Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ một chiều theo kĩ thuật PWM có phản hồi dòng điện trên nền vi điều khiển ATmega16

MỤC LỤC
Trang
Lời mở đầu ....................................................................................................... 4
Chương 1. Đặt vấn đề ..................................................................................... 6
1.1. Bài toán điều khiển động cơ một chiều ........................................................... 6
1.1.1. Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ................................ 6
1.1.2. Mô hình hóa động cơ một chiều ......................................................................... 7
1.1.3. Cấu trúc điều khiển phản hồi dòng điện ............................................................. 8
1.1.4. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển số................................................................... 10

1.2. Kĩ thuật điều chế độ rộng xung PWM và mạch cầu H .................................. 11
1.2.1. Kĩ thuật điều chế độ rộng xung PWM .............................................................. 11
1.2.2. Mạch cầu H ....................................................................................................... 12

1.3. Đề xuất các thành phần của hệ thống điều khiển động cơ một chiều ........... 13

Chương 2. Giới thiệu chung về các thành phần của hệ thống .................. 15
2.1. Nguồn adapter ............................................................................................... 15
2.2. Động cơ có gắn encoder ................................................................................ 15
2.2.1. Động cơ thực nghiệm ........................................................................................ 15
2.2.2. Encoder ............................................................................................................. 16

2.3. Driver L298 ................................................................................................... 17
2.4. Điện trở shunt ................................................................................................ 19
2.5. Opamp LM324 ............................................................................................... 20
2.6. Các thiết bị nhập/xuất dữ liệu ....................................................................... 21
2.6.1. Màn hình LCD 16x2 ......................................................................................... 21
2.6.2. Bàn phím nút nhấn ............................................................................................ 23
2.6.3. Cổng truyền thông RS232................................................................................. 25
2.6.4. Chuẩn giao tiếp SPI và mạch nạp ISP .............................................................. 28

2.7. Vi điều khiển ATmega16 ................................................................................ 30
2.7.1. Giới thiệu họ vi điều khiển AVR ...................................................................... 30
2.7.2. Kiến trúc của AVR ........................................................................................... 31
2.7.3. ATmega16 ........................................................................................................ 35

Chương 3. Thiết kế mạch phần cứng .......................................................... 39
3.1. Các cổng vào/ra của mạch phần cứng .......................................................... 39
3.2. Mạch driver L298 .......................................................................................... 39
3.3. Đo tốc độ động cơ ......................................................................................... 40
Trang 2


3.4. Mạch đo dòng phản hồi ................................................................................. 41
3.5. Mạch bảo vệ quá dòng .................................................................................. 42
3.6. Khối nút nhấn và hiển thị .............................................................................. 43
3.7. Mạch tạo dao động bằng thạch anh .............................................................. 44
3.8. Sơ đồ nguyên lý tổng hợp .............................................................................. 44

Chương 4. Thiết kế phần mềm..................................................................... 45
4.1. Tìm hiểu các module của ATmega16 được sử dụng ...................................... 45
4.1.1. Các ngắt trong ATmega16 ................................................................................ 45
4.1.2. Điều chế độ rộng xung (PWM) với Timer/Counter1 (T/C1) ............................ 47
4.1.3. Tạo chu kỳ trích mẫu với Timer 2 và đếm xung với Counter0 ........................ 53
4.1.4. Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) ................................................................. 56
4.1.5. Đo tần số tín hiệu dạng xung với Input Capture ............................................... 61
4.1.6. Giao tiếp truyền thông SPI và UART ............................................................... 63

4.2. Xây dựng giao diện đồ họa người dùng trên MATLAB................................. 68
4.3. Cài đặt phần mềm cho vi điều khiển ............................................................. 72
4.3.1. Thuật toán điều chế điện áp .............................................................................. 72

4.3.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển ............................................................................ 72
4.3.3. Lập trình C cho AVR với phần mềm CodeVision AVR .................................. 73

Chương 5. Kết quả đạt được ........................................................................ 75
5.1. Thực nghiệm .................................................................................................. 75
5.1.1. Phương án thực nghiệm .................................................................................... 75
5.1.2. Thí nghiệm 1 - Kiểm tra phép đo dòng ............................................................. 76
5.1.3. Thí nghiệm 2 - Nhận dạng hàm truyền đối tượng vòng trong .......................... 76
5.1.4. Thí nghiệm 3 - Nhận dạng hàm truyền đối tượng vòng ngoài .......................... 77
5.1.5. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................... 78

5.2. Đánh giá và bàn luận .................................................................................... 79
5.2.1. Các kết quả đạt được ......................................................................................... 79
5.2.2. Hạn chế ............................................................................................................. 79

5.3. Tổng kết đồ án ............................................................................................... 80

Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 81
PHỤ LỤC. ...................................................................................................... 82
Sản phẩm mạch phần cứng................................................................................... 82

Trang 3


Lời mở đầu
Ngày nay, dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, cùng với đó là sự xuất hiện
ngày càng phổ biến của các loại máy điện xoay chiều 3 pha trong nền sản xuất hiện đại.
Mặc dù vậy, động cơ điện một chiều (ĐCMC) vẫn đóng vai trò quan trọng nhờ những ưu
điểm nổi bật về đặc tính làm việc, khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi
rộng, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Trên góc độ nghiên cứu,

