Dieu Khien Dong Co DC - Chuong Tong Hop-Huy

Lời cảm ơn

Lời cảm ơn Với sự giúp đỡ tận tận tình của các các thầy cô trong khoa Điện tự động hóa Trường Cao Đẳng Công Nghệ Đại học Đà Nẵng cùng với người thân, gia đình và bạn bè, chúng em đã hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định. Để đạt được thành công này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phó giáo sư-Tiến sĩ Đoàn Quang Vinh, người đã luôn theo dõi, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài, người đã đóng góp ý kiến và hướng dẫn em hoàn thành đồ án. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Điện tử động đã tận tình dạy dỗ chúng em trong những năm học vừa qua. Cuối cùng, chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn . Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.













Lời cam đoan Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Lời cam đoan Kính gởi: Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp khoa Điện tự động độ ng – Trường Cao Đẳng Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng. Em tên là: Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch Đang là sinh viên lớp 08LTĐ – Khoa Điện tự động – Trường Cao Đẳng Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng. Hiện nay chúng em làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ”. Chúng em xin cam đoan nội dung đồ án hoàn toàn không giống với bất kỳ đồ án hoặc công trình nào đã có trước đó. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trần Nguyễn Quốc Huy Phan Hoàng Anh Nguyễn Đức Ba Nguyễn Tấn Thạch















Mục lục

MỤC LỤC Chương 1: Động cơ điện một chiều................................................................1 1.1. Giới thiệu chương.................................................................... ........................................................................... ............ ..... 1 1.2. Nội dung du ng............................................................................... ....................................................................................... ............... ....... 1 1.2.1 Giới thiệu động cơ DC...................................................................1 1.2.2 Mô hình hóa động cơ DC...............................................................1 1.2.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:.......................................3 1.2.4 Khảo sát hàm truyền......................................................................4 1.2.4.1 Hàm truyền lý tưởng:.................................................... tưởng:........................................................... .........4 ..4 1.2.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm.................5 1.2.5 Phương pháp ổn định động cơ dùng thuật toán PID.......................6 1.2.5.1 Thuật toán PID.................................................................... PID.......................................................................6 ...6 1.2.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols:....7 1.3. Kết chương.................................................................... ........................................................................... .............. ............... ........ 8 Chương 2 : Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887............................................9 1.4. Giới thiệu chương.................................................................... ........................................................................... ............ ..... 9 1.5. Nội dung du ng............................................................................... ....................................................................................... ............... ....... 9 2.2.1 Một vài chi tiết chính của vi điều khiển PIC16F887......................9 2.2.2 Bộ dao động của PIC16F887.......................................................11 2.2.3 Các Port I/O.................................................................................12 2.2.4 Hoạt động của khối giao tiếp EUSART.......................................13 2.2.5 Cấu tạo và hoạt động của khối điều xung PWM..........................15















Mục lục 2.2.8 Cách nạp cho PIC16F887............................................................18 1.6. Kết chương................................................................. ........................................................................ .............. ............... .......... 20 Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng...................................................21 1.7. Mở chương.............................................................. ...................................................................... ............... .............. ........... .... 21 1.8. Nội dung du ng............................................................................ .................................................................................... ............... ......... 21 3.2.1 Sơ đồ khối phần cứng..................................................................21 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các khối mạch........................22 3.2.3 Tính toán các thông số của mạch.................................................24 3.2.3.1 Mạch đảo chiều động cơ.......................................................24 3.2.3.2 Tính toán cho FET................................................................25 3.2.3.3 Tính toán mạch lái cho FET..................................................27 3.3.4 Layout và thi công mạch..............................................................30 1.9. Kết chương................................................................. ........................................................................ .............. ............... .......... 31 Chương 4 : Thiết kế phần mềm....................................................................32 1.10. Mở chương........................................................... .................................................................. ............... ............... ............ ..... 32 1.11. Nội dung d ung.......................................................................... .................................................................................. ............... ......... 32 4.2.1 Phần mềm cho vi điều khiển PIC16F887.....................................32 4.2.1.1 Thuật toán chương trình chính..............................................32 4.2.1.2 Thuật toán chương trình xử lý phím......................................35 4.2.1.3 Thuật toán chương trình đo tốc độ động cơ..........................38 4.2.1.4 Thuật toán chương trình phục vụ ngắt nhận UART..............40 4.2.2 Phần mềm trên máy vi tính giao tiếp với mạch điều khiển..........42 ết luận















