управление скоростью двигателя постоянного тока с использованием пид-алгоритма (stm32f4)

Привет всем, я Тахир уль Хак из другого проекта.
На этот раз пришло время сделать MC, который использовался 2017-11-407.
Это конец среднесрочной программы.
Надеюсь, вам понравится.
Это требует множества концепций и теорий, поэтому давайте сначала рассмотрим это.
С появлением компьютеров и индустриализированных процессов в истории человечества были проведены исследования по разработке методов переопределения процесса и, что более важно, по использованию машин для автономного управления процессом.
Цель состоит в том, чтобы уменьшить участие человека в этих процессах, тем самым уменьшая количество ошибок в этих процессах.
Так возникла область «инженерия систем управления».
Проектирование системы управления можно определить как использование различных методов управления работой процесса или поддержания постоянной и предпочтительной среды, будь то ручная или автоматическая.
Простой пример – контроль температуры в помещении.
Ручное управление подразумевает присутствие человека, который проверяет текущие условия на месте (датчик)
, с ожиданиями (обработка)
и предпринимает соответствующие действия для получения желаемого значения (исполнительный механизм).
Проблема с этим подходом в том, что он не очень надежен, поскольку при работе возможны ошибки или небрежность.
Кроме того, еще одной проблемой является то, что скорость процесса, запускаемого приводом, не всегда одинакова, а это значит, что иногда она может быть быстрее требуемой скорости, а иногда и медленнее.
Решением этой проблемы является использование микроконтроллера для управления системой.
Согласно данной спецификации, микроконтроллер запрограммирован на управление процессом подключения в цепи (
обсудим позже)
значения или состояния, тем самым управляя процессом для поддержания желаемого значения.
Преимущество этого процесса в том, что в этом процессе нет необходимости вмешательства человека.
Кроме того, скорость этого процесса постоянна.
Прежде чем мы продолжим, крайне важно определить различные термины на этом этапе: Управление с обратной связью: в этой системе входные данные в определенный момент времени зависят от одной или нескольких переменных, включая выходные данные системы.
Отрицательная обратная связь: в этой системе задание (вход).
В качестве обратной связи ошибка вычитается, и фаза входа составляет 180 градусов.
Положительная обратная связь: в этой системе опорные (входные)
ошибки добавляются, когда обратная связь и вход находятся в фазе.
Сигнал ошибки: разница между желаемым и фактическим выходом.
Датчик: устройство, используемое для обнаружения определенного количества устройств в цепи.
Обычно он размещается на выходе или в любом месте, где мы хотим выполнить некоторые измерения.
Процессор: часть системы управления, обрабатываемая на основе алгоритмов программирования.
Он принимает некоторый ввод и производит некоторый результат.
Исполнительный механизм: в системе управления исполнительный механизм используется для выполнения событий на основе сигнала, генерируемого микроконтроллером, для воздействия на выходной сигнал.
Замкнутая система: система с одним или несколькими контурами обратной связи.
Система с разомкнутым контуром: система обратной связи отсутствует.
Время нарастания: время, необходимое для повышения выходного сигнала с 10 % максимальной амплитуды сигнала до 90 %.
Время падения: время, необходимое для снижения выходной мощности с 90% до 10%.
Пиковое превышение: пиковое превышение — это величина выходного сигнала, превышающая его установившееся значение (
нормальное явление во время переходного процесса системы).
Стабильное время: время, необходимое для достижения стабильного состояния выхода.
Устойчивая ошибка: разница между фактическим выходным сигналом и ожидаемым выходным сигналом, когда система достигает устойчивого состояния. На рисунке выше показан очень упрощенный вариант системы управления.
Микроконтроллер является ядром любой системы управления.
Это очень важный компонент, поэтому его следует тщательно выбирать в соответствии с требованиями системы.
Микроконтроллер получает входные данные от пользователя.
Этот вход определяет условия, необходимые для системы.
Микроконтроллер также получает входные данные от датчика.
Датчик подключается к выходу, и его информация поступает обратно на вход.
Этот вход также можно назвать отрицательной обратной связью.
Отрицательный отзыв был объяснен ранее.
На основе своего программирования микропроцессор выполняет различные расчеты и выдает выходные данные на привод.
Система управления приводом на основе выходного сигнала пытается поддерживать эти условия.
Примером может быть водитель двигателя, приводящий в движение двигатель, где водитель двигателя является водителем, а двигатель — заводом.
Следовательно, двигатель вращается с заданной скоростью.
Подключенный датчик считывает статус текущего завода и передает его обратно на микроконтроллер.
Микроконтроллер снова сравнивается и рассчитывается, поэтому цикл повторяется.
Процесс повторяющийся и бесконечный, а микроконтроллер может поддерживать желаемые условия.