phương pháp điều khiển truyền động các loại máy điện xoay chiều được sử dụng chủ yếu
vẫn là điều khiển vector theo nguyên lý tựa từ thông rotor, dựa trên cơ sở nguyên lý điều
khiển ĐCMC. Chính vì vậy, điều khiển ĐCMC vẫn là bài toán cơ bản và quan trọng nhất,
là bước đệm để các nhà nghiên cứu cũng như ứng dụng tiếp cận với những bài toán điều
khiển các hệ thống truyền động phức tạp.
Nguyên tắc điều chỉnh động cơ cơ bản vẫn là điều chỉnh điện áp đặt lên 2 đầu mạch
phần ứng (tạo dòng điện sinh mômen). Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán
dẫn, phương pháp điều chỉnh điện áp trên 2 đầu tải được sử dụng phổ biến nhất là kĩ thuật
điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm tận dụng các khả năng ưu việt của hệ thống điều
khiển số hiện đại so với những cơ cấu điều áp cổ điển. Nhiệm vụ cơ bản của người kĩ sư
chỉ còn là thiết kế giải thuật để bộ điều khiển tính toán ra giá trị điện áp cần điều chế. Với
bài toán điều khiển ĐCMC, nhiều luật điều khiển đã được nghiên cứu áp dụng, dù vậy PID
vẫn là phương pháp được ưa chuộng vì tính đơn giản và hiệu quả của nó.
Chính vì những lí do trên, là những sinh viên ngành điều khiển tự động xác định
được hướng nghiên cứu trong năm học cuối là tập trung vào lĩnh vực điều khiển các loại
máy điện, chúng em đã quyết định thực hiện Đồ án 3 với đề tài “Thiết kế hệ thống điều
khiển động cơ một chiều theo kĩ thuật PWM có phản hồi dòng điện trên nền vi điều khiển
ATmega16” với mong muốn có được những kiến thức và kĩ năng thực tế phục vụ cho quá
trình học tập và nghiên cứu ứng dụng, có thể vận dụng tổng hợp các lý thuyết đã học để tạo
ra một sản phẩm hoàn chỉnh, đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật với chi phí thấp. Quyển đồ
án này là sự tổng hợp các nội dung cần thiết đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng
thiết kế, tổng hợp quá trình tìm hiểu, trao đổi, phân tích và giải quyết vấn đề của 3 thành
viên trong nhóm, là sự ghi nhận đóng góp của từng cá nhân vào công việc chung.
Quyển báo cáo đồ án được chia thành 5 chương:
-

Chương 1. Đặt vấn đề

Chương này đề cập đến các trọng tâm trong bài toán điều khiển động cơ, trả lời câu hỏi vì
sao phải phản hồi dòng điện, và vì sao phải điều chế độ rộng xung, các lý thuyết nào sẽ

được áp dụng với bài toán điều khiển mômen và tốc độ quay, từ đó đề xuất cấu hình cơ bản
của hệ thống cần thiết kế.
-

Chương 2. Giới thiệu chung về các thành phần của hệ thống

Trên cơ sở cấu hình đã được đề xuất, tìm hiểu về các đặc tính kĩ thuật và giải pháp sử dụng
chúng trong bản thiết kế.
-

Chương 3. Thiết kế mạch phần cứng

Trang 4


Với những tìm hiểu đã được trình bày trong Chương 2, các thiết bị sẽ được kết nối với
nhau vào trong một mạch phần cứng tổng hợp mà kết quả cuối cùng được thể hiện trong sơ
đồ nguyên lý trước khi chuyển sang thiết kế mạch in.
-

Chương 4. Thiết kế phần mềm

Nhiệm vụ cơ bản của chương này là lập trình, cài đặt được thuật toán điều khiển động cơ
vào trong vi điều khiển ATmega16, với các tính năng hỗ trợ như giao diện đồ họa người
dùng, nạp qua ISP và truyền tin qua cổng UART.
-

Chương 5. Kết quả đạt được

Nội dung chương trình bày về tiến trình thực nghiệm và các kết quả, từ đó đưa ra những

đánh giá và bàn luận, cũng như chỉ ra một số hạn chế của đồ án.
Để có thực hiện thành công đồ án, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
TS. Vũ Vân Hà, người đã có những hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho chúng em cả về
những hiểu biết thực tế cũng như những hỗ trợ trong quá trình làm mạch phần cứng. Mặc
dù cả nhóm đã nỗ lực thực hiện đồ án với thái độ nghiêm túc để có thể tạo ra những kết
quả tốt nhất, nhưng chắc rằng mạch thành phẩm cũng như quyển báo cáo đồ án khó tránh
khỏi những thiết sót, hạn chế. Chúng em rất mong nhận được thêm những góp ý, chỉ bảo
quý báu từ các thầy cô để có thể làm tốt hơn với những sản phẩm sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện,
Đặng Đức Công,
Đinh Văn Hòa,
Trần Vũ Trung,
KSTN ĐKTĐ K55

Trang 5


Chương 1. Đặt vấn đề
1.1. Bài toán điều khiển động cơ một chiều
1.1.1. Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
Động cơ điện một chiều (ĐCMC) kích từ bằng nam châm vĩnh cửu là loại động cơ một
chiều kích từ độc lập mà phần cảm stator là nam châm vĩnh cửu. Phần ứng rotor có các
cuộn dây quấn xung quanh một lõi thép và được nối với nguồn điện một chiều. Một phần
quan trọng khác của ĐCMC là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện
giúp cho 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. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của
ĐCMC được minh họa bởi Hình 1.

Pha 1:

Pha 2:

Pha 3:

Dòng điện chạy trong mạch
phần ứng sinh ra từ trường
của rotor, từ trường này
tương tác với từ trường của
nam châm sinh ra một
mômen làm rotor quay.

Khi mặt của cuộn dây song
song với các đường sức từ,
mômen bằng 0, rotor tiếp tục
quay theo quán tính.

Sau mỗi vị trí mà tại đó
mômen bằng 0, bộ phận
chỉnh lưu sẽ đảo chiều dòng
điện trong dây quấn để
mômen quay liên tục và
đúng chiều.

Hình 1. Cấu tạo và chu trình các pha làm việc của ĐCMC

Tốc độ quay là mục tiêu điều khiển cơ bản của bài toán điều khiển động cơ. Các kĩ thuật
điều khiển tốc độ quay của ĐCMC thường tập trung vào việc tác động đến điện áp đặt trên
2 đầu hoặc điện trở của mạch phần ứng. Trong đó, kĩ thuật điều chế độ rộng xung điện áp
sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất là phổ biến hơn cả nhờ khả năng tác động nhanh

và đặc biệt là điều khiển mềm bằng vi xử lý (điều khiển số).

