Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Một Chiều

-Đồ án II-

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
----------

ĐỒ ÁN 2
Đề tài: Thiết kế hệ thống
cơ DC

điều khiển tốc độ động

------------------------------------------------

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Đặng Văn Mỹ
Sinh viên thực hiện:

Hồ Văn Tự – 20122779
Phạm Văn Trí-20122601

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Page 1


-Đồ án II-

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………….. 4
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI
1.1.Ý tưởng thiết kế…………………………………………………………………………. 5

1.2.Kết quả cần đạt được…………………………………………………………………….

5

1.3.Quá trình thực hiện đề tài………………………………………………………………..

5

CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. Giới thiệu chung…………………………………………………………………………. 6
2.2. Cấu tạo…………………………………………………………………………………….6
2.3. Phân loại…………………………………………………………………………………. 8
2.4. Nguyên lý hoạt động………………………………………….…………………………. 8
2.5. Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều……………………………………………. 9
2.6. Phương trình đặc tính cơ………………………………………………………………… 9
CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Phương pháp điều khiển động cơ – xung PWM…………………………………………12
3.2. Nguyên lý hoạt động của Encoder trên động cơ…………………………………………13
3.3. Bộ điều khiển ổn định tốc độ - PID
3.3.1. Lý thuyết về bộ điều khiển PID…………………………………………………… 14
3.3.2. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID…………………………………………….16
3.3.3. Bộ điều khiển PID số……………………………………………………………… 17
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1. Sơ đồ nguyên lý chung mạch điều khiển………………………………………………..19
4.2. Giải quyêt vấn đề điều khiển
4.2.1. Định hướng chương trình………………………………………………………….23
4.2.2. Phác thảo giải thuật
Page 2

-Đồ án II-

4.2.2.1. Đọc encoder…………………………………………………………………. 23
4.2.2.2. Điều chế xung PWM………………………………………………………… 24
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
5.1. Mô phỏng mạch.
5.1.1 Kiểm tra động cơ…………………………………………………………………… 25
5.1.2. Mô phỏng mạch điều khiển trên phần mềm Proteus………………………………. 26
5.2. Đánh giá………………………………………………………………………………… 26
LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………………………27
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………………… 28

Page 3


-Đồ án II-

LỜI MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay có rất nhiều giải pháp về công nghệ, nhưng để chọn
một giải pháp tối ưu về mặt công nghệ mang tính hiện đại và tính hiệu quả cao trong kinh tế là
một vấn đề đòi hỏi rất nhiều thời gian của các chuyên gia nghiên cứu. Và một trong những giải
pháp đó là việc sử dụng thành công vi xử lí vào để điều khiển trong công nghiệp.
Động cơ điện một chiều là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng từ đơn
giản đến phức tạp. Và để động cơ làm việc một cách hiệu quả thì đòi hỏi phải có cách điều khiển
tối ưu. Xuất phát từ thực tế đó nhóm chúng em dưới sự hướng dẫn của thầy Đặng Văn Mỹ đã
tiến hành nghiên cứu đề tài: “ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU”. Do
kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm còn chưa nhiều nên trong quá trình tìm hiểu không tránh
được sai sót mong thầy (cô) thông cảm. Và chúng em cũng mong sự đóng góp, giúp đỡ của thầy
cô trong khoa bộ môn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện

Page 4


-Đồ án II-

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI

1.1.Ý tưởng thiết kế
-

Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có các chức năng thực hiện đảo chiều, tăng
giảm tốc độ, đo và hiệu chỉnh được giá trị tốc độ động cơ theo giá trị đặt.

1.2.Kết quả cần đạt được
-

Điều khiển được động cơ DC
Điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM
Mạch có hệ thống có cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo
chống nhiễu cho bộ điều khiển.
Mạch điều khiển có phần giá trị tốc độ mong muốn ( giá trị đặt ).
Đo được giá trị tốc độ đầu ra để đánh giá chất lượng điều khiển và hiệu chỉnh chính xác với
giá trị đặt
Điều khiển chính xác, tin cậy và ổn định
Thiết kế đơn giản

1.3.Quá trình thực hiện đề tài
-

Tìm hiểu về động cơ điện một chiều công suất <60W,điện áp <= 24VDC và các phương
pháp điều chỉnh tốc độ
Vi điều khiển 89C52, các linh kiện cần thiết
Thiết kế mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
Xây dựng mô hình bộ điều khiển phản hồi PID để đánh giá chất lượng điều khiển tốc độ
động cơ từ đó hiệu chỉnh chính xác nó
Xây dựng mô hình giải thuật và viết chương trình điều khiển để nạp vào vi điều khiển, trực
tiếp điều khiển động cơ.

