Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
----------

ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở
người.
Giáo viên hướng dẫn

:

Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện

:

Hà Tài Cường
Phạm Quang Cương
Phạm Văn Hưng
Trần Văn Minh
Trương Công Mạnh

Lớp

:

ĐH Cơ điện tử 2 – K5

Năm 2013

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng và phát triển, mọi người sống và làm

việc trong một môi trường hoà bình. Nhưng để có được điều đó đất nước ta đã phải
trải qua những năm tháng chiến tranh vô cùng khó khăn gian khổ mà cũng vô cùng
3


oanh liệt. Chiến tranh đã đi qua mấy chục năm rồi nhưng dư âm và hậu quả của nó thì
không thể kể xiết được. Hiện nay nó vẫn còn đeo đuổi các bác, các chú và con cháu
của họ làm cho họ mất đi khả năng lao động của đôi chân. Bên cạnh đó còn do hậu quả
của tai nạn lao động, tai nạn giao thông và sự già hoá của một bộ phận dân số khiến họ
không thể tự mình đi lại được.
Để đáp ứng nhu cầu này, từ nhiều thập niên qua, con người đã nghiên cứu thiết
kế và chế tạo ra xe lăn. Đây là một loại phương tiện thuận lợi trợ giúp cho người
khuyết tật có thể tự mình di chuyển một cách dễ dàng.
Theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ những chiếc xe
lăn ngày càng trở lên phong phú và tiện ích hơn cho người sử dụng. Trước đây xe lăn
chỉ đơn thuần là những loại thô sơ, chủ yếu dùng sức của đôi tay để di chuyển như: xe
lăn tay khung cứng, sau đó để thuận tiện cho việc vận chuyển nhẹ nhàng đỡ cồng kềnh
người ta đã cho ra đời xe khung gấp. Rồi xe lăn có thể tự điều chỉnh tư thế nằm ngồi,
xe có ghế vệ sinh và ngày nay nó đã trở lên thuận tiện hơn với xe gắn động cơ giúp
người dùng không cần nhiều đến sức mạnh của đôi tay trong việc di chuyển nữa.
Trên thế giới đã và đang thiết kế ra các loại xe có khả năng lên xuống cầu thang, nâng
hạ độ cao của xe.
Đồ án của chúng em chọn đó là “xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp
điện cơ đồ ở người”. Tuy nhiên, với kinh phí và trình độ hạn hẹp, chúng em cũng gặp
nhiều khó khăn trong việc nghiên cứu và chế tạo. Chúng em rất mong nhận được
những đóng góp và hỗ trợ của các thầy cô giáo để đồ án chúng em được hoàn thiện
hơn.
Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Ngọc Duy, người đã nhiệt
tình giúp đỡ, động viên và khuyến khích chúng em trong quá trình nghiên cứu và thực
hiện đồ án. Chúng em xin cảm ơn các thầy cô giáo và ban giám hiệu nhà trường đặc

biệt là các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.
Ngoài ra chúng ra xin cảm ơn anh Trần Minh Nhật, anh Lê Hữu Luyện,những người
anh đã giúp đỡ bọn em trong quá trình nghiên cứu và tìm kiếm linh kiện.
Hà Nội, ngày…tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện:
Hà Tài Cường
Phạm Quang Cương
Phạm Văn Hưng
Trần Văn Minh
Trương Công Mạnh

4


Mục lục
CHƯƠNG 1
Mục lục
5
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG............................................................................7
1.1 Giới thiệu chung...........................................................................................................7
1.2 Các vấn đề đặt ra..........................................................................................................8
1.3 Phương pháp nghiên cứu..............................................................................................9
1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu............................................................................9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN......................................................10
2.1 Lịch sử phát triển của xe lăn điện..............................................................................10
2.2 Cấu tạo xe lăn điện.....................................................................................................12
2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm..............................................................................12
2.2.2 Phần điện – điện tử.............................................................................................15
2.2.3 Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID............................17

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XE LĂN ĐIỆN......31
3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí.....................................................................................31
3.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển...............................................................................32
3.3 Mô phỏng hệ thống cơ khí.........................................................................................32
3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển...................................................................................35
3.1.1 Thiết kế hệ thống điều khiển...............................................................................35
3.1.2 Thiết kế mạch điện tử..........................................................................................35
3.1.3 Thiết kế chương trình điều khiển:.......................................................................39

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG............................................43
4.1 Thiết kế và thi công cơ khí chuyển động...................................................................43
4.1.1 Thiết kế và thi công khung xe (hình 4.1).............................................................43
4.1.2 Thiết kế và thi công cụm bánh sau......................................................................46
4.1.3 Thiết kế và thi công cụm bánh trước..................................................................48
.....................................................................................................................................48
4.1.4 Thiết kế và thi công cụm gối tay.........................................................................49
4.1.5 Thiết kế và thi công cụm tựa lưng.......................................................................51
.....................................................................................................................................51
4.1.6 Thiết kế và thi công cụm để chân........................................................................53
Vì bàn chân của người khuyết tật không chủ động được, mặt khác trong quá trình di
chuyển xe bị rung nên bàn để chân phải rộng và dài để tạo an toàn cho đôi chân không
bị rơi ra khỏi vùng để chân ( tránh được xây sát, va chạm ). Đôi khi để chắc chắn người
ta còn gắn vào bàn để chân một thiết bị dây an toàn để cố định bàn chân trên bàn để
châ.n.............................................................................................................................55
4.1.7 Thiết kế và thi công hộp đựng mạch...................................................................57
4.2 Thiết kế và thi công mạch trung tâm..........................................................................58
4.2.1 Mạch xử lý trung tâm: sử dung chip Atmega8....................................................58
4.2.2 Khối mạch xử lý trung tâm: sử dụng vi điều khiển Atmega8 .Với những ưu điểm
của nó nhóm đã sử dụng vi điều khiển này trong đồ án..............................................59

