การควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC โดยใช้อัลกอริทึม PID (STM32F4)

สวัสดีทุกคนฉันเป็น Tahir ul Haq จากโครงการอื่น
เวลานี้เป็นเวลาที่จะทำ MC ที่ใช้ในปี 2017-11-407
นี่คือจุดสิ้นสุดของโปรแกรมระยะกลาง
หวังว่าคุณจะชอบมัน
มันต้องใช้แนวคิดและทฤษฎีมากมายดังนั้นให้ดูก่อน
ด้วยการเกิดขึ้นของคอมพิวเตอร์และกระบวนการทางอุตสาหกรรมมีการวิจัยในประวัติศาสตร์ของมนุษย์เพื่อพัฒนาวิธีการใหม่ในการกำหนดกระบวนการใหม่และที่สำคัญกว่านั้นคือการใช้เครื่องจักรเพื่อควบคุมกระบวนการอัตโนมัติ
จุดมุ่งหมายคือการลดการมีส่วนร่วมของมนุษย์ในกระบวนการเหล่านี้ซึ่งจะช่วยลดข้อผิดพลาดในกระบวนการเหล่านี้
ดังนั้นเขตข้อมูลของ \ 'ระบบควบคุมวิศวกรรม \' จึงเข้ามา
วิศวกรรมระบบควบคุมสามารถกำหนดเป็นการใช้วิธีการต่าง ๆ ในการควบคุมการทำงานของกระบวนการหรือการบำรุงรักษาสภาพแวดล้อมที่คงที่และที่ต้องการไม่ว่าจะเป็นแบบแมนนวลหรืออัตโนมัติ
ตัวอย่างง่ายๆคือการควบคุมอุณหภูมิของห้อง
การควบคุมด้วยตนเองหมายถึงการมีอยู่ของบุคคลที่ตรวจสอบเงื่อนไขปัจจุบันในไซต์ (เซ็นเซอร์)
ด้วยความคาดหวัง (การประมวลผล)
และดำเนินการที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ค่าที่ต้องการ (แอคทูเอเตอร์)
ปัญหาเกี่ยวกับวิธีการนี้คือมันไม่น่าเชื่อถือมากนักเพราะมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดหรือความประมาทเลินเล่อในที่ทำงาน
นอกจากนี้ปัญหาอีกประการหนึ่งคืออัตราของกระบวนการที่แอคทูเอเตอร์เริ่มต้นไม่เหมือนกันเสมอไปซึ่งหมายความว่าบางครั้งอาจเร็วกว่าความเร็วที่กำหนดและบางครั้งอาจช้า
การแก้ปัญหานี้คือการใช้เครื่องควบคุมไมโครเพื่อควบคุมระบบ
ตามข้อกำหนดที่กำหนดไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกตั้งโปรแกรมไว้เพื่อควบคุมกระบวนการเชื่อมต่อในวงจร (
อภิปรายในภายหลัง)
ค่าหรือเงื่อนไขของการควบคุมกระบวนการเพื่อรักษาค่าที่ต้องการ
ประโยชน์ของกระบวนการนี้คือไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงของมนุษย์ในกระบวนการนี้
นอกจากนี้ความเร็วของกระบวนการนี้สอดคล้องกัน
ก่อนที่เราจะดำเนินการต่อไปมันเป็นสิ่งสำคัญในการกำหนดข้อกำหนดต่าง ๆ ณ จุดนี้: การควบคุมข้อเสนอแนะ: ในระบบนี้อินพุตในเวลาที่กำหนดขึ้นอยู่กับตัวแปรหนึ่งตัวหรือมากกว่ารวมถึงเอาต์พุตของระบบ
ข้อเสนอแนะเชิงลบ: ในระบบนี้การอ้างอิง (อินพุต)
เป็นข้อเสนอแนะข้อผิดพลาดจะถูกลบออกและเฟสของอินพุตคือ 180 องศา
ข้อเสนอแนะเชิงบวก: ในระบบนี้
มีการเพิ่มข้อผิดพลาดการอ้างอิง (อินพุต) เมื่อข้อเสนอแนะและอินพุตอยู่ในเฟส
สัญญาณข้อผิดพลาด: ความแตกต่างระหว่างเอาต์พุตที่ต้องการและเอาต์พุตจริง
เซ็นเซอร์: อุปกรณ์ที่ใช้ตรวจจับอุปกรณ์จำนวนหนึ่งในวงจร
มันมักจะอยู่ในเอาต์พุตหรือที่ใดก็ได้ที่เราต้องการทำการวัดบางอย่าง
โปรเซสเซอร์: ส่วนหนึ่งของระบบควบคุมที่ประมวลผลตามอัลกอริทึมการเขียนโปรแกรม
ต้องใช้อินพุตและสร้างเอาต์พุตบางอย่าง
แอคชูเอเตอร์: ในระบบควบคุมแอคทูเอเตอร์จะใช้ในการดำเนินการตามสัญญาณตามสัญญาณที่สร้างโดยไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อส่งผลกระทบต่อเอาต์พุต
