XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN GÓC QUAY CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
==========o0o==========

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN GĨC QUAY CHO ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU
HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ
MÃ HỌC PHẦN: 13311H

GIẢNG VIÊN:
LỚP :
TÊN SINH VIÊN :

Trần Tiến Lương
Điều khiển hệ điện cơ – N01
Phạm Khắc Hải - 82938

HẢI PHÒNG - 12/2020


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................2
CHƯƠNG I...........................................................................................................................3
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK VÀTÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID........................................................................................................3
1.

PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK.....................................................................3
a, Khái niệm:....................................................................................................................................................3

b, Các phép tính tốn:......................................................................................................................................4
c, Các tính năng:..............................................................................................................................................4
d, Ứng dụng:....................................................................................................................................................4

2.

TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.........................................5
a, Khái niệm:....................................................................................................................................................5
b, Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID................................................................................................................6
c, Các phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID........................................................................6

CHƯƠNG II.........................................................................................................................8
XÂY DỰNG MƠ HÌNH CẤU TRÚC, TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU KHIỂN
GĨC QUAY VÀ TÍNH TỐN...........................................................................................8
1.

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ..........................................................8

2. CÁC THIẾT BỊ THỰC ĐỂ THỰC HIỆN CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
ĐÃ XÂY DỰNG...............................................................................................................8
2.1
2.2
2.3
2.4

ARDUINO UNO..........................................................................................................................................8
ĐỘNG CƠ DC GIẢM TỐC.........................................................................................................................10
MODULE L298 MẠCH CẦU H..................................................................................................................12
BIẾN TRỞ.................................................................................................................................................13

3. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ THỰC TẾ...............................................................14
4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG..................................................................14
5. TÍNH TỐN GIÁ TRỊ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.....................................................16
a,
b,
c,
d,

Tính tốn động cơ:....................................................................................................................................16
Tính tốn bộ biến đổi:...............................................................................................................................17
Tính tốn điều khiển vị trí:........................................................................................................................17
Đo góc:......................................................................................................................................................17

CHƯƠNG III.....................................................................................................................18
MƠ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK, LẮP MẠCH
THỰC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..................................................................................18

1

1.

MÔ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB.....................................18

2.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ PID.........................................................................18


3.

KẾT QUẢ LẮP MẠCH THỰC TẾ.....................................................................20

..............................................................................................................................................21
4.

KẾT LUẬN.............................................................................................................21

TƯ LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................22

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của các ngành khoa học kỹ
thuật, cùng với đó nền cơng nghiệp nước ta đang ngày một phát triển. Để hịa
nhịp với sự tiến bộ của nền cơng nghiệp hiện đại thế giới, chúng ta phải học hỏi,
nghiên cứu và tiếp thu những thành tựu khoa học kỹ thuật của các nước tiên tiến
đi trước, phải trang bị cho mình một nền tảng kiến thức vững chắc. Điều khiển
hệ điện cơ là mơn học quan trọng, nó cung cấp cho chúng ta những kiến thức cơ
bản về việc thiết kế, điều khiển và mô phỏng một hệ thống điện. Việc điều
khiển, quản lý một thống máy móc, điện cơ cho một nhà máy, xí nghiệp, phân
xưởng,... sẽ dễ dàng thực hiện hơn khi chúng ta biết vận dụng và nắm bắt những
kiến thức mà môn học mang lại.
Song, để đi sâu và tìm hiểu kỹ hơn về mơn học, giúp nâng độ am hiểu về lý
thuyết lên cao, đồng thời làm quen với môi trường làm việc sau này nhóm chúng
em đã nhận được đề của bài tập lớn: “Điều khiển góc quay động cơ”.
Mục tiêu của việc điều khiển là nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự
động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với
các yêu cầu và đặc tính phức tạp. Vì thế, cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra
các phương pháp điều khiển thích hợp cho hệ thống, đạt được chất lượng điều
chỉnh chính xác cao, chi phí xây dựng hệ thống thấp và hiệu quả đạt được tốt
nhất.
Trong suốt quá trình học tập, chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ

bảo tận tình của thầy: Trần Tiến Lương, đã chỉ bảo cho chúng em những gợi ý
để phát triển đề tài, đồng thời bổ sung những giải pháp để khắc phục khó khăn.
Trong q trình học tập, nghiên cứu cịn có điều sai sót, mong thầy cơ tận tình