Trang 6


1.1.2. Mô hình hóa động cơ một chiều
Theo [1] các phương trình toán học mô tả ĐCMC được cho bởi công thức:
u A = e A + RAiA + LA

di A
dt

-

Điện áp phần ứng:

-

Mômen quay:

-

Phương trình chuyển động:

-

Sức điện động cảm ứng:

eA = keψ n

(4)

-

Hằng số động cơ:

ke = 2π kM

(5)

-

Hằng số thời gian phần ứng:

LA
RA

(6)

mM = kMψ iA
dn
1
=
( mM − mT )
dt 2π J

TA =

(1)
(2)

(3)

Biến đổi Laplace các phương trình trên, ta thu được mô hình dạng sơ đồ khối mô tả ĐCMC
như sau:

Hình 2. Mô hình toán học của động cơ một chiều

Hàm truyền đối tượng tốc độ động cơ:
1
1
1
n ( s)
RA 1 + sTA 2π Js
GĐC ( s ) =
=
1
1
uA ( s ) 1 + k k ψ 2 1
e M
RA 1 + sTA 2π Js
kMψ

1
=

keψ
kMψ
=
2
2π RA J

2π RATA J 2
2π RATA Js + 2π RA Js + ke k Mψ
1+
s+
s
2
ke k Mψ
ke k Mψ 2
2

Do đó mô hình đối tượng tốc độ ĐCMC có hàm truyền dạng khâu bậc hai. Dựa trên sự
hiểu biết đầy đủ về các thông số mô hình, ta dễ dàng thiết kế được một bộ điều khiển PID
cho chất lượng điều khiển tốt.
Trong thực tế, các động cơ một chiều được bán trên thị trường hiện nay rất ít khi kèm theo
một bảng thông số chi tiết, nếu có cũng rất sơ sài. Do vậy việc xác định đầy đủ tất cả các
tham số mô hình là một việc làm khó. Ta thường chỉ dễ dàng đo được các giá trị điện trở,
điện cảm phần ứng, việc nhận dạng mô hình đầy đủ phục vụ cho công việc tổng hợp bộ

Trang 7


điều khiển sẽ được tiến hành bằng phương pháp khảo sát đáp ứng xung thực nghiệm, với
sự hỗ trợ của công cụ System Identification Toolbox trong Matlab. Khi đó, cần thiết phải
có thêm một cổng truyền thông để hệ thống giao tiếp với máy tính.

1.1.3. Cấu trúc điều khiển phản hồi dòng điện
Phương trình chuyển động (3) cho thấy quan hệ trực tiếp giữa mômen quay và tốc độ.
Phương trình (2) cho thấy mối quan hệ tỉ lệ giữa mômen quay mM và dòng điện phần ứng
i A ở ĐCMC kích thích bằng nam cham vĩnh cửu với từ thông kích từ ψ là hằng số. Như

vậy bằng việc điều khiển i A cho phép ta áp đặt ngay tức thời mômen quay mM qua đó đáp
ứng tốc độ n là rất nhanh. Đây cũng chính là ý tưởng trong cấu trúc điều khiển tầng
(cascade control) kinh điển của các hệ truyền động: gồm hai vòng phân cấp với khâu điều
chỉnh tốc độ quay ở vòng ngoài và khâu điều chỉnh dòng ở phần trong (Hình 3).

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều

Cả 2 khâu điều chỉnh trong Hình 3 đều được thiết kế theo cấu trúc PI để đảm bảo đáp ứng
nhanh và triệt tiêu sai lệch tĩnh. Các thiết kế bộ điều khiển cho ĐCMC thường dựa vào 2
phương pháp (tiêu chuẩn tối ưu) cơ bản là tối ưu module và tối ưu đối xứng. Trong khi mục
tiêu của phương pháp tối ưu module là giá trị thực (đo được) bám theo giá trị đặt chính xác
nhất (trong một dải tần rộng nhất) có thể, thì phương pháp tối ưu đối xứng mong muốn đưa
giá trị thực trở lại với giá trị đặt nhanh nhất có thể sau khi nó bị đánh bật ra khỏi vị trí cân
bằng (nâng cao độ trữ ổn định cho hệ kín). Vòng điều chỉnh bên trong, đối tượng phần điện
có động học biến đổi nhanh, bộ điều khiển của vòng này thường được thiết kế theo phương
pháp tối ưu module. Vòng điều chỉnh bên ngoài, đối tượng phần cơ có động học biến đổi
chậm hơn, lại thường chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi đột ngột của nhiễu tải, do vậy ta sử
dụng phương pháp tối ưu đối xứng cho bộ điều khiển tốc độ quay. Lưu ý rằng, các tham số
của các bộ điều khiển được tính toán theo hai phương pháp này dựa trên mô hình thu được
từ các dữ liệu đo đạc và phép ước lượng, bên cạnh đó các đặc tính cơ-điện của hệ thống
không hoàn hảo như trong lý thuyết và có những sai khác tùy vào ứng dụng cụ thể. Do đó,
các thông số bộ điều khiển thu được cũng chỉ là một giá trị đáng tin cậy trong cài đặt ban
đầu, những giá trị này có thể sẽ cần được chỉnh định thêm trong quá trình thực nghiệm.
Để thiết kế bộ điều khiển dòng, sức điện động cảm ứng eA thường được bỏ qua, và khi đó,
từ (1) và Hình 3, hàm truyền mạch điện phần ứng là một khâu quán tính bậc hai:

Trang 8


Gi ( s ) =

Trong đó,

iA ( s )
1
1
1
1/ RA
=
=
*
u A ( s) 1 + sTt RA 1 + sTA (1 + sTt )(1 + sTA )

(7)

1
là hàm truyền của bộ biến đổi. Đối với bộ biến đổi sử dụng các van tần
1 + sTt

số đóng cắt cao, động học của khâu này là rất nhanh và có thể bỏ qua, tức là coi Tt ≈ 0 ,
u A = u*A . Khi đó, hàm truyền mạch phần ứng xấp xỉ một khâu quán tính bậc nhất:

