Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động cơ robot di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Ngọc Hải

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP
NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC
DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Ngọc Hải

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP
NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC
DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG
Ngành : Công nghệ Điện tử-Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Trần Quang Vinh

Hà Nội - 2008

LỜI CAM ĐOAN
Tôi đã thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp với tên đề tài là:“Thiết kế chế tạo bộ
điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động
cơ robot di động”. Tôi xin cam đoan rằng nội dung được viết trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, các tài liệu tham khảo đầy đủ và có nguồn gốc rõ ràng. Nếu
có gì sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội 10/2008

Nguyễn Ngọc Hải


MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU

1

Chƣơng 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3

1.1. Khái niệm

3

1.2. Các nguyên tắc điều khiển tự động

4

1.2.1. Nguyên tắc giữ ổn định

4

1.2.2. Nguyên tắc điều khiển theo chương trình

5

1.3. Phân loại hệ thống điều khiển

5

1.4. Mô hình toán học của hệ thống

6

1.4.1. Phương trình vi phân của các hệ thống vật lý

6

1.4.2. Xấp xỉ tuyến tính của các hệ thống vật lý

8

1.4.3. Phép biến đổi Laplace

9

1.4.4. Hàm truyền đạt của các hệ thống tuyến tính

10

1.4.5. Phương trình trạng thái

10

1.5. Chất lƣợng của quá trình điều khiển

11

1.5.1. Đánh giá chất lượng ở chế độ xác lập

11

1.5.2. Đánh giá chất lượng ở quá trình quá độ

12

1.6. Nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển

13

1.6.1. Hiệu chỉnh sớm pha Lead

13

1.6.2. Hiệu chỉnh trễ pha Leg

14

1.6.3. Hiệu chỉnh trễ-sớm pha Leg-Lead

14

1.6.4. Điều khiển tỷ lệ P

15

1.6.5. Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân PI

15

1.6.6. Điều khiển Tỷ lệ - Vi phân PD

16


1.6.7. Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân PID

16

Chƣơng 2-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

18

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều

18

2.2.

2.1.1. Giới thiệu về động cơ một chiều

18

2.1.2. Cấu tạo động cơ một chiều

19

2.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều

20

2.1.4. Phân loại động cơ một chiều

20

2.1.5. Công suất điện từ và moment điện từ

21

Nguyên lý điều khiển động cơ một chiều

22

2.2.1. Động cơ một chiều điều khiển dòng điện của phần trường

23

2.2.2. Động cơ một chiều điều khiển bởi phần ứng

24

2.3. Điều khiển PID cho động cơ một chiều

26

2.3.1. Bộ điều khiển PID

26

2.3.2. Sơ đồ điều khiển PID

26

2.3.3. Điều khiển mô tơ một chiều theo luật PID

28

Chƣơng 3-XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ỨNG DỤNG CHO
ROBOT DI ĐỘNG
3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ cho robot di động.

31
31

3.1.1. Động cơ sử dụng cho robot di động

31

3.1.2. Sơ đồ hệ thống động cơ cho robot di động

31

3.1.3. Nguyên lý điều khiển động cơ bằng mạch cầu H

32

3.1.4. Thiết kế mạch cầu H điều khiển động cơ bằng vi mạch L289

33

3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID cho động cơ với vi điều khiển PSoC
C8Y29466
3.2.1. Sơ lược về dòng vi điều khiển PSoC.

35
35


3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển động cơ bằng các xung điện có độ rộng
biến đổi

38

3.2.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ lập mã động cơ
một chiều

39

3.2.4. Thiết kế bộ xác định tốc độ và chiều quay động cơ bằng
các bộ đếm

41

3.2.5. Sơ đồ bộ điều khiển PID điều khiển động cơ.

42

3.2.6. Giải thuật PID điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế

42

3.3. Thiết kế chƣơng trình giao tiếp truyền tham số cho vi điều
khiển để xác định các tham số PID

46

3.3.1. Chương trình truyền tham số điều khiển cho bộ điều khiển PID

46

3.3.2. Truyền nối tiếp không đồng bộ theo chuẩn RS232

47

Chƣơng 4-MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

48

4.1. Bộ PID điều khiển động cơ một chiều.

48

4.2. Một số kết quả khảo sát quá trình điều khiển PID ứng dụng cho
động cơ một chiều

49

4.2.1. Khảo sát tín hiệu PWM điều khiển mô-tơ

49

4.2.2. Khảo sát quá trình điều khiển bộ PID ứng dụng cho điều khiển
động cơ

50

4.3. Thảo luận

52

KẾT LUẬN

54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

55

PHỤ LỤC A – Phép biến đổi Laplace

56

PHỤ LỤC B – Các thông số của mô-tơ một chiều

59

PHỤ LỤC C - Mã nguồn các chƣơng trình sử dụng trong luận văn

60


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sơ đồ của hệ thống điều khiển

Hình 1.2.a. Phương pháp bù tác động bên ngoài
Hình 1.2.b. Phương pháp điều khiển theo sai lệch
Hình 1.2.b. Phương pháp hỗn hợp
Hình 1.3.

