Mục Tiêu:

Định vị vị trí banh theo phương thẳng đứng với một độ cao Z.

Tổng Quan:

2.1) Định vị banh bằng từ trường:

Ưu điểm:

Độ chính xác cao.

Tốc độ kích ứng lẹ,giá thành rẻ.

Tính ổn định cao trong một khoảng cách nhỏ.

Nhược điểm:

Độ cao Z thấp.

Không ổn định của cả hệ thống.

2.2) Định vị banh bằng quạt:

Ưu Điểm:

Độ chính xác cao.

Độ cao Z cao.

Có tính ổn định.

Nhược điểm.

Thời gian đáp ứng chậm

2.3) Định vị banh bằng dây:

Không áp dụng định vị banh trực tiếp.

2.4) Định vị banh bằng khí nén:

Không ổn định

Chọn phương án 2:

Định vị banh bằng quạt do giải quyết được yêu cầu bài toán:

Đưa banh tới một vị trí yêu cầu theo một độ cao Z,có được tính ổn định.

III) Lên kế hoạch làm việc:

IV)Những phần đã làm:

IV.1) Thiết kế cơ khí

Chọn động cơ:

- Chọn động cơ encoder,có nguồn vào 12v.Ta có thể chọn động cơ phù hợp nhờ vào bảng sau:

Ta chọn động cơ E6A2-CS3ESau khi chọn ta có được kích thước của động cơ nhờ catalo:

Ở đây chọn sensor hồng ngoại nên ta có kích thước

Do vật cần nâng lên ở đây là banh.Cụ thể là banh bóng bàn có đường kính 42mm.Từ sơ đồ nguyên lý ta có thể chọn ống có đường kính lớn hơn 42mm:Theo catalo ống nhựa bình minh ta cho ống

Chọn ống nước có ống có đướng kính danh nghĩa 49mm là phù hợp.

Và chọn co nối cho đường ống này. Ở đây,ta chọn co rút nhằm có thể cho cánh quạt có thể gắn vừa(ta chon cánh quạt máy bay có đường kính 80mm)

Theo catalo ống rút ta có thể chọn:

Chọn loại rút 90 × 49 là hợp lý nhất.

Chọn vật liệu nền giúp ống có thể đứng thẳng ở đây là mica chiều dày 1mm.

Pát giúp vật đứng thẳng,ta chọn pát L loại60 × 40

Chọn bulong M8 dài 30mm và 20mm

Chọn Vít cấy M6.

IV.2 Mô Hình hóa:

Đầu tiên, theo một giả thuyết nâng hệ số, cho rằng lực đẩy tỷ lệ với bình phương của điện áp đặt vào động cơ. Đó là

T=C v¿2

trong đó T là lực đẩy được tạo ra bởi động cơ điều khiển bằng điện áp v¿. Vì vậy, miễn là trở kháng đầu ra của khuếch đại tạo ra v¿ là đủ thấp, chúng ta có thể giả định rằng hiệu ứng điện trở không đáng kể.

Tiếp theo, sử dụng một mô hình điểm có khối lượng quá đơn giản đối với bóng, như thể hiện trong hình

Trong mô hình này, các quả bóng có khối lượng m được thúc đẩy lên bởi lực đẩy T và kéo xuống bởi trọng lực với trọng lượng W = mg. Vì vậy, các lực lượng tăng ròng trên quả bóng là T - W, tương đương với ma của pháp luật thứ hai của Newton, nơi một là độ lớn của gia tốc trở lên của quả bóng. Do đó, chuyển động của quả bóng là mô hình của

ma⏞F

=C v¿2⏞

T

−mg⏞W

Nhưng a= ˙v= x, trong đó x là vị trí tương đối của quả bóng. Sử dụng vị trí x như một đầu ra, phương trình (2) là

{ x=v˙

v=+cm

v¿−g

W =mg

T=C v¿2

α

Nếu v¿≥0 và v¿=√u khi u ≥ 0. Do đó, phương trình trở thành:

