ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.53 MB, 53 trang )

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
---------

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 2B
ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID
GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB

GVHD: Th.s Huỳnh Minh Ngọc
SVTH: Nguyễn Trường An
MSSV: 12021871
Lớp: DHDTTD8

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

1

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

---------

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 2B
ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG
PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH
QUA CỔNG USB

GVHD: Th.S Huỳnh Minh Ngọc
SVTH: Nguyễn Trường An
Mssv: 12021871
Lớp: DHDTTD8

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

2

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Dưới sự hướng dẫn
của Th.s Huỳnh Minh Ngọc

Người Thực Hiện
Kí Tên

3

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay,nền công nghiệp đang trên đà phát triển ngày càng cao, trong đó vấn đề
điều khiển tự động được đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu cũng như ứng dụng
công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo ,sự chính
xác của hệ thống ngày một cao hơn, để có thẻ đáp ứng được nhu cầu về số lượng, chất
lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội.
Vì vậy dưới sự dẫn dắt của thầy Huỳnh Minh Ngọc em đã thực hiện đề tài:
“ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP
MÁY TÍNH QUA CỔNG USB” nhằm củng cố, vận dụng các kiến thức lý thuyết đã
được học và trau dồi thêm kinh nghiệm thực tế.
Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của
em còn nhiều sai sót, hạn chế. Chúng em mong có sự góp ý và sửa chữa của thầy cô để đề
tài có tính khả thi hơn về phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật.

4

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến nhà trường và các
thầy cô trong khoa điện tử đã tận tình dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt quãng thời
gian học vừa qua, giúp chúng em có kiến thức chuyên môn làm đề tài đồ án 2B này.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy Huỳnh
Minh Ngọc. Thầy đã định hướng, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn về tài liệu
và các tiến trình thực hiện đề tài. Sự hướng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng
em có thể hoàn thành đề tài này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tất cả bạn bè đã luôn quan tâm giúp đỡ và tạo
điều kiện thuận lợi để chúng tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Trường An

5

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

NHẬN XẾT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Tp.Hồ Chí Minh, ngày

tháng năm

6

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

NHẬN XẾT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
i............................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

Danh Mục Hình Ảnh

9

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
I Tính cấp thiết của đề tài
Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trở
thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy
móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện
trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia
dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính.
II Mục đích nghiên cứu đề tài
Chế tạo thiết bị cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng
dài.Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là điều
khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi
xác lập và khi thay đổi trạng thái.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ dc, bộ điều khiển pid, cách truyền nhận dư liệu của
chuẩn usb. Phần mền matlap để mô phỏng tốc độ động cơ.

III Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu hàm truyền bộ PID thử sai để điều khiển tốc độ
Xây dựng mô hình thực tế:
Dụng phần mền Mikro hoặc MPLAB để viết chương trình điều khiển
Dùng phần mền visual studio để viết giao diện người dùng trên nền C#
IV Phương pháp nguyên cứu
Các phương pháp nguyên cứu chủ yếu trong đề tài:
Phương pháp nghiên cứu trên lý thuyết: dựa vào các phương trình hàm truyền từ các
nguồn tài liệu
Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán và mô phỏng trong phần mềm
MATLAB.
Phương pháp thực nghiệm: Điều khiển trực tiếp trên mô hình cánh tay bậc tự do. Sử dụng
vi điều khiển PIC 18f4550
1.

10

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

CHƯƠNG 2. Cơ Sở Lý Thuyết
I Động cơ DC

Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ
điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công
nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi
nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động
cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM.

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt
động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện
một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu
thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân
dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống .
I.1 Cấu tạo động cơ
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:
– Phần ứng hay Rotor (Armature).
– Cổ góp (Commutat).
– Chổi than (Brushes).
– Trục motor (Axle).
– Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
– Bộ phận cung cấp dòng điện DC

Nguyên lý hoạt động:
Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh
phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện
lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.
Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rô
to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện
sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song
11

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây
lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính.