Kiểm tra đánh giá chất lượng điều khiển, làm báo cáo

Page 5


-Đồ án II-

CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. Giới thiệu chung
Khái niệm: Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện
từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng
điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm
dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.
Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì động cơ không đồng bộ là loại
động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa
thấp… Tuy nhiên trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi về yêu cầu cao về điều hành tốc độ, về
khả năng quá tải thì động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc thực hiện được thì
phải chi phí các thiết bị đi kèm (như bộ biến tần...) rất đắt tiền. Vì vậy động cơ điện một chiều

hiện tai vân là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên.
Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngành sản xuất như
hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao
thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là:
• Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt.
• Khả năng quá tải tốt.
Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện
một chiều (ĐCĐ1C) đơn giản hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ, đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng.
Hiện nay trên thế giới, ở các nước phát triển việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại
động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến, đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới. Một mặt vì
nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến
đổi gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao và tin cậy hơn và dặc biệt là không gây ô nhiễm môi
trường và cho hiệu suất cao.

2.2. Cấu tạo
Cấu tạo: Kết cấu chủ yếu của động cơ điện một chiều được chia thành 2 phần chính: phần
tĩnh (Stato) và phần động (Roto).
 Phần tĩnh (Stato) : Còn gọi là phần cảm gồm cực từ chính và cực từ phụ, gông từ, nắp máy
và cơ cấu chổi điện.
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ .
+ Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm được ép lại
và tán chặt.
+ Dây quấn kích từ được làm bắng đồng bọc cách điện, được quấn thành từng cuộn, mỗi
cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện
Page 6


-Đồ án II-

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ một chiều
- Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và được dùng để cải thiện đổi chiều.
- Gông từ : làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Cơ cấu chổi than : gồm chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ
góp.
- Nắp máy : Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vật bên ngoài
rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ... Đồng thời nắp máy để cách ly người sử
dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện. Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ
ổ bi của trục động cơ.
 Phần quay (Roto)

- Lõi thép phần ứng: Lõi thép roto dùng để dẫn từ thường làm bằng các lá thép kỹ thuật điện
(thép kỹ thuật silic) bề mặt phủ sơn cách điện rồi ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây
nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh, trong máy điện lớn lõi sắt được chia thành những đoạn
nhỏ giữa có khe hở gọi là khe thông gió ngang trục, gió thổi qua làm mát trục.
- Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua.
- Cổ góp : dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điện
một chiều đưa ra ngoài .
- Và một số các bộ phận khác ….

Page 7


-Đồ án II-

Hình 2.2: Hình dạng thực của động cơ một chiều có gắn encoder

2.3. Phân loại
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các loại như sau:

+ Động cơ điện DC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
+ Động cơ điện DC kích từ độc lập: Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện
phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên : I = Iư
+ Động cơ điện DC kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích
từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I = Iư =It
+ Động cơ điện DC kích thích song song: Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và
điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iư +It
+ Động cơ điện DC kích từ hỗn hợp (Gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng,
1 cuộn mắc song song với phần ứng): Ta có: I = Iu +It
Với mỗi loại động cơ trên là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và
ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố.

2.4. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý : hoạt động dựa trên nguyên lý “cảm ứng điện từ”. Nếu ta nối hai chổi điện với
dòng điện một chiều chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường của nam châm N-S. Dưới tác
dụng của từ trường nam châm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ có độ lớn:
F=Btb.l.i
Trong đó : Btb : là cảm ứng từ trung bình trong khe hở.
l : là chiều dài của thanh dẫn.
Page 8


-Đồ án II-

i : là dòng điện chạy trong thanh dẫn.
Chiều của lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở
mỗi vùng cực có chiều không đổi, momen do lực điện từ sinh ra có chiều không đổi làm cho
khung dây quay theo một chiều nhất định.
Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất
điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ một chiếu sđđ Eư ngược chiều

dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động .
Phương trình cân bằng điện áp :
U = Eư+ Rư.Iư
Trong đó: Rư là điện trở dây quấn phần ứng
U là điện áp hai đầu cực máy
Eư là sức điện động phần ứng.

