1.1 Đặt vấn ề
Tình hình nghiên cứu
Sau khi quyết định phát triển đề tài, nhóm đã gặp nhiều trở ngại do kiến thức hạn chế và tài liệu tham khảo không đầy đủ, dẫn đến thời gian nghiên cứu kéo dài Thêm vào đó, một số thiết bị mới lạ và phần mềm chưa được tìm hiểu trong quá trình học cũng gây khó khăn, đặc biệt là về giá cả Tuy nhiên, nhờ sự hỗ trợ từ giảng viên Th.S Dương Thế Phong và việc tìm tòi tài liệu từ internet, nhóm đã hoàn thành đề tài và nâng cao hiểu biết về kiến thức mới.
Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu về kỹ thuật thiết kế và thi công panel điều khiển trong công nghiệp giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ cấu chấp hành của động cơ DC Servo Bên cạnh đó, việc nắm vững cấu trúc và hoạt động phát xung của PLC cũng như xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu là rất quan trọng Cuối cùng, giao tiếp và truyền nhận dữ liệu giữa HMI và PLC đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình công nghiệp.
Chủ đề này cho phép chúng ta phát triển hệ thống điều khiển tự động phức tạp hơn và quy mô lớn hơn Ngoài ra, nó còn có thể được áp dụng trong việc giảng dạy các môn học như Servo, điều khiển tự động và mạng truyền thông trong ngành công nghiệp.
Mô tả hệ thống
Toàn bộ ồ án ƣợc mô tả theo sơ ồ sau:
DRIVER ĐIỀU KHIỂN DC SERVO ĐỘNG CƠ DC SERVO
Màn hình cảm ứng: Hiển thị giao diện người dùng, cho phép nhập vào các tín hiệu iều khiển
PLC: Xử lý tín hiệu từ HMI và xuất ra tín hiệu iều khiển
Driver: Điều khiển hoạt ộng của ộng cơ, ồng thời ọc tín hiệu trả về từ Encoder
Động cơ - Cơ cấu: Thực hiện các chuyển ộng tương ứng với tín hiệu nhận ƣợc
Encoder: Xuất ra tín hiệu trả về cho Driver
2.1 LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ
Động cơ bước
2.1.1.1 Giới thiệu: Động cơ bước là một thiết bị cơ iện chuyển ổi các xung iện thành những chuyển ộng cơ học rời rạc Trục của ộng cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung iện iều khiển ƣợc áp ến nó theo một trình tự hợp lí Sự quay của các ộng cơ liên hệ trực tiếp với các xung ƣợc áp vào Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục ộng cơ Tốc ộ quay của trục ộng cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lƣợng các xung ƣợc áp vào
2.1.1.2 Phân loại động cơ bước Động cơ bước có thể ược phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator
Dựa theo cấu trúc rotor, ộng cơ bước ược chia thành 3 loại:
- Động cơ bước từ trở biến thiên
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Dựa theo cách quấn dây trên stator, ộng cơ bước ược chia thành 2 loại:
- Động cơ bước ơn cực
- Động cơ bước lưỡng cực
Hình 2.2 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước Động cơ bước trở từ biến thiên:
Các động cơ bước từ trở biến thiên sử dụng rotor bằng thép mềm, cho phép rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator Rotor bằng thép có quán tính nhỏ, giúp nó đáp ứng nhanh hơn Tuy nhiên, do rotor không có từ tính, nên không có lực từ dư khi động cơ ngừng cấp điện, cho phép rotor quay tự do.
Hình 2.3 Động cơ bước trở từ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được trang bị rotor nam châm vĩnh cửu, giúp duy trì mô men ngay cả khi không có nguồn điện Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi liên tục.
Hình 2.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước lai
Động cơ bước lai kết hợp đặc điểm của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu Nó có một nam châm vĩnh cửu nhỏ được bọc quanh trục động cơ, với một đầu rotor là cực bắc và đầu còn lại là cực nam Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép gắn chặt trên mỗi đầu Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai và có nhiều răng hơn, mang lại mô men lớn hơn Các góc bước tiêu biểu của động cơ này là 0,9 độ và 1,8 độ.
