điều khiển tốc độ động cơ dc bằng thuật toán pid (stm32f4)

Xin chào mọi người, tôi là tahir ul haq từ một dự án khác.
Lần này là lúc làm MC đã được sử dụng từ 2017-11-407.
Đây là phần kết thúc của chương trình giữa kỳ.
Hy vọng bạn thích nó.
Nó đòi hỏi rất nhiều khái niệm và lý thuyết, vì vậy chúng ta hãy xem xét nó trước.
Với sự xuất hiện của máy tính và quy trình công nghiệp hóa, trong lịch sử loài người đã có nghiên cứu phát triển các phương pháp xác định lại quy trình và quan trọng hơn là sử dụng máy móc để điều khiển quy trình một cách tự chủ.
Mục đích là giảm sự tham gia của con người vào các quy trình này, do đó giảm sai sót trong các quy trình này.
Vì vậy, lĩnh vực \'kỹ thuật hệ thống điều khiển\' ra đời.
Kỹ thuật hệ thống điều khiển có thể được định nghĩa là việc sử dụng các phương pháp khác nhau để kiểm soát công việc của quy trình hoặc duy trì môi trường ổn định và ưu tiên, dù là thủ công hay tự động.
Một ví dụ đơn giản là kiểm soát nhiệt độ của căn phòng.
Điều khiển bằng tay đề cập đến sự hiện diện của một người kiểm tra các điều kiện hiện tại tại chỗ (cảm biến)
, với mong đợi (xử lý)
và thực hiện hành động thích hợp để đạt được giá trị mong muốn (bộ truyền động).
Vấn đề với cách tiếp cận này là nó không đáng tin cậy lắm vì người ta dễ mắc lỗi hoặc sơ suất trong công việc.
Ngoài ra, một vấn đề khác là tốc độ quá trình khởi động của bộ truyền động không phải lúc nào cũng đồng đều, nghĩa là đôi khi có thể nhanh hơn tốc độ yêu cầu, đôi khi có thể chậm.
Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ điều khiển vi mô để điều khiển hệ thống.
Theo thông số kỹ thuật đã cho, bộ vi điều khiển được lập trình để điều khiển quá trình kết nối trong mạch (
Thảo luận sau)
Giá trị hoặc điều kiện của, từ đó điều khiển quá trình để duy trì giá trị mong muốn.
Lợi ích của quá trình này là không cần sự can thiệp của con người vào quá trình này.
Ngoài ra, tốc độ của quá trình này là nhất quán.
Trước khi chúng ta tiếp tục, điều quan trọng là phải xác định các thuật ngữ khác nhau tại thời điểm này: Kiểm soát phản hồi: Trong hệ thống này, đầu vào tại một thời điểm nhất định phụ thuộc vào một hoặc nhiều biến, bao gồm cả đầu ra của hệ thống.
Phản hồi âm: Trong hệ thống này, tham chiếu (đầu vào)
Là phản hồi, sai số được trừ đi và pha của đầu vào là 180 độ.
Phản hồi tích cực: Trong hệ thống này,
các lỗi tham chiếu (đầu vào) được thêm vào khi phản hồi và đầu vào cùng pha.
Tín hiệu lỗi: sự khác biệt giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế.
Cảm biến: một thiết bị dùng để phát hiện một số lượng thiết bị nhất định trong mạch.
Nó thường được đặt ở đầu ra hoặc bất cứ nơi nào chúng ta muốn thực hiện một số phép đo.
Bộ xử lý: một phần của hệ thống điều khiển được xử lý dựa trên các thuật toán lập trình.
Nó cần một số đầu vào và tạo ra một số đầu ra.
Bộ truyền động: trong hệ thống điều khiển, bộ truyền động được sử dụng để thực hiện các sự kiện dựa trên tín hiệu do bộ điều khiển vi mô tạo ra để tác động đến đầu ra.
Hệ thống vòng kín: một hệ thống có một hoặc nhiều vòng phản hồi.
Hệ thống vòng hở: không có hệ thống vòng phản hồi.
Rise Time: Thời gian cần thiết để đầu ra tăng từ 10% biên độ tối đa của tín hiệu lên 90%.
Drop Time: Thời gian cần thiết để đầu ra giảm từ 90% xuống 10%.
Quá mức đỉnh: quá mức đỉnh là lượng đầu ra vượt quá giá trị trạng thái ổn định của nó (
Bình thường trong phản ứng nhất thời của hệ thống).
Stable Time: Thời gian cần thiết để đầu ra đạt trạng thái ổn định.
