễ dàng, điều khiển đồng bộ nhiều động cơ trong robot phức tạp. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về điều khiển động cơ DC bằng PID số và tích hợp vi điều khiển, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong robot và tự động hóa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng vị trí và tốc độ động cơ, bảng thông số kỹ thuật board driver, cũng như sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giao tiếp mạng RS485 để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hoàn thiện giao diện phần mềm khảo sát và cài đặt thông số driver trên máy tính: Phát triển giao diện đồ họa thân thiện, giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh tham số PID và giám sát trạng thái động cơ trong thời gian thực. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm.

2. Thiết kế board công suất phù hợp cho các động cơ công suất lớn hơn: Nghiên cứu và chế tạo board công suất với MOSFET hoặc IGBT công suất cao, đáp ứng dòng tải lớn hơn 10A, phục vụ các ứng dụng robot công nghiệp. Thời gian thực hiện 9 tháng, do nhóm phần cứng điện tử.

3. Nâng cấp giao thức truyền thông RS485 thành chuẩn mạng công nghiệp: Tích hợp các chuẩn truyền thông như Modbus hoặc CANopen để tăng tính tương thích và bảo mật trong hệ thống điều khiển phân tán. Thời gian thực hiện 6 tháng, do nhóm phần mềm nhúng.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID cho các loại động cơ khác: Áp dụng và điều chỉnh bộ điều khiển cho động cơ bước, động cơ servo AC nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong robot và tự động hóa. Thời gian thực hiện 12 tháng, do nhóm nghiên cứu điều khiển tự động.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Học tập và tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID tích hợp vi điều khiển và IC chuyên dụng, áp dụng trong các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Kỹ sư phát triển sản phẩm robot và tự động hóa: Áp dụng giải pháp thiết kế driver điều khiển động cơ DC nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ tích hợp trong các hệ thống robot công nghiệp và dịch vụ.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tham khảo mô hình toán học, phương pháp mô phỏng và tinh chỉnh bộ PID, cũng như kỹ thuật giao tiếp mạng RS485 trong hệ thống điều khiển phân tán.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử và robot: Nghiên cứu phát triển sản phẩm bộ điều khiển động cơ chuyên dụng, nâng cao tính cạnh tranh về giá thành và hiệu suất, rút ngắn thời gian cung ứng thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PID là gì và tại sao được sử dụng phổ biến trong điều khiển động cơ DC?
   Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vòng kín gồm ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân, giúp điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế. Nó được sử dụng phổ biến vì khả năng điều khiển chính xác, ổn định và dễ dàng tinh chỉnh cho nhiều loại hệ thống động cơ.

2. IC LM629 có ưu điểm gì so với các giải pháp điều khiển PID khác?
   LM629 là vi xử lý chuyên dụng với khả năng tính toán 32 bit, hỗ trợ bộ lọc PID số, tạo biên dạng vận tốc hình thang, ngõ ra PWM 8 bit và giao tiếp encoder 3 pha. Nó giúp giảm tải cho vi điều khiển chủ, tăng độ chính xác và hiệu suất điều khiển.

3. Tại sao sử dụng giao thức RS485 trong hệ thống điều khiển nhiều động cơ?
   RS485 là chuẩn truyền thông đa điểm, cho phép kết nối nhiều thiết bị trên cùng một đường truyền với khoảng cách xa và chống nhiễu tốt. Điều này giúp hệ thống điều khiển phân tán linh hoạt, dễ mở rộng và ổn định trong môi trường công nghiệp.

4. Làm thế nào để xác định các hệ số PID tối ưu cho động cơ?
   Các hệ số PID được xác định qua mô phỏng trên Matlab bằng phương pháp Ziegler-Nichols, bắt đầu từ việc tăng dần Kp đến khi hệ thống dao động điều hòa, sau đó tính Ki và Kd dựa trên chu kỳ dao động tới hạn. Tiếp theo là tinh chỉnh thực nghiệm để đạt đáp ứng mong muốn.