Hình 2.5 Động cơ bước lai Động cơ bước lưỡng cực
Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất Bằng cách ảo dòng iện trong các cuộn dây, cực tính iện từ cũng bị ảo
Hình 2.6 Sơ đồ quấn dây lưỡng cực
Hình 2.7 Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý Động cơ bước đơn cực
Một kiểu quấn dây phổ biến là quấn dây ơn cực, trong đó hai cuộn dây được kết nối trên một cực ơn cực Khi một cuộn dây được cấp năng lượng, cực bắc nam châm ơn cực được tạo ra, và khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng, cực nam ơn cực xuất hiện Kiểu quấn dây này được gọi là ơn cực vì dòng điện từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch điện tử lái Tuy nhiên, mô men sinh ra giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực.
Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây đơn cực
Hình 2.9 Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý
Một số động cơ bước được thiết kế với hai cuộn dây tách biệt trên một pha, ví dụ như loại 8 dây Người dùng có thể lựa chọn cách nối lưỡng cực hoặc một cực cho động cơ này, và chúng được gọi là các động cơ bước năng.
Hình 2.10 Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý
2.1.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước
Góc quay của ộng cơ tỉ lệ với xung vào
Động cơ có mô men to n phần khi dừng lại (nếu các cuộn dây ƣợc cấp năng lƣợng)
Động cơ bước cung cấp khả năng định vị chính xác và lặp lại chuyển động với độ chính xác từ 3% đến 5% cho mỗi bước, mà không tích lũy sai số qua các bước Chúng cũng đáp ứng tốt trong việc khởi động, dừng và đảo chiều.
Rất tin cậy vì không có các chổi than tiếp xúc trong ộng cơ
Đáp ứng của các ộng cơ ối với các xung số ƣa v o cung cấp sự iều khiển vòng hở, l m ơn giản sự iều khiển và giảm giá thành
Có khả năng ạt ƣợc sự quay ồng bộ ở tốc ộ thấp với tải ƣợc ghép trực tiếp với trục ộng cơ
Một phạm vi rộng các tốc ộ quay có thể ƣợc thực hiện khi tốc ộ tỉ lệ với tần số của các xung vào
Động cơ l m việc không ều, ặc biệt là ở tốc ộ thấp ( iều khiển ầy bước)
Tiêu thụ dòng iện không phụ thuộc vào tải
Mô men giảm theo tốc ộ
Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số
(Trích dẫn từ bài viết “Động cơ bước(step motor)” trên trang web http://www.dientuvietnam.net/).
Động cơ servo
2.1.2.1 Giới thiệu: Động cơ servo l những hệ hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của ộng cơ ƣợc nối với một mạch iều khiển Khi ộng cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ ƣợc hồi tiếp về mạch iều khiển này Nếu có bất kì lý do n o ngăn cản chuyển ộng của ộng cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận ƣợc tín hiệu ra chƣa ạt ƣợc vị trí mong muốn Mạch iều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho ộng cơ ạt ƣợc iểm chính xác
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc, từ máy tiện điều khiển bằng tay đến các mô hình máy bay và xe hơi Gần đây, động cơ servo cũng được sử dụng trong các robot, mở ra nhiều khả năng mới trong công nghệ tự động hóa.
2.1.2.2 Phân loại động cơ Servo: Động có Servo có 2 loại: servo DC và servo AC
2.1.2.3 Động cơ Servo DC: Động cơ Servo DC có 2 loại: ộng cơ 1 chiều có chổi than v ộng cơ 1 chiều không có chổi than
2.1.2.3.1 Động cơ Servo DC có chổi than:
Động cơ servo dòng một chiều DC chổi than bao gồm bốn thành phần chính: stator, nam châm vĩnh cửu, cuộn dây phần ứng và roto Trong quá trình hoạt động, từ trường cố định do nam châm vĩnh cửu trên stator tạo ra tương tác với dòng từ từ cuộn dây trên roto khi có dòng điện chạy qua Sự tương tác này tạo ra moment tác động lên trục roto, được biểu diễn qua một phương trình cụ thể.