Lỗi trạng thái ổn định: chênh lệch giữa đầu ra thực tế và đầu ra dự kiến ​​khi hệ thống đạt đến trạng thái ổn định. Hình trên cho thấy một phiên bản rất đơn giản của hệ thống điều khiển.
Bộ điều khiển vi mô là cốt lõi của bất kỳ hệ thống điều khiển nào.
Đây là thành phần rất quan trọng nên cần được lựa chọn cẩn thận theo yêu cầu của hệ thống.
Bộ điều khiển vi mô nhận đầu vào từ người dùng.
Đầu vào này xác định các điều kiện cần thiết cho hệ thống.
Bộ điều khiển vi mô cũng nhận đầu vào từ cảm biến.
Cảm biến được kết nối với đầu ra và thông tin của nó được đưa trở lại đầu vào.
Đầu vào này cũng có thể được gọi là phản hồi tiêu cực.
Phản hồi tiêu cực đã được giải thích trước đó.
Dựa trên lập trình của nó, bộ vi xử lý thực hiện các phép tính và đầu ra khác nhau tới bộ truyền động.
Nhà máy điều khiển bộ truyền động dựa trên đầu ra cố gắng duy trì các điều kiện này.
Một ví dụ có thể là người điều khiển động cơ điều khiển động cơ, trong đó người điều khiển động cơ là người lái và động cơ là nhà máy.
Do đó, động cơ quay ở một tốc độ nhất định.
Cảm biến được kết nối sẽ đọc trạng thái của nhà máy hiện tại và đưa nó trở lại bộ điều khiển vi mô.
Bộ điều khiển vi mô được so sánh lại và tính toán, do đó vòng lặp được lặp lại.
Quá trình này lặp đi lặp lại và vô tận, và bộ điều khiển vi mô có thể duy trì các điều kiện mong muốn.
Dưới đây là hai cách chính để điều khiển tốc độ của động cơ DC)
Điều khiển điện áp bằng tay: trong các ứng dụng công nghiệp, cơ chế điều khiển tốc độ của động cơ DC là rất quan trọng.
Đôi khi chúng ta có thể cần tốc độ cao hơn hoặc thấp hơn bình thường.
Vì vậy, chúng ta cần một phương pháp kiểm soát tốc độ hiệu quả.
Kiểm soát điện áp cung cấp là một trong những phương pháp kiểm soát tốc độ đơn giản nhất.
Chúng ta có thể thay đổi điện áp để thay đổi tốc độ. b)
Điều khiển PLC bằng PID: một cách khác hiệu quả hơn là sử dụng bộ điều khiển vi mô.
Động cơ DC được kết nối với bộ điều khiển vi mô thông qua trình điều khiển động cơ.
Trình điều khiển động cơ là một IC nhận
tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM)
từ bộ điều khiển vi mô và xuất ra động cơ DC theo đầu vào. Hình 1.
2: Chương 1 của tín hiệu điều khiển từ xa.
Giới thiệu 3 xem xét tín hiệu điều khiển từ xa, trước tiên có thể giải thích hoạt động của điều khiển xung điện.
Nó bao gồm các xung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định.
Khoảng thời gian là khoảng thời gian mà một điểm chuyển động ở một khoảng cách bằng bước sóng.
Các xung này chỉ có thể có giá trị nhị phân (CAO hoặc THẤP).
Chúng ta cũng có hai đại lượng khác, độ rộng xung và chu kỳ nhiệm vụ.
Độ rộng xung là thời điểm đầu ra xung ở mức cao.
Chu kỳ nhiệm vụ là tỷ lệ phần trăm của độ rộng xung trong khoảng thời gian.
Trong khoảng thời gian còn lại, đầu ra ở mức thấp.
Chu kỳ làm việc trực tiếp điều khiển tốc độ của động cơ.
Nếu động cơ DC cung cấp điện áp dương trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ di chuyển với một tốc độ nhất định.
Nếu điện áp dương được cung cấp trong thời gian dài hơn thì tốc độ sẽ lớn hơn.
Do đó, chu kỳ hoạt động của xung có thể được thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung.
Bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc của động cơ DC, tốc độ của động cơ có thể được thay đổi.
Điều khiển tốc độ cho các vấn đề về động cơ DC: vấn đề với phương pháp điều khiển tốc độ đầu tiên là điện áp có thể thay đổi theo thời gian.
Những thay đổi này có nghĩa là tốc độ không đồng đều.
Vì vậy, phương pháp đầu tiên là không mong muốn.