2


chỉ bảo để chúng em sửa chữa rút kinh nghiệm, hoàn thiện hơn ở những báo cáo
sau.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK VÀTÌM HIỂU KHÁI
QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
1. PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK

Hình 1.1: Giao diện phần mềm Matlab Simulink
a, Khái niệm:
MATLAB là một mơi trường tính tốn số và lập trình, được thiết kế bởi
cơng ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm
3


số hay biểu đồ thơng tin, thực hiện thuật tốn, tạo các giao diện người dùng và
liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngơn ngữ lập trình
khác.
MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài tốn tính tốn kĩ
thuật so với các ngơn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, và Fortran, phân
tích dữ liệu, phát triển các thuật tốn, tạo ra các mơ hình và ứng dụng.
MATLAB được tích hợp nhiều lệnh và các hàm tốn học, giúp người

dùng thực hiện tính tốn các con số, vẽ đồ thị và thực hiện các phương pháp số.
b, Các phép tính tốn:
MATLAB được sử dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh tính tốn. Dưới đây
là một số phép tính tốn MATLAB được sử dụng phổ biến nhất:
- Đồ thị 2-D và 3-D.
- Đại số tuyến tính.
- Các hàm phi tuyến tính.
- Giải tích và phương trình vi phân.
- Tích phân.
- Chuyển đổi.
- Hồi quy.
- Các hàm đặc biệt khác.
c, Các tính năng:
MATLAB là ngơn ngữ lập trình cao cấp, cho phép tính tốn các con số,
hình dung và phát triển ứng dụng.
Cung cấp mơi trường tương tác để khảo sát, thiết kế và giải quyết các vấn
đề.
Cung cấp thư viện lớn các hàm toán học cho đại số tuyến tín, thống kê,
phân tích
Fourier, bộ lọc, tối ưu hóa, tích phân và giải các phương trình vi phân
bình thường.

4


Cung cấp các công cụ để xây dựng các ứng dụng với các giao diện đồ họa
tùy chỉnh.
d, Ứng dụng:
MATLAB được sử dụng rộng rãi như cơng cụ tính tốn trong các lĩnh vực
khoa học và kỹ thuật, bao gồm các lĩnh vực vật lý, hóa học, tốn học và công

nghệ. MATLAB được sử dụng trong một loạt các ứng dụng bao gồm:
- Xử lý tín hiệu và truyền thơng.
- Hệ thống điều khiển.
- Kiểm tra và đo lường.
2. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
a, Khái niệm:
PID là một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PIDProportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ
điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đièu khiển công
nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các
bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số
giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đạt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực
hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào
Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, do
đó đơi khi nó cịn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và
đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại,
giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân
xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này
dùng để điều chỉnh q trình thơng qua một phần tử điều khiển như vị trí của
van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này
có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ
thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào
tốc độ thay đổi hiện tại.

5


Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ
thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong
muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I
nếu vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PID khá phổ biến, do đáp

ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích
phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
b, Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
c, Các phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID
+ Phương pháp modul tối ưu
Là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng có
đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữa S. Xét hệ thống điều
khiển kín như hình. Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s).

R(s)

6

S(s)


Hình 1.3 Mạch vịng tốc độ
Tiêu chuẩn modul tối ưu được sử dụng để tổng hơp BĐK với hàm kín của
toàn hệ phải thỏa mãn dạng:
F= 1/(1+2τp+2τ^2 p^2 )p+2τp+2τ^2 p^2 )^2 p^2 )
Hàm truyền hệ kín có đặc điểm sau:
- Vơ sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển
- Độ quá chỉnh là 8.6%
- Hệ có dao động
Ta có:
F

RS

F = 1+ RS => R = S (1−F)
Suy ra,bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu có dạng:
1

R = S 2 τPP(1+ τPP)
Nên đối tượng điều khiển S có dạng:
k
n

S = (1+Tp) ( 1+ pT )
∏
i
i=1

Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ.
n

 ∏ (1+ pT i ) ≈1+T ∑ p
i=1

Với T ∑ = T1+T2+…+Tn
Khi đó đối tượng :
k

S = ( 1+ Tp ) 1+T p
( ∑ )
+ Phương pháp modul tối ưu đối xứng
Việc thiết kế bộ PID theo phương pháp này có nhược điểm là đối tượng
S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và có dạng hình chữ S.

Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo nguyên tắc modul tối ưu
đối xứng.
Tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp này sẽ là hệ vô sai cấp 2 và
hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thoản mãn dạng:
7


F=

1+4 τPp
1+ 2 τPp+ 8 τP 2 p 2+ 8 τP 3 p3

Ta có:
F

RS

F = 1+ RS => R = S (1−F)
Suy ra,bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng có dạng:
R=

1
2
S 8 τP p (1+ τPp)
2

Khi tổng hợp theo phương pháp này, thì độ quá điều chỉnh lại lên đến 43%. Vì
vậy, để giảm độ quá điều chỉnh người ta mắc thêm vào bộ lọc tín hiệu điều
khiển với hàm truyền:
1

Flọc = 1+ 4 τPp
CHƯƠNG II
XÂY DỰNG MƠ HÌNH CẤU TRÚC, TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU
KHIỂN GĨC QUAY VÀ TÍNH TỐN
1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
+

-

Bộ điều khiển
PID

BBĐ
L298

M

Đo góc

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí
 Giải thích cấu trúc điều khiển:
- Hệ thống thực hiện theo nguyên lý điều khiển phản hồi, khi ta cấp tín hiệu
đặt ϕsp (góc điều khiển mong muốn) vào bộ điều khiển R ϕ, bộ điều
khiển sẽ thực hiện điều khiển hệ thống bằng cách so sánh tín hiệu đặt với
các tín hiệu phản hồi thơng qua thiết bị đo. Nếu có sự sai khác giữa tín

8

hiệu đặt với tín hiệu đo thì bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu mới nhằm đưa
sai lệch này về 0.
- Tín hiệu bộ điều khiển R ϕ sẽ được gửi tới bộ biến đổi công suất. Bộ biến
đổi công suất sẽ biến đổi điện năng thành dạng năng lượng phù hợp với
động cơ chuyển động và mang thông tin điều khiển. Thông tin điều khiển
thông qua bộ biến đổi được gửi tới động cơ và làm thay đổi động cơ sao
cho nó bằng với tín hiệu đặt. Bộ điều khiển dừng gửi tín hiệu điều khiển
đến bộ biến đổi khi sai lệch bằng 0 (động cơ đã quay đúng góc ϕsp yêu
cầu).

2. CÁC THIẾT BỊ THỰC ĐỂ THỰC HIỆN CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ
TRÍ ĐÃ XÂY DỰNG
2.1 ARDUINO UNO

Hình 2.1: Board mạch Arduino Uno.
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328. Nó
có 14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều
chế đơ rộng xung. Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết
nối với các bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sứ dụng một dao động
9


thạch anh tần số dao động 16MHz có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để
chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một
ICSP header, một nút reset.Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều
khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là từ máy tính thơng qua cổng USB
hoặc là từ bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều
hoặc là nguồn lấy từ pin.Arduino có thể được hỗ trợ thơng qua kết nối USB hoặc
với một nguồn cung cấp điện bên ngoài. Các nguồn năng lượng được lựa chọn
tự động. Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên

ngoài từ 6V đến 20V. Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 7V, chân 5V có thể
cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể khơng ổn định.
Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thể quá nóng và gây
nguy hiểm cho bo mạch. Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V.
Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên
ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn
riêng). Chúng ta có thể cung cấp nguồn thơng qua chân này. 25
Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo
mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch.
Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến.
Chân GND: Chân nối đất.
Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog.
Chân IOREF: Cung cấp điện áp cho các vi điều khiển hoạt động. Một
shield được cấu hình đúng có thể đọc điện áp chân IOREF và lựa chọn nguồn
thích hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để là việc ở mức 5V hoặc 3,3V.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader.
2KB cho SRAM: giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây.
Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM.
10


1KB EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ
liệu của mình vào đây mà khơng phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu
trên SRAM.
Arduino Uno có 14 chân digital (chân 0 – 13) và 6 chân analog (chân A0
– A5).Các chân digital chúng ta có thể cấu hình để làm chân nhần dữ liệu vào từ

