Điều khiển động cơ bằng giải thuật PID

Báo cáo đồ án

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH
--------------------------o0o--------------------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ LUẬN LÍ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PID

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 1


Báo cáo đồ án

Phụ lục nội dung:

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 2


Báo cáo đồ án

Phụ lục hình ảnh:

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 3

Báo cáo đồ án

Chương 0: Lời nói đầu
Học kì 112 chúng em được học môn Đồ án môn học Thiết Kế Luận Lí với
mục đích củng cố kiến thức và giúp sinh viên tiếp cận thức tế. Nhóm chúng em
thực hiện đề tài thiết kế mạch điều khiển động cơ PID.
Cấu trúc bản báo cáo bao gồm:
-

Chương I: Giới thiệu đề tài.
Chương II: Giới thiệu linh kiện sử dụng.
Chương III: Hiện thực phần cứng.
Chương IV: Hiện thực phần mềm.
Chương V: Tổng kết.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 4


Báo cáo đồ án

Chương I: Giới thiệu đề tài
1.

Một số khái niệm
a.

Điều khiển động cơ DC

Là một ứng dụng cơ bản của điều khiển tự động. DC Motor
được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot).

b.

Khái niệm Servo
Dùng để chỉ một hệ thống hồi tiếp. DC servo motor là động cơ
DC có bộ điều khiển hồi tiếp.

c.

Bộ điều khiển PID
Một bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển
(bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển công nghiệp. Một bộ điều khiển PID tính toán
một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi
và giá trị mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa
sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Tuy
nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng
trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thốngtrong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ
thuộc vào đặc thù của hệ thống.

2.

Giải thuật PID
a.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID
Bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được
gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,

viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số
hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số
quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi
sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá
trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều
khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá
trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 5


Báo cáo đồ án

sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D
dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ
điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế
có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô
tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ
điều khiển vượt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống.
Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không
đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai
khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt
đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều
khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu
vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ
biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường,

trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không
đạt được giá trị mong muốn.

Hình 1 Cơ chế hoạt động của PID

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 6


Báo cáo đồ án

b.

Giải thuật điều khiển PID
PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral
(tích phân) và Derivative (đạo hàm).Tuy xuất hiện rất lâu
nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng
nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động. Đề tài này
điều khiển tốc độ của động cơ DC dùng giải thuật PIDcó thể
được giải thích như sau:
Gọi F là lực quay động cơ. Ban đầu động cơ ở vận tốc
bằng 0, nhiệm vụ đặt ra là điều khiển lực F (một cách tự
động) để làm quay động cơ đạt tới tốc độ đặt trước với
các yêu cầu: chính xác (accurate), nhanh (fast response),
ổn định (small overshot).
Một điều rất tự nhiên, nếu vận tốc hiện tại của động cơ
rất xa vận tốc mong muốn, hay nói cách khác sai số (error) lớn,
chúng ta cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa vận tốc
động cơ về tới vận tốc đặt trước. Một cách đơn giản để công

thức hóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính:
F=Kp*e (1)
Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta
gọi là hệ số P (Propotional gain), e là sai số cần điều khiển tức
độ chênh lệch giữa vận tốc đặt trước với vận tốc hiện tại của
động cơ. Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về 0 càng nhanh
càng tốt. Rõ ràng nếu Kp lớn thì F cũng sẽ lớn và động cơ rất
nhanh chóng tiến về vận tốc đặt trước. Tuy nhiên, lực F quá lớn
sẽ gia tốc cho động cơ rất nhanh (định luật II của Newton:
F=ma). Khi động cơ đã đến vận tốc đặt trước (tức e=0), thì tuy
lực F=0 (vì F=Kp*e=F=Kp*0) nhưng do quán tính tốc độ động
cơ vẫn tiếp tục tăng, sai số e lại trở nên khác 0, giá trị sai số lúc
này được gọi là overshot (vượt quá). Lúc này, sai số e là số âm,
lực F lại xuất hiện nhưng với chiều ngược lại để hãm tốc độ
động cơ về lại tốc độ đặt trước. Nhưng một lần nữa, do Kp lớn
nên giá trị lực F cũng lớn và có thể kéo tốc độ động cơ về thấp
hơn tốc độ đặt trước. Quá trình cứ tiếp diễn, tốc độ động cơ cứ
mãi dao động quanh tốc độ đặt trước. Có trường hợp tốc độ dao
động càng ngày xàng xa tốc độ đặt trước. Bộ điều khiển lúc này
được nói là không ổn định. Một đề xuất nhằm giảm overshot
của động cơ là sử dụng một thành phần “thắng” trong bộ điều
khiển. Sẽ rất lý tưởng nếu khi tốc độ đang ở xa điểm O (tốc độ

