Đặng phúc văn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ

Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
MSSV
Lớp

: Th.S Đinh Văn Nam
: Đặng Phúc Văn
: 1151080440
: 52K - ĐTVT

Nghệ An - 2016


MỤC LỤC
Trang
CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.....................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................1
CHƯƠNG I.............................................................................................................................1
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...................................................1
1.1. Khái niện chung về máy điện..........................................................................................2
1.2. Động cơ điện một chiều..................................................................................................2
1.2.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều..................................................................................2

1.2.2. Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều..........................................................3
1.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều...............................................................................4
1.2.4. Các thông số ảnh hưởng.............................................................................................7
1.2.5. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ song song.................8
1.2.6. Hệ thống diều khiển tự động.....................................................................................12
1.2.7. Phương pháp điều chế độ rộng xung........................................................................17
CHƯƠNG II..........................................................................................................................21
GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TRONG MẠCH..............................21
2.1. Khối vi điều khiển PIC 18F4431...................................................................................21
2.1.1. Tổ chức bộ nhớ..........................................................................................................23
2.1.2. Khái quát về chức năng các Port trong PIC18F4431...............................................25
2.2. Mạch nạp.......................................................................................................................28
2.3. Khối hiển thị...................................................................................................................28
2.4. Mạch cầu.......................................................................................................................29
2.4.2. Mạch cầu H L298D....................................................................................................29
2.5. Đối tượng điều khiển : Động cơ DC.............................................................................29
2.6. Phần mềm thực hiện chương trình..............................................................................31
2.6.1. Phần mềm CCS lập trình cho PIC.............................................................................31
CHƯƠNG III.........................................................................................................................36


THIẾT KẾ PHẦN CỨNG......................................................................................................36
3.1. Thiết kế phần cứng.......................................................................................................36
3.1.1 Sơ đồ khối...................................................................................................................36
3.1.2. Khối nguồn.................................................................................................................37
3.1.3. Khối điều khiển (Khối CPU).......................................................................................37
3.1.3. Khối hiển thị...............................................................................................................39
3.1.4. Nút nhấn.....................................................................................................................39
3.2. Mạch sau khi hoàn thành..............................................................................................39
3.4. Hướng phát triển đề tài.................................................................................................42

KẾT LUẬN............................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................43
PHỤ LỤC..............................................................................................................................44


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều............................................................................3
Hình 1.2. Cổ góp....................................................................................................................3
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều.......................................4
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ độc lập...............................5
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ song song..........................5
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp...............................6
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.............................6
Hình 1.8. Phương trình đặc tính cơ.......................................................................................7
Hình1.9. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ................................................9
Hình 1.10. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông......................................................10
Hình 1.12. Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín..............................................................12
Hình 1.13. Điều khiển với bộ PID số...................................................................................15
Hình 1.14. Minh họa công thức xấp xỉ thành phần tích phân.............................................16
Hình 1.15. Dạng xung PWM................................................................................................18
Hình 1.16. Sơ đồ mắc PWM với mạch điện (volt kế)..........................................................18
Hình 1.17. Sơ đồ mắc động cơ DC với PWM.....................................................................19
Hình 1.18. Phương pháp tạo ra PWM.................................................................................19
Hình 2.1. Vi điều khiển pic 18F4431....................................................................................22
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc các chân của pic 18F4431..........................................................22
Hình 2.3. sơ đồ nguyên lí của PIC 18F4431.......................................................................23
Hình 2.4. Cấu trúc thanh ghi chức năng chung của PIC18F4431......................................25
Hình 2.5. Mạch nạp PIC qua cổng COM.............................................................................28
Hình 2.6. Mạch nạp PIC qua cổng USB..............................................................................28

Hình 2.7. LCD.......................................................................................................................28
Hình 2.8. Sơ đồ mạch cầu L298D.......................................................................................29
Hình 2.9. Động cơ DC có gắn encoder...............................................................................30