CHƯƠNG 5 Đánh giá và hướng phát triển xe lăn điện.............................................61
5.1 Đánh giá xe lăn điện...................................................................................................61
5.2 Hướng phát triển xe lăn điện......................................................................................61

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….....59
MỤC LỤC……………………………………………………………………….…60
5


6


CHƯƠNG 1
1.1

GIỚI THIỆU CHUNG

Giới thiệu chung

Xe lăn điện là một chiếc xe lăn thông minh có thể tự động thực hiện di chuyển
(rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi) thông qua một bộ điều khiển. Qua đó người điều khiển có thể
chỉ cần ấn nút hoặc sử dung cần gạt joystick để điều khiển chiếc xe, thay vì phải nhờ
người thân đùn, đẩy.
Trước tình hình giá xăng dầu trên thế giới ngày càng tăng như hiện nay và các
nghuyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng
nguồn nguyên liệu mới thay thế những nguồn nguyên liệu đang sử dụng hiện thời là
một nhu cầu cần thiết. Chính vì vậy năng lượng điện là nguồn nhiên liệu phù hợp nhất
để thay thế cho các loại nguyên liệu hiện nay và xe lăn điện là một trong số đó.

Do đó, hiện nay hệ thống xe lăn điện phát triển khá mạnh trên cơ sở đó việc
nghiên cứu vag cho ra đời chiếc xe lăn điện làm phương tiện đi lại phục vụ cho người
khuyết tật la một yêu cầu phù hợp và khả thi trong việc mở rộng và phát triển hệ thống
xe lăn điện trên thế giwosi cũng như tại Việt Nam. Hiện nay cũng có những xe lăn nổi
tiếng cũng đã đầu tư và phát trienr xe lăn nhằm phục vụ nhu cầu của người tiêu dung
như hang xe lăn Kiến Tường… Nhìn chung các mẫu xe lăn xó dáng đẹp và phù hợp
với thị hiếu của các đối tượng nười tiêu dung. Một số xe lăn điện hiện nay như
:

Hình 1.1 Xe lăn điện W-HA1022
7


Hình 1.2 Xe lăn điện W-HA1018L
Nhìn chung hệ thống xe lăn điện hiện nay tuy chưa thực sự phát triển mạnh vì nhu
cầu sử dụng của người tiêu dùng nhưng trong tương lai đây là một trong những ngành
khá phát triển. yếu tố hạn chế của xe điện là bộ nguồn cung cấp cho xe không đủ lâu
để đáp ứng nhu cầu khi di chuyển xa, thế nhưng nếu chúng ta nghiên cứu và vận dụng
nguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho xe thì đây lại là yếu tố thúc đẩy ngành sản
xuất này phát triển mạnh mẽ.
1.2

Các vấn đề đặt ra

Các loại xe lăn điện được bán trên thị trường đã đạt độ hoàn thiện trong kết cấu
cũng như trong tính năng. Nhưng đó là những chiếc xe được phát triển bởi những công
ty đã có kinh nghiệm trong việc chế tạo những sản phẩm dạng này. Với một đề tài tốt
nghiệp, việc thiết kế và chế tạo mô hình xe lăn điện điều khiển dựa trên phương pháp
điện cơ đồ ở người, nhóm gặp nhiều vấn đề cần giải quyết:
Trước tiên, đó là công nghệ điện cơ đồ ở người, cụ thể trong đề tài là xe lăn

điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người. Các thiết bị nhận dạng bán trên
thị trường sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, với giá cả, độ tin cậy, tốc độ xử lý rất
khác nhau. Và đặc biệt rất khó mua tại Việt Nam.
Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm bảo
cho xe chạy êm, mượt mà, để người ngồi trên xe có thể thoải mái nhất trong quá trình
hoạt động. Đặc biệt là việc thiết kế hệ thống ghế ngồi
Việc xây dựng được thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển cho chiếc
xe cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo điều khiển cho máy hoạt động
8


được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy ra khi xe hoạt động, vừa phải làm sao cho
việc lập trình đơn giản nhất có thể.
Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần được
điều khiển chính xác.
Xe phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao.
1.3

Phương pháp nghiên cứu

Xe lăn điện là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và là một sản phẩm
cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu
sau:
- Nghiên cứu mô hình của các chiếc xe lăn đã có sẵn trên thị trường, kết cấu, giao
diện, tính năng của những chiếc máy đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới hạn đề
tài.
- Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế máy, cụ thể là:
+ Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời.
+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoàn thiện
thiết kế trước khi chế tạo.