ระบบวงปิด: ระบบที่มีลูปข้อเสนอแนะอย่างน้อยหนึ่งรายการ
Open Loop System: ไม่มีระบบสำหรับการตอบรับลูป
เวลาเพิ่มขึ้น: เวลาที่ต้องใช้สำหรับผลลัพธ์ที่จะเพิ่มขึ้นจาก 10% ของแอมพลิจูดสูงสุดของสัญญาณเป็น 90%
เวลาลดลง: เวลาที่ต้องใช้สำหรับผลลัพธ์ที่จะลดลงจาก 90% เป็น 10%
จุดสูงสุด overshooting: จุดสูงสุด overshooting คือปริมาณของผลผลิตเกินกว่าค่าสถานะคงที่ (
ปกติในระหว่างการตอบสนองชั่วคราวของระบบ)
เวลาที่เสถียร: เวลาที่ต้องใช้ในการส่งออกให้ถึงสถานะที่มั่นคง
ข้อผิดพลาดคงที่สถานะ: ความแตกต่างระหว่างเอาต์พุตจริงและเอาต์พุตที่คาดหวังเมื่อระบบถึงสถานะคงที่ ภาพด้านบนแสดงระบบควบคุมที่เรียบง่ายมาก
ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นแกนกลางของระบบควบคุมใด ๆ
นี่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากดังนั้นควรเลือกอย่างรอบคอบตามข้อกำหนดของระบบ
ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รับอินพุตจากผู้ใช้
อินพุตนี้กำหนดเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับระบบ
ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังได้รับอินพุตจากเซ็นเซอร์
เซ็นเซอร์เชื่อมต่อกับเอาต์พุตและข้อมูลจะถูกป้อนกลับไปยังอินพุต
อินพุตนี้สามารถเรียกได้ว่าข้อเสนอแนะเชิงลบ
คำติชมเชิงลบได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้
จากการเขียนโปรแกรมไมโครโปรเซสเซอร์ทำการคำนวณและเอาต์พุตต่าง ๆ ไปยังแอคทูเอเตอร์
โรงงานควบคุมแอคทูเอเตอร์ที่ใช้เอาต์พุตพยายามรักษาเงื่อนไขเหล่านี้
ตัวอย่างอาจเป็นตัวขับมอเตอร์ที่ขับมอเตอร์ซึ่งคนขับมอเตอร์เป็นคนขับและมอเตอร์เป็นโรงงาน
ดังนั้นมอเตอร์จะหมุนด้วยความเร็วที่กำหนด
เซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่ออ่านสถานะของโรงงานปัจจุบันและป้อนกลับไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์
ตัวควบคุมไมโครจะถูกนำมาเปรียบเทียบอีกครั้งและคำนวณดังนั้นจึงมีการวนซ้ำซ้ำ
กระบวนการนี้ซ้ำซากและไม่มีที่สิ้นสุดและไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถรักษาเงื่อนไขที่ต้องการได้
นี่คือสองวิธีหลักในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC)
การควบคุมแรงดันไฟฟ้าด้วยตนเอง: ในการใช้งานอุตสาหกรรมกลไกการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC นั้นสำคัญมาก
บางครั้งเราอาจต้องการความเร็วที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าปกติ
ดังนั้นเราต้องใช้วิธีการควบคุมความเร็วที่มีประสิทธิภาพ
การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเป็นหนึ่งในวิธีการควบคุมความเร็วที่ง่ายที่สุด
เราสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเพื่อเปลี่ยนความเร็ว b)
ควบคุม PWM โดยใช้ PID: อีกวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นคือการใช้เครื่องควบคุมไมโคร
มอเตอร์ DC เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านไดรเวอร์มอเตอร์
ไดรเวอร์มอเตอร์เป็น IC ที่รับอินพุต PWM (
การปรับความกว้างพัลส์)
จากคอนโทรลเลอร์ไมโครและเอาต์พุตไปยังมอเตอร์ DC ตามอินพุต รูปที่ 1.