các thiết bị ngoại vihoặc làm chân để truyền tín hiêu ra các thiết bị ngoại vi.
Bằng cách sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead().
Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận một dịng điện tối đa 40mA và có một điện
trở kéo nội (mặc định khơng nối) 20 - 50 kOhms. Ngồi ra có một số chân có
chức năng đặc biệt:
- Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp.
- Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp.
- Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài.
- Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân vào/ra số hoặc để điều chế độ rộng
xung
2.2 ĐỘNG CƠ DC GIẢM TỐC
a, Khái niệm
Ngay từ tên gọi động cơ giảm tốc, chắc hẳn các bạn phần nào đã hình
dung được động cơ giảm tốc gồm bộ phận nào hợp thành và có chức năng gì.
Động cơ giảm tốc bao gồm động cơ điện và hộp giảm tốc.
Động cơ điện lại có cấu tạo gồm 2 phần chính đó là Stato và Roto. Cấu
tạo của stato lại bao gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố
trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay, còn Roto có dạng hình trụ đóng
vai trị như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Còn hộp giảm tốc bên trong chứa
bộ truyền động sử dụng bánh răng, để làm giảm tốc độ vòng quay. Hộp này
được dùng để giảm vận tốc góc, tăng momen xoắn và là bộ phận trung gian
giữa động cơ điện với bộ phận làm việc của máy công tác.

11


b, Chức năng
Chức năng của động cơ giảm tốc đó là hãm, giảm tốc độ của vòng quay
và thiết bị này là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền
khơng đổi.

Việc hãm và giảm tốc độ của vòng quay, các thiết bị là cơ cấu truyền
động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền khơng đổi và cịn được sử dụng để
kìm hãm vận tốc góc và tăng mơmen xoắn và là bộ máy trung gian ở giữa motor
giảm tốc và bộ phận làm việc của máy cơng tác.
c, Ngun lí hoạt động
Khi chúng ta muốn số vòng quay của trục ra hộp số giảm tốc nhỏ, thì
chúng ta chỉ tốn ít chi phí khi lắp thêm hộp số giảm tốc lên động cơ điện, mà có
thể thay đổi số vịng quay trục ra một cách linh hoạt hơn nhiều. Ngồi ra cịn
một yếu tố nữa là : moment xoắn, bạn khó chế tạo 1 động cơ điện có số vịng
quay và moment xoắn theo ý muốn. Và người ta gọi đây là tỉ số truyền, số vòng
quay và moment xoắn tỉ lệ nghịch với nhau.
d, Thơng số kĩ thuật

Hình 2.2: Động cơ giảm tốc hộp số vng góc JGY370 40rpm
Động cơ DC giảm tốc hộp số vng 40RPM thích hợp với những ứng
dụng
12


cần tốc độ chậm khỏe, cần khóa trục khi khơng cấp điện, các ứng dụng như cơ
cấu nâng hạ(giàn phơi đồ thông minh), cơ cấu kẹp. Do cơ cấu bánh răng trục vít
nên khi khơng cấp điện trục quay sẽ bị khóa, nghĩa là khơng thể quay trục bằng
tay.
- Điện áp sử dụng: 12VDC
- Tốc độ quay không tải: 40 rpm (vịng/phút)
- Đường kính trục : 6mm.
- Kích thước 77 x 32 x 21.5mm
2.3 MODULE L298 MẠCH CẦU H
Thông số kĩ thuật:

Hình 2.3: Module L298 mạch cầu H
Sử dụng IC cơng suất L298N:
- Điện áp tín hiệu 5V/ 0mA-36mA
- Điện áp hoạt động động cơ 5V-35V
- Dòng điều khiển động cơ 2A/1 mạch cầu H
- Nhiệt độ hoạt động -20 tới +135
- Công suất đầu ra 1 cầu H 25W

13


2.4 BIẾN TRỞ
Biến trở là một linh kiện dùng để thay đổi được giá trị điện trở của mình
từ mức min cho tới mức max. Biến trở 10k điều đó có nghĩa rằng đây là một
biến trở con chạy có thể thay đổi giá trị điện trở từ 0-10k ohm ( Kohm ).

Hình 2.4: Biến trở 10K
Biến trở 10K thì khi đo biến trở sẽ có các giá trị tương ứng:
- Hai chân 1 và 3 sẽ có giá trị 10K ohm
- Tại mức nhỏ nhất : đo chân 1 và 2 sẽ là 0 ohm
- Khi xoay biến trở thì giá trị giữa chân 1 và 2 tăng dần.
- Vị trí 30% của biến trở thì chân 1 và 2 đo được 3K ohm và 2 với 3 sẽ đo
được 7K ohm
- Tại vị trí 50% của biến trở thì chân 2 với 3 và 2 với 1 cùng đo được 5K
ohm.
- Tại vị trí 75% biến trở thì chân 1 với 2 đo được 7K ohm và chân 2 với 3
đo được 3K ohm.