+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa
được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện. Sau cùng, chế
tạo thật mô hình cơ khí.
1.4

Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu

Một chiếc xe lăn điện có rất nhiều tính năng. Tuy nhiên trong phạm vi một đề
tài đò án môn, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ
chế tạo một mô hình xe lăn điện với những tính năng sau:
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của xe lăn điện
Phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện
Chế độ hoạt động của xe lăn điện
Lỗi cảnh báo trong quá trình hoạt đọng của xe lăn điẹn
Quy trình điều khiển xe lăn điện

9


CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN

2.1

Lịch sử phát triển của xe lăn điện
Xe lăn điện là chiếc xe được xuất thân từ chiếc xe lăn tay, nhưng được chế tạo
thêm hệ thống điện gồm mô tơ điện, bình ắc quy, bộ xích, cơ cấu gài… Khi hết điện
trên đường đi thì người dùng chuyển sang lăn tay được.
Nhưng chiếc xe lăn đầu tiên được phát minh năm 1595, được thiết kế dành cho

vua Philip II của Tây Ban Nha bởi một nhà phát minh vô danh.
Năm 1655, Stenphen Farfler là một thợ sửa đồng hồ bị liệt 2 chân đã tạo nên
một chiếc ghế tự đẩy đi trên ba bánh xe.
Vào năm 1783, John Dawson của thành phố Bath ở nước Anh đã phát minh ra
chiếc xe lăn được đặt theo tên riêng của thành phố Bath. Dawson đã thiết kế 2 cái bánh
thật lớn và thêm 2 cái bánh nhỏ kế bên. Chiếc xe lăn Bath được bán rộng rãi hơn tất cả
những xe khác vào những năm đầu của thế kỉ 19.
Tuy nhiên, chiếc xe lăn của Bath không hoàn toàn thoải mái và đã có rất nhiều
cải tiến cho xe lăn này. Vào năm 1869, quyền sáng chế xe lăn đã được công nhận và
đã trình làng mô hình đầu tiên với bộ điều khiển bánh xe và những cái bánh nhỏ giúp
điều khiển tốt hơn. Vào những năm 1867-1875, những nhà phát minh đã đưa thêm
những miếng cao su rỗng vào bánh xe tương tự sử dụng trong xe đạp trên vành kim
loại. Vào năm 1881, dụng cụ đẩy để tự đẩy về phía trước được phát minh.
Năm 1900, bánh xe căm đầu tiên được xuất hiện được sử dụng trong bánh xe.
Năm 1916, bánh xe có motor đầu tiên được sản xuất ở Luân Đôn.
Năm 1932, kĩ sư Harry Jennings đã tạo nên bánh xe lăn thép hình ống. Đó
chính là chiếc xe thép hình ống đầu tiên trên thế giới tương tự như xe được sử dụng
ngày nay. Chiếc xe này được tạo nên dành cho người bạn của Jenny bị bệnh liệc cả hai
chân Herbert Everest. Họ cùng nhau tạo nên công ty Everests & Jennings, công ty giữ
độc quyền trong thị trường xe lăn trong nhiều năm. Một vụ kiện chống độc quyền đã
thực sự chống lại Everest & Jennings do Sở Tư pháp, buộc tội công ty với giá cả xe
lăn gian lận. Vụ kiện này đã được hòa giải tại tòa.
Ngày nay, con người còn có thể thiết kế ra được cả chiếc xe lăn thận thiện với
môi trường như: xe lăn năng lượng mặt trời (hình 2.1) hay xe lăn vượt địa hình như: xe
lăn leo bậc thang (hình 2.2)

10


Hình 2.1: Xe lăn năng lượng mặt trời

Hình 2.2: Xe lăn leo bậc thang
11


2.2

Cấu tạo xe lăn điện

Xe lăn điều khiển bằng phương pháp điện cơ đồ ở người bao gồm các thành phần
chính:
• Kết cấu cơ khí sản phẩm
• Phần điện – điện tử
• Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ ở người và bộ điều khiển PID
2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm
Xe lăn được chế tạo dựa trên khung sườn của loại cơ bản, toàn bộ khung được làm
inox tròn và inox vuông giúp xe cứng chắc nhưng vẫn nhẹ.
Các bộ phận chính gồm: Khung sườn, cụm bánh trước, cụm bánh sau, động cơ điều
khiển tốc độ.
a, Khung chính (sườn xe)
Khung xe bao gồm các thanh inox được gắn cứng với nhau bởi mối hàn TIG,
là phần chịu lực chính của xe và cũng là trung tâm liên kết các bộ phận khác của xe
(như hình 2.3)

Hình 2.3: khung chính xe lăn
• Inox hay còn gọi là thép không gỉ là là một dạng hợp kim của sắt chứa
tối thiểu 10,5% crôm. Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông
thường khác. Do đó, để đáp ứng tính an toàn trên chiếc xe lăn thì khung

12

xe ta chọn ống tròn có đường kính 25mm, và ống vuông 12x24mm để
bắt động cơ
• Hệ thống giảm xóc là một bộ thiết bị cơ khí được thiết kế để làm êm dịu
những rung động hoặc những va đạp và để làm tiêu tan năng lượng động
lực. Do đo, để người ngồi trên xe được thoải mái, êm dịu thì chiếc xe lăn
này được gắn them hệ thống xy lanh ở phía sau (như hình 2.4).