{ x=v

v=−g+ cm

u ¿

Hệ thống này đã có trong hình thức bình thường. Do đó, không có bất kỳ chuyển đổi tọa độ, nó ngay lập tức rõ ràng là bậc hai hệ thống này có mức độ tương đối khi 2 vị trí x được sử dụng như một đầu ra. Vì vậy, việc kiểm soát

u=mC

( ω+g ) ¿)

với ω≥−g làm cho phương trình (4) vào hệ thống LTI đôi tích hợp

{ ˙x=v˙v=ω

Các tham số g được biết đến (9,8 m / s / s), m tham số có thể đo được (ví dụ, với quy mô), và tham số C có thể được ước tính từ dữ liệu hệ thống (ví dụ, bằng cách phân tích sự tăng tốc của bóng khi đầu vào u là hằng số). Vì vậy, việc kiểm soát

v¿=√ mC

¿¿ khi ω≥−g

Thiết lập bộ điều khiển

Trong đó:

W ω: Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ

W I : Bộ điều chỉnh dòng điện

W II : Bộ biến đổi

β : Hệ số phản hồi âm dòng điện

γ : Hệ số phản hồi âm tốc độ

T i : Là hằng số thời gian của sensor

K i=R s : Điện trở sensor

Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Ta có sơ đồ hàm truyền thu gọn

Vậy hàm truyền điều khiển mạch vòng dòng điện

Soi( p)=U i( p)U dk ( p)

=K cl ∙ K i / Ru

(1+ pT dk ) (1+ pT i )(1+ pT i)

Thay T si=T i+T v+T dk≪Tư , bỏ qua các hệ số ta có

Soi(P)=K cl ∙ K i / Ru

(1+ pT si)(1+ pu)

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín:

Chọn τ σ=min (T si , Tu )=T si

Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

Ri(P)=1+ p Tu

2 p K cl ∙ K i ∙T si

Ru

=Ru ∙T u

2 K cl ∙ K i ∙ T si

(1+ 1p T u

)

Với Ri(P) là khâu tích phân tỉ lệ ( PI)

Tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có :

FOMi ( P )=U i( p)U i( p)

= 11+2T si p+2T si

2 p2

Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ động cơ:

Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Sơ đồ thu gọn

S0 ω=Ru Kω

K i ( Kθ )T c¿¿

Với T sω=2 T si+T ω T sω rất nhỏ

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul

Chọn τ σ=T sω ta có:

Rω ( P )=K i(Kθ)T c

Ru ∙Kω ∙2∙ T sω

Vậy khâu Rωlà khâu tỷ lệ (P)

Rω ( P )=1+4 ∙T sω P

Ru ∙ K ω

K i ∙(Kθ)∙ T c

∙ 8 ∙ τσ2 ∙ p2

Vậy Rω ( P ) là khâu tỷ lệ tích phân ( PI)

Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

Ta có cấu trúc luật điều khiển số:

Từ cấu trúc ta luật điiều khiển PID số:

u (k )=k P{e (k )+ TT I

e (k )+ut (k−1 )+T D

Te (k )−e (k−1 )}

u (k )=k P¿

u (k )=k P{(1+T D

T+ T

T I)e ( k )−

T D

Te (k−1 )+ut (k−1 )}

IV. Phần điện Phần mạch điện gồm những phần sau Bo cấp nguồn 5v cho vi điều khiển, 12v cho động cơ Mạch driver điều khiển động cơ Mạch sensor Mạch giao tiếp RS232 để nhận tín hiệu từ máy tính

1. Mạch nguồn

Để ổn định áp cho vi điều khiển và động cơ ta sử dụng 1 IC 7805 để ổn áp 5v, 1 IC 7812 để ổn áp 12v

Sơ đồ mạch nguồn mô phỏng bằn Proteus2. Mạch driver điều khiển động cơ:

Ta sử dụng L298D có tích hợp 2 mạch cầu H. L298D thích hợp sử dụng cho động cơ có công suất vừa và nhỏ