5. Giải pháp thiết kế board driver tự chế có lợi ích gì so với mua sản phẩm thương mại?
   Board driver tự chế có ưu điểm về chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, dễ tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể và thời gian cung ứng nhanh hơn. Điều này phù hợp với các dự án nghiên cứu, phát triển sản phẩm thử nghiệm và ứng dụng trong robot nhỏ và vừa.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ điều khiển PID vị trí cho động cơ DC công suất 60W sử dụng IC LM629 và vi điều khiển ATmega32.
• Xây dựng tập lệnh giao tiếp bằng ngôn ngữ C, điều khiển chính xác vị trí và tốc độ động cơ với encoder 240 xung/vòng.
• Phát triển giao thức truyền thông RS485 kết nối nhiều driver, nâng cao tính linh hoạt và mở rộng hệ thống robot.
• Mô phỏng trên Matlab giúp xác định các hệ số PID tối ưu, đảm bảo đáp ứng nhanh, ổn định và sai số thấp.
• Đề xuất hoàn thiện giao diện phần mềm, mở rộng công suất board công suất và nâng cấp giao thức truyền thông cho các ứng dụng tương lai.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển phần mềm giao diện người dùng và mở rộng thiết kế board công suất cho động cơ công suất lớn hơn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực tự động hóa ứng dụng kết quả này để nâng cao hiệu quả điều khiển động cơ trong robot và hệ thống tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ điều khiển trong trường hợp này được lựa chọn là bộ PID.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 Luan van Trang 12 e: sai lệch (e = SP – PV) Sơ đồ khối của khâu P: Hàm truyền: G p (s) = K 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.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 Luan van 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 I 1 G(s) = = = E(s) s TI.s 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.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 Luan van 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.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 P e(t) + K I  e(t)dt + K D dt Sơ đồ khối: Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Luan van 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 Luan van 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.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 Luan van Trang 17 Với n là bước rời rạc tại t. Kết quả thu được: Với: Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Luan van 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 e dt 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] K e   e : sức điện động ngược ở phần ứng, [V]. Biến đổi Laplace hai vế phương trình, ta được: U(s)  LsI(s)  RI(s)  K e (s)  U(s)  K e (s)   Ls  R  I(s) Sơ đồ khối tương ứng : U(s) I(s) E(s) (s) Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Luan van Trang 19 b) Phương trình mômen điện từ : Với dòng kích từ ik không đổi thì từ thông khe khí   k 2 i k là không đổi và mômen điện từ M của động cơ tỉ lệ với dòng điện phần ứng: M = Km i Trong đó Km là hằng số mômen của động cơ , [Nm/A] K m  k1  k1k 2 i k , với k1 là hằng số phụ thuộc kết cấu động cơ, k2 là hằng số đặc trưng đoạn tuyến tính của từ thông thay đổi theo ik. Biến đổi Laplace hai vế ta được: M(s) = Km I(s) Sơ đồ khối tương ứng: I(s) M(s) c) Phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ : d MJ  B  M t dt Trong đó: J _mô men quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2] B_hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [Nm.s] Mt _mô men phụ tải (nhiễu), [Nm] Biến đổi Laplace hai vế ta được: M(s)  Js(s)  B(s)  M t (s) M(s)  M t (s)   Js  B  (s) Sơ đồ khối tương ứng : Mt(s) M(s) (s) Kết nối các sơ đồ khối thành phần ở trên ta có sơ đồ khối của động cơ : Mt(s) U(s) I(s) M(s) (s) E(s) (s) Thực hiện: Ths Trần Thụy Uyên Phương Luan van Trang 20  Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu ra vận tốc : Km (s) (Ls  R)(Js  B) Km G(s)    U(s) Km Ke (Ls  R)(Js  B)  K m K e 1 (Ls  R)(Js  B) (s) Km Hay: G(s)   2 U(s) LJs  (LB  RJ)s   K m K e  RB  L Đặt e  : hằng số thời gian điện. R J m  : hằng số thời gian cơ.

B  (s) Km K m / RB G(s)    U(s) RB(es  1)(ms  1)  K m K e  K K  e ms 2  (e  m )s  1  m e   RB  (s) K Hay: G(s)   2 U(s) T1s  T2 s  1 e m RB (    )RB Km trong đó: T1  ; T2  e m ; K K m K e  RB K m K e  RB K m K e  RB Điện cảm L của phần ứng rất nhỏ, thường có thể bỏ qua, khi đó ta có : Km (s) Km RB  K m K e K G(s)     U(s) RJs  RB  K m K e RJ s  1 Ts  1 RB  K m K e Km trong đó: K : hệ số khuếch đại RB  K m K e RJ T : hằng số thời gian RB  K m K e Nhận xét: - Tổng quát, động cơ DC điều khiển vận tốc được mô tả bằng hàm truyền bậc hai. Nếu bỏ qua điện cảm thì có thể mô tả bằng hàm truyền bậc nhất.