Mục lục 1.14. Hướng phát triển đề tài.............................................. ...................................................... ............... .............. ....... 47 ......................................................................................................................48















Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT PID

Proportional–Integral–Derivative

DC

Direct Current

PWM

Pulse Width Modulation

EEPR EEPROM OM

Elec Electr tric ical ally ly Era Erasab sable le Pro Progr gram amma mabl blee Read Read Only Only Memo Memory ry

ADC

Analog Digital Converter

USAR US ART T

Univ Univer ersa sall Syn Synch chro rono nous us Sy Sync nchr hron onou ouss Asy Async nchr hron onou ouss Rec Recei eive ver r Transmitter

MUX

Multiplexer

MCU

Microcontroller Unit

GPIO

General Purpose Input Ourput

EUSA EUSART RT

Enhan Enhance cedd Univ Univer ersal sal Sy Sync nchr hrono onous us Asyn Asynch chro rono nous us Rec Recei eive ver r Transmitter

LCD

Liquid Crystal Display

FET

Field-Effect Transistor

BJT

Bipolar Junction Transistor

MOSF MOSFET ET

Meta Metall Oxi Oxide de Sem Semic icond onduc ucto torr Fie Field ld-E -Eff ffec ectt Tra Transi nsist stor or

UART

Uni Universal sal Asynchronous Receiver Transmi smitter

















Mở đầu

Mở đầu Với sự phát triển rộng rãi của thiết bị điện, ngày nay, người người, nhà nhà hầu hết đã sử dụng các công nghệ hiện đại. Và khi mức sống của người dân được nâng cao thì việc quản lý các thiết bị điện trong nhà là hết sức cần thiết. Chính vì vậy việc điều khiển thiết bị và giám sát hoạt động của nó thông qua một quá trình tự động là việc làm mang nhiều n hiều lợi ích. Đề tài thực hiện việc điều khiển thông qua vi điều khiển PIC16F887A, chính vì vậy đề tài nghiên cứu sâu về việc ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. Trong giới hạn thời gian nghiên cứu cho phép, đề tài chỉ phát triển một hệ thống điều khiển đơn giản. Các thiết bị được giám sát và điều khiển tiêu tốn rất ít năng lượng sẽ mang lại lợi ích kinh tế và hiệu quả sử dụng cao. Nội dung của đồ án gồm: Chương 1: Động cơ điện 1 chiều Chương 2: Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F887A Chương 3:Thiết kế và thi công phần cứng Chương 4: Thiết kế phần mềm Phương pháp nghiên nghiên cứu của đồ án là tính toán thiết thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồ thuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của thiết kế và các lưu đồ thuật toán đã xây dựng. Với phương pháp trên, đồ án đã được đượ c thiết kế và thi công thành công. Vì thời gian chuẩn bị không nhiều cùng với kiến thức còn hạn hẹp, đồ án

















Chương 1: Động cơ điện một chiều

Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.1.

Giới th thiệu chương Chương này giới thiệu cơ bản về động cơ DC, các phương pháp điều khiển

tốc độ động cơ và phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID. 1.2.

Nội dung

1.2. 1.2.11 Gi Giới ới thi thiệu ệu độ động ng cơ cơ DC 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. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). 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 Động cơ kích kích từ từ độc lập lập:: Cuộn Cuộn dây kíc kíchh từ (cuộn (cuộn dây dây stat stato) o) và cuộn cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt. - Động cơ cơ kích kích từ nối nối tiếp: tiếp: Cuộn Cuộn dây dây kích kích từ mắc nối nối tiếp tiếp với với cuộn cuộn dây phần ứng. Đối với loại động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích

















Chương 1: Động cơ điện một chiều

I a R

L

a

a

U a 1

+

A

E g

2

ua

=

Ra ia

+

La

dia dt

e

+ g

e g = k v Φn

(1.1) (1.2)

Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ. Momen điện từ: (1.3)

T d d = K t t Φia

Phương trình của động cơ: T d = J

B: hệ số ma sát T: monen tải. Ở chế độ xác lập:

d ω dt

+ Bω + T L

(1.4)

















Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.2.3 1.2.3 Phương Phương phá phápp đi điều ều khiể khiển n tốc tốc độ độn độngg cơ: 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 thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM):