Phần này ta chỉ cần điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM nên 2 chân IN1, IN2 ta nối vào chân CCP1 trong con PIC 2 chân OUT1 OUT2 nối vào động cơ encoder DC

Sơ đồ mạch driver mô phỏng trong Protues3. Mạch sensor

Ta sử dụng sensor hồng ngoại GP2D12 của Sharp

4. Mạch giao tiếp RS232

Ta cần nhập độ cao mong muốn từ máy tính nên ta cần có mạch giao tiếp RS232 .Mạch sử dụng IC MAX232 để truyền tính hiệu giữa máy tính và vi xử lý thông qua cổng COM

IV.Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng vi điều khiển

Sơ đồ hệ thống điều khiển

1. Vi điều khiển PIC16F877A 1.1 Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A - PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ.Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau.

- PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình.

- PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặt tính sau: + Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit. +Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kì lệnh ngoại trừ 1 số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. Chu kì lệnh bằng 4 lần chu kì dao động của thạch anh. +Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xoá khoảng 100 ngàn lần. + Bộ nhớ Ram 368x8bytes. + Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes. + Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài). + Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức. + Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. + Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V. + Nguồn sử dụng 25mA. + Công suất tiêu thụ thấp: <0.6mA với 5V, 4MHz 20uA với nguồn 3V, 32 kHz. +Có 3 timer: timer0, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước.Timer1, 16 bit chức năng bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, kích hoạt chế độ Sleep.Timer2, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước và sau. + Có 2 kênh Capture/ so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng xung PWM 10 bit / (CCP). + Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. + 2 Cổng truyền thong nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I C (chủ/phụ).Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bit địa chỉ. + Cổng phụ song song (PSP) với 8 bít mở rộng, với RD, WR và CS điều khiển. + Do thời gian làm đồ án có hạn nên chúng em chỉ tập trung tìm hiểu các tính năng của PIC 16F877A có liên quan đến đề tài, dưới đây là 1 vài tính năng của

PIC 16F877A được ứng dụng trong đồ án như: - Tổ chức bộ nhớ của PIC 16F877A. - Chức năng của các Port I/O. - Chức năng và cách thiết lập các tham số của 3 Timer 0,1,2. - Chức năng và cách thiết lập bộ điều chế độ rộng xung PWM. - Định nghĩa ngắt, các nguồn ngắt và tìm hiểu sâu về ngắt timer và ngắt

Sơ đồ chân của PIC 16F877A

Sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A

Sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau : - PIC16F877A có tất cả 40 chân - 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển. - 5 port của PIC16F877A bao gồm : + PORT B: 8 chân + PORT D: 8 chân + PORT C: 8 chân + PORT A: 6 chân + PORT E: 3 chân

1.2 Đối tượng điều khiển: Động cơ DC- Bên trong động cơ có gắn một encoder đồng trục với nó dùng để xác định

tốc độ và vị trí của động cơ.

- Các thông số của động cơ như sau: + Điện áp DC cấp cho động cơ: 12VDC + Tốc độ tối đa 2000 vòng/phút + Số xung của encoder 60xung/vòng + Điện cảm L=102mH

- Động cơ có tất cả 5 dây ra: + 2 dây cung cấp nguồn 12 V cho đông cơ + 2 dây nguồn 5V cung cấp nguồn cho encoder + 1 dây tín hiệu đưa xung encoder ra ngoài

- Phương pháp điều khiển: Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi áp cấp vào cho động cơ.

- Nguyên lý hoạt động của cảm biến encoder: có nhiều loại encoder khác nhau. Mỗi loại lại có một nguyên lý hoạt động khác nhau, em xin trình bày phần nguyên lý loại encoder trong đề tài mà em sử dụng: incremental encoder.

- Incremental encoder về cơ bản là một đĩa tròn quay quanh một trục được đục lỗ ở 2 bên mặt của cái đĩa tròn đó, sẽ có một bộ thu phát quang. Trong quá trình encoder quay quanh trục, nếu gặp lỗ rống thì ánh sáng chiếu qua được, nếu gặp mãnh chắn thì tia sáng không chiếu quá được. Do đó tín hiệu nhận được từ sensor quang là một chuổi xung.Mỗi encoder được chế tạo sẽ biết sẵn số xung trên một vòng. Do đó ta có thể dùng vi điều khiển đếm số xung đó trong một đơn vị thời gian và tính ra tốc độ động cơ.