Hình 2.4: Bộ giảm xóc
Đối với xe lăn trong quá trình tính toán thiết kế tính an toàn được đặt lên hàng
đầu, do đó người ta thường sử dụng inox hay thép cacbon để đảm bảo độ cứng vững,
mặt khác với dạng ống này thuận tiện cho người sử dụng do nó vừa lòng bàn tay (khi
người sử dụng muốn bám vào thành xe)
b, Bánh xe
-

Cụm bánh sau (như hình 2.5) :

Hình 2.5: Cụm bánh sau
13


Cụm bánh sau gồm: Vành, săm , lốp, moay ơ, nan hoa, ổ bi, trục sau, cụm điều
khiển tốc độ của xe.
• Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp. Moay ơ để nối vành với trục
bánh xe. Về kích thước của vành được quyết định bởi lốp và khả năng
chịu tải của lốp. Những thong số quan trọng nhất của vành xe như là:
chiều rộng vành, đường kính vành, bề mặt vành.
• moay ơ: là một chi tiết trong cumk bánh xem là tring khu điều khiển và

dùng để lắp lồng không với trục (tách rời chuyển động bánh xe).
• Nan hoa: Nan hoa là một chi tiết truyền lực từ Moay ơ đến vành, chiều
dài và đường kính của nan hoa được quyết định khoảng cách từ đường
kính lỗ trên vành đến lỗ trên mặt bích của Moay ơ và tải trọng của xe, số
lượn của nan hoa được quyết định bởi các cách đan nan hoa (chéo 2,
chéo 4, chéo 6,…). Thường nan hoa là 6x80 hoặc 6x60. Để đảm bảo điều
kiện độ cứng cững, độ kéo, nén vật liệu chế tạo nan hoa thường là thép
C45.
• Trục:do trục được gắn cứng với khung của xe do đó trong chuyển động
quay của bánh xe và trọng lực của xe khi có trọng lượng nên trục chịu
ứng suất bởi mômen xoắn và mômen uốn. Do đó khi chế tạo trục, vật
liệu và đường kính của trục phải đáp ứng được khả năng chịu mômen
xoắn dọc trục và mômen uốn. Thông thường với các loại xe lăn vật liệu
thường được chọn để chế tạo trục là thép CT45, cỡ φ15
• Ổ bi: Chọn ổ bi đỡ một dãy, cỡ ổ là ổ 215 (tuân theo tiêu chuẩn ISO) có
đường kính ngoài là D = 35mm đường kính trong là d = 15mm, chiều
rộng b = 11mm.
• Săm lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất. Lốp bánh sau thường là
lốp bơm hơi hoặc là lốp đặc, lốp bơm hơi dùng xe đi êm hơn và dễ đẩy
hơn lốp đặc. Tuy nhiên, ta lông lốp xe bị mòn nhanh hơn so với lốp đặc
-

Cụm bánh trước ( như hình 2.4)

Cụm bánh trước có thể xoay được mọi hướng và làm tăng khả năng điều khiển
của xe. Cụm bánh trước gồm vành những đúc, săm, lốp, vòng bi, trục, trục càng bánh
trước

14

Hình 2.4: Cụm bánh trước
• Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp. Đường kính vành là 12 cm và
dày khoảng 5cm.
• Săn lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất. Để xe chạy êm hơn thì
lớp sau ta cũng dùng lốp bơm hơi. Đường kính khi bơm căng lốp của
bánh trước vào khoảng 25cm
• Vòng bi: là một kết cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách
chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành
ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một
khung hình khuyên.
• Trục: do bánh trước chịu tải nhỏ hơn so với trục bánh sau rất nhiều nên
với bánh trước ta chọ dường kính là φ10
• Trục càng bánh trước:là bộ phận chuyển động từ bánh trước vào khung ,
truyền trọng lực từ khung tới cụm bánh trước, ngoài ra cụm bánh trước
còn đóng vai trò là bánh lái vì vậy mà trục càng bánh trước còn phải có
tác động đảo chiều chuyển động của cụm bánh trước.
2.2.2 Phần điện – điện tử
a, Tổng quan về Atmega8

15


Hình 2.5: Hình dạng thực tế của ATMEGA8.
-

Giới thiệu

Atmega8 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến
trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer). Vào ra Analog – digital và ngược lại.

Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế
tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz. Vi điều khiển
này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn
đảm bảo tốc độ xử lí.

Hình 2.6: Sơ đồ chân Atmega8
Đặc trưng:
• Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp
• Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp.
• 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng.
• Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MIPS.
• Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể ghi xóa 10000
lần.
16


• 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội.
• Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O.
• Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia
tần lập trình được.
• Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10
bit.
• Nguồn nuôi từ 4.5 đến 5.5V, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA.
• Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 16 Mhz. Ngoài ra chíp Atmega8
còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp
Atmega8 trong mạch được sử dụng trong bộ driver PID. Khi đó, chương trình PID
sẽ được lập trình sẵn trong con chíp này, và nó cũng có nhiệm vụ giao tiếp với con
chíp master DSPIC33FJ128GP708A-I/PT.
Khi sử dụng vi điều khiển Atmega8, có rất nhiều phần mềm được dùng để lập
trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của

Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR. C - CMPPILER
của GNU… Trình dịch C đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ
tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR
C. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt
hơn.
2.2.3 Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID
a. Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ
Tín hiệu điện cơ(electromyogram(EMG)) là một dạng tín hiệu điện sinh học rất
quan trọng có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh. Đo điện cơ
là một hoạt động ghi lại hoạt động điện của cơ.Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòng điện.
Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ.Đo điện cơ còn gọi là điện cơ
đồ. Đo điện cơ có thể được dùng để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra
ở bất kỳ bệnh lý nào bao gồm bệnh loạn dưỡng cơ,viêm cơ,bệnh thần kinh gây đau,tổn
thương thần kinh ngoại biên (tổn thương thần kinh cẳng tay ,chân),xơ cứng cột bên teo
cơ,nhược cơ,thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác.
Tại sao phải đo điện cơ? Đo điện cơ thường được thực hiện khi người bệnh bị yếu
cơ mà không giải thích được,hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vận động như
run rẩy hay co giật,tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh lý khác.Đo
điện cơ giúp phân biệt giữa bệnh cơ mà trong đó nguyên nhân gây bệnh xuất phát từ
cơ và yếu cơ do rối loạn thần kinh.Đo điện cơ cũng có thể sử dụng để phát hiện yếu cơ
thực sự,ngược với yếu cơ do đau làm người bệnh không dám cử động nhiều.