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 7


Báo cáo đồ án

đặt trước), bộ điều khiển sinh ra lực F lớn nhưng khi tốc độ
động cơ đã tiến gần đến điểm O thì thành phần “thắng” sẽ giảm
tốc độ động cơ lại. Chúng ta đều biết khi một vật dao động
quanh 1 điểm thì vật đó có vận tốc cao nhất ở tâm dao động
(điểm O). Nói một cách khác, ở gần điểm O sai số e của tốc độ
động cơ thay đổi nhanh nhất (cần phân biệt: e thay đổi nhanh
nhất không phải e lớn nhất). Mặt khác, tốc độ thay đổi của e có
thể tính bằng đạo hàm của biến này theo thời gian. Như vậy, khi
tốc độ động cơ từ ban đầu tiến về gần O, đạo hàm của sai số e
tăng giá trị nhưng ngược chiều của lực F (vì e đang giảm nhanh
dần). Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” thì có thể
giảm được overshot của động cơ. Thành phần “thắng” này
chính là thành phần D (Derivative) trong bộ điều khiển PID mà
chúng ta đang khảo sát. Thêm thành phần D này vào bộ điều
khiển P hiện tại, chúng ta thu được bộ điều khiển PD như sau:
F=Kp*e + Kd*(de/dt) (2)
Trong đó (de/dt) là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là một
hằng số không âm gọi là hệ số D (Derivative gain).
Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot của
động cơ, khi vận tốc động cơ tiến gần về O, lực F gồm 2 thành
phần Kp*e > =0 (P) và Kd*(de/dt) <=0 (D). Trong một số
trường hợp thành phần D có giá trị lớn hơn thành phần P và lực
F đổi chiều, “thắng” động cơ lại, vận tốc của động cơ vì thế
giảm mạnh ở gần điểm O. Một vấn đề nảy sinh là nếu thành
phần D quá lớn so với thành phần P hoặc bản thân thành phần P
nhỏ thì khi vận tốc động cơ tiến gần điểm O (chưa thật sự đến
O), động cơ có thể không tăng tốc nữa, thành phần D bằng 0 (vì
sai số e không thay đổi nữa), lực F = Kp*e. Trong khi Kp và e
lúc này đều nhỏ nên lực F cũng nhỏ và có thể không thắng được
lực ma sát tĩnh. Bạn hãy tưởng tượng tình huống bạn dùng sức

của mình để đẩy một xe tải nặng vài chục tấn, tuy lực đẩy tồn
tại nhưng xe không thể di chuyển. Như thế, động cơ sẽ không
tăng tốc dù sai số e vẫn chưa bằng 0. Sai số e trong tình huống
này gọi là steady state error (tạm dịch là sai số trạng thái tĩnh).
Để tránh steady state error, người ta thêm vào bộ điều khiển
một thành phần có chức năng “cộng dồn” sai số. Khi steady
state error xảy ra, 2 thành phần P và D mất tác dụng, thành
phần điều khiển mới sẽ “cộng dồn” sai số theo thời gian và làm
tăng lực F theo thời gian. Đến một lúc nào đó, lực F đủ lớn để
Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 8