- Trong ó : Te = moment ộng cơ ;
Ke=hệ số ộng cơ ; Φ = mật ộ dòng từ ;
Ia = dòng phần ứng ; Ɵ = góc giữa vectơ từ trường cố ịnh v vectơ dòng
Hình 2.12 Cấu tạo động cơ Servo DC chổi than
Công thức (2.1) cho thấy rằng phần tử sinƟ ảnh hưởng đến moment trên trục động cơ Hình 1.2 minh họa mối quan hệ giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng qua phần ứng Moment trên trục động cơ tăng dần từ Ɵ = 0° và đạt giá trị lớn nhất khi góc Ɵ = 90°, tức là khi vectơ từ trường cố định vuông góc với vectơ dòng phần ứng Ngược lại, moment trên trục là nhỏ nhất khi Ɵ = 0°, khi vectơ dòng phần ứng song song với vectơ từ trường cố định Để đảm bảo moment trên trục động cơ luôn đạt giá trị lớn nhất, cần điều khiển chuyển mạch cấp điện cho cuộn dây roto sao cho vectơ dòng phần ứng luôn vuông góc với từ trường cố định Với cách điều khiển này, mômen động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ với dòng điện cấp cho cuộn dây phần ứng.
Hình 2.13 Vectơ từ trường cố định vectơ dòng và momen động cơ
Động cơ Servo DC chổi than có ưu điểm là dễ dàng điều khiển và giá thành thấp Tuy nhiên, việc sử dụng chuyển mạch cơ khí dẫn đến tiếng ồn, nhiệt độ tăng cao trên vành góp và quán tính rôto lớn khi giảm tốc độ Để khắc phục những nhược điểm này, động cơ Servo DC không chổi than đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Động cơ Servo DC không chổi than được sử dụng rộng rãi trong các máy công cụ điều khiển số Cấu trúc của loại động cơ này tương tự như động cơ Servo DC chổi than.
Rôto của động cơ DC không chổi than được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban, với rôto samari coban có khả năng tập trung từ cao nhưng giá thành cao hơn, thường chỉ sử dụng cho động cơ công suất lớn Tương tự như động cơ xoay chiều, từ trường quay trong động cơ DC được sinh ra nhờ mạch điều khiển, cho phép cấp dòng cho các cuộn pha mà không cần chuyển động cơ học Điều này giúp loại trừ những nhược điểm tồn tại trong động cơ truyền thống.
Động cơ Servo DC không chổi than là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển các trục máy công cụ, yêu cầu độ chính xác cao về vị trí và tốc độ Để đạt được điều này, động cơ cần có mạch phản hồi liên tục, cung cấp tín hiệu về tốc độ quay hoặc vị trí góc trục Trong ngành công nghiệp, các thiết bị phản hồi thường được sử dụng bao gồm cảm biến tốc độ chổi than hoặc không chổi than, sensor hiệu ứng Hall, resolver, synchro và encoder, nhằm đảm bảo chính xác trong chuyển động của bàn máy.
Hình 2.14 Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ DC
Hệ điều khiển Servo kiểu tương tự sử dụng mạch điện để bù sai số vị trí và tốc độ, bao gồm bốn cụm điều khiển cơ bản: máy tính điều khiển vị trí và điều khiển tốc độ cho động cơ một chiều không chổi than Mối quan hệ giữa các cụm điều khiển được thể hiện qua tín hiệu phản hồi vị trí từ bộ biến đổi encoder hoặc Sesolver, giúp xác định sai số tốc độ và sai số ước lượng cho hệ điều khiển tốc độ Hệ điều khiển tốc độ sử dụng mạch phản hồi tốc độ từ Tachometer, với tín hiệu được so sánh với tín hiệu ước lượng từ hệ điều khiển vị trí, từ đó sinh ra điện áp và dòng điện phù hợp để bù cho sai số vị trí và tốc độ.
Máy tính Điều khiển vị trí Điều khiển tốc ộ
Hình 2.15 Động cơ AC servo
Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ điều khiển điện, việc chuyển động chạy dao trong máy công cụ điều khiển số hiện nay ngày càng phổ biến với việc sử dụng động cơ AC Servo.
Động cơ AC Servo có nhược điểm là hệ điều chỉnh tốc độ phức tạp và chi phí cao hơn so với động cơ DC Hệ điều khiển tốc độ của động cơ AC Servo hoạt động dựa trên việc biến đổi tần số, với tốc độ được xác định theo tần số nguồn Một phương pháp điều khiển tốc độ động cơ AC Servo là biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều qua bộ chỉnh lưu 3 pha, sau đó chuyển đổi dòng một chiều trở lại thành dòng xoay chiều với tần số đã được chọn Sơ đồ khối của hệ điều khiển tốc độ động cơ AC Servo thể hiện quy trình này.
Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ AC
(Trích dẫn từ bài viết “So sánh động cơ DC và AC Servo” trên trang web www.thegioicnc.com )
2.1.3 Lý do chọn động cơ
Sau khi phân tích và đánh giá ưu nhược điểm của các loại động cơ, nhóm nhận thấy động cơ DC Servo có nhiều ưu điểm nổi bật, rất phù hợp cho nghiên cứu và chế tạo.
Chỉnh lưu Biến ổi ngược Động cơ
Bảng điều khiển DC Servo nổi bật với đặc trưng là hệ thống hồi tiếp vòng kín, cho phép tín hiệu hồi tiếp được trả về bộ điều khiển, tiện lợi cho việc giám sát và điều khiển DC Servo có nhiều kiểu dáng, kích thước và công suất đa dạng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Hơn nữa, với tính đơn giản trong điều khiển, DC Servo trở thành lựa chọn phổ biến trong các công cụ điều khiển số hiện nay, rất thích hợp cho chương trình giảng dạy.
CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
2.2.1 Điều khiển ON/OFF: Điều khiển on/off là chế ộ iều khiển ơn giản nhất, ƣợc sử dụng từ khá lâu và vẫn còn ƣợc ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau Ƣu iểm của bộ iều khiển n y l ơn giản, dễ hiểu Tuy nhiên, vì quá ơn giản nên nó không có ộ chính xác cao, có ộ trễ lớn Nguyên lý hoạt ộng của bộ iều khiển on/off l tác ộng ầu ra của ối tƣợng so sánh với giá trị ặt
Bộ iều khiển n y thường ược ứng dụng trong những hệ thống iều khiển nhiệt
Trong những năm gần đây, lý thuyết logic mờ đã được áp dụng thành công trong lĩnh vực điều khiển, tạo ra bộ điều khiển mờ Kỹ thuật điều khiển mờ phù hợp với các đối tượng phức tạp và không xác định, cho phép người vận hành sử dụng kinh nghiệm để điều khiển Một đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là không cần biết mô hình toán học của hệ thống, mà chỉ cần hiểu các đặc tính của hệ thống qua các phát biểu ngôn ngữ Chất lượng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế.
2.2.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ:
Hình 2.17 Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Giải mờ Đối tƣợng Đo lường
Một bộ iều khiển mờ gồm ba khâu cơ bản:
Khâu mờ hóa có chức năng chuyển đổi một giá trị rõ ràng thành một vector, trong đó chứa các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ được định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào.
Khâu thực hiện luật hợp thành: có tên gọi là thiết bị hợp thành, xử lý vector và cho ra giá trị mờ của biến ngôn ngữ ầu ra
Khâu giải mờ: có nhiệm vụ chuyển ổi tập mờ thành một giá trị ngõ ra chấp nhận ƣợc cho ối tƣợng (tín hiệu iều chỉnh)
2.2.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ:
Hình 2.18 Nguyên lý điều khiển mờ
Các nguyên lý thiết kế hệ thống iều khiển mờ:
Giao diện ầu vào gồm các khâu: mờ hóa, các khâu hiệu chỉnh nhƣ tỉ lệ, tích phân, vi phân…
Thiết bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành mờ e à B y'
Giao diện ầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu trực tiếp với ối tƣợng
2.2.2.4 Kết luận về điều khiển mờ:
Đảm bảo tính ổn định của hệ thống mà không cần khối lượng tính toán lớn và phức tạp trong thiết kế, khác với các phương pháp điều khiển cổ điển như PID và điều chỉnh sớm trễ pha.
- Có thể tổng hợp bộ iều khiển với hàm truyền ạt phi tuyến bất kỳ
Giải quyết các bài toán điều khiển phức tạp, đặc biệt là những bài toán trước đây chưa thể giải quyết như hệ điều khiển thiếu thông tin hoặc thông tin không chính xác, là một thách thức lớn Sự chính xác của thông tin thường chỉ được nhận thấy qua các mối quan hệ giữa chúng và có thể mô tả bằng ngôn ngữ Điều khiển mờ đã phản ánh phương thức xử lý thông tin của con người, cho phép chúng ta tận dụng tri thức và kinh nghiệm của con người trong quá trình điều khiển.