17


Trong phạm vi của đồ án môn học, em muốn ứng dụng sự thay đổi của tín hiệu điện
cơ làm tín hiệu điều khiển chính, mô phỏng cho hoạt động của tay người.
• Nguồn gốc của điện cơ
Nguồn gốc của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là sự thay đổi rất nhanh của
điện thế qua màng tế bào của tất cả các tế bào sống. Cụ thể hơn, các tín hiệu điện sinh

học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể thấy ở các
tế bào thần kinh hay ở các tế bào cơ gồm cả cơ tim.Cơ sở điện hóa của điện thế màng
tế bào tồn tại dựa trên 2 hiện tượng : (1) màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cách
khác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau, và
(2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sư dụng năng lượng trao đổi chất (ví dụ ATP).
Các cơ chế bơm ion chủ động truyền ion và phân tử qua màng tế bào, chống lại hàng
rào năng lượng và Gradien nồng độ giữa phần trong và phần ngoài tế bào. Ở trạng thái
bền các ion liên tục có xu hướng lọt vào bên trong (Na+) hoặc ra ngoài tế bào (K+) tế
bào, quá trình bơm ion diễn ra liên tục nhằm phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạng
thái này. Tín hiệu điện cơ (EMG) là một tín hiệu điện sinh học quan trọng có giá trị
chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh. Chúng ta có thể đo tín hiệu này
từ bề mặt da với các điện cực tương tự như đo ECG, tuy nhiên kích thước điện cực cần
phải nhỏ (thường < 1 mm2). Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU
– tập hợp từ một số sợi cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí phải dung đến các điện cực dạng
kim xuyên qua da tới bề mặt cơ cần đo. Việc ghi nhận tín hiệu EMG dùng để chẩn
đoán một số nguyên nhân suy yếu cơ hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vận
động như run rẩy hay co giật, tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh
lý khác. Trong cơ thể có một số loại cơ chính là cơ vân, cơ trơn và cơ tim. Cơ vân
thường được chia thành cơ nhanh và cơ chậm. Cơ nhanh dung trong các chuyển động
nhanh gồm có cặp cơ ở cẳng chân , cơ thanh quản, … Cơ chậm dung cho điều khiển tư
thế gồm các cơ như cơ dép, các cơ ngực, lưng và cổ,… Việc ghi tín hiệu EMG thường
được thực hiện cho cả hai loại cơ trên. Ngoài ra người ta cũng thường đo cho các cơ ít
lộ diện hơn như cơ ngoài mắt để di chuyển nhãn cầu, cơ mí mắt và các cơ dung cho
điều khiển thanh quản. Mỗi cơ vân cụ thể được chi phối bởi một nhóm tế bào thần
kinh cột sống, trong đó các Neuron vạn động nhận tín hiệu kích thích và ức chế đầu
vào từ các Neuron phản hồi lân cận trên sống cơ, dây chằng Golgi và các tế bào phản
hồi Renshaw. Các Axon Neuron vận động riêng biệt điều khiển sự co thắt một cơ cụ
thể, được phân bố trên các nhóm nhỏ các sợi cơ gọi là một đơn vị vận động đơn
(SMU). Các SMU hợp lại sẽ thành cả cơ. Kết nối giữa các đầu nhánh của một Axon
vận động đơn lẻ với các sợi cơ SMU được gọi là các tấm vận động (MEP). MEP là các

tiếp hợp hóa học mà ở đó chất truyền dẫn là Acetylcholine (ACh) được giải phóng ra
trước tiếp hợp và khuếch tán qua các khe trống ở mối nối đến các vùng thu nhận trên
màng tể bào sát tiếp hợp. Khi một xung điện của Neuron vận động đi đến một MEP,
18


nó kích hoạt quá trình Exocytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ trống chứa
Ach trước Synap (có xấp xỉ 3.105 lỗ trống đầu mỗi MEP, mỗi lỗ trống có đuờng kính
khoảng 40nm). Một lượng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử Ach cần để kích hoạt một
điện thế hoạt động cơ. Ach khuếch tán qua khe Synap rộng từ 20 đến 30 nm trong
khoảng thời gian xấp xỉ 0,5ms. Tại đây một số phân tử Ach kết hợp với các điểm tiếp
nhận trên các đơn vị protein hình thành nên các đường tiếp nhận ion dưới Synap. Cứ 5
đơn vị protein phân tử khối lớn tạo thành một đường Ach gắn vào các đơn vị protein
sẽ làm giãn các đường này ra thêm 0,65nm. Các đường dẫn ion mở rộng cho phép ion
Na+ chảy vào. Tuy nhiên các ion Cl- vẫn bị đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửa
vào của đường. Như thế, màng dưới Synap đã được khử cực, tạo ra một điện thế hoạt
động của cơ. Điện thế qua màng có thể tăng lên đến +50mV, tạo thành một xung điện
thế qua tấm vận động EPP. Điện thế này sẽ được hình thành sau một khoảng thời gian
xấp xỉ 8ms, thời gian này lâu hơn rất nhiều so với điện thế hoạt động thần kinh. Luợng
Ach ở khe Synap và phần bám vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủy
phân bởi enzyme Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử của
chúng sẽ được tái sử dụng. Một lượng nhỏ Ach thoát khỏi khe nhờ quá trình khuếch
tán và cũng bị thủy phân. Khi màng sau Synap ở ngay dưới MEP bị khử cực dưới dạng
đầu ra là một xung EPP có ngưỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra và
truyền đi theo màng ngoài của sợi cơ. Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiện
tượng co cơ hoặc tổn hao sinh lực vận động. Các loại điện thế hoạt động cơ thông
thường được đo bên trong tế bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm. Điện
thế hoạt động trong cơ xương được truyền đi với vận tốc từ 3 đến 5m/s và tồn tại trong
khoảng từ 2 đến 15ms, phụ thuộc vào mỗi loại cơ và mức độ dao động của nó từ giá trị
nghỉ khoảng -85mV đến giá trị đỉnh xấp xỉ +30mV. Ở mặt da, điện thế này xuất hiện