Hệ thống lò xo – vật cản

Hình 1.4.

Hệ RLC

Hình 1.5.

Hệ thống gồm m đầu vào và r đầu ra

Hình 1.6.

Sơ đồ một hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 1.7.

Các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển trong quá trình quá độ

Hình 1.8.

Đặc tính logarit của hiệu chỉnh sớm pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.9.

Đặc tính logarit của hiệu chỉnh trễ pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.10.

Đặc tính logarit của điều khiển PI (K = 1, Ti =0.1)

Hình 1.11.

Đặc tính logarit của điều khiển PD (K = 1, Td =10)

Hình 1.12.

Đặc tính logarit của điều khiển PID

Hình 2.1.

Một số loại động cơ một chiều trong thực tế

Hình 2.2.

Cấu tạo của động cơ một chiều

Hình 2.3.

Cấu tạo Roto động cơ điện một chiều

Hình 2.4.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 2.5.

Sơ đồ của động cơ một chiều

Hình 2.6.

Mô hình sơ đồ khối của động cơ điều khiển bởi phần trường

Hình 2.7.

Mô hình sơ đồ khối của động cơ điều khiển bởi phần ứng

Hình 2.8.

Minh họa tác dụng của điều khiển P

Hình 2.9.

Minh họa tác dụng của điều khiển I

Hình 2.10.

Minh họa tác dụng của điều khiển D

Hình 2.11.

Sơ đồ bộ điều khiển PID


Hình 2.12.

Sơ đồ điều khiển tốc độ mô-tơ một chiều có mắc tải

Hình 2.13.

Sơ đồ khối của hệ điều khiển vị trí trục quay mô-tơ

Hình 3.1.

Môtơ sử dụng cho robot di động

Hình 3.2.

Sơ đồ hệ thống động cơ cho robot di động

Hình 3.3.

Sơ đồ mạch cầu H điều khiển motor

Hình 3.4.

Vi mạch L289N

Hình 3.5.

Nối song song hai mạch cầu H của vi mạch L289N

Hình 3.6.

Mạch bảo vệ cho vi mạch L289N

Hình 3.7.

Mạch nguyên lý điều khiển động cơ

Hình 3.8.

Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển PsoC

Hình 3.9.

Tín hiệu PWM điều khiển tốc độ môtơ

Hình 3.10.

Cấu tạo và tín hiệu của bộ giải mã quang đơn kênh.

Hình 3.11.

Cấu tạo và tín hiệu của bộ giải mã quang hai kênh.

Hình 3.12

Sơ đồ chuyển trạng thái của bộ giải mã quang 2 kênh

Hình 3.13.

Sơ đồ các bộ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang 2 kênh

Hình 3.14.

Sơ đồ các bộ đếm để đọc tín hiệu giải mã quang 2 kênh trong PSoC

Hình 3.15.

Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ robot

Hinh 3.16.

Rời rạc hóa quá trình tính toán PID

Hình 3.17.

Lưu đồ chương trình nạp cho vi điều khiển để điều khiển động cơ
robot di động

Hình 3.18.

Giao diện chương trình giao tiếp với PSoC

Hình 4.1.

Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều có giao tiếp với
máy tính

Hình 4.2.

Mạch điều khiển PID

Hình 4.3.

Sự phụ thuộc của tốc độ mô-tơ vào tín hiêu PWM

Hình 4.4.

Điều khiển P với vận tốc đặt 720 vòng/phút

Hình 4.5.

Điều khiển P,I với KI = 0,1

Hình 4.6.

Điều khiển P,I với KI = 0,5

Hình 4.7.