Gi ( s) =

iA ( s ) iA ( s ) 1/ RA
=
=
u *A ( s ) u A ( s ) 1 + sTA

(8)

Bộ điều khiển dòng được thiết kế theo phương pháp tối ưu module là một khâu tích phân I:
K Pi =

K
1
1
R
=
= A ; Gic ( s ) = Pi
2 KT 2 1 T
2TA
s
A
RA

(9)

Với bộ điều khiển dòng Gic ( s ) thiết kế như trên, vòng điều chỉnh dòng (vòng kín) có hàm
truyền như sau:
Giscl =

iA ( s )
1
1
=
≈
*
2 2
iA ( s ) 1 + 2TA s + 2TA s
1 + 2TA s

(10)

Cùng với hàm truyền đạt phần cơ, đối tượng điều khiển tổng quát lúc này là một khâu quán
tính-tích phân bậc nhất:

Gn ( s ) =
Trong đó, TM =

kM ψ
1
1
=
2π Js 1 + 2TA s TM s (1 + Tσ s )

(11)

2π J
là hằng số thời gian phần cơ, và Tσ = 2TA là hằng số thời gian thay
kM ψ

thế của vòng trong.
Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng, ta thu được tham số của bộ điều khiển tốc độ:

TIn = 4Tσ
K Pn =

TM
2Tσ

(12)


1 

Gnc ( s) = K Pn 1 +
 TIn s 

Trang 9


1.1.4. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển số
1.1.4.1. Thuật toán PID số
PID vẫn luôn được coi là bộ điều khiển chuẩn công nghiệp vì tính đơn giản và hiệu
quả làm việc của nó. Luật PID trên miền thời gian (liên tục) được mô tả bởi công thức
dạng chuẩn tắc:


1
u (t ) = K p e (t ) +

Ti

e (τ ) d τ + Td

de (t )

dt 

(13)

u (t ) = K p e (t ) + K i ∫ e (τ ) d τ + K d

de (t )
dt

(14)

t

∫
0

Hoặc dạng song song:
t

0

Do các bộ điều khiển số làm việc với các tín hiệu gián đoạn (discrete-time) theo
thời gian trích mẫu, nên để có thể cài đặt được luật PID vào vi điều khiển, ta phải chuyển
công thức (13) về dạng công thức sai phân bằng các phép xấp xỉ khâu tích phân (I) và khâu
vi phân (D). Các thuật toán PID sử dụng trong điều khiển số chỉ khác nhau bởi nỗ lực thực
hiện phép xấp xỉ 2 thành phần này, tức là khác nhau ở độ chính xác.
Thuật toán PID số đơn giản nhất sử dụng công thức sai phân sau [2]:
uk = uk −1 + r0 ek + r1ek −1 + r2 ek −2

(15)

 2T
 T 

T
T
Trong đó, r0 = K p 1 + d  , r1 = −K p 1 + d −  , r2 = K p d , với T là chu kỳ trích



T
Ti 
T
T

mẫu tín hiệu.
Công thức cho một số trường hợp riêng:
-

Bộ điều khiển I:

uk = uk −1 + r1ek −1

(16)

r1 = TK i
-

Bộ điều khiển PI:

uk = uk −1 + r0ek + r1ek −1
 T
r0 = K p , r1 = −K p 1− 
 Ti 

(17)

1.1.4.2. Giải pháp điều khiển khi hằng số thời gian mạch điện phần ứng quá nhỏ
Bộ điều khiển trong thực tế luôn mất một khoảng thời gian để xử lí tín hiệu và tính
toán trước khi đưa ra tín hiệu điều khiển, tức là tác động điều khiển chậm hơn so với thời
điểm bắt đầu trích mẫu. Nếu khoảng thời gian trễ điều khiển này nhỏ hơn 1/10 hằng số thời
gian bé nhất của đối tượng điều khiển, ta có thể bỏ qua nó và thuật toán điều khiển số đảm
bảo cho chất lượng mong muốn. Nhưng nếu đối tượng có thành phần động học biến đổi

Trang 10


quá nhanh so với khả năng tính toán của vi điều khiển, các hằng số thời gian quá nhỏ
tương ứng sẽ được bỏ qua khi thiết kế bộ điều khiển, và ta không có khả năng tổng hợp
được một vòng điều chỉnh kín mà động học của nó lại có thể nhanh hơn được cả một chu
kỳ lấy mẫu.
Trong nhiều ứng dụng điều khiển động cơ, mạch phần ứng có điện cảm rất nhỏ so
với điện trở, dẫn đến hằng số thời gian điện nhỏ chỉ cỡ vài trăm μs, trong khi thời gian để
thực thi các lệnh tính toán trước khi đưa được ra tín hiệu điều khiển (cụ thể là duty cycle
trong PWM) đã lớn hơn đáng kể (cỡ vài ms). Khi đó, cấu trúc bộ điều khiển dòng được lựa
chọn vẫn là một khâu tích phân (I), nhưng công thức (9) không còn được sử dụng để tính
hệ số K i nữa, mà thay vào đó, hàm truyền đạt vòng điều chỉnh dòng sẽ trở thành một khâu
quán tính bậc nhất với hằng số thời gian tỉ lệ nghịch với K i , nghĩa là K i càng lớn thì dòng
điện bám tín hiệu đặt càng nhanh. Tuy nhiên, K i lớn sẽ dẫn đến nguy cơ đưa điện áp điều
khiển nhanh chóng vào vũng bão hòa (giá trị giới hạn điện áp), tức là vùng mà đối tượng
điều khiển đã không còn tuyến tính nữa, tính ổn định của hệ kín vì thế không còn được
đảm bảo. Do đó, K i nên được chọn vừa phải nếu không yêu cầu đáp ứng điều khiển
mômen quá nhanh. Hàm truyền đạt tổng hợp của đối tượng vòng ngoài vẫn là một khâu
quán tính – tích phân bậc nhất, bộ điều khiển tốc độ vẫn được lựa chọn theo cấu trúc PI và

thiết kế theo nguyên lý tối ưu đối xứng như công thức (12).