Giải pháp: Chúng tôi sử dụng phương pháp thứ hai để kiểm soát tốc độ.
Chúng tôi sử dụng thuật toán PID để bổ sung cho phương pháp thứ hai.
PID đại diện cho đạo hàm tích phân tỷ lệ.
Trong thuật toán PID, tốc độ hiện tại của động cơ được đo và so sánh với tốc độ mong muốn.
Lỗi này được sử dụng cho các phép tính phức tạp nhằm thay đổi chu kỳ làm việc của động cơ theo thời gian.
Có quá trình này trong mỗi chu kỳ.
Nếu tốc độ vượt quá tốc độ mong muốn, chu kỳ nhiệm vụ sẽ giảm và chu kỳ nhiệm vụ sẽ tăng nếu tốc độ thấp hơn tốc độ mong muốn.
Việc điều chỉnh này không được thực hiện cho đến khi đạt được tốc độ tốt nhất.
Hãy thường xuyên kiểm tra và kiểm soát tốc độ này.
Dưới đây là các thành phần hệ thống được sử dụng trong dự án này và phần giới thiệu ngắn gọn về chi tiết của từng thành phần.
STM 32F407: Bộ vi điều khiển được thiết kế bởi ST Micro-section.
Nó hoạt động trên ARM Cortex. Kiến trúc M.
Nó dẫn đầu gia đình với tần số xung nhịp cao 168 MHz.
Trình điều khiển động cơ L298N: IC này dùng để chạy động cơ.
Nó có hai đầu vào bên ngoài.
Một từ bộ điều khiển vi mô.
Bộ điều khiển vi mô cung cấp tín hiệu xung cho nó.
Tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh độ rộng xung.
Đầu vào thứ hai của nó là nguồn điện áp cần thiết để điều khiển động cơ.
Động cơ DC: Động cơ DC chạy bằng nguồn điện DC.
Trong thí nghiệm này, động cơ DC được vận hành bằng cách sử dụng khớp nối quang điện được nối với bộ điều khiển động cơ.
Cảm biến hồng ngoại: cảm biến hồng ngoại thực chất là một thiết bị thu phát hồng ngoại.
Nó gửi và nhận sóng hồng ngoại có thể được sử dụng để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.
Bộ ghép quang mã hóa IR 4N35: Bộ ghép quang là thiết bị dùng để cách ly phần điện áp thấp của mạch và phần điện áp cao.
Đúng như tên gọi, nó hoạt động dựa trên ánh sáng.
Khi phần điện áp thấp nhận được tín hiệu, dòng điện sẽ chạy ở phần điện áp cao.
Hệ thống này là một hệ thống kiểm soát tốc độ.
Như đã đề cập trước đó, hệ thống được triển khai bằng cách sử dụng PID của tích phân tỷ lệ và đạo hàm.
Hệ thống điều khiển tốc độ có các thành phần trên.
Phần đầu tiên là cảm biến tốc độ.
Cảm biến tốc độ là một mạch phát và thu hồng ngoại.
Khi vật rắn đi qua khe hình chữ u, cảm biến sẽ chuyển sang trạng thái thấp.
Thông thường nó ở trạng thái cao.
Đầu ra cảm biến được kết nối với bộ lọc thông thấp để loại bỏ sự suy giảm do hiện tượng nhất thời tạo ra khi trạng thái của cảm biến thay đổi.
Bộ lọc thông thấp bao gồm điện trở và tụ điện.
Các giá trị đã được chọn theo yêu cầu.
Tụ điện được sử dụng là 1100nf và điện trở được sử dụng là khoảng 25 ohms.
Bộ lọc thông thấp loại bỏ các điều kiện nhất thời không cần thiết có thể dẫn đến các giá trị đọc và giá trị rác bổ sung.
Sau đó, bộ lọc thông thấp được đưa ra qua tụ điện tới chân kỹ thuật số đầu vào của bộ điều khiển vi mô stm.
Phần còn lại là động cơ được điều khiển bởi pwm được cung cấp bởi bộ điều khiển vi mô stm.
Cài đặt này đã được cung cấp khả năng cách ly điện bằng cách sử dụng ic ghép quang.
Bộ ghép quang bao gồm một đèn LED phát ra ánh sáng trong gói ic và khi một xung cao được đưa ra ở đầu vào, nó sẽ làm đoản mạch đầu ra.
Thiết bị đầu cuối đầu vào cung cấp pwm thông qua một điện trở giới hạn dòng điện của đèn led được kết nối với bộ ghép quang.
