ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN.doc

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
KS. TRẦN HOÀI LINH
TS. NGUYỄN HỒNG QUANG
1.Đặt vấn đề:
Ngày nay công nghệ số đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong mọi nghành của
khoa học kỹ thuật. Ở các nước công nghiệp, truyền động điện đã ứng dụng rất thành công
công nghệ này với những ưu việt hơn so với phương pháp điều khiển tương tự truyền
thống như:
- Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động.
- Độ chính xác cao.
- Có khả năng chống nhiễu tốt.
- Dễ dàng tự động hoá.
Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay đổi các tham số bằng chương
trình phần mềm, các hệ thống vi điều khiển được thiết kế và chế tạo tin cậy sẽ tạo ra những
bộ điều khiển linh hoạt, phù hợp với từng đặc điểm của hệ điều khiển tự động và tình hình
sản xuất của nước ta hiện nay.
Tuy nhiên ở nước ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ một chiều hiện đại (DC motor
Drive), chất lượng cao hiện nay đều phải nhập hoàn toàn từ nước ngoài. Nhưng thực ra nếu
áp dụng tốt các nguyên lý về điều khiển số và vi xử lý, chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo ra
những bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tương đương. Dưới đây là ví dụ đầy đủ thiết
kế mà chúng tôi đã thực hiện với đối tượng điều khiển là một động cơ một chiều kích từ
nam châm vĩnh cửu có tải giả.
2. Thực nghiệm nhận dạng đối tượng điều khiển:
Từ trước đến nay khi tổng hợp các hệ truyền động nhiều thông số người ta thường phân hệ
thành cấu trúc nhiều mạch vòng có các bộ điều chỉnh nối theo cấp. Do đó việc xác định
được các tham số của đối tượng điều khiển (mà không phải nhà sản xuất nào cũng cung
cấp) là tất yếu.
L­
R­
M

DC Motor
E­
U­
+
-
I­
L­
R­
M
U­
+
-
I­
w
M
Mc
Thông thường đối động cơ điện một chiều nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông số cơ bản:
U
ưđm
, I
ưđm
, P
đm
,
η
đm
. Tuy nhiên để tổng hợp và mô phỏng hệ chúng ta cần phải biết thêm
một số tham số khác như: Điện trở phần ứng (R
ư
), Điện cảm phần ứng (L

ư
), Mômen quán
tính của rôto (J), Hằng số mômen (Km), Mômen tổn hao theo tốc độ (B
ω
). Đây là các
tham số động nên để xác định được cần phải thí nghiệm nhiều lần và lấy giá trị trung bình.
Có nhiều phương pháp thực nghiệm hay các công thức lý thuyết gần đúng để tính chúng. Ở
đây tác giả kết hợp cả hai phương pháp này xác định được:
- Hằng số mômen K
m
=0,138(Nm/A)
- Mômen tổn hao theo tốc độ B
ω
: B = 3,38,10
-5
(Nm/rad)
Với B là tổng sự suy giảm tương đương (the total equivalent damping).
- Điện trở phần ứng R
ư
= 5,9(Ω)
- Điện cảm phần ứng L
ư
= 3,54(mH.)
- Mômen quán tính của rôto J≈5,10
-5
kgm
2

-
Hằng số thời gian điện và hằng số thời gian cơ: T

ư
=0,6ms; T
c
=15,5ms
* Mô hình toán học động cơ một chiều kích từ độc lập:
2. Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển:
Sau khi
nhận dạng
đầy đủ các
thông số
của động
cơ (đối
tượng điều
khiển) thay
vào sơ đồ
cấu trúc mô
tả toán học
động cơ rồi chạy mô phỏng trên Matlab Simulink:
Đối tượng điều khiển là động cơ có công suất nhỏ nên
tác giả chọn hệ điểu khiển với mạch vòng tốc độ (phản hồi âm tốc độ).
* Tổng hợp mạch vòng tốc độ:
Sơ đồ cấu trúc:
Tổng hợp theo phương pháp module đối xứng thì bộ điều
chỉnh có dạng PID:R
ω
(p)=
mclcl
uu
KKT
JRBL

2
+
+
pKKT
KBR
mclcl
m
u
1
.
55,9.2
55,9
2
+
+
p
KKT
JL
mclcl
u
.
2
= 3,44 +
p
6,224
+
p
4
10.04,2
−

