Đề tài Điều khiển tốc độ động cơ bằng PID

 BỘ GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG
 KHOA ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
 ----------
 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
 Đề tài: Điều khiển tốc độ động cơ bằng PID
 Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Trọng Tài
 Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Vân 141103007 
 : Trần Chánh Phát141102044
 Lớp : DT14DH – DT1
 TP.HCM 06/2016 MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN............................................................................................1
 1.1. Động cơ DC..........................................................................................................1
 1.1.1. Động cơ DC Servo ........................................................................................1
 1.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ ............................................................................1
 1.2. Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) ..................................2
 1.3. Giới thiệu về Arduino...........................................................................................2
 1.3.1. Arduino là gì?................................................................................................2
 1.3.2. Board Arduino Uno.......................................................................................3
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG 
PID ..................................................................................................................................5
 2.1. PID .......................................................................................................................5
 2.1.1 Giới thiệu PID ................................................................................................5
 2.1.2. Hàm truyền....................................................................................................6
 2.1.3. Đặc tính bộ điều khiển PID ...........................................................................6
 2.2. Sơ đồ khối hệ thống..............................................................................................7
 2.3. Lưu đồ giải thuật ..................................................................................................8
 2.4 Giao diện phần mềm điều khiển trên PC...............................................................9
 i CHƯƠNG 1
 TỔNG QUAN
1.1. Động cơ DC
 1.1.1. Động cơ DC Servo
 Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng 
cơ. Nguyên tắc hoạt động: phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và 
phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. 
Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các 
từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor 
quanh trục hay 1 mômen.
Thông số động cơ DC Servo dùng làm đề tài:
 Kiểu: DSE38BE27-001
 Điện áp cấp cho động cơ: 24VDC
 Tốc độ: 4400 vòng/phút
 Điện áp cấp cho encoder: 5VDC
 Encoder: 108 xung/vòng
 Số encoder: 2 encoder đặt lệch 90o
* Ghi chú: Để đơn giản và thuận tiện trong việc làm mô hình, trong bài này sử dụng 
điện áp cấp cho DC Servo là 12V. Việc sử dụng điện áp bằng một nửa điện áp định 
mức của động cơ làm giảm tốc độ quay của động cơ xuống khoảng còn một nửa (2200 
vòng/phút) so với số vòng quay khi sử dụng đúng điện áp quy định (4400 vòng/phút).
 1.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ
 Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt 
vào nó và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện, ngẫu lực quay lớn nhất khi động cơ khởi 
động (nghĩa là khi động cơ bắt đầu quay) khi đó động cơ sẽ cần 1 dòng điện lớn để 
khởi động. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp và dòng vào 
động cơ.
 1 1.2. Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation)
 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều 
chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi 
độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. PWM được ứng dụng 
nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động 
cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ 
hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
 Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một 
cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó 
trong bài báo cáo này là Module L298N.
 Thông số kỹ thuật:
 Driver: Tích hợp 2 mạch cầu H
 Điện áp điều khiển động cơ: 5 ~ 12V
 Dòng tối đa qua mỗi cầu H: 2A
 Điện áp tín hiệu điều khiển: 5 ~ 7V
 Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
 Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và 
bằng phần mềm:
 • Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là trực tiếp từ 
 các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556...
 • Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng 
 phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. 
1.3. Giới thiệu về Arduino
 1.3.1. Arduino là gì?
 Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng 
điện tử. Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều 
khiển) và các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development 
Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board.
 2 Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử 
vì nó đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận. Không giống như các loại vi điều khiển khác, 
Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phụ vụ việc nạp code, ví dụ để 
nạp code cho PIC cần phải có Pic Kit. Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối 
với máy tính bằng cáp USB. Thêm vào đó việc lập trình cho Arduino rất dễ dàng, trình 
biên dịch Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ C++.
 1.3.2. Board Arduino Uno
 Một trong những board thông dụng, được sử dụng nhiều nhất là board Arduino 
Uno. Dòng này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 với tên gọi là Arduino Uno Revision 3 
(Arduino Uno R3).
 Hình 1.1: Board Arduino Uno R3
 Vi điều khiển ATmega328P (họ 8 bit)
 Điện áp hoạt động 5V
 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V
 Điện áp vào giới hạn 6-20V
 Digital I/O pin 14 (trong đó 6 chân PWM)
 PWM Digital I/O Pins 6
 Analog Input Pins 6 (độ phân giải 10 bit)
 Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
 Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
 32 KB (ATmega328P)
 Flash Memory
 0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
 3 SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Chiều dài 68.6 mm
Chiều rộng 53.4 mm
Trọng lượng 25 g
 Bảng 1.1: Thông số cơ bản trên board Arduino Uno R3
 4 CHƯƠNG 2
 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
 TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PID
2.1. PID
 2.1.1 Giới thiệu PID
 Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển 
sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có 
hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.
Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau 
đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
 Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các 
đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ 
điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển tốc 
độ, điều khiển mức,... và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến 
thấp.
 PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy 
nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay.
 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:
 5 2.1.2. Hàm truyền
 1 K I
 W ( p) K P (1 TD P) K P K D P
 TI P P
 Bộ điều khiển gồm có 3 thành phần:
 - KP: hệ số tỷ lệ
 - KI : hệ số tích phân
 - KD: hệ số vi phân
 Xét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:
 Hình 2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống
 Plant: đối tượng cần điều khiển
 Controller: đưa tín hiệu điều khiển đối tượng, được thiết kế để hệ thống đạt đáp 
ứng mong muốn .
 Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín 
hiệu ra thực tế. Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả 
thành phần tích phân lẫn vi phân của (e). Tín hiệu ra (u) của bộ điều khiển bằng:
 de
 u K e K edt K
 p I D dt
 Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra là (Y). (Y) 
được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e). Và bộ điều khiển lại 
tiếp tục như trên.
 2.1.3. Đặc tính bộ điều khiển PID
 - Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm 
chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error).
 - Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm 
giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
 6 - Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải 
thiện tốc độ đáp ứng của hệ.
 Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong 
bảng sau:
 Đáp ứng Thời gian xác Sai số xác 
 Thời gian lên Vọt lố
 vòng kín lập lập
 KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
 KI Giảm Tăng Tăng Thay đổi nhỏ
 KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
 - Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn 
phụ thuộc vào nhau. Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai 
thành phần còn lại. Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd.
2.2. Sơ đồ khối hệ thống
 PC: Gửi giá trị cài đặt và nhận tốc độ hiện tại của động cơ. Và điều khiển chạy 
hoặc ngừng chạy của hệ thống.
 7 Arduino Uno: Bộ điều khiển trung tâm với giải thuật PID, nhận giá trị cài đặt từ 
máy tính. Điều khiển động cơ qua L298N, thông qua encoder lấy tốc độ hiện tại gửi 
cho máy tính và hiển thị lên LCD.
 L298N: có nhiệm vụ nhận tín hiệu xung PWM, điều khiển mức điện áp vào động 
cơ.
 DC Servo, Encoder: Dựa vào mức điện áp mà L298N cấp vào động cơ, động cơ 
hoạt động với tốc độ mong muốn. Encoder dùng để lấy tốc độ về cho Arduino Uno.
2.3. Lưu đồ giải thuật
 8