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến
góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu
như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to.
I.2 Mô hình toán học DC sử dụng nam châm vĩnh cữu

hình 2. 1 mô hình động cơ
Trong hình 2.1, J là mômen quán tính của rôto động cơ, B là hệ số tải,

�m là tốc độ động

cơ (rpm), và Em, Im lần lượt theo thứ tự là điện áp và dòng điện nguồn cấp cho động cơ.
Ta có: Mômen phát sinh trên trục động cơ Tm là:
Tm = k. Im (2.1)
Lại có Em= Im* RO (2.2) với RO là điện trở phần ứng rôto.
Từ định luật Newton II ta có:
+ = Tm (2.3)
Thay (2.1),(2.2) vào (2.3) → + = (2.4)
Sử dụng biến đổi Laplace cho phương trình (2.4) ta thu được:
= (2.5)
Phương trình (2.5) biểu thị mô hình hàm truyền của động cơ DC.
Đặt:
và thực hiện phép biến đổi Laplace ngược cả 2 vế phương trình (2.5) ta có:
G(t) = a1 (2.6) với = , = (2.6)
Như vậy từ phương trình (2.5), để xác định được đáp ứng của tốc độ động cơ dưới dạng
mô hình hàm truyền đạt hoặc dạng hàm theo thời gian, ta cần xác định các thông số của
động cơ như K (hệ số khuếch đại tĩnh động cơ), B, J và . Từ đó ta xác định được hệ số
khuếch đại và hằng số thời gian của mô hình động cơ.
Ta sử dụng encoder để chuyển đổi từ số vòng quay của động cơ thành số xung với một hệ
số tỉ lệ nào đó, phụ thuộc vào độ phân giải của encoder. Các xung này được đưa vào vi xử
lý và truyền lên máy tính, vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của mô hình động cơ. Từ việc phân

tích đồ thị, sử dụng các phương pháp nhận dạng trong lý thuyết điều khiển, ta có mô hình
xấp xỉ hàm truyền của động cơ.

12

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

Vì lí do thời gian có hạn, nên phương pháp nhận dạng trực tuyến này không được đề cập
ở đây. Tuy nhiên, đối với động cơ sử dụng trong Đồ án là động cơ nam châm vĩnh cửu,
loại của Nidec UGFMED-D9MRI21, sử dụng điện áp định mức 24V, công suất 21W,
encoder quang 400 xung/vòng .
I.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu ta coi là có từ thông không đổi. Phương
trình (2.4) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ động cơ với điện áp đặt vào hai đầu cuộn
dây phần ứng. Mặt khác, tác động về mặt cơ học của động cơ là tương đối nhanh.
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)

hình 2. 2 nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM

PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay
phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến
sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau
về độ rộng của sườn dương hay sườn âm. Đây là một kỹ thuật thường được sử
dụng để kiểm soát tính năng của các thiết bị quán tính điện, áp dụng thực tế trong

các thiết bị chuyển mạch điện tử hiện đại.
Tần số chuyển mạch PWM nhanh hơn nhiều so với các tác động ảnh hưởng đến
tải, cụ thể ở đây là các thiết bị sử dụng điện.
Điều khiển độ rộng xung được làm bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện lên động
cơ. Nguồn áp 1 chiều DC sẽ chuyển thành tín hiệu xung vuông, thay đổi từ 12V
xuống 0V. Nếu tần số bật tắt mà đủ cao, motor sẽ chạy ở một tốc độ ổn định nhờ
momen quay.
Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu ( thay đổi độ rộng xung_PWM),
tức là khoảng thời gian bật, nguồn điện trung bình đặt lên động cơ sẽ thay đổi và
dẫn đến thay đổi tốc độ.
13

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

hình 2. 3 ví dụ điều chế PWM
Nhìn hình trên, với dãy xung điều khiển thứ 1, xung ON có độ rộng nhỏ nên động
cơ chạy chậm. Nếu độ rộng xung ON càng lớn( nhìn dãy xung thứ 2 và thứ 3) động cơ
DC chạy càng nhanh
Ưu điểm :
- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ
được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra.
-

Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
Tốc độ motor quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với
khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM.