Cho đến nay, các lý thuyết nghiên cứu về điều khiển mờ vẫn chưa được hoàn thiện Do đó, việc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoạt động một cách hiệu quả là một thách thức không đơn giản.
Do tính phi tuyến của hệ mờ, việc áp dụng thành tựu từ lý thuyết hệ tuyến tính trở nên không khả thi Điều này dẫn đến việc rút ra các kết luận tổng quát cho hệ mờ trở nên rất khó khăn.
* Từ những ưu khuyết điểm của bộ điều khiển mờ ta rút ra kết luận:
Không bao giờ thiết kế bộ điều khiển mờ để giải quyết một bài toán tổng hợp nếu có thể dễ dàng sử dụng các bộ điều khiển kinh điển đáp ứng yêu cầu đã đặt ra.
Việc áp dụng bộ điều khiển mờ trong các hệ thống yêu cầu an toàn cao vẫn gặp nhiều hạn chế, vì chất lượng và hiệu quả của hệ thống chỉ có thể được xác định thông qua các thử nghiệm thực nghiệm.
- Bộ iều khiển mờ phải ƣợc phát triển qua thực nghiệm
Các bộ cảm biến có khả năng điều chỉnh tính ổn định và bền vững ngay cả khi lượng thông tin thu thập không chính xác, cho phép lựa chọn những loại cảm biến giá rẻ mà không cần độ chính xác cao.
Bộ điều khiển PID được coi là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng điều khiển Analog và Digital, với hơn 90% bộ điều khiển trong công nghiệp sử dụng công nghệ này Nếu được thiết kế hợp lý, bộ điều khiển PID có khả năng đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp và triệt tiêu sai lệch tĩnh hiệu quả Chính vì vậy, nhóm chúng tôi đã quyết định áp dụng thuật toán PID cho dự án này.
Bộ điều khiển PID là thiết bị điều khiển vòng kín phổ biến trong ngành công nghiệp, được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị thực tế của hệ thống (process variable) và giá trị đặt (setpoint) Nó hoạt động bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển tại ngõ ra, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Hình 2.19 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
A PID controller consists of three components: P (proportional), which generates a control signal proportional to the error; I (integral), which produces a control signal based on the time integral of the error; and D (derivative), which creates a control signal proportional to the time derivative of the error.
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với giá trị sai lệch Quá trình này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số Kp, được gọi là hằng số tỷ lệ.
Khâu P ƣợc tính dựa trên công thức: u p =K p e(t) (2.1)
Trong ó: u p : thừa số tỉ lệ của ầu ra
K p : ộ lợi tỉ lệ, thông số iều chỉnh e: sai số= SP-PV t: thời gian hay thời gian tức thời
Tác động của thành phần tích phân là tín hiệu điều khiển tỷ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Khi sai lệch lớn, tín hiệu điều khiển cũng lớn, và khi sai lệch giảm, tín hiệu điều khiển cũng sẽ giảm theo Khi sai lệch e(t) bằng 0, thì u p cũng bằng 0 Một vấn đề cần lưu ý là khi sai lệch đổi dấu, tín hiệu điều khiển cũng sẽ đổi dấu tương ứng.
3.1 Thiết kế Panel iều khiển
Hệ thống iều khiển
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - LẬP TRÌNH PHẦN
4.1.1 Sơ đồ các khối điều khiển:
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển
Trong ồ án này, chúng tôi thiết kế giao diện điều khiển cho mô hình bằng màn hình HMI Giao diện được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp Các thông số vị trí được nhập trên màn hình HMI sẽ được truyền vào ô nhớ của PLC qua cáp RS485.
Máy tính được sử dụng trong mô hình này để lập trình cho vi điều khiển, giúp dò tìm và thiết lập các thông số PID cho mô hình một cách hiệu quả.
KHỐI CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Hình 4.2 Giao diện dò tìm PID
PLC là thiết bị điều khiển quan trọng, đóng vai trò cầu nối giữa giao diện HMI và vi điều khiển Arduino Nó được sử dụng để nhịp xung cho vi điều khiển trong quá trình hoạt động Các thông số từ giao diện HMI sẽ được chuyển đổi thành xung để điều khiển Do PLC và Arduino sử dụng nguồn điện áp khác nhau, cần có một mạch trung gian để chuyển đổi điện áp về 5V cho Arduino hoạt động hiệu quả.