Báo cáo đồ án

thắng ma sát tĩnh và tăng tốc động cơ tiến tiếp về điểm O.
Thành phần “cộng dồn” này chính là thành phần I (Integral tích phân) trong bộ điều khiển PID. Vì chúng ta điều biết, tích
phân một đại lượng theo thời gian chính là tổng của đại lượng
đó theo thời gian. Bộ điều khiển đến thời điểm này đã đầy đủ là
PID:

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 9


Báo cáo đồ án

Hình 2 Công thức

Như vậy, chức năng của từng thành phần trong bộ điều
khiển PID giờ đã rõ. Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển
mà bộ điều khiển PID có thể được lượt bớt để trở thành bộ điều
khiển P, PI hoặc PD. Công việc chính của người thiết kế bộ
điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều
khiển hoạt động tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain
tuning).

3.

Các vấn đề đặt ra và hướng giải quyết
a.

Đọc encoder
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì
chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor. Một số
phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor
bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vận tốc quay), dùng
biến trở xoay, hoặc dùng encoder. Trong đó 2 phương pháp đầu
tiên là phương pháp analog và dùng optiacal encoder (encoder
quang) thuộc nhóm phương pháp digital. Hệ thống optical
encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoạiinfrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Optical
encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute
optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical
encoder). Trong đa số các DC Motor đều dùng incremental
optical encoder.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 10


Báo cáo đồ án

Hình 3 Encoder

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A,
kênh B và kênh I (Index). Trong hình 2 bạn thấy hãy chú ý một
lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phat-thu dành
riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần
motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp
phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến
cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế
kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên
ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thuphát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder,
hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là
trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh
A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution)
của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có
khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến
hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, bạn phải
biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh
hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều
khiển. Không được vẽ trong hình 2, tuy nhiên trên các encoder

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 11

Báo cáo đồ án

còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với
kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B
của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh
A nhưng lệch pha 900. Bằng cách phối hợp kênh A và B người
đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.
Hình dưới thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B
lệch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B
hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại. Hình
thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trường hợp motor
quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải.
Lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì
kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược
chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại
cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy,
bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác
định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được
chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh
xuống của kênh A).

Hình 4 Hai kênh cảm biến của encoder

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 12


Báo cáo đồ án

b.

Mạch cầu H - Mạch công suất
Mạch gồm 4 con FET mắc theo cặp thuận nghịch hoạt
động không đồng thời giống như hình chữ H. Mạch có thời gian
đáp ứng nhanh hơn so với mạch công suất dùng relay nên
thường được sử dụng cho robot tự động, động cơ PID.
Mạch phải đảm bảo nguyên tắc Q1 dẫn thì Q3 ngắt hoặc
ngược lại, Q2 dẫn thì Q4 tắt và ngược lại.
Nguyên lí hoạt động của mạch: Q1 và Q4 cùng dẫn.
Dòng điện qua motor theo chiều từ Q1 sang Q4, động cơ quay.
Khi Q2 và Q3 dẫn, động cơ quay theo chiều ngược lại.

Hình 5 Mạch cầu H

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 13


Báo cáo đồ án

Chương II: Giới thiệu linh kiện sử dụng
1.

IC HC00A
a.

Cấu trúc CMOS của cổng HC00A

b.
Kí
chân trị

Hình 6 Cấu trúc của Cmos

2.
EL 817
quang,
mạch lực
khiển.
-

hiệu và bảng

Opto
Opto là cách ly
dùng để cách ly
và mạch vi điều
Hình 7 Bảng chân trị của ic HC00A

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 14

Cấu tạo:


Báo cáo đồ án

Hình 8 Cấu tạo của Opto EL 817

-

Các thông số của EL817 (TA = 25°C):
o Nhiệt độ hoạt động
:
o Khả năng chịu được sự quá nhiệt:
o Dòng vào cực Anôt của EL817 :
o Tổn hao công suất ở đầu vào:
o Dòng Colector
:
o Công suất tiêu tán ở cực C :
o Tổng công suất tiêu tán
:
o Điện trở cách điện
:

3.