1.2. Kĩ thuật điều chế độ rộng xung PWM và mạch cầu H
1.2.1. Kĩ thuật điều chế độ rộng xung PWM
Một trong những phương pháp đơn giản mà hiệu quả để thay đổi điện áp đặt lên phần ứng
động cơ là sử dụng kĩ thuật điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation).

Hình 4. Nguyên lí điều chế độ rộng xung PWM

Nhận thấy ở Hình 4, giá trị trung bình điện áp trên tải:

U t = U max

Ton
Duty cycle
= Amplitude *
Ton + Toff
period

(18)

Trang 11


Ta thấy giá trị điện áp trên tải phụ thuộc vào tỉ số γ = Duty cycle / period . Do đó, ứng với
mỗi tần số xung period , ta có thể điều chỉnh Duty cycle để điều chỉnh điện áp đặt lên
phần ứng động cơ.
Chú ý: 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. Đồng thời chu kỳ xung
điều chế phải nhỏ hơn hằng số thời gian mạch điện phần ứng để điện cảm trong mạch thực

sự có tác dụng làm cho dòng điện không bị gián đoạn.

1.2.2. Mạch cầu H
Tín hiệu PWM xuất từ vi xử lí không đủ dòng để cấp trực tiếp cho động cơ được, vì
vậy ta cần sử dụng một mạch trung gian để có thể cung cấp đủ áp và dòng cho động cơ.
Mặt khác chiều quay của ĐCMC phụ thuộc vào cực âm và dương của nguồn được nối vào
phía nào trên phần ứng của động cơ, do đó muốn đổi chiều quay của động cơ ta cần đổi
cực nối vào phần ứng. Mạch cầu H được xây dựng như là một giải pháp hiệu quả cho cả 2
vấn đề này.

Hình 5. Sơ đồ nguyên lí của mạch cầu H

Mạch cầu H là tổ hợp 4 khóa điện tử công suất, được mắc như sơ đồ Hình 5, nguyên lý
hoạt động của mạch này như sau:
-

-

Cùng với mức điện áp V thì khi công tắc L1 và R2 đóng sẽ cho đối tượng động cơ
chạy ngược chiều so với khi công tắc L2 và R1 cùng đóng. Tuy nhiên, việc đóng cắt
này tuyệt đối không để L1 và L2, hoặc R1 và R2 cùng đóng vì sẽ xảy ra ngắn mạch
nguy hiểm cho nguồn. Chính vì vậy, đi kèm với mạch cầu H sẽ có những bộ điều
khiển sao cho những cặp công tắc này không thể cùng đóng.
Giả thiết rằng, động cơ chạy với vận tốc định mức khi được cung cấp nguồn định
mức với L1, R2 đóng và L2, R1 mở. Rõ ràng, khi R2 được cố định đóng nguyên và
L1 được cho đóng cắt với với thời gian Duty cycle trong chu kì period , như vậy
điện áp trung bình được đặt lên đầu động cơ sẽ là: Ut = V *

Duty cycle
.

period

Các khóa L1, L2, R1, R2 phải chịu tần số đóng cắt PWM lên tới hàng KHz nên chúng
thường là các van bán dẫn có điều khiển loại FET, MOSFET, IGBT, BJT công suất.
Trang 12


1.3. Đề xuất các thành phần của hệ thống điều khiển động cơ
một chiều
- Cơ cấu chấp hành:
Mạch cầu H thực chất là tổ hợp của các van công suất, 2 tiêu chí lựa chọn mạch van chủ
yếu là dòng tối đa và tần số đóng cắt tối đa mà loại van đó có thể chịu. Dựa vào tính toán
và datasheet của các sản phẩm trên thị trường, nhóm sử dụng Chip driver L298 có tích hợp
sẵn mạch cầu BJT bên trong để lái động cơ.
- Thiết bị đo:
+ Tốc độ quay được đo bằng encoder có sẵn gắn với vỏ động cơ.
+ Dòng điện một chiều được đo bằng điện trở shunt, khuếch đại tín hiệu từ shunt bằng
LM324, là loại OPAMP giá rẻ và chỉ đòi hỏi nguồn đơn.
- Bộ điều khiển:
Thuật toán điều khiển phải được cài đặt trên một vi điều khiển đáp ứng được các yêu cầu:
+ Có module PWM chuyên dụng để điều khiển động cơ;
+ Có thêm 2 Timer/Counter và 1 chân ngắt ngoài để xử lí tín hiệu xung encoder và
tạo chu kỳ trích mẫu.
+ Có Module ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự thu được từ điện trở shunt sang
tín hiệu số, phục vụ cho việc lấy giá trị dòng phản hồi;
+ Bên cạnh các chức năng cơ bản cần có kể trên, các yếu tố về tốc độ tính toán, mức
độ thông dụng, giá thành cũng được xét đến.
AVR Atmega 16 là vi điều khiển được nhóm lựa chọn, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí trên.
- Thiết bị nhập/xuất dữ liệu:
+ Khối nút nhấn: gồm 4 nút Start/Stop, Up, Down, Reverse

+ Màn hình hiển thị LCD 16x2
+ Cổng truyền thông RS232
Bảng 1. Các thiết bị nhập/xuất dữ liệu và chức năng

Thiết bị
Nút Start/Stop

Chức năng
Khởi động và dừng động cơ

Nút Up

Tăng giá trị Setpoint

Nút Down

Giảm giá trị Setpoint

Nút Reverse
LCD 16x2
Cổng RS232

Đảo chiều động cơ
Hiển thị tốc độ, dòng, tín hiệu điều khiển, cũng như sai lệch
Truyền tín hiệu lên máy tính để nhận dạng và đánh giá chất lượng