Hình 2.10. Cửa sổ chọn PIC................................................................................................33
Hình 3.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển động cơ DC.....................................................36
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ DC........................................37
Hình 3.3. Sơ đồ mạch nguyên lí khối điều khiển.................................................................38
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ( mạch cầu H )...............................................38
Hình 3.5. Module điều khiển động cơ DC L298V1..............................................................39
Hình 3.6. Sơ đồ mạch hiển thị.............................................................................................39
Hình 3.7. Sơ đồ nút nhấn điều khiển...................................................................................39
Hình 3.8. Sản phẩm sau khi hoàn thành.............................................................................42



CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC ( Direct curent):

Nguồn một chiều.

PID (Proportional Integral Derivative): Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ.
PWM ( Pulse Width Modulation) :
Phương pháp điều chế độ rộng xung.
PIC ( Programmable Intelligent Computer): Vi điều khiển.
SFR (Special funcion register) :
Thanh ghi chức năng đặc biệt.
GPR(General purpose register) :
Thanh ghi chức năng chung.

LCD ( Liquid Crystal Display) :
Màn hình tinh thể lỏng (màn hình hiển thị)

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
i


Ngày nay, đất nước đi lên công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Điều khiển tốc độ
động cơ đang được ứng dụng rất nhiều trong sản xuất và công nghiệp, trong các dây
chuyền sản xuất công nghiệp. Đề tài của em nghiên cứu về điều khiển tốc độ động
cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID số. Em đã tìm hiểu về động cơ một chiều, biết
cách lập trình điều khiển động cơ một chiều để áp dụng vào các dây chuyền sản
xuất trong công nghiệp.
ABSTRACT
Nowadays, the country go up the industrialization and modernization. The
speed control DC motors are being applied in the production and the industrial, in
the industrial production lines. My research topics of control DC motor speed use
the number PID controller. I learned about DC motor, knew how to program The
DC motor speed control to apply in the industrial production lines and life.

ii


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các nghành công
nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và máy điện đóng vai trò rất quan trọng,
không thể thiếu trong các nghành công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt của con
người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định
thành công của một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, nền
sản xuất nào mà không cần tới điện và máy điện.

Mặc dù động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều
vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu
cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động
cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ( phạm vi
điều chỉnh rộng, có thể về 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều thấp
hơn động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than.
Qua qua trình tìm hiểu trong thực tế và các công trình nghiên cứu về ứng
dụng của động cơ một chiều, với sự chỉ dẫn của Thạc sĩ Đinh Văn Nam đã giúp
em chọn và thực hiện đề tài : “Điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều
khiển PID số”. Nội dung đồ án được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan chung về động cơ điện một chiều
Chương 2. Giới thiệu linh kiện và phần mềm lập trình trong mạch
Chương 3. Thiết kế phần cứng.
Đồ án có kết cấu như sau:
1. Tổng quan cung về động cơ điện một chiều.
2. Giới thiệu linh kiện và phần mềm lập trình trong mạch.
3. Thiết kế phần cứng.
4. Kết luận.
5. Tài liệu tham khảo.
6. Phụ lục.

Nội dung đồ án vẫn còn nhiều điểm hạn chế khiếm khuyết, còn nhiều vấn
đề cần bổ sung hoàn thiện. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô
để đồ án được hoàn chỉnh. Em xin cảm ơn thầy Thạc sĩ Đinh Văn Nam cùng toàn
thể thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện
Đặng Phúc Văn
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1