Hình 1.1 Điều chỉnh độ rộng xung 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: V dk =

T on T

V in

Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau:

















Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.2. 1.2.44 Kh Khảo ảo sát sát hàm hàm truy truyền ền 1.2.4.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được: U a(p) = Ra I I a(p)+pL a I I a(p)+E g (p) (p)

(1.9)

E g ( p )

(1.10)

= k v Φn ( p )

T d d(p) (p) = K t t ΦI a(p)

(1.11)

T d ( p ) = 2π pJn ( p ) + 2π Bn Bn ( p ) +T L ( p )

(1.12)

Từ 1.12 tính được: n ( p ) =

T d ( p ) − T L ( p ) 2π B ( pτ m + 1)

(1.13)

(1.14) Trong đó:

τ a

=La/R a Hằng số thời gian của mạch phần ứng

τ m

=J/B Hằng số thời gian cơ.

Vậy ta có mô hình hệ thống như sau:



















Chương 1: Động cơ điện một chiều 1.2.4.2 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 u ốn của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau. G=

k Tp +1

Đáp ứng xung của động cơ: n(p)=

kU (Tp +1) p

Biến đổi Laplace ngược ta được: n=kU(1-e-t/T) Khi t = T, n = kU(1-e -1)=0.63kU=0.63nmax Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63n max sau đó tìm được T. Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được kU và T.



















Chương 1: Động cơ điện một chiều Vậy hàm truyền gần đúng: G=

k Tp +1

=

150 / 24 37 .5 = 0.03 p +1 0.03 p +1

1.2.5 1.2.5 Phương Phương pháp pháp ổn địn định h động động cơ dùng dùng thuật thuật toán toán PID PID 1.2.5.1 Thuật toán PID

∫

G = K p + K i e(τ )d τ + K d

de (τ ) d τ

Trong đó: - K p: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) - K i: Hệ số tích phân - K d: hệ số vi phân



















Chương 1: Động cơ điện một chiều với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số K p p, K i, K d để được hệ thống có chất lượng mong muốn. 

Thuật toán của bộ điều khiển PID số:

Khâu tỉ lệ P (Proportional): G P (z) (z) = K P Khâu tích phân I (Integrate): G I ( z )

= K I T

kT

1 1

1 − z −

với ∫

e(t ) dt =

k

∑Te (nT ) n =0

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):

G D ( z ) = K D

z −1 Tz

= K d (1 − z −1 )

vi phân xấp xỉ bởi de (t ) dt

=

e( nT ) −e(( n −1)T ) T

Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: G

=

U dk ( z ) E ( z )

= K p + K i

1 −1

1 − z

+ K d (1 −

z 1 ) −

với thành phần



















Chương 1: Động cơ điện một chiều PID

0.6·Kgh 0.5·Tgh 0.125·Tgh Bảng 1.2 Các giá trị thông dụng của các hệ số K P, K I, K D. D.

Để tìm được K gh gh và T gh, ban đầu ta chỉnh K i, K d bằng 0 sau đó tăng từ từ K p p để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được K gh gh 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, đồ án này đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển. Phần này sẽ được giới thiệu trong chương 4. 1.3.

Kết chương Chương này đã giới thiệu cơ sở lý thuyết về động cơ, phương pháp điều

khiển động cơ và thuật toán điều khiển PID. Chươ Chương ng tới tới sẽ giới giới thiệ thiệuu vi điều điều kh khiể iểnn PIC1 PIC16F 6F88 887, 7, tron trongg đề tài tài này này PIC16F887 PIC16F887 được sử dụng làm khối điều khiển trung tâm, điều khiển động cơ dùng thuật toán PID và giao tiếp với máy tính theo chuẩn giao tiếp RS232 cho phép



















Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887

Chương 2 : Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 1.4.

Giới th thiệu chương Chương này giới thiệu cơ bản về vi điều khiển PIC16F887 của hãng

Microchip và hoạt động của nó bao gồm nội dung về cách cấu hình xung clock, hoạt động khối giao tiếp UART, khối PWM, ngắt ngoài trên chân RB, cấu tạo và hoạt động của các bộ timer, và cách nạp chương trình cho PIC16F887. 1.5.