Trang 13


Hình 6. Sơ đồ cấu trúc đề xuất của hệ thống điều khiển ĐCMC

Trang 14


Chương 2.
Giới thiệu chung về các thành phần của hệ thống
2.1. Nguồn adapter
Mục tiêu của đồ án hướng đến là giải quyết bài toán điều khiển động cơ, vì vậy sẽ không
thiết kế mạch nguồn adapter mà sử dụng mạch nguồn có sẵn.
Thông số của nguồn được sử dụng:
-

Điện áp đầu vào: 220VAC

-

Điện áp đầu ra: 12VDC, 5VDC, 3.3VDC

-

Dòng đầu ra: 1A

2.2. Động cơ có gắn encoder
2.2.1. Động cơ thực nghiệm
Động cơ một chiều được sử dụng trong đồ án là Servo Motor C6680 – 60025 có trong
máy in HP Scanjet 8250 do hãng HP chế tạo, với các thông số cơ bản như sau:
-

Điện áp làm việc: 3 – 24V DC. Định mức 12V DC.

-

Dòng điện không tải định mức: 80mA.

-

Tốc độ không tải định mức: 4000 vòng/phút.

-

Incremental Encoder: 888 xung/vòng.

Động cơ được cấp điện và điều khiển thông qua 6 dây nối với header 2.0mm – 6P của
board mạch động cơ, bao gồm 4 dây tín hiệu mạch điều khiển và 2 dây mạch động lực
được phân biệt bởi các màu sắc khác nhau theo thứ tự sau:
•

•

Dây mạch điều khiển:
- Màu đen : GND
- Màu Da cam: Kênh Encoder B
- Màu Đỏ : +5V
- Màu Vàng: Kênh Encoder A
Dây mạch lực:
- Màu Xanh Lá: DC- Màu Nâu : DC+

Trang 15

Hình 7. Hình ảnh thực tế của động cơ Servo sử dụng trong đồ án

2.2.2. Encoder
Encoder là thiết bị để xác định tốc độ quay của động cơ sử dụng phương pháp số (digital).
Ngoài ra, còn có phương pháp tương tự (analog) như sử dụng tachometer. Ở đây, việc sử
dụng encoder tiện dụng hơn cả với lý do hệ thống điều khiển là số, đồng thời ta có thể vừa
xác định tốc độ quay, góc quay và cả chiều quay. Vì vậy, hầu hết các loại động cơ bán sẵn
trên thị trường đều được tích hợp một encoder 3 đầu ra.

Hình 8. Cấu tạo của encoder

Hình 9. Encoder với 2 kênh A, B

Cấu tạo của encoder được chỉ ra ở Hình 8 bao gồm một nguồn phát quang (thường sử dụng
nguồn hồng ngoại), một cảm biến quang nhận tín hiệu và một đĩa có chia rãnh để ngăn
cách. Đĩa chia rãnh càng nhiều đồng nghĩa tín hiệu xung phát về càng nhiều trong 1 vòng
quay, tức là độ phân giải của góc quay và độ chính xác của tốc độ quay càng cao. Tuy
nhiên, điều này đồng nghĩa với việc tốc độ xử lý của trung tâm điều khiển phải nhanh một
cách tương ứng nào đó, vì ngoài công việc này, trung tâm xử lý phải điều khiển những tác
động khác.

Trang 16


Ngoài ra, encoder thường được tạo ra với 3 kênh tín hiệu gồm: kênh A, B và I, với các đặc
thù riêng. Kênh I là tín hiệu được tạo ra bởi 1 vòng quay của trục động cơ, cứ mỗi vòng sẽ
có 1 xung ra ở kênh I (Hình 8). Trong khi đó, kênh A và B tương tự kênh I nhưng số xung
xuất hiện trên 2 kênh sau mỗi vòng quay của động cơ là N xung (phụ thuộc vào nhà sản
xuất) – cũng là số rãnh - được gọi là độ phân giải của encoder. Kênh A được đặt lệch so
với kênh B một số nguyên lần rãnh cộng với nửa rãnh. Điều này khiến cho tín hiệu từ kênh

B có cùng tần số của kênh A nhưng lệch pha 90o (Hình 9). Đây chính là cơ sở để xét xem
động cơ đang chạy thuận hay chạy ngược.
Hình 9 thể hiện vị trí hai cảm biến kênh A và B lệch pha nhau và cho tín hiệu xung như
hình vẽ. Nhận thấy:
-

Khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, tại tín hiệu sườn xuống của kênh A cho
ta giá trị bằng 0 của kênh B.
Ngược lại, khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu sườn xuống của
kênh A cho giá trị 1 của kênh B.

Như vậy, khi kết hợp việc đếm số xung tạo ra bởi kênh A trong khoảng thời gian cố định
đồng thời xác định tín hiệu của kênh B sẽ cho ta biết đồng thời tốc độ, cũng như chiều
quay của động cơ.

2.3. Driver L298
L298 là vi mạch tích hợp 2 mạch cầu H trong cùng một vỏ, thích hợp với mức logic TTL
tiêu chuẩn, dùng để lái các tải cảm như cuộn rơ-le, động cơ một chiều, động cơ bước...

Hình 10. Sơ đồ kết nối chân của L298

L298 sẽ cần 2 nguồn cấp: 1 nguồn Vss cấp cho các mạch logic đưa ra tín hiệu đóng/mở
van, 1 nguồn Vs cấp cho mạch lực được kết nối với các chân Ouputs đầu ra.
Cấu trúc của một IC L298N được thể hiện trong Hình 11. Mỗi mạch cầu trong L298 có 1
đầu vào Enable để cho phép kích hoạt mạch cầu đó hoạt động, khi đó van nào dẫn van nào
khóa sẽ tùy thuộc vào 2 tín hiệu đầu vào Inputs. Cực E của các van nhánh dưới được nối
với nhau và đầu cực tương ứng với điểm nối chung này có thể được nối với một điện trở
Trang 17

shunt ở ngoài để đo dòng, điện trở này (cùng với 2 tụ 100nF chống nhiễu nguồn) được
khuyến nghị đặt gần với chân GND của IC. Trong những ứng dụng không cần đến phản
hồi dòng, các chân cực emitter nối chung sẽ được nối trực tiếp với GND.
Trong ứng dụng cho điều khiển ĐCMC (Hình 12), với mục tiêu bảo vệ động cơ quá áp và
điều khiển động cơ chạy theo cả 2 chiều thuận nghịch và có hãm, ta sử dụng thêm một
mạch cầu diode bảo vệ, yêu cầu là loại diode phục hồi nhanh (trr ≤ 200ns) và chịu được
dòng 1A. Khi cần dòng tải lên tới trên 2A, có thể sử dụng cấu hình song song (Hình 13) để
tăng dòng cho động cơ.