Nhược điểm :
- Cần các mạch điện từ bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên điện áp cao(12-24V) có thể gây nên tiếng ồn nếu motor không
gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ.
- Việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của motor.
I.4 Encoder của động cơ DC

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc
được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc
quay của motor bao gồm tachometer, dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder.
Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng optiacal encoder
(encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital. Hệ thống optical encoder bao
gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang
và một đĩa có chia rãnh. Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt
đối (absolute optical encoder) và encoder tƣơng đối (incremental optical encoder).
14

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

Trong các mô hình động cơ, encoder tương đối thuờng được sử dụng phổ biến
nhất.

hình 2. 4 Econder quang

Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành
cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A trong 1 vòng
quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được

gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác
nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng
nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ,ta phải biết độ phân giải của encoder
đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương
pháp điều khiển.
Ngoài ra, trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng
đương tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của
encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90.
Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.

15

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

hình 2. 5 hai kênh A và B lệch nhau

Hình trên thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi cảm
biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua,
và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trường hợp motor
quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Lúc tín hiệu A chuyển
từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu
động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại
cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2
kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung)
mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh
xuống của kênh A).
II Vi điều khiển PIC 18f4550

hình 2. 6 vi điều khiển PIC 18F4550

16

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

Điểm riêng biệt của vi xử lý PIC18F4550 là nó là một trong những PIC hỗ trợ toàn
thể cho USB, nghĩa là có USB gắn trong có sẵn các chân đầu ra để nối trực tiếp với
máy tính mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào khác.
1. Chân MCLR/Vpp/RE3:
- MCLR: ngõ vào reset tích cực mức thấp
- Vpp: ngõ vào nhận điện áp khi ghi dữ liệu vào bộ nhớ nội flash
- RE3: xuất/ nhập số
2. Chân RA0/AN0
- RA0: xuất/ nhập số
- AN0: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0
3. Chân RA1/AN1
- RA1: xuất/nhập số.
- AN1: ngõ vào tương tự của kênh thứ 1.
4. Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF
- RA2: xuất/nhập số.
- AN2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 2.
- VREF-: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ ADC.
- CVREF: điện áp tham chiếu VREF ngõ ra bộ so sánh
5. Chân RA3/AN3/VREF+
- RA3: xuất/nhập số.

- AN3: ngõ vào tương tự kênh thứ 3.
- VREF+: ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D.
6. Chân RA4/T0CKI/C1OUT/RCV
- RA4: xuất/nhập số – mở khi được cấu tạo là ngõ ra.
- TOCKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài cho Timer0.
- C1OUT: ngõ ra bộ so sánh 1.
7. Chân RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT
- RA5: xuất/nhập số.
- AN4: ngõ vào tương tự kênh thứ 4.
- SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ.
- C2OUT: ngõ ra bộ so sánh 2.
8. Chân RE0/AN5/CK1SPP
- RE0: xuất/nhập số.
- AN5: ngõ vào tương tự 5.
9. Chân RE1/AN6/CK2SPP
- RE1: xuất/nhập số.
- AN6: ngõ vào tương tự kênh thứ 6.
17

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

10. Chân RE2/AN7/OESPP
- RE2: xuất/nhập số.
- AN7: ngõ vào tương tự kênh thứ 7.
11. Chân VDD
12. Chân VSS
13. Chân OSC1/CLKI: là ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào

nhận
xung clock bên ngoài.
- OSC1: ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn xung ở bên ngoài.
Ngõ vào có mạch Schmitt Trigger nếu sử dụng dao động RC
- CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài.
14. Chân OSC2/CLKO/RA6: ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung
clock.
- OSC2: ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng
hưởng.
- CLKO: ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng ¼ tần số của OSC1 và chính là
tốc độ của chu kì lệnh.
- RA6: : xuất/nhập số.
- RA6: : xuất/nhập số.
15. Chân RC0/T1OSO/T13CKI
- RC0: xuất/nhập số
- T1OSO: ngõ ra của bộ dao động Timer1.
- T13CKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài Timer1 và Timer 3
16. Chân RC1/T1OSI/CCP2/UOE
- RC1: xuất/nhập số.
- T1OSI: ngõ vào của bộ dao động Timer1.
- CCP2: ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2
17. Chân RC2/CCP1/P1A
- RC2: xuất/nhập số
- CCP1: ngõ vào Capture1, ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1
18. Chân VUSB : chân nguồn USB
19. Chân RD0/SPP0
- RD0: xuất/nhập số.
- SPP0: dữ liệu port song song
20. Chân RD1/SPP1
- RD1: xuất/nhập số

- SPP1: dữ liệu port song song
18

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

23. RC4/D24. RC5/D+
25. Chân RC6/TX/CK
- RC6: xuất/nhập số.
- TX: truyền bất đồng bộ USART.
26. Chân RC7/RX/DT/SDO
- RC7: xuất/nhập số.
- RX: nhận bất đồng USART.
- DT: dữ liệu đồng bộ USART.
- SDO: dữ liệu ra SPI.
33. Chân RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA
- INT0: ngõ vào nhận tín hiệu ngắt ngoài.
- SDI: dữ liệu vào SPI.
- SDA: xuất/nhập dữ liệu I2C.
34. Chân RB1/AN10/INT1/SCK/SCL
- SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI.
- SCL: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ I2C.
38. Chân RB5/KBI1/PGM
- RB5: xuất/nhập số
- KBI1: Interrupt-on-change
- PGM: Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICSP.
39. Chân RB6/KBI2/PGC
- RB6: xuất/nhập số

- KBI2: Interrupt-on-change
- PGC: mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP
40. Chân RB7/KBI3/PGD
III Thuật toán PID

Trong lý thuyết điều khiển tự động, bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác
động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước. Các điều kiện làm
việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc
điều chỉnh các biến đầu vào đã biết. Ví dụ, hệ thống lò sưởi của một ngôi nhà có
thể được trang bị với 1 bộ điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ không
khí (biến đầu ra), có thể bật hoặc tắt lò nung hoặc bộ gia nhiệt khi nhiệt độ không
khí quá thấp hoặc quá cao. Trong ví dụ này, bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và điều
khiển hoạt động của bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt là bộ xử lý giúp làm nóng không khí
bên trong ngôi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt). Nhiệt độ không khí đo
19

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

được bên trong ngôi nhà là tín hiệu phản hồi. Và cuối cùng, ngôi nhà là môi trường
mà hệ thống lò sưởi làm việc.
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một bộ điều khiển tổng
quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều
khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi
và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách
điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng
biệt đó đó là : tỷ lệ, tích phân và đạo hàm biết tắt là P,I và D. giá trị tỷ lệ xác định
tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số

quá khứ , giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. bằng cách
điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể
dung trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt . đáp ứng của bộ điều khiển vó thể
được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển giá trị mà bộ điều khiển vọt
lố điểm đặt giá trị dao động của hệ thống
III.1 Cấu trúc của bộ điều khiển PID

Khâu tỷ lệ:
Trong khâu tỷ lệ, tín hiệu ra tỷ lệ với tín hiệu vào, nghĩa là:

Trong đó

Kp

là hệ số tỷ lệ và là hằng số. Khi phân tích hệ thông thường viết biểu thức

dưới dạng hàm truyền:

Khâu tích phân:
Khâu tích phân có tín hiệu ra tỷ lệ với tích phân theo thời gian của tín hiệu vào,
nghĩa là:

Trong đó K i là tỷ số truyền của khâu điều khiển tích phân. Hàm truyền của
khâu tích phân có dạng:

20

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

x
x
Nếu sai lệch e > 0 thì tín hiệu ra p tăng, nếu e = 0 thì p là hằng số, còn nếu

e < 0 thì x p giảm. Điều đó dẫn đến sự dao động của tín hiệu ra.

