Drehzahlregelung des Gleichstrommotors mithilfe des PID-Algorithmus (stm32f4)

Hallo zusammen, ich bin Tahir ul Haq von einem anderen Projekt.
Diesmal war es an der Zeit, MC zu machen, das am 407.11.2017 genutzt wurde.
Dies ist das Ende des Zwischenprogramms.
Ich hoffe, es gefällt euch.
Es erfordert viele Konzepte und Theorien, also schauen wir uns das zuerst an.
Mit dem Aufkommen von Computern und der Industrialisierung von Prozessen gab es in der Geschichte der Menschheit Forschungen zur Entwicklung von Methoden zur Neudefinition des Prozesses und, was noch wichtiger ist, zur Verwendung von Maschinen zur autonomen Steuerung des Prozesses.
Ziel ist es, die menschliche Beteiligung an diesen Prozessen zu reduzieren und so Fehler in diesen Prozessen zu reduzieren.
Daraus entstand der Bereich „Steuerungssystemtechnik“.
Die Steuerungssystemtechnik kann als die Verwendung verschiedener Methoden zur Steuerung der Prozessarbeit oder zur Aufrechterhaltung einer konstanten und bevorzugten Umgebung definiert werden, sei es manuell oder automatisch.
Ein einfaches Beispiel ist die Regelung der Raumtemperatur.
Unter manueller Steuerung versteht man die Anwesenheit einer Person, die die aktuellen Bedingungen vor Ort überprüft (Sensor)
, Erwartungen erfüllt (Verarbeitung)
und geeignete Maßnahmen ergreift, um den gewünschten Wert zu erhalten (Aktor).
Das Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass er nicht sehr zuverlässig ist, da man bei der Arbeit anfällig für Fehler oder Nachlässigkeit ist.
Darüber hinaus besteht ein weiteres Problem darin, dass die Geschwindigkeit des Prozesses, mit dem der Aktuator startet, nicht immer gleichmäßig ist, was bedeutet, dass er manchmal schneller als die erforderliche Geschwindigkeit und manchmal langsamer sein kann.
Die Lösung dieses Problems besteht darin, einen Mikrocontroller zur Steuerung des Systems zu verwenden.
Gemäß der angegebenen Spezifikation ist der Mikrocontroller so programmiert, dass er den Prozess des Verbindens in der Schaltung (
wird später besprochen)
auf den Wert oder Zustand steuert und so den Prozess steuert, um den gewünschten Wert beizubehalten.
Der Vorteil dieses Prozesses besteht darin, dass in diesem Prozess kein menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit dieses Prozesses konstant.
Bevor wir fortfahren, ist es an dieser Stelle wichtig, die verschiedenen Begriffe zu bestimmen: Rückkopplungskontrolle: In diesem System hängt die Eingabe zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer oder mehreren Variablen ab, einschließlich der Ausgabe des Systems.
Negatives Feedback: In diesem System
wird als Referenz (Eingang) der Fehler subtrahiert und die Phase des Eingangs beträgt 180 Grad.
Positives Feedback: In diesem System
werden Referenzfehler (Eingangsfehler) hinzugefügt, wenn Feedback und Eingang in Phase sind.
Fehlersignal: die Differenz zwischen der gewünschten Ausgabe und der tatsächlichen Ausgabe.
Sensor: ein Gerät zur Erkennung einer bestimmten Anzahl von Geräten in einem Stromkreis.
Es wird normalerweise in der Ausgabe oder an einer beliebigen Stelle platziert, an der wir Messungen durchführen möchten.
Prozessor: Teil des Steuerungssystems, der auf der Grundlage von Programmieralgorithmen verarbeitet wird.
Es benötigt etwas Input und erzeugt etwas Output.
Aktuator: Im Steuerungssystem wird der Aktuator verwendet, um auf der Grundlage des vom Mikrocontroller erzeugten Signals Ereignisse auszuführen, die den Ausgang beeinflussen.
Closed-Loop-System: ein System mit einer oder mehreren Rückkopplungsschleifen.
Open-Loop-System: Es gibt kein System für eine Rückkopplungsschleife.
Anstiegszeit: Die Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 10 % der maximalen Signalamplitude auf 90 % anzusteigen.
Abfallzeit: Die Zeit, die erforderlich ist, damit die Ausgabe von 90 % auf 10 % abfällt.
Spitzenüberschreitung: Spitzenüberschreitung ist der Betrag der Ausgabe, der seinen stationären Wert überschreitet (
Normal während der Einschwingreaktion des Systems).
Stabile Zeit: Die Zeit, die der Ausgang benötigt, um einen stabilen Zustand zu erreichen.