Вот два основных способа управления скоростью двигателя постоянного тока.
Ручное управление напряжением: в промышленных приложениях механизм управления скоростью двигателя постоянного тока имеет решающее значение.
Иногда нам могут потребоваться скорости выше или ниже обычных.
Поэтому нам нужен эффективный метод управления скоростью.
Управление напряжением питания является одним из простейших методов регулирования скорости.
Мы можем изменить напряжение, чтобы изменить скорость. б)
Управление ШИМ с помощью ПИД-регулятора: другой, более эффективный способ — использовать микроконтроллер.
Двигатель постоянного тока подключен к микроконтроллеру через драйвер двигателя.
Драйвер двигателя представляет собой микросхему, принимающую ШИМ (
широтно-импульсную модуляцию).
Входной сигнал от микроконтроллера и выходной сигнал на двигатель постоянного тока в соответствии с входным сигналом. Рисунок
1.2: Глава 1 ШИМ-сигнала.
Введение 3. Рассматривая сигнал ШИМ, сначала можно объяснить работу ШИМ.
Он состоит из непрерывных импульсов в течение определенного периода времени.
Период времени – это время, затраченное точкой, перемещающейся на расстояние, равное длине волны.
Эти импульсы могут иметь только двоичные значения (HIGH или LOW).
У нас также есть две другие величины: ширина импульса и рабочий цикл.
Ширина импульса — это время, когда выходной сигнал ШИМ высокий.
Рабочий цикл представляет собой процентное отношение ширины импульса к периоду времени.
В остальное время производительность низкая.
Рабочий цикл напрямую управляет скоростью двигателя.
Если двигатель постоянного тока обеспечивает положительное напряжение в течение определенного периода времени, он будет двигаться с определенной скоростью.
Если положительное напряжение подается в течение более длительного периода времени, скорость будет больше.
Следовательно, рабочий цикл ШИМ можно изменить, изменив ширину импульса.
Изменяя рабочий цикл двигателя постоянного тока, можно изменить скорость двигателя.
Управление скоростью при проблемах с двигателем постоянного тока: проблема первого метода управления скоростью заключается в том, что напряжение может меняться со временем.
Эти изменения означают неравномерность скорости.
Поэтому первый способ нежелателен.
Решение: Для управления скоростью используем второй метод.
Мы используем PID-алгоритм в дополнение ко второму методу.
ПИД представляет собой пропорциональную интегральную производную.
В алгоритме ПИД измеряется текущая скорость двигателя и сравнивается с желаемой скоростью.
Эта ошибка используется для сложных расчетов по изменению рабочего цикла двигателя в зависимости от времени.
Этот процесс происходит в каждом цикле.
Если скорость превышает желаемую, рабочий цикл уменьшается, а рабочий цикл увеличивается, если скорость ниже желаемой.
Эта регулировка не производится до тех пор, пока не будет достигнута оптимальная скорость.
Постоянно проверяйте и контролируйте эту скорость.
Ниже приведены системные компоненты, использованные в этом проекте, и краткое описание каждого компонента.
STM 32F407: микроконтроллер, разработанный ST Micro-section.
Он работает на ARM Cortex. М Архитектура.
Он лидирует в своем семействе с высокой тактовой частотой 168 МГц.
Драйвер двигателя L298N: эта микросхема используется для управления двигателем.
Имеет два внешних входа.
Один от микроконтроллера.
Микроконтроллер подает на него ШИМ-сигнал.
Скорость двигателя можно регулировать, регулируя ширину импульса.
Его второй вход — это источник напряжения, необходимый для привода двигателя.
Двигатель постоянного тока: двигатель постоянного тока работает от источника постоянного тока.
В этом эксперименте двигатель постоянного тока работает с помощью фотоэлектрической муфты, подключенной к драйверу двигателя.
Инфракрасный датчик: инфракрасный датчик на самом деле представляет собой инфракрасный приемопередатчик.
Он отправляет и принимает инфракрасные волны, которые можно использовать для выполнения различных задач.
Оптическая муфта ИК-энкодера 4N35: оптическая муфта — это устройство, используемое для изоляции низковольтной части цепи от высоковольтной части.
Как следует из названия, он работает на основе света.
Когда часть низкого напряжения получает сигнал, ток течет в части высокого напряжения.
Система представляет собой систему контроля скорости.
Как упоминалось ранее, система реализована с использованием ПИД пропорционального интеграла и производной.
Система регулирования скорости имеет вышеперечисленные компоненты.
Первая часть — датчик скорости.
Датчик скорости представляет собой схему инфракрасного передатчика и приемника.
Когда твердое вещество проходит через U-образную щель, датчик переходит в низкое состояние.
Обычно он находится в высоком состоянии.