Điều khiển P,I với KI = 3,5


MỞ ĐẦU
Các ứng dụng robot vào cuộc sống hiện nay hầu như không còn là điều mới
mẻ. Các robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, phục vụ cho
thám hiểm, y học và trong rất nhiều lĩnh vực khác. Hiện nay, hầu hết các hệ thống
tự động trong công nghiệp đều có sự góp mặt của các robot và mang lại hiệu quả
hết sức to lớn với ưu điểm như: cung cấp khả năng điều khiển chính xác, hiệu suất
cao và có thể tạo ra một hệ thống sản xuất ổn định. Một trong những nước phát
triển ứng dụng robot công nghiệp điển hình là Nhật Bản. Đến cuối năm 1995 có
khoảng 387.000 robot công nghiệp được sử dụng tại quốc gia này và có khoảng
80.000 robot công nghiệp được sử dụng tại Mỹ ở cùng thời điểm đó.
Bên cạnh các robot được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng trong công
nghiệp, các robot di động tự quản trị (hay là robot thông minh nhân tạo) hiện cũng
đang là mối quan tâm đặc biệt của hầu hết các phòng thì nghiệm robot trên thế giới
vì những khả năng ứng dụng to lớn và hiệu quả của nó. Robot di động tự quản trị
là robot có khả năng tự hoạch định đường đi và định vị thông tin (khả năng tự lập
bản đồ và xác định vị trí chính xác của robot) trong quá trình di chuyển trong môi
trường nhằm thực hiện một nhiệm vụ đã được đặt ra từ trước. Với khả năng này

robot di động tự quản trị có thể dùng cho các nhiệm vụ thám hiểm đại dương,
không gian… hoặc ở những nơi nguy hiểm, độc hại để thay thế cho con người.
Một robot di động tự quản trị thường bao gồm: các hệ thống cảm biến để thu thập
thông tin về môi trường xung quanh, một bộ điều khiển trung tâm dùng cho việc
hoạch định hoạt động của robot và một cơ cấu chấp hành, đó là bộ phận giúp robot
có thể di chuyển hoặc thao tác trong môi trường mà nó hoạt động, cụ thể ở đây
thường là các hệ thống mô-tơ, được điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển trung
tâm.
Điều khiển chuyển động của robot tự quản trị rất quan trọng vì nó quyết định
robot có thực hiện đúng được chiến lược hoạch định của robot nhằm đạt đến được
mục tiêu hay không, và công việc chính của điều khiển hoạt động của robot chính
là điều khiển hệ thống môtơ tạo ra các chuyển động của robot.
Việc điều khiển chuyển động của robot gặp phải nhiều trở ngại như: các cơ
cấu cơ khí khó có thể được chế tạo hoàn toàn chính xác và đối xứng, bề mặt các
môi trường chuyển động có độ ma sát khác nhau, sai số sinh ra trong quá trình
điều khiển… dẫn đến tốc độ của các môtơ khó ổn định và đồng nhất. Những trở


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đoàn Hữu Chức (2007), Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID điều khiển
mạch điện, tr. 38-56, Luận văn Thạc sĩ khoa học Công nghệ Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Lê Vũ Hà (2006), Kỹ thuật điều khiển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà
Nội.
3. Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều
khiển tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
4. Ngô Diên Tập (2004), Đo lường và Điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội.
5. Ngô Diên Tập (2005), Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội.
6. Trần Quang Vinh, (2007), Cấu trúc máy vi tính, NXB Đại học Quốc Gia
Hà Nội, Hà Nội.
7. Trần Quang Vinh, Vũ Tuấn Anh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2006),
“Xây dựng robot di động được dẫn đường bằng các cảm biến siêu âm và
cảm biến ảnh toàn phương”, Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Cơ
điện tử, tr. 153-160.
8. Trần Quang Vinh, Phùng Mạnh Dương, Trần Hiếu (2005), “Giám sát và
điều khiển robot di động qua mạng LAN vô tuyến và INTERNET”, Tạp chí
khoa học, tr. 85-91.
Tiếng Anh
9. Allen J. Stubberud, Ivan J. Williams, Joseph J. DiStefano (1994), Feedback
and Control Systems, McGraw-Hill.
10. Brian R. Hunt, Ronald L. Lipsman, Jonathan M. Rosenberg, Kevin R.
Coombes, John E. Osborn, Garrett J. Stuck (2006), A Guide to MATLAB:
For Beginners and Experienced Users, Cambridge University Press.
11. Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design:
Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University
Press, USA.
12. Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for
RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk
edition, USA.


13. Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A Guide
for beginners, JUMO GmbH & Co. KG Fulda, Germany.
14. Patrick Marchand, O. Thomas Holland (2003), Graphic and GUIs with
MATLAB, Chapman & Hall/CRC.