2: บทที่ 1 ของสัญญาณ PWM
บทนำ 3 เมื่อพิจารณาสัญญาณ PWM การทำงานของ PWM สามารถอธิบายได้ก่อน
ประกอบด้วยพัลส์ต่อเนื่องในช่วงระยะเวลาหนึ่ง
ช่วงเวลาคือเวลาที่ใช้โดยจุดที่เคลื่อนที่ในระยะทางเท่ากับความยาวคลื่น
พัลส์เหล่านี้สามารถมีค่าไบนารีเท่านั้น (สูงหรือต่ำ)
นอกจากนี้เรายังมีปริมาณอื่น ๆ อีกสองปริมาณความกว้างของชีพจรและวัฏจักรหน้าที่
ความกว้างของพัลส์คือเวลาที่เอาต์พุต PWM สูง
รอบการทำงานคือเปอร์เซ็นต์ของความกว้างพัลส์ถึงช่วงเวลา
สำหรับช่วงเวลาที่เหลือผลผลิตต่ำ
รอบการทำงานจะควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยตรง
หากมอเตอร์ DC ให้แรงดันไฟฟ้าบวกภายในระยะเวลาหนึ่งมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แน่นอน
หากแรงดันไฟฟ้าบวกถูกจัดเตรียมไว้เป็นระยะเวลานานความเร็วจะมากขึ้น
ดังนั้นวัฏจักรหน้าที่ของ PWM สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนความกว้างของพัลส์
โดยการเปลี่ยนรอบการทำงานของมอเตอร์ DC ความเร็วของมอเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้
การควบคุมความเร็วสำหรับปัญหามอเตอร์ DC: ปัญหาเกี่ยวกับวิธีการควบคุมความเร็วแรกคือแรงดันไฟฟ้าอาจเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้หมายถึงความเร็วที่ไม่สม่ำเสมอ
ดังนั้นวิธีแรกจึงไม่เป็นที่พึงปรารถนา
วิธีแก้ปัญหา: เราใช้วิธีที่สองเพื่อควบคุมความเร็ว
เราใช้อัลกอริทึม PID เพื่อเสริมวิธีที่สอง
PID แสดงถึงอนุพันธ์อินทิกรัลสัดส่วน
ในอัลกอริทึม PID ความเร็วปัจจุบันของมอเตอร์ถูกวัดและเปรียบเทียบกับความเร็วที่ต้องการ
ข้อผิดพลาดนี้ใช้สำหรับการคำนวณที่ซับซ้อนเพื่อเปลี่ยนรอบการทำงานของมอเตอร์ตามเวลา
มีกระบวนการนี้ในแต่ละรอบ
หากความเร็วสูงกว่าความเร็วที่ต้องการรอบการทำงานจะลดลงและรอบการทำงานจะเพิ่มขึ้นหากความเร็วต่ำกว่าความเร็วที่ต้องการ
การปรับนี้ไม่ได้ทำจนกว่าจะถึงความเร็วที่ดีที่สุด
ตรวจสอบและควบคุมความเร็วนี้อย่างต่อเนื่อง
นี่คือส่วนประกอบของระบบที่ใช้ในโครงการนี้และการแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับรายละเอียดของแต่ละองค์ประกอบ
STM 32F407: ไมโครคอนโทรลเลอร์ออกแบบโดยเซนต์ไมโคร
มันใช้งานได้กับเยื่อหุ้มสมองแขน M สถาปัตยกรรม
มันนำไปสู่ครอบครัวที่มีความถี่นาฬิกาสูง 168 MHz
Motor Driver L298N: IC นี้ใช้ในการเรียกใช้มอเตอร์
มันมีอินพุตภายนอกสองตัว
หนึ่งจากไมโครคอนโทรลเลอร์
ไมโครคอนโทรลเลอร์ให้สัญญาณ PWM สำหรับมัน
ความเร็วมอเตอร์สามารถปรับได้โดยการปรับความกว้างของพัลส์
อินพุตที่สองของมันคือแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการขับมอเตอร์
มอเตอร์ DC: มอเตอร์ DC ทำงานบนแหล่งจ่ายไฟ DC
ในการทดลองนี้มอเตอร์ DC ทำงานโดยใช้การมีเพศสัมพันธ์แบบโฟโตอิเล็กทริกที่เชื่อมต่อกับไดรเวอร์มอเตอร์