Steady-State-Fehler: Die Differenz zwischen der tatsächlichen Ausgabe und der erwarteten Ausgabe, sobald das System den Steady-State erreicht. Das Bild oben zeigt eine stark vereinfachte Version des Steuerungssystems.
Der Mikrocontroller ist das Herzstück jedes Steuerungssystems.
Dies ist eine sehr wichtige Komponente und sollte daher entsprechend den Anforderungen des Systems sorgfältig ausgewählt werden.
Der Mikrocontroller empfängt Eingaben vom Benutzer.
Diese Eingabe definiert die für das System erforderlichen Bedingungen.
Der Mikrocontroller empfängt auch Eingaben vom Sensor.
Der Sensor wird an den Ausgang angeschlossen und seine Informationen werden an den Eingang zurückgeführt.
Diese Eingabe kann auch als negatives Feedback bezeichnet werden.
Negatives Feedback wurde bereits erläutert.
Basierend auf seiner Programmierung führt der Mikroprozessor verschiedene Berechnungen durch und gibt sie an den Aktor aus.
Die leistungsbasierte Aktorsteuerung versucht, diese Bedingungen aufrechtzuerhalten.
Ein Beispiel könnte der Motortreiber sein, der den Motor antreibt, wobei der Motortreiber der Treiber und der Motor die Fabrik ist.
Daher dreht sich der Motor mit einer bestimmten Geschwindigkeit.
Der angeschlossene Sensor liest den Status der aktuellen Fabrik und gibt ihn an den Mikrocontroller zurück.
Der Mikrocontroller vergleicht und berechnet erneut, sodass die Schleife wiederholt wird.
Der Prozess ist repetitiv und endlos, und der Mikrocontroller kann die gewünschten Bedingungen aufrechterhalten.
Hier sind zwei Hauptmethoden zur Steuerung der Drehzahl des Gleichstrommotors:
Manuelle Spannungsregelung: In industriellen Anwendungen ist der Drehzahlregelungsmechanismus des Gleichstrommotors von entscheidender Bedeutung.
Manchmal benötigen wir möglicherweise höhere oder niedrigere Geschwindigkeiten als normal.
Daher benötigen wir eine effektive Geschwindigkeitskontrollmethode.
Die Steuerung der Versorgungsspannung ist eine der einfachsten Methoden zur Geschwindigkeitssteuerung.
Wir können die Spannung ändern, um die Geschwindigkeit zu ändern. b)
PWM mit PID steuern: Eine weitere effizientere Möglichkeit ist die Verwendung eines Mikrocontrollers.
Der Gleichstrommotor ist über den Motortreiber mit dem Mikrocontroller verbunden.
Der Motortreiber ist ein IC, der einen PWM-Eingang (
Pulsweitenmodulation)
vom Mikrocontroller empfängt und entsprechend dem Eingang an den Gleichstrommotor ausgibt. Abbildung
1.2: Kapitel 1 des PWM-Signals.
Einführung 3 Unter Berücksichtigung des PWM-Signals kann zunächst die Funktionsweise von PWM erläutert werden.
Es besteht aus kontinuierlichen Impulsen über einen bestimmten Zeitraum.
Die Zeitperiode ist die Zeit, die ein Punkt benötigt, um sich über eine Entfernung zu bewegen, die einer Wellenlänge entspricht.
Diese Impulse können nur binäre Werte (HIGH oder LOW) haben.
Wir haben auch zwei weitere Größen, die Impulsbreite und das Tastverhältnis.
Die Impulsbreite ist die Zeit, in der der PWM-Ausgang hoch ist.
Der Arbeitszyklus ist der prozentuale Anteil der Impulsbreite an der Zeitperiode.
Für den Rest des Zeitraums ist die Leistung gering.
Der Arbeitszyklus steuert direkt die Drehzahl des Motors.
Wenn der Gleichstrommotor innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine positive Spannung liefert, bewegt er sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit.
Liegt über einen längeren Zeitraum positive Spannung an, erhöht sich die Geschwindigkeit.
Daher kann das Tastverhältnis von PWM durch Ändern der Impulsbreite geändert werden.
Durch Ändern des Arbeitszyklus des Gleichstrommotors kann die Drehzahl des Motors geändert werden.
Probleme mit der Drehzahlregelung bei Gleichstrommotoren: Das Problem bei der ersten Drehzahlregelungsmethode besteht darin, dass sich die Spannung im Laufe der Zeit ändern kann.
Diese Änderungen bedeuten eine ungleichmäßige Geschwindigkeit.
Daher ist die erste Methode unerwünscht.
Lösung: Wir verwenden die zweite Methode, um die Geschwindigkeit zu steuern.
Als Ergänzung zur zweiten Methode verwenden wir den PID-Algorithmus.