Hình 11. Sơ đồ cấu trúc của L298

Hình 12. Ứng dụng L298 trong điều khiển ĐCMC

Trang 18


Hình 13. Cấu hình kết nối song song để tăng dòng của L298

2.4. Điện trở shunt
Điện trở shunt là loại điện trở đặc biệt được dùng rộng rãi trong các ứng dụng đo dòng điện
một chiều, thường được chế tạo bằng manganin là vật liệu ít thay đổi giá trị điện trở theo
nhiệt độ để hạn chế sai số trong quá trình đo. Shunt được mắc nối tiếp với tải để dòng cần
đo chảy qua nó, sự sụt áp trên shunt tỉ lệ với dòng điện và do trị số điện trở đã biết, phép
đo điện áp rơi trên shunt sẽ cho biết giá trị dòng tải.

Hình 14. Hình dáng của các loại điện trở miliohm làm shunt thông dụng

Trang 19

Để không ảnh hưởng đáng kể đến mạch điện, điện trở shunt thường có trị số rất nhỏ, vào
cỡ vài mΩ (miliohm resistors). Khi chọn điện trở shunt, bên cạnh về trị số Ohm của điện
trở, người ta còn quan tâm đến dòng định mức qua điện trở (dòng tối đa đo được) và độ
chính xác của điện trở đó. Hình dáng và đặc điểm của các loại điện trở miliohm thông
dụng trên thị trường được thể hiện trong Hình 14 và Bảng 2.
Bảng 2. Thông số của các điện trở miliohm làm shunt thông dụng

Φd (mm)

Max Current Rating (A)

Resistance Range (mΩ)

0.4

2.0

70 ~ 150

0.5

2.5

50 ~ 150

0.6

3.0

50 ~ 100

0.7

4.0

20 ~ 70

0.8

4.5

10 ~ 50

0.9

5.0

10 ~ 40

1.0

5.5

6 ~ 30

1.2

7.0

5 ~ 20

1.4

8.0

5 ~ 20

1.6

9.5

3 ~ 15

1.8

10

3 ~ 10

2.0

12

3 ~ 10

2.5. Opamp LM324
LM324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại
thuật toán (Op-Amp) trong nó (Hình 15).

(a)

(b)

Hình 15. Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của LM324N

Trang 20


Thông thường một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn đôi,
tức là phải có nguồn dương (+Vcc), đất (GND) và nguồn âm (-Vcc), chẳng hạn như
Opamp 741. Tuy nhiên các Opamp trong LM324 được thiết kế đặc biệt để sử dụng với
nguồn đơn, tức chỉ cần Vcc và GND là đủ.
LM324 có thể được dùng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng mạch khuếch đại
thuật toán cơ bản, bao gồm cả mạch so sánh. Tuy nhiên cần lưu ý rằng khi được cấp nguồn
đơn, các opamp sẽ không thể hoạt động ở chế độ khuếch đại đảo, và ở chế độ so sánh, điện
áp đầu ra sẽ thấp hơn Vcc do sự sụt áp trên các bóng transistor (Hình 16).

Hình 16. Sơ đồ cấu trúc của LM324

2.6. Các thiết bị nhập/xuất dữ liệu
2.6.1. Màn hình LCD 16x2
LCD (Liquid Crystal Display) - màn hình tinh thể lỏng - là loại thiết bị hiển thị cấu
tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của
ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc
phân cực. Chúng có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm điện.
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK.
LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: khả năng hiển thị kí tự đa dạng,
trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức
giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ...
Có nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, nhưng khá thông

dụng là LCD 16x2. Với 2 hàng, mỗi hàng 16 ký tự. Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích

Trang 21


hợp chíp điều khiển bên trong lớp vỏ và chỉ đưa ra các chân giao tiếp cần thiết. Các chân
này được đánh số thứ tự và đặt tên như Hình 18.

Hình 17. Hình ảnh thực tế của LCD 16x2

Hình 18. Sơ đồ chân LCD
Bảng 3. Ý nghĩa các chân của LCD

Pin

Ký hiệu

Ý Nghĩa

1

Vss

Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
GND của mạch điều khiển

2

VDD

Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC = 5V của mạch điều khiển

3

VEE

Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

4

RS

Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD
(ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở
chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên
trong LCD.

5

R/W

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để
LCD ở chế độ đọc.

Trang 22

6

E

Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép
của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp
nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low
transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát
hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ
ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

7 - 14

DB0 DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU.
Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8-bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB
là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới
DB7, bit MSB là DB7.

15

Nguồn dương cho đèn nền.

16

GND cho đèn nền.

2.6.2. Bàn phím nút nhấn
Nút nhấn (Push Button) là linh kiện cơ khí, sử dụng kim loại có tính đàn hồi cao để làm
tiếp điểm, được giữ trong một vỏ cứng bằng nhựa hoặc kim loại, tạo ra tín hiệu logic nhằm
điều khiển một hoặc một vài quá trình hay máy móc. Các bề mặt thường là phẳng hoặc tạo
hình để phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay con người, để dễ dàng ấn hoặc thả ra. Nút nhấn
là hình thức ra lệnh phổ biến nhất trên thế giới, xuất hiện trong hầu hết mọi thiết bị, vật
dụng như thang máy, máy tính cầm tay, điện thoại, bàn phím, chuông, và trong rất nhiều
thiết bị gia đình hay công nghiệp.