2.5. Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
 Ưu điểm:

- Ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều là có moment mở máy lớn, do vậy kéo
được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ
nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ.
- Tiết kiệm điện năng.
- Tuổi thọ lớn
 Nhược điểm:
- Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp
và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo
dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Ngoài ra tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than sẽ gây
nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ.
- Nhược điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần cho
máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiềt đi kèm
- Giá thành đắt.
- Công suất không cao.

2.6. Phương trình đặc tính cơ
Khái niệm : Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động
cơ ω = f(M) hoặc n=f(M)
Theo sơ đồ:

Page 9


-Đồ án II-

Hình 2.3: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau :
Uư = Eư + ( Rư + Rf ).Iư
Trong đó :
Uư : điện áp phàn ứng (V)
Eư : Suất điện động phần ứng (V)
Rư : Điện trở của mạch phần ứng (Ω)
Rf : Điện trở phụ trong mạch phàn ứng (Ω)
Iư : Dòng điện mạch phần ứng (A)
Với Rư= rư + rcf + rb +rct
rư : điện trở cuộn dây phần ứng
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ
rb: điện trở cuộn bù
rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Eư = .ω.Ф = K .ω
Trong đó:
p : số đôi cực từ chính
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a : số đôi mạch nhánh song song.
Ф: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb).
ω: tốc độ góc (rad/s).
k=
(k: là hệ số cấu tạo của động cơ)
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

E ư = Ke Ф n
Mà ω = vì vậy Eư = Ф n.
Ke =
(Hệ số sức điện động của động cơ)

Page 10


-Đồ án II-

k
9,55 ≈

Ke =
0,105K
Ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ:
ω = - Iư
Mặt khác Mđt của động cơ được xác định: Mđt=k Ф Iư

Hình 2.4: Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thì momen trên trục bằng momen điện từ.
Cuối cùng ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :
ω =

- .M

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

Page 11

-Đồ án II-

Kh

Khối điều
Khối nguồn 5V

3.1. Phương pháp điều khiển động cơ – xung PWM
Động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu ta coi như có từ thông không đổi. Quan hệ giữa
tốc độ động cơ và điện áp đặt hai đầu phần ứng tỉ lệ với nhau. Do đó ta sử dụng phương pháp
điều khiển điện áp phần ứng để thay đổi tốc độ động cơ DC. Cụ thể là sử dụng phương pháp điều
chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation).

Page 12


-Đồ án II-

Hình 3.1. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM
Giá trị điện áp trung bình trên tải:
Ut = Umax = Umax * duty cycle(3.1)
 Duty cycle =

Ta thấy điện áp trên tải phụ thuộc vào Duty cycle(%) , do đó ứng với mỗi tần số xung, ta
có thể điều chỉnh Duty cycle để điều chỉnh điện áp.
Đối với VĐK 8052 sử dụng thạch anh 12MHz, ta có timer 16bit, do đó theo lý thuyết, ta
có thể tạo xung vuông trong tần số từ 15 Hz đến 1 MHz.
Để tạo xung PWM, ta cần điều khiển thông qua giá trị duty cycle (0 – 100%). Khi lựa
chọn tần số của xung PWM, ta cần lựa chọn sao cho đáp ứng cơ học của động cơ đủ mịn để

không có cảm giác bị vấp do điện áp thay đổi.

Page 13


-Đồ án II-

Hình 3.2. Đồ thị dạng xung điều chế PWM

3.2. Nguyên lý hoạt động của Encoder trên động cơ
Cấu tạo gồm:
• Đĩa quay: gồm N rãnh hoặc lỗ (hay độ phân giải của Encoder)
• Các cặp thu phát hồng ngoại

Hình 3.3:Hình ảnh cho các xung kênh A và B
Khi động cơ quay khối Encoder sẽ xuất ra 2 tín hiệu dạng xung A và B cùng tần số, lệch
pha 90 º (do sự bố trị lệch nhau của 2 cặp thu phát hồng ngoại). Với 2 tín hiệu A, B này ta sẽ xác
định được tốc độ và chiều quay của động cơ tại 1 thời điểm.
Nguyên lí đo tốc độ động cơ
Page 14