เซ็นเซอร์อินฟราเรด: เซ็นเซอร์อินฟราเรดเป็นตัวรับส่งสัญญาณอินฟราเรด
มันส่งและรับคลื่นอินฟราเรดที่สามารถใช้ในการทำงานต่าง ๆ
IR encoder Optical Coupler 4N35: Optical Coupler เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแยกส่วนแรงดันไฟฟ้าต่ำของวงจรและชิ้นส่วนแรงดันสูง
ตามชื่อหมายถึงมันทำงานบนพื้นฐานของแสง
เมื่อชิ้นส่วนแรงดันไฟฟ้าต่ำได้รับสัญญาณกระแสกระแสในส่วนแรงดันสูง
ระบบเป็นระบบควบคุมความเร็ว
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ระบบจะถูกนำไปใช้โดยใช้ PID ของสัดส่วนอินทิกรัลและอนุพันธ์
ระบบควบคุมความเร็วมีส่วนประกอบข้างต้น
ส่วนแรกคือเซ็นเซอร์ความเร็ว
เซ็นเซอร์ความเร็วเป็นเครื่องส่งสัญญาณอินฟราเรดและวงจรตัวรับสัญญาณ
เมื่อของแข็งผ่านร่องรูปตัวยูเซ็นเซอร์จะเข้าสู่สถานะต่ำ
โดยปกติจะอยู่ในสถานะสูง
เอาต์พุตเซ็นเซอร์เชื่อมต่อกับตัวกรองต่ำผ่านเพื่อกำจัดการลดทอนที่เกิดจากชั่วคราวที่สร้างขึ้นเมื่อสถานะของเซ็นเซอร์เปลี่ยนไป
ตัวกรองต่ำผ่านประกอบด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ
ค่าถูกเลือกตามต้องการ
ตัวเก็บประจุที่ใช้คือ 1100NF และความต้านทานที่ใช้ประมาณ 25 โอห์ม
ตัวกรอง Low-Pass ช่วยลดเงื่อนไขชั่วคราวที่ไม่จำเป็นซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการอ่านเพิ่มเติมและค่าขยะ
ตัวกรอง Low-Pass จะถูกส่งออกผ่านตัวเก็บประจุไปยังพินดิจิตอลอินพุตของตัวควบคุม STM micro
อีกส่วนหนึ่งคือมอเตอร์ที่ควบคุมโดย PWM ที่จัดทำโดย STM micro-controller
การตั้งค่านี้ได้รับการแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้ Optical Coupler IC
Optical Coupler รวมถึง LED ที่ปล่อยแสงภายในแพ็คเกจ IC และเมื่อมีพัลส์สูงที่เทอร์มินัลอินพุตมันจะลัดวงจรขั้วเอาต์พุต
เทอร์มินัลอินพุตให้ PWM ผ่านตัวต้านทานที่ จำกัด กระแสของ LED ที่เชื่อมต่อกับคัปเตอร์ออปติคัล
ตัวต้านทานแบบเลื่อนลงเชื่อมต่อที่เอาต์พุตเพื่อให้เทอร์มินัลลัดวงจรแรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นที่ตัวต้านทานแบบเลื่อนลงและพินที่เชื่อมต่อกับเทอร์มินัลบนตัวต้านทานจะได้รับสถานะสูง
เอาต์พุตของ coupler โฟโตอิเล็กทริกเชื่อมต่อกับ IN1 ของตัวขับมอเตอร์ที่รักษาความสูงของพินที่เปิดใช้งาน
เมื่อรอบการทำงานของ PWM เปลี่ยนไปที่อินพุต Optical Coupler PIN Motor Driver Pin จะสลับมอเตอร์และควบคุมความเร็วของมอเตอร์
หลังจาก PWM ให้กับมอเตอร์แล้วคนขับมอเตอร์มักจะให้แรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์
จากนั้นไดรเวอร์มอเตอร์จะช่วยให้มอเตอร์ทำงานได้
ขอแนะนำอัลกอริทึมที่เราใช้ในการดำเนินโครงการควบคุมความเร็วมอเตอร์นี้
PWM ของมอเตอร์จัดทำโดยตัวจับเวลาเดียว
การกำหนดค่าของตัวจับเวลาถูกสร้างขึ้นและตั้งค่าเพื่อให้ PWM