dưới dạng xung ba pha có biên độ đỉnh từ 20µV đến 2000µV. Một dạng điện thế hoạt
động cơ bình thường được đo bên trong tế bào ở tấm vận động (nét liền) và cách 2mm
theo sời cơ (nét đứt) Để đảm bảo tất cả các bộ phận sâu bên trong sợi cơ dều được kích
thích để co rút cùng lúc và cùng một cường độ, dọc theo sợi cơ sẽ có các sợi ngang
dạng ống nhỏ xoáy sâu bên trong sợi cơ gọi là ống T. Các ống T này có đầu mở để
nhận dich từ ngoài tế bào vào và cả hai đầu của ống đều nối với màng của sợi cơ.
Chúng dẫn truyền điện thế họat động cơ từ phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi
cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ. Một kích thích đồng bộ tất cả các Neuron vận
động phân bố trên cơ được gọi là hiện tượng co giật, tức là độ căng của cơ giảm xuống
một lượng nhỏ sau đoa tăng lên bất ngờ rồi lại giảm xuống dần đến không. Sự co cơ
kéo dài được tạo ra từ quá trình kích thích cơ từ hệ thần kinh một cách đều đặn. Khi sự
kích thích ngưng lại cơ sẽ về trạng thái nghỉ.
• Cách ghi tín hiệu EMG
19


Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU-tập hợp từ một số sợi
cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí là từ các sợi cơ riêng lẻ, người ta phải dùng đến các điện
cực dạng kim xuyên qua da tới bề mặt của cơ cần đo. Do vậy,phương pháp đo này đặc
biệt cần các yêu cầu về vô trùng. Sau đây nhóm em sẽ giới thiệu qua về một số điện
cực. Điện cực dùng trong EMG là điện cực đồng tâm EMG Adrian và Bronk phát triển
các điện cực đồng tâm để thu được một chỗ kẹp nhỏ hơn so với các điện cực dây. Các
phiên bản hiện đại của điện cực đồng tâm bao gồm một dây bạch kim hoặc dây thép
không rỉ nằm bên trong Lumen của một ống dò bằng thép không rỉ với đường kính
ngoài khoảng 0,5 mm, đỉnh xiên một góc từ 15-20 độ, do đó lộ ra phần dây trung tâm
như là một bề mặt elip xiên khoảng 150 × 580 μm. Dây trung tâm được cách ly với
ống dò bằng araldite hoặc epoxy. Những điện cực kim phục vụ cho việc ghi tín hiệu
EMG dưới da. Đối với các điện cực sợi đơn và điện cực đồng tâm, các ống dò của kim
tiêm dưới da đóng vai trò là điện cực tham chiếu. Các điện cực đơn được sử dụng vớí
một điện cực tham chiếu từ xa. Các điện cực đồng tâm được kết nối với một bộ khuếch

đại vi sai, do đó tín hiệu ở chế độ mode chung sẽ bị loại bỏ một cách hiệu quả, và thu
được một đường biên tương đối ổn định. Ống dò không được quan tâm đến như một
điện cực tham chiếu bình thường bởi vì nó được đặt ở bên trong phạm vi phân bố điện
thế và do đó lựa chọn điện thế từ các sợi tích cực. Các sự mô phỏng [Henneberg và
Plonsey, 1993] đã chỉ ra rằng các ống dò bảo vệ các dây điện trung tâm khỏi các điện
thế được chọn từ những cơ nằm ở đằng sau của đỉnh. Điện cực đồng tâm có độ nhạy
lớn nhất khi bán cầu đối mặt với bề mặt elip xiên. Do hàm của độ nhạy là không đối
xứng, nên những dạng sóng của điện thế được ghi sẽ thay đổi nếu điện cực bị xoay
quanh trục của nó. Vấn đề này không nhân thấy được đối với những điện cực đơn đối
xứng theo trục, tuy nhiên những điện cực này có một đường biên không ổn định hơn
do điện cực tham chiếu nằm ở rất xa. Cả hai điện cực đồng tâm và điện cực đơn đều
được sử dụng trong EMG thông thường. Do sự khác biệt về đặc điểm ghi, tuy nhiên,
so sánh giữa ghi đồng tâm và ghi đơn cực không phải là dễ. Bởi vậy một phòng thí
nghiệm EMG nói riêng có xu hướng chỉ sử dụng một loại và không dùng loại
khác.Trong quá trình kiểm tra kim đồng tâm, các điều tra viên đã tìm những hoạt động
bất thường, hoạt động tự nhiên trong các cơ bắp thư giãn, và sự xuất hiện dị thường
của điện thế vận chuyển. Các dạng sóng của điện thế vận chuyển được đánh giá trên
cơ sở các đặc trưng dạng sóng định lượng được chỉ ra trong hình 2:
Biên độ: được xác định bởi những sợi hoạt động đang có mặt trong vùng lân
cận của đầu điện cực. Lọc thông thấp là việc cắt bớt đi những nhánh tần số cao của
những SFAP ở xa, vì vậy biên độ MUP không tăng khi một đơn vị vận động lớn hơn.
Tuy nhiên, biên độ MUP sẽ tăng lên nếu các đầu điện cực được đặt gần một bó sợi cơ
phân bổ thần kinh. Biên độ MUP lớn thường thấy trong các bệnh về thần kinh.
20