Mô phỏng Simulink:
1
R(1+Ts)
1
B+Js
Km
Km
+
-
+
-
U
M
c
ω
E
I M
Trên thực tế trong hệ chỉ có bộ điều chỉnh (được thực hiện bởi vi điều khiển) là xử lý tín
hiệu số. Nên khi mô phỏng trên simulink chỉ cần số hoá bộ điều chỉnh dùng phương pháp
đổi biến Tustin: p=
1
1
.
2
−
+
z
z
T
, trong đó thời gian cắt mẫu T tương ứng với mạch vòng tốc độ

là: T=0,01s. Một cách khác là có thể dùng luôn bộ PID hay PI số có sẵn trong thư viện
Simulink. Các đặc tuyến tốc dòng quá độ sau khi số hoá bộ điều chỉnh về cơ bản giống như
analog nhưng độ chính xác giảm và chậm hơn do ảnh hưởng của thời gian cắt mẫu:
Rõ ràng là kết quả này là chưa được như mong muốn vì thế cần hiệu chỉnh lại các tham số
bộ điều chỉnh. Kết quả bộ điều chỉnh chỉ cần là PI với Kp=2,66 ; Ki=130 , Kd=0.
Như vậy sau khoảng 0,1 giây tốc độ động cơ đã ổn định ở giá trị đặt, quá độ điều chỉnh có
hơi lớn do sai số tính toán và đồ thị dòng điện tuy chưa lý tưởng nhưng cũng tương đối
đúng.
3. Tính toán thiết kế hệ thống:
Mặc dù những phương pháp tổng hợp các bộ điều chỉnh chưa thật hoàn thiện, đã tính gần
đúng hoặc không xét tới ảnh hưởng của các tham số có trị số nhỏ một cách tương đối.
Những giá trị nhận dạng về đối tượng điều khiển cũng không thật chính xác cùng với việc
bỏ qua tác động của môi trường xung quanh mà từ đó tìm ra được thông số tối ưu cho bộ
điều chỉnh. Tuy nhiên việc tính toán tổng hợp gần đúng có giá trị to lớn trong định hướng
thiết kế cũng như trong chỉnh định vận hành hệ thống sau này.
a. Mạch công suất :
Để thuận tiện khi thử nghiệm và
kinh tế thì việc chọn BBĐ sau là
hợp lý nhất:
Do động cơ thí nghiệm nhỏ,
điện cảm phần ứng bé nên để san
phẳng dòng hơn nữa thì việc thêm
cuộn kháng L là cần thiết. Điện trở
phản hồi dòng R=0,47Ω và
L
T1
R
M
DC Motor
T3

T4
T2
U1
220V AC
U2
U2
P=10W. Dòng điện và điện áp phần ứng nhỏ (2,2A-52V), tác giả có sẵn thyristor 80A-
600V nên có thể bỏ qua công đoạn làm mát và bảo vệ (Nhưng nếu độc giả chưa có sẵn thì
phải tính toán theo phương pháp thông thường).
Giả sử với động cơ nhỏ và điện áp lưới điện khá ổn định nên cũng không cần tính đến góc
dự trữ, chỉ cần trừ đi điện áp rơi trên các phần tử: van, R, L, biến thế là có thể tính toán
thiết kế được máy biến áp lực.
b. Mạch điều khiển:
Lấy vi điều khiển ATMEGA 16
làm trung tâm, bộ điều khiển trung
tâm có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đặt và
phản hồi, xử lý (thực hiện luật điều
khiển) rồi đưa ra lệnh điều khiển động cơ
theo chức năng mong muốn. Đó là các chức
năng cơ bản mà bất cứ bộ điều khiển nào
cũng có. Và thực tế hầu hết các bộ điều
khiển DC motor của các hãng lớn trên
thế giới đều có chức năng như nhau, họ
chỉ cạnh tranh ở độ tin cậy, giá thành và
phần mềm tiện ích giao diện với người sử dụng,
* Chức năng điều khiển: người vận hành có thể thực hiện điều khiển theo 3 cách: 1. Điều
khiển tại chỗ nhờ Panel (hộp điều khiển có các nút ấn và màn hình hiển thị LCD); 2. Điều
khiển từ xa qua các đầu vào/ ra, số/tương tự (từ bàn máy); 3. Điều khiển, giám sát bằng
máy vi tính (qua cổng COM).
- Bật tắt bộ biến đổi