PID stellt die proportionale Integralableitung dar.
Beim PID-Algorithmus wird die aktuelle Drehzahl des Motors gemessen und mit der Solldrehzahl verglichen.
Dieser Fehler wird für komplexe Berechnungen genutzt, um die Einschaltdauer des Motors mit der Zeit zu ändern.
Es gibt diesen Prozess in jedem Zyklus.
Übersteigt die Geschwindigkeit die gewünschte Geschwindigkeit, wird die Einschaltdauer verringert und die Einschaltdauer erhöht, wenn die Geschwindigkeit niedriger als die gewünschte Geschwindigkeit ist.
Diese Anpassung erfolgt erst, wenn die beste Geschwindigkeit erreicht ist.
Überprüfen und kontrollieren Sie diese Geschwindigkeit ständig.
Hier sind die in diesem Projekt verwendeten Systemkomponenten und eine kurze Einführung in die Details jeder Komponente.
STM 32F407: Mikrocontroller, entwickelt von ST Micro-section.
Es funktioniert auf dem ARM Cortex. M Architektur.
Mit einer hohen Taktfrequenz von 168 MHz führt er seine Familie an.
Motortreiber L298N: Dieser IC wird zum Betrieb des Motors verwendet.
Es verfügt über zwei externe Eingänge.
Eines vom Mikrocontroller.
Der Mikrocontroller stellt hierfür ein PWM-Signal bereit.
Die Motorgeschwindigkeit kann durch Anpassen der Impulsbreite angepasst werden.
Sein zweiter Eingang ist die Spannungsquelle, die zum Antrieb des Motors benötigt wird.
Gleichstrommotor: Der Gleichstrommotor wird mit Gleichstrom betrieben.
In diesem Experiment wird der Gleichstrommotor über eine mit dem Motortreiber verbundene fotoelektrische Kupplung betrieben.
Infrarotsensor: Der Infrarotsensor ist eigentlich ein Infrarot-Transceiver.
Es sendet und empfängt Infrarotwellen, mit denen verschiedene Aufgaben ausgeführt werden können.
IR-Encoder-Optokoppler 4N35: Der Optokoppler ist ein Gerät zur Isolierung des Niederspannungsteils des Stromkreises vom Hochspannungsteil.
Wie der Name schon sagt, funktioniert es auf der Basis von Licht.
Wenn der Niederspannungsteil das Signal erhält, fließt der Strom im Hochspannungsteil.
Das System ist ein Geschwindigkeitskontrollsystem.
Wie bereits erwähnt, wird das System mithilfe der PID von Proportional-Integral und Ableitung implementiert.
Das Geschwindigkeitsregelsystem besteht aus den oben genannten Komponenten.
Der erste Teil ist der Geschwindigkeitssensor.
Der Geschwindigkeitssensor ist eine Infrarot-Sender- und Empfängerschaltung.
Wenn der Feststoff den U-förmigen Schlitz passiert, geht der Sensor in einen niedrigen Zustand über.
Normalerweise befindet es sich in einem hohen Zustand.
Der Sensorausgang ist mit einem Tiefpassfilter verbunden, um die Dämpfung zu beseitigen, die durch den Übergang entsteht, der entsteht, wenn sich der Zustand des Sensors ändert.
Der Tiefpassfilter besteht aus Widerständen und Kondensatoren.
Die Werte wurden nach Bedarf ausgewählt.
Der verwendete Kondensator hat 1100 nf und der verwendete Widerstand beträgt etwa 25 Ohm.
Der Tiefpassfilter eliminiert unnötige Übergangsbedingungen, die zu zusätzlichen Messwerten und fehlerhaften Werten führen können.
Der Tiefpassfilter wird dann über den Kondensator an den digitalen Eingangspin des STM-Mikrocontrollers ausgegeben.
Der andere Teil ist der Motor, der per PWM gesteuert wird und vom STM-Mikrocontroller bereitgestellt wird.
Diese Einstellung wurde durch den Optokoppler-IC galvanisch getrennt.
Der Optokoppler enthält eine LED, die innerhalb des IC-Gehäuses Licht aussendet. Wenn am Eingangsanschluss ein hoher Impuls ausgegeben wird, wird der Ausgangsanschluss kurzgeschlossen.
Der Eingangsanschluss liefert PWM über einen Widerstand, der den Strom der an den Optokoppler angeschlossenen LED begrenzt.
Am Ausgang ist ein Drop-Down-Widerstand angeschlossen, sodass bei einem Kurzschluss des Anschlusses die Spannung am Drop-Down-Widerstand erzeugt wird und der mit dem Anschluss am Widerstand verbundene Pin einen High-Zustand erhält.