-Đồ án II-

Khi tia hồng ngoại từ Led phát đi qua 1 rãnh trên đĩa Encoder đến Led thu thì trên kênh A
(B) sẽ tạo ra 1 xung vuông, như vậy khi đĩa quay quay được 1 vòng thì trên kênh A (B)sẽ có N
xung. Gọi tốc độ động cơ là V(vòng/s), số xung Encoder đếm được trong 1s là n, ta có công thức
tính tốc độ động cơ:
V=n/N (vòng/s)

3.3. Bộ điều khiển ổn định tốc độ - PID
3.3.1. Lý thuyết về bộ điều khiển PID
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa
năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90% các bộ điều khiển trong
công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả
năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá
độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh.
Luật điều khiển PID được định nghĩa:

Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển.
Tín hiệu điều khiển là tổng của ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và vi phân.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:
GPID(s) = = Kp + KI + KD s = Kp(1 + + TD s)
Các tham số của bộ điều khiển là Kp, KI và KD
Thành phần tỷ lệ (P)
u(t) = Kp*e(t)
Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai
lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn. Sai lệch giảm dần thì tín
hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0. Một vấn đề là khi sai lệch đổi
dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu.

Page 15


-Đồ án II-

Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc
độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá
độ.
Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh

dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo. Hơn nữa, đối với đối tượng
không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh.
Thành phần tích phân (I)
u(t) = KI
Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín
hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là
nhỏ hay lớn. Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) = 0. Đây cũng là ưu điểm của
thành phần tích phân.
Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t) về
0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi
còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định.
Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ
đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống
Thành phần vi phân (D)
u(t) = KD
Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín. Do động học của quá
trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đổi của sai
lệch e(t) và đầu ra y(t) của quá trình. Thành phần vi phân đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá
trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), làm
tăng tốc độ đáp ứng của hệ.
Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường
không ổn định được với các bộ P hay PI.
Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính
đáp ứng nhanh nêu ở trên.
3.3.2. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và không thể đồng
thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, nên cần lựa chọn giữa các yêu cầu
chất lượng và mục đích điều khiển. Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc
Page 16

-Đồ án II-

vào đối tượng điều khiển và các phương pháp xác định thông số. Tuy nhiên, kinh nghiệm cũng là
một yếu tố quan trọng trong khâu này.
Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID trong đó có phương
pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi
dạng bậc thang (Phương pháp Ziegler-Nichols 1). Đối tượng áp dụng của phương pháp này là
các quá trình có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ.
Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hoành Ɵ và độ dốc α (Hình 3.3),
các tham số của bộ điều khiển được xác định theo bảng 3.1

y
k

0

ɵ ʈ

t

Hình 3.4: Xác định tham số của đặc tính quá trình.
Bộ điều khiển
P
PI
PID

Kp

t/k ɵ

0.9t/k ɵ
1.2t/k ɵ

TI
-

10/3 ɵ
2ɵ
Bảng 3.1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1

TD
0.5 ɵ

Phương pháp này có một số nhược điểm như sau:
+ Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được
cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định.
+ Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất
nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt.
+ Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu ɵ và α kém chính xác.
+ Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (Hệ số tắt dần khoảng
0.25).
Page 17


-Đồ án II-

Theo kinh nghiệm của một số chuyên gia, điều kiện áp dụng phương pháp này là tỉ số ɵ /t nằm
trong phạm vi 0.1-0.6. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0.6, ta cần áp dụng các phương pháp chỉnh định
khác có để ý tới bù thời gian trễ. Ngược lại, với tỉ lệ nhỏ hơn 0.1 thường ứng với các hệ bậc cao,
do đó cần bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học.

3.3.3. Bộ điều khiển PID số
Trong thực tế công nghiệp, các bộ điều khiển PID có thể được cấu thành từ các mạch
tương tự hoặc các cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên với yêu cầu cao về độ chính xác và chống nhiễu
tốt thì các bộ điều khiển như vậy chưa đáp ứng được yêu cầu. Cùng với sự phát triển của các ứng
dụng nhúng hay trên nền vi xử lý, thì điều khiển số cũng là một lĩnh vực quan trọng. Các bộ điều
khiển được số hóa để có thể thực thi với tốc độ cao và chính xác hơn. Đồng thời việc xây dựng
các bộ điều khiển trên nền máy tính số hay vi điều khiển cũng đơn giản hơn nhiều.
Dưới đây ta trình bày về việc xấp xỉ bộ PID trên miền thời gian sang dạng PID số. Việc
lựa chọn tham số cho bộ PID số cũng tương tự như trên miền thời gian. Ngoài ra ta cần quan tâm
đến một tham số quan trọng là chu kì lấy mẫu của vi điều khiển.
Từ công thức:

Ta sử dụng các công thức xấp xỉ tích phân lùi (backward integral approximation) và vi
phân lùi (backward difference approximation) với chu kì lấy mẫu T.