1.1. Khái niện chung về máy điện
Máy điện là thiết bị điện tử, nguyên lí làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng
điện từ.
Máy điện gồm mạch từ(lõi thép) và mạch điện(các dây quấn dùng để biến
đổi dạng năng lượng: cơ năng thành điện năng máy phát điện, điện năng thành cơ
năng động cơ điện.
Máy điện là máy thường được gặp nhiều trong các nghành kinh tế như công
nghiệp, giao thông vận tải… Máy điện có nhiều loại được phân loại theo nhiều cách
khác nhau: phân loại theo chức năng , theo công suất, theo cấu tạo…
Phân loại theo nguyên lí biến đổi năng lượng: máy điện tĩnh, máy điện động
(quay).
1.2. Động cơ điện một chiều
1.2.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là thiết bị điện từ quay, nó biến đổi điện năng thành
cơ năng. Nguyên lí làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Đặc tính là điều chỉnh tốc độ động cơ rất tốt. Vì vậy nó được dùng nhiều
trong công nghiệp điều chỉnh tốc độ động cơ quay liên tục trong phạm vi rộng như
máy bơm, quạt gió, máy cắt..
Ngoài dây quấn xếp ở máy điện một chiều còn có dây quấn song. Các phần
tử được nối thành mạch vòng kín vào dây quấn song đơn chỉ có hai mạch nhánh
song song, thường thấy ở máy có công suất nhỏ.
- Cổ góp và chổi điện.
+ Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình
trụ gắn ở đầu trục roto. Các đầu dây của phần từ được nối với phiến góp.
+ Chổi điện được làm bằng than grafit. Các chổi tì đặt lên cổ góp nhờ lò xo
và giá chổi điện được gắn trên nắp máy.
- Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính:

+ Phần tĩnh (stato).
+ Phần động (roto).
a. Phần tĩnh (stato).
2


Hay còn gọi là phần kích từ của động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường. Gồm
có mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ.
- Mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc và thép đặc biệt).
- Dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ (êmay). Các cuộn dây kích từ
được nối với nhau.
1. Mạch từ
2. Cuộn dây
kích từ
Hình 1.1. Cấu tạo
động cơ điện một
chiều.
b.

Phần

động

(phần ứng).
Phần sinh ra sức điện động. Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ
(lá thép kĩ thuật điện) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có xẻ rãnh để lồng dây quấn
phần ứng (được làm bằng dây điện từ).
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây được nối với nhau theo một quy luật
nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây, các đầu dây của bối dây được nối với
phiến đồng gọi là các phiến góp. Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và

cách điện với trục được gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than, được làm bằng than grafit và được áp sát vào
mặt cổ góp nhờ lò xo.
1. cổ góp
2.

mạch

roto
Hình 1.2. Cổ góp
1.2.2. Nguyên lí
làm việc của động
3


cơ điện một chiều
Ở động cơ điện có hai nguồn năng lượng:
- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ.
- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào cổ góp của phần ứng.
Hình 1.3. Sơ đồ
nguyên lí hoạt động
của động cơ điện một
chiều.
- Khi cho điện
áp một chiều vào hai chổi điện A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh
dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho roto quay.
Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa ⇒ vòng, vị trí của thanh dẫn ab và cd đổi
chỗ cho nhau. Do co phiến góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác
dụng không đổi.

- Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động
Eư. Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ
chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản
điện động.
- Phương trình cân bằng điện áp trong mạch vòng phần ứng.
U = Eu + Ru I u

1.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều
Tùy theo cách kích từ động cơ điện một chiều mà người ta chia thành các
loại động cơ sau:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

4


Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song.

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ song song
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

5


Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lí của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
ω cơ điện một chiều: đồ thị miêu tả mối
- Phương trình đặc tính cơ của động m

dt
quan hệ giữa mô men điện từ và tốc độ góc của động cơ.
Phương trình cân bằng điện áp:
 E0 = U − IR0

 E0 = Kφω

ω=

U I .R⇒
U MRu
u
−
=
−
K φ Kφ K φ K φ 2

6

(1.1
)
(1.2)


Đặc tính cơ ứng với Uư là (1):
Hình 1.8.
Phương
trình đặc
tính cơ
Có

độ cứng
∆M ( Kφ )
| β |=
=
∆ω
Ru

(1.3

2

)
→ β cứng.