1.3 Khối mạch điểu khiển:Vi điều khiển trung tâm là PIC 16F877A.Với chức năng của các port như

sau: - Chân RB0 nhận tính hiệu xung từ Encoder (vì ngắt ngoài xảy ra khi tính

hiệu thay đổi trên chân RB0); - Ta sử dung 2 chân RC1(CCP2) và RC2 (CCP1) của Port C để xuất tính hiệu

PID điều khiển động cơ. - Port D (trừ chân RD3) gởi tính hiệu đến khối hiển thị LCD.Ba chân từ RD0

đến RD2 nối với 3 chân điểu khiển của LCD.Bốn chân từ RD4 đến RD7 nối với 4 bít cao của các chân nhận dữ liệu của LCD.

Luật điều khiển PID số trong công thức trên được lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển đươc chế tạo trên chip PIC

- PIC phát PWM điều chỉnh vận tốc động cơ: phần này bạn xem lại bài 4 về Timer-Counter. Điều cơ bản cần nắm là bằng cách thay đổi độ rộng của xung PWM chúng ta sẽ thay đổi được vận tốc Motor.

- Để việc điều khiển chip driver L298D dễ dàng, chúng ta sẽ tạo một mạch

logic dùng các cổng NOT và AND- Động cơ DC mà chúng ta sử dụng có tích hợp sẵn một encoder 3 ngõ ra,

chúng ta sẽ dùng PIC để đọc số xung (hay số vòng quay) và tính ra vận tốc của Motor. Việc đọc encoder sẽ được thực hiện bằng ngắt ngoài.

- Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng như sau:

K p+K I

s+K D s=

KD s2+K I+K p ss

Trong đó:          - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ          - KI: Độ lợi khâu tích phân          - KD: Độ lợi khâu vi phânBiến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y). Sai số này (e) sẽ được đưa đến bộ điều khiển PID, và bộ điều khiển này sẽ tính toán cả vi phân và tích phân của tín hiệu sai số này. Tín hiệu (u) sẽ có giá trị như sau:

u=K p e+K I∫ edt+K Ddedt

Tín hiệu (u) sẽ được đưa đến đối tượng điều khiển và ta sẽ thu được một tín hiệu (Y) mới. Tín hiệu này sẽ lại được đưa đến cảm biến để tính toán ra sai số mới (e). Bộ điều khiển lại tính toán các giá trị vi phân, tích phân của sai số này. Quá trình cứ thế lặp đi lặp lại.Đặc tính của bộ điều khiển P, I và D: Bộ điều khiển tỷ lệ (KP) có tác dụng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm, nhưng không triệt tiêu, sai số ở trạng thái xác lập (steady- state error).Bộ điều khiển tích phân (KI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại có thể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ.Bộ điều khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và tăng chất lượng đáp ứng quá độ.

Trước hết, thành phần P tương đối đơn giản vì đó là quan hệ tuyến tính Kp*e, chúng ta chỉ cần áp dụng trực tiếp công thức này mà không cần bất kỳ xấp xỉ nào. Tiếp đến là xấp xỉ cho đạo hàm của biến e. Vì thời gian lấy mẫu cho các bộ điều khiển thường rất bé nên có thể xấp xỉ đạo hàm bằng sự thay đổi của e trong 2 lần lấy mẫu liên tiếp:

dedt

=e (k )−e(k−1)

h

Trong đó e(k) là giá trị hiện tại của e, e(k-1) là giá trị của e trong lần lấy mẫu trước

đó và h là khoảng thời gian lấy mẫu (h là hằng số).

∫0

t

edt=∑o

k

e ( k ) h

u=K p e+e ( k )−e (k−1)

h+∑

o

k

e (k ) h