Khi đó:
u(kT) = u0 + Kp
Viết gọn lại thành:
uk = Kpek + Kiek + ui,k-1 + Kd(ek – ek-1) = up,k + ui,k + ud,k
Với:
up,k = Kpek
ui,k = Kiek + ui,k-1
ud,k = Kd(ek – ek-1)

Page 18


-Đồ án II-

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1. Sơ đồ nguyên lý chung mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch phần cứng được mô tả ở hình dưới:

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch
Bao gồm:
+ Vi điều khiển AT89S52, LCD, button và các module khác
+ Mạch công suất điều khiển động cơ, sử dụng IC L298
+ Động cơ 12V DC có gắn Encoder quang, độ phân giải 100 xung/vòng
+ Bộ nguồn 12V DC, 5V DC
Các phần mềm sử dụng:
+ Keil for 8051 (uVision 4).
+ Proteus 8.1 Professional (mô phỏng mạch).

Page 19


-Đồ án II Khối nguồn

Điện áp xoay chiều 220V được hạ áp xuống còn 12v xoay chiều. điện áp 12v xoay chiều
được chỉnh lưu thanh điện áp một chiều rồi đưa vào IC ổn áp 7805 để lấy ra điện điện áp 5V để
đưa vào mạch điều khiển. Điện áp sau chỉnh lưu để nuối động cơ.
Chọn IC 7805 cho ra 5v nuôi cho vi điều khiển. Điện áp qua cầu chỉnh lưu 24v cấp cho khối
động lực. Các điện áp lấy ra chuẩn để đảm bảo các linh kiện và động cơ chạy tốt nhất.
 Khối công suất

Hình 4.2: Sơ đồ khối công suất
Ở đây IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp
làm tăng công suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng
dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa …
Tóm tắt chức năng các chân của L298

+
+

+

+
+

4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12
của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển
4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT)
được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động
cơ
Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298. Nếu ở
mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức
logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động.
Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào
Khi ENA = 1 thì
• INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân.
• INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch
• INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì

 Khối điều khiển

Page 20


-Đồ án II-

Hình 4.3: Khối điều khiển trên mạch mô phỏng

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau.
Chúng có các đặc điểm chung như sau:
8 KB EPROM bên trong.
128 Byte RAM nội.
4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.
Giao tiếp nối tiếp.
64 KB vùng nhớ mã ngoài
64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
Xử lí Boolean (hoạt động trên bit đơn).
210 vị trí nhớ có thể định vị bit.
4 μs cho hoạt động nhân hoặc chia
8051 được cấp nguồn 5VDC, từ PORT1.0 tới PORT1.5 được kết nối với các nút nhấn để
điều khiển tốc độ động cơ quay thuận, nghịch, tăng, giảm. P1.6, P1.7 kết nối với đầu vào IC
L298 để xuất mức tín hiệu điện áp điều khiển động cơ. P0.0 đến P0.7, P2.0 và P2.1 kết nối với
LCD để hiện thị thông số tốc độ đo và tốc độ đặt. Chân INT1 ( PORT3.3) nối với 1 kênh của
động cơ để đo tốc độ.










 Khối hiển thị LCD

Page 21

-Đồ án II-

Nhờ có module hiển thị mà giúp cho người điều khiển có thể hiển thị được các thông số
cần điều khiển cũng như biết được các giá trị mà bộ điều khiển đo được. Không chỉ dừng lại ở
đó, module hiển thị còn được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống hàng ngày mà ở bất kì đâu ta
cũng có thể bắt gặp như: Bảng quảng cáo, đồng hồ điện tử, bộ điều khiển…Trong bản đồ án của
chúng em cũng sử dụng module hiển thị LCD 16x2 để hiển thị tốc độ đặt và tốc độ thực của
động cơ, LCD được nối với PORT0