càng lớn thì đặc tính cơ càng

Động cơ điện một chiều có độ cứng ứng với đặc tính cơ tự nhiên tương đối
cứng nghĩa là động cơ có độ ổn định tốc độ tương đối tốt, do đó có thể xây dựng hệ
kín để nâng cao độ cứng tương đối hơn độ cứng tự nhiên.
1.2.4. Các thông số ảnh hưởng
- Phương trình đặc tính cơ điện :
ω=

U I .Ru U MRu
−
=
−
K φ Kφ K φ K φ 2

(1.4)

- Phương trình đặc tính cơ :
(1.5)

ω=

U u Ru + R f
−
M
Kφ
Kφ 2

Từ phương trình đặc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hưởng đến đặc tính
cơ :
+ Ảnh hưởng của điện trở phần R f ứng : Để thay đổi điện trỏ phần ứng ta
nối thêm điện trỏ phụ vào mạch phần ứng. càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm
đồng thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm.
+ Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Khi giảm điện áp thì momen ngắn
mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với
một phụ tải nhất định.
7


+ Ảnh hưởng của từ thông: Thay I kt đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng
kích từ động cơ. Khi giảm từ thông thì tốc độ động cơ tăng.
1.2.5. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ song song.
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay, máy điện một chiều
đã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện.
ω=

U I .Ru U MRu
−
=
−
K φ Kφ K φ K φ 2

Từ phương trình vận
tốc:

(1.6) ta có phương

pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như sau:
- Phương pháp 1: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng.
Đây là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ trong lâu năm nhất.
Nguyên lí điều khiển:
U = U đm ; φ = φđm

Trong phương pháp này

người ta giữ và nối thêm một điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở
phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
(1.7)

β=

( Kφ )
∆M
=−
∆ω

Ru + R f
2

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì B càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và
do đó càng mềm hơn.

8


Hình1.9. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
Ứng với = 0 ta có độ cứng tự βRtnf nhiên có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ
tự nhiên có độ cứng lớn hơn các đường đặc tính cơ có điện trở phụ.
Như vậy khi ta thay đổi thì ta R f được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc
tính cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp:
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. Phương pháp này
cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về
phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng của
điện trở làm tổn hao công suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ
cần trục.
Tính liên tục: Phương pháp D = ωmax / ωmin
này không thể điều khiển động cơ lien tục được mà chỉ điề khiển nhảy cấp. Dải điều
chỉnh phụ thuộc vào momen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng nhỏ. Phương
pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1.
9


Gía thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ

lớn. Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
- Phương pháp 2: Thay đổi từ thông
Nguyên lý điều khiển:
U = U đm ; Ru = const

Giả thiết . Muốn thay đổi

từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ.
Thay đổi dòng điện trong φ = φmax mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường điện
áp làm việc ở chế độ định mức với kích thước tối đa mà phương pháp này chỉ cho
phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ
thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
→
2
φ(U
Kđm
φ)
Khi giảm từ thông thì tốc độ
ω
=
β =0 −
KRφ
u
không tải lý tưởng tăng còn độ
cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được đường đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự
nhiên.

Hình 1.10. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông.
Đánh giá chỉ tiêu điều kiện:

- Sai số tốc độ lớn:
10


Đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển
phụ thuộc vào phần cơ máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3: 1.
- Tính liên tục:
Vì công suất của cuộn dây kích ω ≈ 1 từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có
thể điều khiển liên tục với .
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến có thể thay đổi liên tục và
kinh tế.
Đây là phương pháp duy nhất để → điều khiển động cơ điện một chiều khi
cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
- Phương pháp 3: Thay đổi điện áp phần ứng.
Nguyên lý làm việc :
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 1 chiều cần có thiết bị nguồn( máy
phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển..)