Arduino là thành phần quan trọng trong mô hình điều khiển, đóng vai trò là bộ não xử lý tín hiệu Nó đọc giá trị từ encoder, tính toán PID và xuất xung điều khiển cho động cơ.
Là một thành phần quan trọng, nhận tín hiệu từ vi iều khiển ể iều khiển, ảo chiều ộng cơ
4.1.2.1.3 Khối cơ cấu chấp hành:
Là bộ phận nhận tín hiệu từ bộ iều khiển và tiến hành thực thi Đối tƣợng cần iều khiển l ộng cơ DC
4.1.3.1 Sơ đồ PID: setpoint Khâu giới hạn
Hồi tiếp vị trí PID DC
Lưu ồ thuật toán chương trình PID:
D_term = Kd * (Error – Pre_error)
Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán PID
Xác ịnh các thông số Kp, Ki, Kd:
Trong nghiên cứu này, nhóm chúng tôi áp dụng phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển PID mà không cần xây dựng mô hình cho động cơ Phương pháp này được thực hiện khi hệ thống hoạt động ở trạng thái biên giới ổn định.
Ban ầu, chỉnh các thành phần Ki, Kd về giá trị 0 Tăng dần giá trị Kp sao cho tín hiệu ra dao ộng iều hòa
Hình 4.4 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn
Từ ó, xác ịnh ƣợc hai thông số: Kgh=0.7 ; Tgh=2.2
Các thông Kp, Ki, Kd ƣợc xác ịnh theo bảng:
Bảng 4.1 Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm
Ki= Kp/T N = 0.38 Kd= Kp*Tv= 0.1
Mặc dù đã tính toán các thông số của bộ điều khiển PID và áp dụng vào thực nghiệm, nhưng hệ thống vẫn không đạt yêu cầu điều khiển như mong muốn Do đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình thực tế để xác định các thông số PID của hệ thống thông qua phương pháp thử sai, dựa trên các thông số ban đầu.
Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển nhằm đạt được chất lượng phản ứng mong muốn Quá trình điều chỉnh dựa trên ảnh hưởng của các thông số Kp, Ki, Kd đến chất lượng hệ điều khiển Qua nhiều lần thực nghiệm và đánh giá, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một bộ thông số tối ưu cho hệ thống.
Encoder được sử dụng trong dự án có độ phân giải 800 xung/vòng Để nâng cao độ chính xác trong điều khiển, nhóm chúng tôi áp dụng thuật toán đọc encoder ở chế độ nhân 4, tức là mỗi vòng quay của động cơ sẽ cung cấp 3200 xung.
Ta sử dụng ngắt ngoài của vi điều khiển để đọc xung encoder trả về, đây là phương pháp dễ dàng và chính xác Hai kênh A và B của encoder được kết nối với chân 18 và chân 22 của Arduino Ngắt sẽ xảy ra khi có xung xuất hiện trên kênh A và B trong chế độ nhân.
Chương trình ngắt cần được thiết lập cho cả cạnh lên và cạnh xuống của xung Trong dự án này, encoder có độ phân giải 3200 xung/vòng, với động cơ hoạt động tối đa ở tốc độ 50 vòng/giây Do đó, tần số tối đa của encoder đạt khoảng 0.16 MHz Vi điều khiển Atemega 2560 được sử dụng với tần số thạch anh 16 MHz, đảm bảo khả năng đáp ứng tốt với tần số của encoder.
4.1.3.2 Lưu đồ giải thuật trên VĐK:
Tính toán các thông số Đọc encoder
Hiệu chỉnh PID Xuất PWM
4.1.3.3 Tính toán bộ truyền đai: Động cơ DC ƣợc gắn với bộ truyền ai răng ể truyền ộng trong mô hình Chuyển ổi chuyển ộng quay của ộng cơ th nh chuyển ộng tịnh tiến của con trƣợt
Bộ truyền ai răng sử dụng bánh răng mô tơ pulley GT2
Hình 4.6 Bánh răng mô tơ pulley GT2
Sau khi gắn bộ truyền ai v o ộng cơ ta có cá thông số nhƣ sau:
- Chu vi khi quay một vòng: 56 mm
-Một vòng quay ộng cơ trả về 3200 xung
Khi con trƣợt di chuyển 1mm thì cần cấp cho ộng cơ 3200/56= 57 xung
Khi cung cấp cho động cơ 47 xung, con trượt sẽ di chuyển trên bàn máy một khoảng cách 1mm Dựa vào đó, chúng ta lập trình trên HMI để chuyển đổi khoảng cách thành số xung, từ đó PLC có thể cung cấp tín hiệu cho việc điều khiển.