Hình 4.4: Sơ đồ chân LCD 16x2
Chức năng của LCD trong hầu hết các mạch, các bộ điều khiển đảm nhân vai trò hiển thị các
thông số, các thông tin muốn nhập vào hay các thông tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động
được hiển thị ra màn hình, giúp giao tiếp gần hơn với quá trình hoạt động của hệ thống.
Nhìn trên hình ta thấy 2 chân 1,2 được cấp nguồn cho LCD hoạt động, chân thứ 3 (chân
VSS) được nối vào đầu ra của biến trở dùng để điều chỉnh độ tương phản (phải điều chỉnh VSS
hợp lý thì LCD mới hiển thị được) từ chân 7  14 là các chân điều khiển được nối với vi điều
khiển, các chân 4, 5, 6 dùng để điều khiển hoạt động của LCD, các chân còn lại là 8 bit Data
dùng để truyền nhận dữ liệu. Chúng ta có thể giao tiếp Data 8 bit hoặc 4 bit như trong mạch của
chúng ta truyền Data dưới dạng 8 bit. Việc truyền dưới dạng 4bit hoặc 8 bit phải được thiết lập
cả phần cứng và phần mềm.

4.2. Giải quyêt vấn đề điều khiển
4.2.1. Định hướng chương trình
Muốn điều khiển động cơ vòng kín, có phản hồi:
Page 22


-Đồ án II(i)
(ii)

(iii)
(iv)

Đề tài sử dụng encoder quang để phản hồi vận tốc. Nhiệm vụ là phải đọc được
giá trị vận tốc này.
Điện áp đặt vào hai đầu động cơ thay đổi làm vận tốc động cơ thay đổi. Do đó
tín hiệu điều khiển đưa vào mạch công suất có tác động đến tốc độ động cơ.
Nhiệm vụ là xây dựng chương trình điều chế xung điều khiển đưa vào mạch
công suất.
Giá trị vận tốc đặt được ra lệnh từ các button trên mạch điều khiển. Nhiệm vụ là
phải xây dựng chương trình nhập giá trị từ các button đó.
Muốn động cơ duy trì tại vận tốc mong muốn, hoặc bám theo một tín hiệu chủ
đạo cho trước, phải có một khâu điều khiển. Ở đây ta sử dụng giải thuật PID.
Nhiệm vụ là chuyển thuật toán từ lý thuyết lên vi điều khiển, chỉnh định tham số
của bộ điều khiển.

4.2.2. Phác thảo giải thuật
4.2.2.1. Đọc encoder
Encoder phát xung vuông có dạng như hình vẽ:

Hình 4.5: Dạng xung của encoder
Để đo tốc độ của động cơ ta cần đếm số xung của encoder phát ra trong một khoảng thời gian
xác định Ts(ms).
Gọi số xung encoder xuất ra trong thời gian Ts là N.
Số xung của đĩa encoder là 334 xung.
 Tốc độ động cơ: n = 60*(N*1000)/(334*Ts)

Để cho việc tính toán được dễ dàng, chúng em sẽ chọn Ts = 300(ms)
 N = 3*N/5

Trong bài tập này, chúng em sẽ sử dụng Timer1 và ngắt ngoài 1 để đo tốc độ động cơ.
INT1: khi có cạnh sườn xuống của tín hiệu encoder thì biến demxung sẽ tăng lên 1,
đây là biến lưu số xung encoder trong thời gian Ts.
Timer1: tạo định thời 30 ms, sau 10 lần sẽ tính toán giá trị vận tốc động cơ
4.2.2.2. Điều chế xung PWM
Page 23


-Đồ án II-

Vi điều khiển dòng AT89S52 không có chân xuất PWM trực tiếp, do vậy ta phải dùng
Timer để tạo xung PWM, đưa vào mạch công suất
Dưới đây là lưu đồ phác thảo giải thuật điều chế xung PWM:

Hình 4.6:Lưu đồ giải thuật điều chế xung PWM
Ở bài này chúng em cho chu kỳ của xung PWM: T = 1000 (us).

Page 24


-Đồ án II-

CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
5.1. Mô phỏng mạch.
5.1.1 Kiểm tra động cơ

Hình 5.1: test motor
Nhận thấy khi cho điện áp một chiều có độ lớn 1V chạy qua động cơ DC thì tốc độ động
cơ có dạng:

Page 25