Hình 19. Một số loại nút nhấn, công tắc thường được sử dụng

Trang 23


Có nhiều loại nút nhấn với nhiều chủng loại, kích thước (Hình 19) và nguyên lý hoạt động
khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Hình 20 đưa ra một cách kết nối nút nhấn với
các module khác, đặc biệt là kết nối với đầu vào tích cực thấp của các vi điều khiển, sử
dụng một điện trở treo R. Theo lý thuyết, đầu ra OUT sẽ mang giá trị điện áp 0V khi nút
được nhấn, và 5V khi nhả ra.

Hình 20. Sơ đồ nguyên lý kết nối phím bấm thông thường

Do bản chất là sự tiếp xúc cơ khí do đàn hồi nên khi các tiếp điểm tiếp xúc với nhau, xảy
ra hiện tượng các tiếp điểm dao động trước khi ổn định. Tên khoa học của hiện tượng này
là “Switch bounce” (Rung phím). Hiện tượng này làm cho nút nhấn bị on – off liên tục

thêm vài lần nữa mặc dù người sử dụng chỉ nhấn – thả có đúng một lần, và vấn đề này sẽ
gây ra sai lệch giá trị logic như trên Hình 21.

Hình 21. Đáp ứng đầu ra hiện tượng rung phím (Switch bounce)

“Debounce” là tên gọi của cách giải quyết hiện tượng rung phím này. Có hai cách để
Debounce:
-

Cách thứ nhất (Debouncing in Software): lập trình để xác nhận sự kiện nhấn nút,
trễ một khoảng thời gian thích hợp để đảm bảo tín hiệu logic thu được là chính xác.
Cách thứ hai (Debouncing in Hardware): sử dụng phần cứng là các linh kiện analog
hoặc IC số để loại bỏ hiện tượng dao động của tín hiệu ra.

Trang 24


2.6.3. Cổng truyền thông RS232
Với mục đích phục vụ cho việc nhận dạng mô hình để tổng hợp bộ điều khiển, hệ
thống nhất thiết phải có thêm một cổng truyền thông để có thể truyền số liệu lên máy tính.
Chuẩn giao tiếp được coi là đơn giản và dễ dùng đó là RS232. Hầu hết các hệ thống, thiết
bị đều được giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn này.
Quá trình dữ liệu của chuẩn RS232:

Hình 22. Quá trình truyền kí tự ‘A’

Quá trình truyền và nhận dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không
đồng bộ, chỉ cần một đường truyền cho một quá trình và dữ liệu được truyền theo khung
dữ liệu đã được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ
liệu đến. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (Start bit) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự

sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo. Start bit luôn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo
là các bit dữ liệu (data bits) được gửi dưới dạng mã ASCII (7 hay 8-bit dữ liệu). Sau đó có
thể là một Parity bit (bit kiểm tra chẵn, lẻ). Và cuối cùng là bit dừng (Stop bit có thể là 1,
1.5 hay 2 bit dừng). Quá trình truyền ký tự ‘A’ được minh họa ở Hình 22.
Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây. Tham số
này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận là như nhau (giữa vi điều khiển và máy tính
phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit). Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ
truyền là tốc độ Baud. Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu được
sử dụng để diễn tả bit được truyền còn tốc độ bit thì phản ánh tốc độ thực tế mà các bit
được truyền. Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc độ
baud là phải đồng nhất. Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600,
1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200bps. Khi sử dụng chuẩn nối
tiếp RS232 thì yêu cầu thời gian chuyển mức logic không vượt quá 4% thời gian truyền 1
bit. Do vậy, nếu tốc độ bit càng cao thì thời gian truyền 1 bit càng nhỏ, thời gian chuyển
mức logic cũng phải nhỏ. Điều này làm giới hạn tốc độ Baud và khoảng cách truyền.
Parity bit dùng để kiểm tra lỗi trên đường truyền. Một bit được bổ sung vào dữ liệu
được truyền để cho thấy số lượng các bit "1" được gửi trong một khung truyền là chẵn hay
lẻ. Nếu số bit “1” là lẻ, Parity bit là 1. Ngược lại, số bit “1” là chẵn, Parity bit là 0. Bằng
phương thức này chỉ có thể tìm ra một số lẻ bit bị lỗi, nếu như số bit chẵn được mắc lỗi thì
Trang 25


Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện ra lỗi. Do
đó, trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một
vài bit bị mắc lỗi.
Các đặc tính vật lý và kĩ thuật của chuẩn RS232:
RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, sử dụng tín hiệu điện
áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Do đó, ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi
thời của chuẩn TTL. Mức điện áp logic của chuẩn RS232:
•

•

Mức logic 0 : +3V -> +12V
Mức logic 1 : -12V -> -3V

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến, không
được định nghĩa. Trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống
thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thời gian ngắn hợp lý. Điều này
dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền.
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay
chỉ hỗ trợ với tốc độ 19.2 kbps. Các đặc tính điện học khác:
•
•
•
•
•

Chiều dài cực đại: 15m (không dùng Model)
Tốc độ dữ liệu cực đại: 100kbps
Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56600,115200bps
Trở kháng tải: 3k-7k
Điện dung lối vào: <2500pF

Giao diện cơ học:
Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổng Com hay
cổng nối tiếp RS232. Chuẩn RS-232 qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9, DB-25 và
ALT-A, trong đó DB-9 là loại được sử dụng rộng rãi hơn. Ta xét sơ đồ chân cổng DB-9:

Hình 23. Sơ đồ chân cổng DB-9

Chức năng của các chân như sau:
•
•

Chân 1: DCD (Data Carrier Detect) Tín hiệu này tích cực khi Modem nhận được
tín hiệu từ trạm từ xa và nó duy trì trong suốt quá trình liên kết.
Chân 2: RXD (receive Data) Đường nhận dữ liệu.

Trang 26