5.1 Thực nghiệm và chạy thử
Kết quả
Trên cơ sở thiết kế phần cứng và phần mềm khi thực hiện ồ án ã ạt ƣợc một số kết quả sau:
Đã hoàn thiện thiết kế và thi công Panel điều khiển, bao gồm các thiết bị như cơ cấu chấp hành của động cơ, PLC, HMI, bộ vi xử lý, nguồn cấp điện, cáp nối và các thiết bị phụ trợ.
Vi điều khiển Arduino Mega2560 cho phép điều khiển vị trí động cơ DC Servo thông qua việc đọc xung từ encoder Hệ thống sẽ tính toán các thông số PID phù hợp và xuất xung điều khiển để điều chỉnh động cơ một cách chính xác.
HMI touchWin 765-TH: hiển thị giao diện người dùng, cho phép nhập dữ liều từ màn hình cảm ứng ể truyền tới PLC
PLC Siemens S7-200 nhận dữ liệu điều khiển từ HMI và xử lý để phát ra số xung và tần số tại cổng ra Q0.0 Tuy nhiên, nhóm vẫn chưa thực hiện được việc kết nối giữa vi điều khiển và PLC.
Động cơ và cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu điều khiển và hoạt động với số vòng quay cùng tốc độ đã nhập Mặc dù vẫn tồn tại sai số, nhưng mức độ này không đáng kể.
Kết luận
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án, nhóm đã hoàn thành tương đối đầy đủ các yêu cầu đề ra và đạt được những kết quả nhất định Tuy nhiên, nhóm cũng gặp phải một số thiếu sót và khó khăn do khả năng hạn chế Nhờ sự hỗ trợ và hướng dẫn tận tình từ các giáo viên, đặc biệt là giảng viên Dương Thế Phong cùng với những nhận xét của thầy Võ Lâm Chương, nhóm đã khắc phục được những vấn đề còn tồn tại.
Đánh giá kết quả của ề tài:
Đề tài tuy không mới nhƣng có thể mở rộng nghiên cứu và phát triển theo những hướng mới
Khái quát ƣợc phần nào về việc thiết kế v thi công Panel iều khiển
Kết hợp nhiều thiết bị iều khiển thông minh trên cùng một chỉnh thể ể truyền nhận và giao tiếp với nhau
Vận dụng kiến thức về DC Servo, lập trình PLC và điều khiển để áp dụng vào thi công thực tế, kết hợp chuyên môn về cơ khí, điện tử và điều khiển thông minh.
Ứng dụng trên thực tế ể iều khiển vị trí trục Z cho máy mài, làm mô hình dạy học cho bộ môn Servo
Chất lƣợng áp ứng của cơ cấu chƣa thực sự hoàn hảo, còn sai số
Chất lƣợng các thiết bị chƣa ƣợc tốt, bố trí sắp xếp các thiết bị còn thô
Tính thẩm mỹ chƣa cao.
Hướng phát triển
Dựa trên kết quả thực hiện và việc đánh giá ưu nhược điểm của đề án, nhóm đã đề xuất một số hướng phát triển cho đề tài của mình.
Chúng tôi đang hoàn thiện sản phẩm và tích hợp thêm các chức năng mới cho bộ điều khiển, bao gồm điều khiển tốc độ chính xác hơn và nâng cao công suất động cơ, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu trong ngành công nghiệp.
Nâng cao tính thẩm mỹ nhằm ƣa ề tài vào việc dạy học mô học chuyên ề Servo, iều khiển tự ộng và PLC nâng cao
Thay ổi cơ cấu áp ứng v ộng cơ ể ứng dụng iều khiển cho các máy móc công nghiệp, cụ thể l iều khiển trục Z của máy mài