เมื่อมอเตอร์เริ่มต้นจะหมุนร่องที่ติดกับเพลามอเตอร์
ร่องผ่านช่องเซ็นเซอร์และสร้างชีพจรต่ำ
ที่พัลส์ต่ำโค้ดจะเริ่มต้นและรอให้ร่องเคลื่อนย้าย
เมื่อร่องหายไปเซ็นเซอร์จะให้สถานะสูงและตัวจับเวลาจะเริ่มนับ
ตัวจับเวลาให้เวลาระหว่างสองร่อง
ตอนนี้เมื่อมีชีพจรต่ำอีกตัวหนึ่งปรากฏขึ้นคำสั่ง IF จะดำเนินการอีกครั้งรอการเพิ่มขึ้นครั้งต่อไปและหยุดเคาน์เตอร์
หลังจากคำนวณความเร็วให้คำนวณความแตกต่างระหว่างความเร็วและค่าอ้างอิงจริงและให้ PID
PID คำนวณค่าวัฏจักรหน้าที่ที่ถึงค่าอ้างอิงในช่วงเวลาที่กำหนด
ค่านี้มีให้กับ CCR (
การลงทะเบียนเปรียบเทียบ)
ขึ้นอยู่กับข้อผิดพลาดความเร็วของตัวจับเวลาจะลดลงหรือเพิ่มขึ้น
รหัส truestudio atollic ได้ถูกนำไปใช้
Stm Studio อาจต้องติดตั้งสำหรับการดีบัก
นำเข้าโครงการในสตูดิโอ STM และนำเข้าตัวแปรที่คุณต้องการดู
การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยอยู่ที่ 2017-11-4xx
เปลี่ยนความถี่นาฬิกาอย่างแม่นยำเป็นไฟล์ H ที่ 168 MHz
ตัวอย่างรหัสได้รับการจัดเตรียมไว้ด้านบน
ข้อสรุปคือความเร็วของมอเตอร์ถูกควบคุมโดยใช้ PID
อย่างไรก็ตามเส้นโค้งไม่ได้เป็นเส้นที่ราบรื่น
มีเหตุผลหลายประการสำหรับสิ่งนี้: แม้ว่าเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับตัวกรอง Low-Pass ยังคงมีข้อบกพร่องบางอย่าง แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเพราะเหตุผลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับตัวต้านทานแบบไม่เชิงเส้นและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอะนาล็อกมอเตอร์ไม่สามารถหมุนได้อย่างราบรื่นด้วยแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กหรือ PWM
มันมี assholes ที่อาจทำให้ระบบป้อนค่าที่ไม่ถูกต้อง
เนื่องจากความกระวนกระวายใจเซ็นเซอร์อาจพลาดร่องที่ให้ค่าที่สูงขึ้นและเหตุผลหลักสำหรับข้อผิดพลาดอื่นอาจเป็นความถี่สัญญาณนาฬิกาหลักของ STM
นาฬิกาหลักของ STM คือ 168 MHz
แม้ว่าปัญหานี้ได้รับการแก้ไขในโครงการนี้ แต่ก็มีแนวคิดแบบองค์รวมของรุ่นนี้ที่ไม่ได้ให้ความถี่สูงเช่นนี้
ความเร็วลูปแบบเปิดให้เส้นที่ราบรื่นมากโดยมีค่าที่ไม่คาดคิดเพียงไม่กี่ค่าเท่านั้น
PID ยังใช้งานได้และให้เวลาความเสถียรของมอเตอร์ต่ำมาก
Motor PID ถูกทดสอบที่แรงดันไฟฟ้าต่าง ๆ ที่เก็บค่าคงที่ความเร็วอ้างอิง
การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าไม่ได้เปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์แสดงว่า PID ทำงานได้
นี่คือบางส่วนของผลลัพธ์สุดท้ายของ PID A)
ปิดลูป @ 110 rpmb)
ปิดลูป @ 120 rpmthis โครงการไม่สามารถเสร็จสิ้นได้หากไม่ได้รับความช่วยเหลือจากสมาชิกกลุ่มของฉัน
ฉันอยากจะขอบคุณพวกเขา
ขอบคุณที่ดูโครงการนี้
หวังว่าจะช่วยคุณ
โปรดหวังว่าจะได้มากขึ้น
ให้พรก่อนหน้านั้น :)