Một điện trở thả xuống được kết nối ở đầu ra để khi đầu cực bị đoản mạch, điện áp được tạo ra ở điện trở thả xuống và chân nối với đầu cực trên điện trở nhận được trạng thái cao.
Đầu ra của bộ ghép quang điện được kết nối với IN1 của ic điều khiển động cơ để duy trì chiều cao của chân kích hoạt.
Khi chu kỳ nhiệm vụ pwm thay đổi ở đầu vào bộ ghép quang, chân điều khiển động cơ sẽ chuyển động cơ và điều khiển tốc độ của động cơ.
Sau khi cung cấp pwm cho động cơ, bộ điều khiển động cơ thường cung cấp điện áp 12 volt.
Trình điều khiển động cơ sau đó cho phép động cơ hoạt động.
Hãy giới thiệu thuật toán chúng tôi đã sử dụng để thực hiện dự án điều chỉnh tốc độ động cơ này.
Pwm của động cơ được cung cấp bởi một bộ đếm thời gian duy nhất.
Cấu hình của bộ hẹn giờ được tạo và thiết lập để cung cấp pwm.
Khi động cơ khởi động, nó sẽ làm quay khe gắn với trục động cơ.
Khe đi qua khoang cảm biến và tạo ra xung thấp.
Ở xung thấp, mã bắt đầu và chờ khe di chuyển.
Khi khe biến mất, cảm biến sẽ cung cấp trạng thái cao và bộ đếm thời gian bắt đầu đếm.
Bộ đếm thời gian cho chúng ta thời gian giữa hai khe.
Bây giờ, khi một xung thấp khác xuất hiện, câu lệnh IF lại thực thi, chờ cạnh tăng tiếp theo và dừng bộ đếm.
Sau khi tính toán tốc độ, hãy tính chênh lệch giữa tốc độ và giá trị tham chiếu thực tế và đưa ra pid.
Pid tính toán giá trị chu kỳ nhiệm vụ đạt đến giá trị tham chiếu tại một thời điểm nhất định.
Giá trị này được cung cấp cho CCR (
Thanh ghi so sánh)
Tùy thuộc vào lỗi mà tốc độ của bộ định thời giảm hoặc tăng.
Mã Atollic Truestudio đã được triển khai.
Studio STM có thể cần được cài đặt để gỡ lỗi.
Nhập dự án vào studio STM và nhập các biến bạn muốn xem.
Sự thay đổi nhỏ là vào ngày 2017-11-4xx.
Thay đổi chính xác tần số xung nhịp thành tệp h ở 168 MHz.
Đoạn mã đã được cung cấp ở trên.
Kết luận là tốc độ của động cơ được điều khiển bằng PID.
Tuy nhiên, đường cong không hẳn là một đường thẳng.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến điều này: mặc dù cảm biến kết nối với bộ lọc thông thấp vẫn mắc một số khiếm khuyết nhất định, nhưng đó là do một số nguyên nhân không thể tránh khỏi do điện trở phi tuyến và các thiết bị điện tử analog, động cơ không thể quay trơn tru ở điện áp nhỏ hoặc pwm.
Nó cung cấp những kẻ lừa đảo có thể khiến hệ thống nhập sai một số giá trị.
Do hiện tượng giật, cảm biến có thể bỏ lỡ một số khe cung cấp giá trị cao hơn và nguyên nhân chính gây ra lỗi khác có thể là tần số xung nhịp lõi của stm.
Xung nhịp lõi của Stm là 168 MHz.
Mặc dù vấn đề này đã được giải quyết trong dự án này, nhưng có một khái niệm tổng thể về mô hình này không cung cấp tần suất cao như vậy.
Tốc độ vòng lặp mở mang lại một đường truyền rất mượt mà chỉ với một vài giá trị không mong muốn.
PID cũng đang hoạt động và cung cấp thời gian ổn định động cơ rất thấp.
PID động cơ đã được thử nghiệm ở nhiều điện áp khác nhau để giữ tốc độ tham chiếu không đổi.
Sự thay đổi điện áp không làm thay đổi tốc độ của động cơ, cho thấy PID đang hoạt động.
Dưới đây là một số phân đoạn đầu ra cuối cùng của PID. a)
Vòng kín @ 110 vòng/phútb)
Vòng kín @ 120 vòng/phút Dự án này không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các thành viên trong nhóm của tôi.
Tôi muốn cảm ơn họ.
Cảm ơn bạn đã xem dự án này.
Hy vọng sẽ giúp được bạn.
Xin vui lòng mong đợi nhiều hơn nữa.
Hãy chúc phúc trước đó :)