Выход датчика подключен к фильтру нижних частот для устранения затухания, вызванного переходными процессами, возникающими при изменении состояния датчика.
Фильтр нижних частот состоит из резисторов и конденсаторов.
Значения были выбраны необходимые.
Используемый конденсатор имеет емкость 1100 нф, а сопротивление составляет около 25 Ом.
Фильтр нижних частот устраняет ненужные переходные процессы, которые могут привести к дополнительным показаниям и значениям мусора.
Затем фильтр нижних частот через конденсатор подается на входной цифровой вывод микроконтроллера stm.
Другая часть — это двигатель, управляемый ШИМ, обеспечиваемый микроконтроллером STM.
Эта настройка обеспечена электрической изоляцией с использованием микросхемы оптического соединителя.
Оптический соединитель включает в себя светодиод, который излучает свет внутри корпуса микросхемы, и когда на входной терминал подается высокий импульс, он закорачивает выходной терминал.
Входной терминал подает ШИМ через резистор, который ограничивает ток светодиода, подключенного к оптическому соединителю.
На выходе подключен понижающий резистор, так что при коротком замыкании клеммы на понижающем резисторе генерируется напряжение и вывод, подключенный к клемме на резисторе, получает высокое состояние.
Выход фотоэлектрической муфты подключен к входу IN1 микросхемы драйвера двигателя, которая поддерживает высоту разрешающего контакта.
Когда рабочий цикл ШИМ изменяется на входе оптического соединителя, вывод драйвера двигателя переключает двигатель и управляет его скоростью.
После подачи ШИМ на двигатель драйвер двигателя обычно подает напряжение 12 Вольт.
Затем драйвер двигателя позволяет двигателю работать.
Давайте представим алгоритм, который мы использовали при реализации этого проекта регулирования скорости двигателя.
ШИМ двигателя обеспечивается одним таймером.
Конфигурация таймера выполнена и установлена ​​для обеспечения ШИМ.
Когда двигатель запускается, он вращает прорезь, прикрепленную к валу двигателя.
Щель проходит через полость датчика и производит слабый импульс.
При низких импульсах код запускается и ждет перемещения щели.
Как только щель исчезнет, ​​датчик перейдет в состояние высокого уровня и таймер начнет отсчет.
Таймер дает нам время между двумя разрезами.
Теперь, когда появляется еще один низкий импульс, оператор IF выполняется снова, ожидая следующего нарастающего фронта и останавливая счетчик.
После расчета скорости вычислите разницу между скоростью и фактическим опорным значением и задайте pid.
Pid вычисляет значение рабочего цикла, которое достигает опорного значения в данный момент.
Это значение передается в CCR (
регистр сравнения).
В зависимости от ошибки скорость таймера уменьшается или увеличивается.
Реализован код Atollic Truestudio.
Для отладки может потребоваться установка STM Studio.
Импортируйте проект в студию STM и импортируйте переменные, которые хотите просмотреть.
Небольшие изменения произошли в версии 2017-11-4xx.
Измените тактовую частоту точно на h-файл на 168 МГц.
Фрагмент кода был предоставлен выше.
Вывод: скорость двигателя регулируется с помощью ПИД-регулятора.
Однако кривая не совсем плавная линия.
Причин этому много: хотя датчик, подключенный к ФНЧ, все же имеет определенные дефекты, они обусловлены некоторыми неизбежными причинами: нелинейные резисторы и аналоговые электронные устройства не позволяют двигателю плавно вращаться при малом напряжении или ШИМ.
Он предоставляет придурки, которые могут привести к тому, что система введет неправильное значение.
Из-за джиттера датчик может пропустить какую-то щель, обеспечивающую более высокое значение, а основной причиной еще одной ошибки может быть тактовая частота ядра стм.
Частота ядра Stm составляет 168 МГц.
Хоть эта проблема и рассматривалась в данном проекте, существует целостная концепция данной модели, не обеспечивающая столь высокую частоту.
Скорость с разомкнутым контуром обеспечивает очень плавную линию только с несколькими неожиданными значениями.
ПИД-регулятор также работает и обеспечивает очень малое время стабилизации двигателя.
ПИД-регулятор двигателя был протестирован при различных напряжениях, которые поддерживали постоянную опорную скорость.
Изменение напряжения не меняет скорость двигателя, что указывает на работу ПИД-регулятора.
Вот некоторые сегменты окончательного вывода PID. а)
Замкнутый контур @ 110 об/мин b)
Замкнутый контур @ 120 об/мин Этот проект не мог быть завершен без помощи членов моей группы.
Я хочу поблагодарить их.
Спасибо за просмотр этого проекта.
Надеюсь помочь вам.
Пожалуйста, ждите большего.
Перед этим продолжайте благословлять :)