–55°C to +110°C
260°C /10 s
IF = 50 mA
PI= 70 mW
IC= 50 mA
150 mW
200 mW
R=1011Ω

Diot zenner 12V

Diode Zener, còn gọi là "điốt đánh thủng" hay "điốt ổn áp": là
loại điốt được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng.
Khi sử dụng điốt này mắc ngược chiều lại, nếu điện áp tại mạch lớn
hơn điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho dòng điện đi qua.
Khi được phân cực thuận diode Zener hoạt động giống diode
bình thường. Khi được phân cực nghịch, lúc đầu chỉ có dòng điện thật
nhỏ qua diode. Nhưng nếu điện áp nghịch tăng đến một giá trị thích
ứng: Vngược = Vz (Vz: điện áp Zener) thì dòng qua diode tăng mạnh,
nhưng hiệu điện thế giữa hai đầu diode hầu như không thay đổi, gọi là
hiệu thế Zener.
-

Kí hiệu diode zener trên sơ đồ điện:

Hình 9 Kí hiệu của zenner

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 15


Báo cáo đồ án

4.

Fet IRF 540, IRF9540
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và
oxit bán dẫn.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 16


Báo cáo đồ án

- Cơ bản, đối
với MOSFET
kênh N, nếu
điện áp chân
G lớn hơn
chân S
khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2
chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương
Hình 10 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET

với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân
G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn
cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G
(khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi
là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi
mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức
1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu
H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho
các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung
MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P
tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất MOSFET
thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện
kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được

dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch
số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng
MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị
trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và
MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 17

Hình 11 Ví dụ MOSFET kênh N điều khiển động cơ


Báo cáo đồ án

Ban đầu MOSFET không được kích, không có dòng điện trong
mạch, điện áp chân S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện
trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần
bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn
MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V,
nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích
MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N
không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là
theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong
trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là
điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết
kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET
thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch
cũng bị giảm phần nào.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 18

Hình 12 Mạch cầu H dùng 2 MOSFET


Báo cáo đồ án

Ta dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của
hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các
MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A - danh nghĩa)
và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối lớn.
Phần kích cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ
cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Riêng
các khóa trên (IRF9540, kênh P) chúng em dùng thêm BJT 2N3904
để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET
được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS
cũng là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn.
Khi kích các line L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân
G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch).
Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S,
MOSFET dẫn. Vi điều khiển có thể được dùng để kích các đường L1,
L2, R1 và R2.

4.

Động cơ điện một chiều
Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm

vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối
với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1
chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện
trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ
phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ
góp.
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo
ra chuyển động quay của rotor.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 19


Báo cáo đồ án

Hình 13 Pha 1 của động cơ 1 chiều

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 20


Báo cáo đồ án

-

Pha 2: Rotor tiếp tục quay.

Hình 14 Pha 2 của động cơ 1 chiều

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa
stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1.

Hình 15 Pha 3 của động cơ 1 chiều

-

Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều:
+
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung
quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động
bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động
bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của
Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây và làm
cho rotor quay. Để làm cho rô to quay liên tục và đúng chiều,
một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị
trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây
song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của
động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu
của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính.
+
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều
cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ
vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị
thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 21

Báo cáo đồ án

6.

LCD
a.

Hình dạng và kích thước

Hình 16 Hình dạng LCD

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 22


Báo cáo đồ án

b.

Chức năng của các chân

Hình 17 Các chân của LCD

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 23

Báo cáo đồ án

c.

Tập lệnh LCD

Hình 18 Tập lênh LCD

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 24


Báo cáo đồ án

7.
Vi

Hình 19 Tập lệnh LCD (tt)

Điều Khiển 8951
a.

Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8951
Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn
toàn tương tự như nhau. Ở đây giới thiệu IC8951 là một họ IC
vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất. Chúng có các đặc
điểm chung như sau:

Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID

Trang 25