- Chạy và dừng động cơ
- Điều chỉnh tốc độ
- Đảo chiều quay
- Chạy nhắp
- Dừng khẩn cấp
* Chức năng kiểm tra giám sát và bảo vệ:
- Hiển thị các tham số như: tốc độ, dòng điện,
điện áp…
- Tín hiệu báo trạng thái đang hoạt động của
động cơ
- Các tín hiệu bảo vệ động cơ: quá dòng, quá áp, quá tải…
* Để giao tiếp với nhiều khối chức năng đồng thời thực hiện được luật điều khiển tác giả
sử dụng hai vi điều khiển ATMEGA 16, một master và một slave. Slave làm nhiệm vụ giao
tiếp và hiển thị: nhận các tín hiệu đặt từ máy tính và phản hồi một mặt hiển thị (lên LCD),
mặt khác truyền các dữ liệu đó và tốc độ phản hồi sang cho master. Master nhận các dữ
liệu này cùng tín hiệu đồng bộ thực hiện luật điều khiển (trong các bộ điều chỉnh) rồi đưa
ra xung điều khiển bộ biến đổi.
- Tín hiệu tốc độ lấy từ encoder: slave sẽ đếm số xung nhận được trong một đơn vị thời
gian, từ đó suy ra vận tốc thực của động cơ.
- Tớn hiu dũng in phn hi v l tớn hiu tng t nờn phi khuych i ri qua bin i
A/D trong slave thnh tớn hiu s. Mt khỏc ng c cú o chiu nờn giỏ tr phn hi cú
hai du. Do ú trc khi a v vi iu khin cn qua cỏc b chnh lu. Mch phn hi
dũng cn phi nhn bit c thi im dũng v 0 o chiu. cỏc mch chnh lu
dựng diode thụng thng thỡ tớn hiu dũng phn hi v chuyn thnh ỏp s b ri trờn mch
chnh lu mt khong (0,7V), do ú khi dũng cũn nh thỡ kt qu o thiu chớnh xỏc.
õy, tỏc gi dựng mch chnh lu dựng IC thut toỏn, do vy cú th o chớnh xỏc c thi
im dũng v 0.
4. H thng iu khin trung tõm:
a. Vi iu khin ATMEGA 16: thuc h AVR ca hóng Atmel, l mt dũng vi khin tớch
hp cao vi nhng chc nng c bn nhng rt cn thit trong nhng ng dng c th. ú

l: 8 kờnh bin i A/D, 16Kbyte b nh chng trỡnh, 1Kbyte Ram, 2 b nh thi, 512
byte EEprom v 21 nguyờn nhõn ngt. Vi thch anh 8MHz mt chu k mỏy ca nú ch
mt 0,125us nhanh hn rt nhiu so vi cỏc loi vi iu khin thụng thng. Khi thc hin
cỏc lnh ch yu trong 1 chu k mỏy, thm chớ vi phộp nhõn cng ch mt 2 chu k.
b. S h thng:
d .S khi bờn trong ca vi x lý
Master:
Thụng tin t Slave c truyn qua cng
RS232 sang cho Master. Trong Master cú
chng trỡnh phc ngt truyn thụng lm
nhin v nhn thụng tin v chia thnh hai
loi: th nht l thụng tin t v thụng tin
iu khin, th hai l tc thc ca
ng c. T ú Master tớnh toỏn lut iu
LCD
Hiển thị tại chỗ
máy tính
- Đặt thông số
- Điều khiển
- Hiển thị dữ liệu
Nhận tín hiệu đặt tốc
độ và tham số bộ điều
chỉnh từ máy tính.
Biến đổi A/D I .
Đếm xung đo tốc độ.
Hiển thị lên LCD.
Truyền tín hiệu đặt và
tốc độ phản hồi sang
cho Master.
Vi điều khiển

slave
Vi điều khiển
master
Nhận xung đồng bộ.
Biến đổi A/D I .
Nhận tín hiệu đặt và
tốc độ phản hồi
Thực hiện luật điều
khiển.
Phát xung điều khiển.
Truyền tín hiệu phản
hồi lên máy tính.
đèn led
Báo trạng thái
đang hoạt động
của động cơ
Xung điều
khiểncác
thyristor
Xung Đồng bộ
Truyền
thông không
đồng bộ
rs232
Mạch
phản hồi
dòng
Encoder
phản hồi
tốc độ

L
T1
R
M
DC Motor
T3
T4
T2
U2
U2
G1
G2
G3
G4
U1
220V AC