14

3. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ THỰC TẾ

Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối thiết bị thực tế
- Nguyên lí đấu nối các thiết bị:
Tín hiệu điều khiển được kết nối từ máy tính qua Arduino rồi đến thiết bị
khác
Nguồn 12V đi vào ngõ input của mạch cầu H
2 chân tín hiệu mạch cầu H được nối với 2 đầu động cơ
2 chân ngoài cùng của biến trở được lắp với 2 chân nguồn của Arduino,
còn chân còn lại lắp với chân tín hiệu A4 của Arduino
2 đầu động cơ và biến trở được gắn với nhau nhằm mục đích đo góc
2 chân output của mạch cầu H được lắp với 2 chân điều khiển Pin 5,Pin 6
4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG
a, Cấu trúc động cơ điện một chiều
Phương trình tốn học của động cơ:
Phương trình mạch phần ứng:
dư

Uư = Iư .Rư + Lư . dt

+E

Phương trình mạch kích từ:
15

(1)


Uk = Ik . Rk + Lk .

di k
dt

(2)

Phương trình momen (phương trình chuyển động):
dω

Me – Mc = I . dt
Trong đó:

(3)

E: sức điện động động cơ
E = k.∅ .ω

Ta chuyển mơ hình tốn của động cơ sang mơ hình laplace:
Laplace

(1)
(2)

Uư = Iư.Rư + Lư.s.Iư + E
Laplace

Uk = Ik.Rk + Lk.s.Ik

Laplace

(3)

Me – Mc = J.s.ω

Biến đổi ta được:
1

 Iư = Rư + Lư . s . (Uư - E)
1
1
Rư
Rư
=
. (Uư - E)
Lư . (Uư - E) =
1+ . s
1+ T ư . s
Rư

(4)

Lư

Tư : hằng số thời gian phần ứng Tư = R
ư
1

 Ik = Rk + Lk . s . Uk
1
1

Rk
Rư
= Lk . Uk =
. Uk
1+
.s
1+ Tk . s
Rk

(5)
Lk

Tk : hằng số thời gian phần kích từ Tk = R
k
1

 ω = J . s . (Me – Mc)

16

(6)


Từ các phương trình (4), (5), (6) ta thiết lập được sơ đồ cấu trúc:

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
b, Bộ biến đổi
Ta có hàm truyền của bộ biến đổi:
K bd
(T ¿¿ v s +1)( T dk s +1)¿

c, Thiết bị đo
Hàm truyền của khâu đo dòng điện :
Ki
T i s +1

Hám truyền của khâu đo góc:
Kω
T ω s +1

5. TÍNH TỐN GIÁ TRỊ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
a, Tính tốn động cơ:
Chọn Tbd = 0.0015s , Tφ = 0.3s
Pđm = 0.5 W
17


Uđm = 12 V
Iđm = 0.04 A
Nđm = 10 v/ph
Ru = 0.0966 Ω
Lu = 0.006 H
J = 1.2
2π .n π
Tốc độ góc: ω= 60 = 3 rad /s

Từ thơng: Kϕ = C.U=

Uđm−Iđm . Ru
= 11.4

ω

Momen định mức : Mđm = Kϕ .Iđm = 0.4 Nm
Lư

Hằng số thời gian phần ứng: Tư = Rư =0,06 s
1 /Rư

1/0.06

Hàm truyền của động cơ: G(s) = 1+ Tư . p = 1+0.06 p
b, Tính toán bộ biến đổi:
Uđm

Chọn U đặt = 10V , Kbd = U đặ t =22
Kdb

22

Wbd = (1+Tvp)(1+Tbdp) = (1+0.003 p)(1+ 0.0015 p)
c, Tính tốn điều khiển vị trí:
Chọn hệ số P = 4 , I = 3, D = 0
d, Đo góc:
Chọn Tđ = 0.1
Có:

Uv = 300
Ur = 90
Uv

Vậy hệ số khuếch đại của khâu đo là: k¿ Ur =0.3

18


CHƯƠNG III
MÔ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK, LẮP
MẠCH THỰC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
1. MÔ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

Hình 3.1: Bộ PID điều khiển góc quay động cơ
2. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG BỘ PID
a, Khối tính bộ điều khiển

19