Điều khiển PID thực thi trên động cơ một chiều với arduino

Bài viết trình bày các thành phần của mạch điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ điện một chiều ở dải công suất nhỏ với vi điều khiển arduino. Đây là một mô hình cơ bản để phát triển cho một số ứng dụng của ngành cơ điện tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển PID thực thi trên động cơ một chiều với arduino CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 ĐIỀU KHIỂN PID THỰC THI TRÊN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VỚI ARDUINO PID CONTROL IMPLEMENTED ON DC MOTOR WITH ARDUINO THS. NGUYỄN ĐÌNH KHIÊM Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ Khí, ĐH Hàng Hải VN Tóm tắt Báo cáo trình bày các thành phần của mạch điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ điện một chiều ở dải công suất nhỏ với vi điều khiển arduino. Đây là một mô hình cơ bản để phát triển cho một số ứng dụng của ngành cơ điện tử. Ở đây, tác giả đã xây dựng và khảo sát ảnh hưởng của các thông số của bộ điều khiển PID tới đáp ứng tốc độ của động cơ điện một chiều. Đồng thời, tác giả cũng xây dựng và đánh giá đáp ứng vị trí của động cơ điện một chiều khi có nhiễu ngoài tác động qua một bộ điều khiển PID với thuật toán khác với bộ điều khiển tốc độ. Abstract The report presents the components of the speed control circuit and the position of the DC motor in the low power range with the arduino microcontroller. This is a basic model for development for some applications of mechatronics. The author has built and estimated the influence of PID controller parameters on the speed response of DC motor. At the same time, the author also develops and evaluates the position response of DC motors when there is external interference through a PID controller with an different algorithm that is used to control the motor speed. 1. Giới thiệu Báo cáo sử dụng hai phương pháp xấp xỉ bộ điều khiển PID số, một phép xấp xỉ để điều khiển tốc độ và một phép xấp xỉ khác để đạt được vị trí mong muốn của động cơ điện một chiều. Tác giả đã sử dụng vi điều khiển arduino để tính toán số xung mà encoder gửi về trong một khoảng thời gian trích mẫu để điều chỉnh tốc độ và vị trí động cơ. Phương pháp điều chỉnh tốc độ và vị trí là điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng cách điều chỉnh độ rộng xung. 2. Xây dựng mạch điều khiển 2.1. Sơ đồ khối Sơ đồ khối của mạch điều khiển động cơ một chiều như hình 1 Mạch công Máy tính Vi điều khiển Động cơ suất Encoder Hình 1. Sơ đồ khối mạch điều khiển Ở hình 1, Máy tính sẽ có nhiệm vụ truyền, nhận dữ liệu từ vi điều khiển, vì thế có mũi tên hai chiều giữa máy tính và vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ điều khiển mạch công suất để cấp nguồn cho động cơ quay. Để điều khiển được vận tốc và vị trí của động cơ thì ta phải đọc được số vòng mà động cơ quay trên một đơn vị thời gian. Nhiệm vụ này do encoder thực hiện bằng cách gửi tín hiệu mà nó thu được khi động cơ quay về vi điều khiển. 2.2. Lựa chọn phần cứng 2.2.1. Vi điều khiển Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 43 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Vi điều khiển ở sơ đồ khối trên là một board mạch Arduino Mega 2560 R3 ( hình 2). Hình 2. Board mạch Arduino Mega2560 2.2.2. Mạch công suất- mạch cầu H Mạch cầu H bao gồm bốn chuyển mạch (S1÷S4) được đấu với nhau có dạng hình chữ H (hình 3a), thích hợp cho ứng dụng cần phải điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay một cách tự động. (a) (b) (c) Hình 3. Mạch cầu H a. Cấu tạo; b. S1, S4 đóng và S2, S3 mở; c. S1, S4 mở và S2, S3 đóng. Bốn chuyển mạch trong mạch cầu H có thể là transistor, MOSFET, IGBT…Tuy nhiên, để đơn giản khi thiết kế, ta lựa chọn module điều khiển động cơ L298 V2 (hình 4), đã tích hợp sẵn 2 mạch cầu H (hình 5). Hình 4. Module điều khiển động cơ L298 V2 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 44 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Hình 5. Hai mạch cầu H của IC l298 tích hợp trong module L298 V2 2.2.3. Động cơ Động cơ một chiều công suất nhỏ như hình 6 được sử dụng để thiết kế mô hình thực nghiệm. Hình 6. Động cơ một chiều 2.2.4. Encoder Có nhiều loại encoder, ở đây chọn encoder quang (hình 7). (a) Encoder thực tế; ( b) Mô hình encoder Hình 7. Encoder 2.2.5. Mô hình thực tế Để thấy được ảnh hưởng của bộ điều khiển đối với mô hình thực tế (hình 8) ta khảo sát mô hình với các tham số của bộ điều khiển. Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 45 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Hình 8. Mô hình thực tế mạch điều khiển động cơ một chiều 3. Đánh giá các tham số của bộ điều khiển PID khi điều khiển tốc độ động cơ Khi thay đổi các tham số kp, kd, ki của bộ điều khiển PID thì đáp ứng tốc độ của động cơ sẽ thay đổi theo. Với bộ điều khiển P ta được kết quả như hình 9. Ta thấy rằng khi kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh nhưng hệ thống càng dao động. Hình 9. Đáp ứng tốc độ với bộ điều khiển P Với bộ điều khiển PD, khi cùng hệ số kp, nếu kd càng lớn thì độ quá điều chỉnh càng nhỏ như hình 10. Hình 10. Đáp ứng tốc độ với bộ điều khiển PD Với bộ điều khiển PID, thành phần ki sẽ làm giảm sai lệch tĩnh (hình 11) Hình 11. Đáp ứng tốc độ với bộ điều khiển PID 4. Đánh giá tác động của bộ điều khiển PID khi điều khiển vị trí động cơ Khảo sát đáp ứng vị trí của động cơ ở các giá trị đặt khác nhau khi không có nhiễu (hình 12a) và khi có nhiễu tác động (hình 12 b) Nội san khoa ...