Nội dung

2.2.1 2.2.1 Một vài vài chi chi tiết tiết chính chính của của vi điều điều khiển khiển PIC16 PIC16F887 F887 PIC16F887 là vi điều khiển 8-bit có kiến trúc Harvard của Microchip có những thông số kỹ thuật như sau: - Cloc Clockk hoạ hoạtt độn độngg tối tối đa 20 20MH MHz. z. - Chu Chu kỳ máy máy bằn bằngg bốn bốn lần lần chu chu kỳ kỳ xun xungg cloc clock. k. - Chip Chip có nhiều nhiều dạng dạng vỏ khác khác nhau, nhau, loại loại chip chip được được sử dụng tron trongg đề tài tài là loại 40 chân PDIP. - Đi Điện ện áp áp hoạt hoạt độ động ng rộn rộngg từ từ 2V đến đến 5.5V 5.5V.. - Bộ nhớ nhớ dữ liệu liệu và bộ nhớ nhớ chươ chương ng trìn trìnhh tách tách biệt biệt nhau, nhau, bus bus địa chỉ chỉ cũng cũng










































Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 2.2.2 2.2.2 Bộ da daoo độn độngg của của PIC1 PIC16F 6F887 887 Sơ đồ khối của bộ dao động được minh họa trong hình 2.2.





















Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 

Bộ dao động ngoại (được tích hợp bên trong PIC) cần được kết nối với các bộ lọc tại các chân OSC1, OSC2. Trong đề tài, tôi sử dụng thạch anh 12MHz và 2 tụ 33pF kết nối như hình 2.3. Bộ dao động ngoại được hoạt động ở chế độ HS. Tín hiệu dao động được qua bộ đệm Trigger theo sườn xuống và tạo thành xung clock HS 12MHz cung cấp cho clock hệ thống.






















Hình 2.4 Cấu tạo của chân GPIO 2.2.4 2.2.4 Hoạt Hoạt động động của khối khối giao giao tiếp tiếp EUSART EUSART





















Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 Bộ phận chính của khối truyền là thanh ghi truyền TSR. Thanh ghi này không thể truy cập bằng phần mềm, mà được truy cập gián tiếp qua thanh ghi đệm truyền TXREG. Bộ truyền được kích hoạt khi cấu hình các bit TXEN=1, SYNC=0, SPEN=1. TXEN=1 kích hoạt bộ truyền của EUSART. SYNC=0 cấu hình EUSART hoạt động ở chế độ không đồng bộ. SPEN=1 cho phép bộ EUSART hoạt động và cấu hình chân TX/CK là chân xuất. - Quá Quá trình trình truy truyền ền được được khởi tạo tạo bằng bằng cách cách ghi dữ liệu liệu truy truyền ền vào than thanhh ghi TXREG. Nếu đây là dữ liệu truyền đầu tiên hoặc dữ liệu truyền trước đã truyền hoàn tất thì thì dữ liệu trong TXREG ngay lập tức sẽ được truyền vào thanh ghi TSR. Nếu thanh ghi TSR vẫn còn chứa dữ liệu của ký tự truyền trước thì dữ liệu mới trong TXREG sẽ được giữ cho đến khi bit























Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 Cờ ngắt nhận RCIF=1 khi bộ nhận EUSART được kích hoạt và có một ký tự đã được nhận trong bộ đệm nhận FIFO và chưa được đọc. Bit RCIF là bit chỉ đọc, không thể ghi bằng phần mềm. Ngắt nhận được kích hoạt khi cấu hình các bit sau: RCIE=1, PEIE=1 và GIE=1. Sau khi đã thiết lập các bit như trên, ngắt nhận xảy ra ngay khi nhận xong một ký tự trong bộ đệm nhận. Cờ RCIF














































Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 2.2.6 2.2.6 Ngắt Ngắt ng ngoà oàii trê trên n châ chân n RB0 RB0 Hình 2.9 là sơ đồ khối logic của hệ thống ngắt trong PIC16F887.























Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 2.2.7 2.2.7 Cấu tạo và hoạt hoạt độn độngg của của bộ Timer1 Timer1 Bộ timer1 là bộ định thời 16-bit có cấu tạo như hình 2.10.























Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887 lý, mạch thực tế của mạch nạp ezPIC Programmer của Sunrom được cho ở hình 2.11 và 2.12.
















































Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng
















































































































































































































































































































































































Dieu Khien Dong Co DC - Chuong Tong Hop-Huy

Recommend Documents