Rise time là một hàm tăng dần của khoảng cách giữa điện cực và các sợi cơ
đang hoạt động gần đó nhất. Một Rise time ngắn kết hợp với một biên độ MUP nhỏ thì
ta thấy biên độ giảm nhưng là do sợi cơ bị co vào chứ không phải là do khoảng cách
giữa điện cực và sợi gần nhất là lớn.

Số pha:cho thấy sự phức tạp của MUP và mức độ lệch giữa SFAPs. Trong các
bệnh về thần kinh, xuất hiện MUP nhiều pha do vận tốc dẫn truyền trong những dây
thần kinh chưa hoàn thiện hoặc trong các sợi gân rất nhỏ, nhưng những sợi cơ vẫn bị
co lại. Sự thay đổi của kích thước sợi cơ cũng gây ra MUP nhiều pha trong các bệnh
về cơ. Để ngăn chặn sự bất thường của nhiễu đường biên do ảnh hưởng bởi số pha
MUP,một đường biên phù hợp cần lớn hơn một mức biên độ tối thiểu chuẩn.
Chu kỳ :là khoảng thời gian giữa sự xuất hiện đầu tiên và cuối cùng của dạng
sóng vượt quá một ngưỡng biên độ được giới hạn trước, ví dụ như, 5 μV. Sự bắt đầu
và kết thúc của MUP là sự tổng hợp của các thành phần tần số thấp của những SFAP
rải rác trên toàn bộ phạm vi kẹp kim của điện cực này. Kết quả là, chu kỳ MUP cung
cấp thông tin về số lượng các sợi đang hoạt động trong phạm vi kẹp kim. Tuy nhiên,
khi đó vùng đơn vị vận động có thể rộng hơn phạm vi kẹp kim của điện cực này, chu
kỳ của MUP không cung cấp thông tin về tổng độ lớn của đơn vi vận động. Chu kỳ
của MUP sẽ tăng nếu một đơn vị vận động có số lượng sợi cơ gia tăng do sự phục hồi
phân bổ dây thân kinh. Chu kỳ MUP chịu ảnh hưởng ở mức độ ít hơn bởi sự mất liên
kết SFAP.
Diện tích cho thấy số lượng các sợi tiếp giáp với điện cực, tuy nhiên, không
giống như biên độ MUP, diện tích MUP phụ thuộc vào chu kỳ MUP và do đó chịu ảnh
hưởng bởi các sợi cơ trên một vùng lớn hơn so với biên độ MUP.
Turns là một thước đo sự phức tạp của MUP, giống như số pha, tuy nhiên, một
sự đổi hướng đúng không yêu cầu một giao điểm với đường biên như một pha, số lần
đổi hướng nhạy cảm hơn so với những thay đổi trong dạng sóng MUP. Để phân biệt
được sự đổi hướng đúng từ nhiễu tín hiệu, sự đổi hướng liên tiếp cần phải được bù đắp
bởi một biên độ tối thiểu khác.
Dựa trên những thông tin chứa trong những đặc trưng MUP định nghĩa ở trên, ta có
thể suy luận về số lượng và mật độ của sợi cơ trong một đơn vị vận động cũng như sự
đồng bộ của SFAPs. Tuy nhiên, các điện cực đồng tâm là không đủ để nghiên cứu về
các sợi cơ riêng biệt, cũng không phải là nó đủ độ nhạy để đo được kích thước tổng
của một đơn vị vận động
• Các cách đo điện cơ

Có hai cách đo điện cơ là:
Đo điện bên trong cơ Một cây kim cắm xuyên qua da và cơ cần đo.Cây kim này sẽ
phát hiện hoạt động điện của cơ(giống như một điện cực). Hoạt động điện được biểu
21