Hình 1.11. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp.
Ở phương pháp này
U = var;φđm = const ; R f = 0
Khi thay đổi phần ứng
(thay đổi theo chiều giảm điện áp, vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên
độ cứng của đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thay đổi tùy
thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
11

ω0 = U / kφ

Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính tự nhiên
tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.
Đặc điểm của phương pháp:
+ Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng thấp.
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
+ Độ cứng đặc tính cơ cao và giữ được không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.
+ Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm.
Rất dễ tự động hóa khi dung chỉnh lưu có điều khiển.
Phương pháp này có momen không đổi vì có Iư và đều không đổi.
φ
Đánh giá chỉ tiêu điều khiển:
- Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ bằng sai số số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên)
- Tính liên tục :
Điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi. Các bộ biến đổi hiện
nay có công suất nhỏ nên có thể điều chỉnh liên tục.
Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1.
Đây là phương pháp duy nhất có ⇒ thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ
trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức với động cơ một chiều.
Qua việc xét ba phương pháp điều ⇒ khiển tốc độ động cơ ta thấy điều chỉnh
điện áp phần ứng là khả thi và có nhiều ưu điểm hơn cả, bởi vì dễ điều chỉnh và có
đặc tính cơ cứng nên ta chọn phương pháp này để điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều.
1.2.6. Hệ thống diều khiển tự động
* Bộ điều khiển PID
- Lý thuyết về bộ điều khiển PID

Hình 1.12. Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển bộ điều khiển PID được xem như giải
12

pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90%
các bộ điều khiển trong công nghiệp 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:
t

1
de(t )
u (t ) = K p (e(t ) + ∫ e(τ )dτ + TD
)
T1 0
dt

(
1.8)

Trong đó u là tín hiều điều

(e = y

sp

− y)

khiển , e là sai lệch điều khiển

.

Tín hiệu điều khiển là tổng hợp của 3 thành phần : tỷ lệ, tích phân, vi phân.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID :
GPID ( s) =



U ( s)
1
1
= K P + K t + K D s = K P 1 +
+ TD s 
E ( s)
s
 Ti s


(1.9)
Các tham số của bộ điều khiển là .
Thành phần tỷ lệ ( P )
K p , K i (Ti ), K d
u(t) = Kp.e(t)
(1.10)
Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỷ lệ
tuyến tính với sai số 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 khi sai lệch đổi đầu thì tín hiệu điều
khiển cũng đổi đầu.
Thành phần P có ưu điểm là tác
lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó

Kp

động nhanh và đơn giản. Hệ số tỷ lệ càng
có vai trò càng lớn trong giai đoạn đầu của

trình quá độ. Tuy nhiên khi hệ số tỷ lệ càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu càng mạnh
dẫn đến dao động mạnh, 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.
 Thành phần tích phân (I)
13


t

u (t ) = Kτ ∫ e(τ ) dτ
0

(1.11)
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 không 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 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 về động học của hệ thống.

Thành phần vi phân (D)
u (t ) =

de(t )
dt

(1.1

2)
Mục đích của thành phần vi phân là làm cải thiện sự ổn định của hệ kín. Do
động học của quá trình, nên sẽ tồn tại trong 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 của
phản 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 và PL.
Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị
đặt do tính đáp ứng nhanh.
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 cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, do yêu cầu 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 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 hơn và chính xác hơn. Đồng thời, việc xây dựng bộ điều khiển trên nền máy
tính số hay vi điều khiển cũng đơn giản hơn.
14

Hình 1.13. Điều khiển với bộ PID số
a. Nguyên lí điều khiển PID số
Hình 1.13 Biểu diễn một hệ
thống điều khiển có sử dụng bộ PID