Der Ausgang des fotoelektrischen Kopplers ist mit IN1 des Motortreiber-ICs verbunden, der die Höhe des Freigabestifts beibehält.
Wenn sich der PWM-Arbeitszyklus am Eingang des Optokopplers ändert, schaltet der Motortreiber-Pin den Motor und steuert die Geschwindigkeit des Motors.
Nachdem der Motor mit PWM versorgt wird, liefert der Motortreiber normalerweise eine Spannung von 12 Volt.
Der Motortreiber ermöglicht dann den Betrieb des Motors.
Lassen Sie uns den Algorithmus vorstellen, den wir bei der Umsetzung dieses Projekts zur Motorgeschwindigkeitsregelung verwendet haben.
Die PWM des Motors wird von einem einzigen Timer bereitgestellt.
Die Konfiguration des Timers wird vorgenommen und auf die Bereitstellung von PWM eingestellt.
Wenn der Motor startet, dreht er den an der Motorwelle befestigten Schlitz.
Der Schlitz verläuft durch den Sensorhohlraum und erzeugt einen niedrigen Impuls.
Bei niedrigen Impulsen startet der Code und wartet auf die Bewegung des Schlitzes.
Sobald der Schlitz verschwindet, liefert der Sensor einen hohen Zustand und der Timer beginnt zu zählen.
Der Timer gibt uns die Zeit zwischen den beiden Schlitzen an.
Wenn nun ein weiterer Low-Impuls erscheint, wird die IF-Anweisung erneut ausgeführt, wartet auf die nächste steigende Flanke und stoppt den Zähler.
Berechnen Sie nach der Berechnung der Geschwindigkeit die Differenz zwischen der Geschwindigkeit und dem tatsächlichen Referenzwert und geben Sie den PID an.
Pid berechnet den Arbeitszykluswert, der zu einem bestimmten Zeitpunkt den Referenzwert erreicht.
Dieser Wert wird dem CCR (
Vergleichsregister) zur Verfügung gestellt.
Je nach Fehler wird die Geschwindigkeit des Timers verringert oder erhöht.
Der Atollic Truestudio-Code wurde implementiert.
Zum Debuggen muss möglicherweise STM Studio installiert werden.
Importieren Sie das Projekt in STM Studio und importieren Sie die Variablen, die Sie anzeigen möchten.
Die geringfügige Änderung ist am 4xx.11.2017.
Ändern Sie die Taktfrequenz präzise auf eine h-Datei mit 168 MHz.
Der Codeausschnitt wurde oben bereitgestellt.
Die Schlussfolgerung ist, dass die Drehzahl des Motors mithilfe von PID gesteuert wird.
Die Kurve ist jedoch nicht gerade eine glatte Linie.
Dafür gibt es viele Gründe: Obwohl der an den Tiefpassfilter angeschlossene Sensor immer noch bestimmte Defekte aufweist, sind diese auf unvermeidbare Gründe zurückzuführen, da nichtlineare Widerstände und analoge elektronische Geräte dazu führen, dass sich der Motor bei kleiner Spannung oder PWM nicht reibungslos drehen kann.
Es gibt Arschlöcher, die dazu führen können, dass das System einen falschen Wert eingibt.
Aufgrund von Jitter übersieht der Sensor möglicherweise einen Schlitz, der einen höheren Wert liefert, und der Hauptgrund für einen weiteren Fehler kann die Kerntaktfrequenz des STM sein.
Der Kerntakt von Stm beträgt 168 MHz.
Obwohl dieses Problem in diesem Projekt angegangen wurde, gibt es ein ganzheitliches Konzept dieses Modells, das eine so hohe Frequenz nicht vorsieht.
Die Geschwindigkeit im offenen Regelkreis sorgt für eine sehr gleichmäßige Linie mit nur wenigen unerwarteten Werten.
Die PID funktioniert ebenfalls und sorgt für eine sehr kurze Motorstabilitätszeit.
Der Motor-PID wurde bei verschiedenen Spannungen getestet, die die Referenzgeschwindigkeit konstant hielten.
Die Spannungsänderung ändert nicht die Drehzahl des Motors, was darauf hinweist, dass der PID funktioniert.
Hier sind einige Segmente der endgültigen Ausgabe des PID. a)
Geschlossener Kreislauf bei 110 U/minb)
Geschlossener Kreislauf bei 120 U/minDieses Projekt konnte ohne die Hilfe meiner Gruppenmitglieder nicht abgeschlossen werden.
Ich möchte ihnen danken.
Vielen Dank, dass Sie sich dieses Projekt angesehen haben.
Ich hoffe, Ihnen zu helfen.
Bitte freuen Sie sich auf mehr.
Segne vorher weiter :)