hiện trên máy đo dao động ký và cũng có thể thể hiện được dưới dạng âm thanh qua
một máy nghe microphone. Vì các cơ xương (cơ vân) thường lớn,cho nên điện cực cần
phải được cắm ở nhiều nơi trên cơ mới có thể thu được thông tin chính xác về hoạt
động của điện cơ.Sau khi cắm điện cực,người bệnh được yêu cầu co cơ( ví dụ co
khuỷu tay..) Kích thước và hình dạng của sóng hiện tại (điện thế hoạt động) được thể
hiện trên dao động ký,cung cấp thông tin về khả năng hoạt động của cơ đối với đáp
ứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi cơ khi co thắt sẽ sinh ra điện thế động.Kích thước
của sợi cơ sẽ ảnh hưởng đến tần số và biên độ điện thế hoạt động.
Đo điện ở bề mặt da Đo điện cơ có một số đặc điểm thu hút.Đặc biệt là đo điện cơ bề
mặt không phải đâm kim qua da và vì vậy người bệnh nhân không bị đau.Tuy
nhiên,giá trị thông tin thu được bằng phương pháp này thường không tốt bằng đo điện
cơ cắm vào cơ.Hiệp hội chẩn đoán bằng điện học đã thông báo:”trên thực tế,hầu như y
văn không ủng hộ việc sử dụng đo điện cơ trên bề mặt da trên lâm sàn để chẩn đoán và
quản lý bệnh nhân bị bệnh về thần kinh hay cơ”.Mặc dù vậy,đo điện cực trên bề mặt
da chứng tỏ vẫn còn giá trị trong tương lai giúp theo dõi sự tiến triển các rối loạn thần
kinh và cơ.
Phải thử nghiệm về tốc độ truyền dẫn thần kinh thường được thể hiện cùng lúc với đo
điện cơ.Trong thử nghiệm này,dây thần kinh được kích thích bằng điện cực thứ hai
phát hiện xung điện ‘đang hạ thấp’từ tốc độ dẫn truyền thần kinh .Đo tốc độ dẫn
truyền thần kinh thường được thực hiên bằng một điện cực dán trên da (giống như
trong đo điên tim)ở nhiều vị trí phân bố khác nhau của dây thần kinh .Một điên cực
kích thích thần kinh có một xung điện biến đổi nhẹ.Kết quả của hoạt động điện được
ghi lại bằng nhiều điện cực khác nhau.Khoảng cách giữa các điện cực và thời gian bắt
xung của các điện cực giữa hai điện cực được sử dụng để tính tốc độ truyền của xung

điện (tốc độ dẫn truyền thần kinh).Khi tốc độ dẫn truyền thần kinh giảm đi nói lên có
bệnh lý ở dây thần kinh.Đo tốc độ dẫn truyền thần kinh được sử dụng để phát hiện rối
loạn thần kinh thật sự hay bệnh lý do tổn thương thần kinh của cơ.Nhiệt độ cơ thể phải
duy trì bình thường khi đo tốc độ truyền dẫn thần kinh ,vì nếu nhiệt độ cơ thể thấp sẽ
làm cho tốc độ dẫn truyền của thần kinh bị chậm lại.
• EMG chưa qua xử lý
Tín hiệu chưa qua xử lý có:Biên độ từ 0-6 mV, tần số từ 10-500 Hz, điện áp đỉnh đỉnh đo bằng mV, biểu hiện sự hoạt động đều đặn của cơ
• Thiết kế mạch đo EMG
Mục đích chính là lấy được sự thay đổi của tín hiệu điện cơ mỗi khi có sự hoạt động
của cơ, ở đây là cơ ở bắp tay để làm tín hiệu điều khiển, không phải đo chính xác giá
trị của điện cơ.
Các điện cực sử dụng ở đây do nhóm tự chế
22


Hình 2.7: Điện cực

Hình 2.8
C1

GND

GND

5

IN1

1
2

IN2

4

OUT 2

3

R1

120R
10uF 10uF
IC2
1
8
RG1
RG2

J1

OUT 1

C2

GND

Jac Phone2

C6

-9V

3
2

+ in
- in

4

V-

V+
out
Vref

INA118

7
6

+9V

5

VR1
10K

adc0

VR2
10K

adc1

GND
GND

C8

GND

GND

5

IN1

1
2

IN2

4

OUT 2

3

Jac Phone2

R5

120R
10uF 10uF
IC3
1
8
RG1
RG2

J2

OUT 1

C9

GND

C10
-9V

3
2

+ in
- in

4

VINA118

V+
out
Vref

7
6

+9V

5
GND
GND

Hình 2.9: Mạch khuếch đại tín hiệu điện cơ
23


b, Tổng quan về PID
• Lịch sử
Các bộ điều khiển PID trong các thiết kế bộ điều tốc xuất hiện từ những năm
1890. Các bộ điều khiển PID sau đó được phát triển trong hệ thống lái tàu (thủy) tự
động. Một trong những ví dụ sớm nhất của bộ điều khiển kiểu PID được phát triển bởi
Elmer Sperry năm 1911, trong khi tác phẩm phân tích lý thuyết đầu tiên về bộ điều
khiển PID được kỹ sư người Mỹ gốc Nga Nicolas Minorsky xuất bản, vào năm
(Minorsky 1922). Minorsky đã thiết kế các hệ thống lái tàu tự động cho Hải quân Mỹ,
và dựa trên các phân tích của ông khi quan sát người lái tàu, ông nhận thấy rằng người
lái tàu điều khiển con tàu không chỉ dựa trên sai số hiện tại, mà còn dựa vào sai số quá
khứ và tốc độ thay đổi hiện tại; điều này sau đó đã được ông toán học hóa. Hải quân

Mỹ cuối cùng đã không chấp nhận hệ thống, do sự phản đối từ nhân viên. Nghiên cứu
tương tự được tiến hành và xuất bản bởi nhiều người khác vào thập niên 1930.
Những bộ điều khiển đầu tiên là khí nén, thủy lực, hoặc cơ khí, các hệ thống điện
phát triển sau Chiến tranh Thế giới thứ II.
• Cơ bản về bộ điều khiển PID
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (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
thốngđiều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số
các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là
hiệu số giữa giá trị đo thong số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ
thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong
trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển
tốt nhất. 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 thống-trong khi kiểu điều khiển là giống
nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
24


Gải 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 vi phân, 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 trước, 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
sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số trước, 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
vọt 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.
• Lý thuyết điều khiển PID
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba
khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:
Trong đó:
Pout, Iout, và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được
xác định như dưới đây.
+ Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá
trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với
một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
Trong đó:
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra
25