GzOH
ZuOH
k(S )

số, tức là bộ điều khiển PID có tín hiệu vào, ra đều dạng số ( không liên tục và rời
rạc). Tín hiệu đầu ra của bộ PID số là một dãy số {} được đưa đến điều khiển đối
tượng có hàm truyền đạt liên tục S(s). Do {} là tín hiệu không liên tục rời rạc nên để
có thể làm tín hiệu điều khiển cho đối tượng liên tục. Ta cần phải liên tục hóa nó
( trong miền thời gian) bằng bộ chuyển đổi số tương tự với hàm truyền đạt . Xem
chung với S(s) như đối tượng điều khiển không liên tục thì đối tượng này sẽ có hàm
truyền đạt :
z − 1  S ( s) 
(1.13)
S (s) =
Z

z
 s 
Để xác định mô hình

không liên tục của bộ PID số ta sẽ đi tự mô hình liên tục của nó trong miền thời
gian :
t

kp t

1
de(t ) 
de(t )
u (t ) = k p e(t ) + ∫ e(τ )dτ + TD
=
K
e
)
t
)
+
e(τ )dτ + k pTD

p
∫
Tt 0
dt 
Tt 0
dt


(1.14)
Lí do cho việc không sử dụng biến đổi Z để chuyển trực tiếp


1
(1.15)
R ( s ) = k p 1 +
+ TD s 
Sang miền Z vì R(s) có

 Tt s


chứa thành phần vi phân D.
15


Khi đầu vào e(t) của PID số được ek thay thế bằng {}có chu kỳ lấy mẫu.
- Thành phần khuếch đại
p
uU
= kkppee(kt )
p (t )k =

- Thành phần tích phân

ut ( t ) =

được thay bằng

t

kp

∫ e(τ )dτ

Tτ

0

(1.16)
k pTa

1

uk =

Tτ

+ Xấp xỉ tích phân loại 1 :

k −1

∑e
i =0

i

(1.17)
k pTa

2

uk =

Tτ

+ Xấp xỉ tích phân loại 2 :

k −1

∑e
i =1

i

(1.18)
3

uk =

k pTa
Tτ

k −1

∑
i =1

ei −1 + ei
2

+ Xấp xỉ tích phân loại 3 :
(1.19)

Hình 1.14. Minh họa công thức xấp xỉ thành phần tích phân.
- Thành phần vi phân

de(t )
k T

D
(t ) =p kDpT(eDk − ek −1 )
u ku D =
dt
Ta

được thay bằng .
Thay các công thức xấp xỉ trên vào:
p

I

uk = uk + uk + uk

)
16

D

(1.20


Ta sẽ được mô hình không liên tục của bộ PID số :

T
u k = k p ek + a
Tτ


+ Xấp xỉ loại 1 :

T (e − e ) 
ei + D k k −1 
∑
Ta
i =0

k −1

;

(1.21)

T
u k = k p ek + a
Tτ


k

∑e +
i =1

i

+ Xấp xỉ loại 2 :

TD (ek − ek −1 ) 

Ta



;

(1.22)
+ Xấp xỉ loại 3
:


T
u k = k p ek + a
Tτ


k

∑
i =1

ei − ei −1 TD (ek − ek −1 ) 
+

2
Ta


(1.23)
b. Xác định từ giá trị tới hạn
Bên cạnh phương pháp xác định tham số và nếu không có được đồ thị hàm
quá độ h(t) của đối tượng thì ta có thể xác định Ki, Td, Ti của PID số như sau:

- Thay bộ điều khiển số trong hệ
kín bằng bộ khuếch đại K. Sau đó tăng
K
Tthth
K tới giá trị để hệ kín có dao động điều
hòa, tức là y(t) = h(t) có dao động hàm
tuần hoàn . Xác định chu kì của dao động.
K i , Td , Ti

- Xác định của PID số:
+ Nếu sử dụng riêng bộ P số : =

0.5
+ Nếu chỉ sử dụng riêng bộ PI số
: = 0.45 và = 0.83 ;
KT
+ Nếu sử dụng bộ PID số: =0.6, thip =0.83và = 0.125
K
TTDthip
1.2.7. Phương pháp điều chế độ rộng
xung
1.2.7.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation).
- Là phương pháp điều chế dựa trên độ thay đổi độ rộng xung của chuỗi
vuông dẫn đến sự thay đổi giá trị trung bình của điện áp ra.

17

K thp