Khâu vi phân:
Trong khâu vi phân, tín hiệu ra tỷ lệ với tốc độ biến thiên của tín hiệu vào,
nghĩa là:

Trong đó K là tỷ số truyền của khâu điều khiển vi phân. Hàm truyền của khâu vi
phân có dạng:

Có thể thấy kể cả khi tồn tại sai lệch e ≠ 0 thì tín hiệu ra, nghĩa là không có
phản ứng của hệ thống, đó là nhược điểm của khâu vi phân. Ưu điểm của khâu vi phân là
làm giảm sai số tĩnh của hệ thống, nghĩa là mỗi khi có sự biến thiên của tín hiệu vào thị
hệ thống lập tức phản ứng để duy trì sự ổn định. Thường khâu điều khiển vi phân được
dùng kết hợp với hai khâu điều khiển trên.
III.1.1 Bộ PID liên tục
Mỗi khâu điều khiển ở trên đều có những ưu nhược điểm riêng. Khâu tích phân có
khả năng khắc phục nhanh sai lệch nhưng khó khắc phục sai số tĩnh, còn điều khiển vi
phân có sai số tĩnh nhỏ nhưng thời gian đạt tới trạng thái ổn định rất chậm. Để đạt được
tác động điều khiển như ý muốn thì phải kết hợp các khâu điều khiển trên lại với nhau.
Khâu điều khiển tích phân – tỷ lệ( PI ) gồm nhánh tỷ lệ và nhánh tích phân
song song với nhau. Hàm truyền của nó có dạng:

Khâu điều khiển vi phân – tỷ lệ( PD ) gồm nhánh tỷ lệ và nhanh vi phân song
song với nhau. Hàm truyền của nó có dạng:

21

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

Khâu điều khiển vi – tích phân – tỷ lệ(PID) có hàm truyền dạng:

hình 2. 7 mô hình PID
III.1.2 Bộ PID rời rạc
Công thức của bộ điều khiển PID trình bày trong ở trên là dạng hàm liên tục của
biến e, trong đó có cả thành phần tuyến tính, đạo hàm và tích phân. Tuy nhiên, hệ thống
máy tính và vi điều khiển lại là hệ thống số. Muốn xây dựng bộ điều khiển PID trên máy
tính hay trên vi điều khiển chúng ta phải biết cách xấp xỉ phương trình liên tục thành
dạng rời rạc.
Vì bộ điều khiển PID xây dựng trong PIC sẽ là bộ điều khiển số, chúng ta cần xấp
xỉ công thức của bộ điều khiển này theo các khoảng thời gian rời rạc. Trước hết, thành
phần P tương đối đơn giản vì đó là quan hệ tuyến tính Kp.e, chúng ta chỉ cần áp dụng
trực tiếp công thức này mà không cần bất kỳ xấp xỉ nào. Tiếp đến là xấp xỉ cho đạo hàm
của biến e. Vì thời gian lấy mẫu cho các bộ điều khiển thường rất bé nên có thể xấp xỉ
đạo hàm bằng sự thay đổi của e trong 2 lần lấy mẫu liên tiếp:
Trong đó: e(k) :là giá trị hiện tại của e
e(k-1) : là giá trị của e trong lần lấy mẫu trước đó

22

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An
h : là khoảng thời gian lấy mẫu (h là hằng số).

hình 2. 8 xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e
Thành phần tích phân được xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi hàm đường biểu
diễn của e và trục thời gian. Do việc tính toán tích phân không cần quá chính xác, chúng
ta có thể dùng phương pháp xấp xỉ đơn giản nhất là xấp xỉ hình chữ nhật (sai số của
phương pháp này cũng lớn nhất). Ý tưởng được trình bày trong hình 5 .

23

ĐỒ ÁN 2B

Nguyễn Trường An

hình 2. 9 xấp xỉ tích phân của biết sai số e
Tích phân của biến e được tính bằng tổng diện tích các hình chữ nhật tại mỗi thời
điểm đang xét. Mỗi hình chữ nhật có chiều rộng bằng thời gian lấy mẫu h và chiều cao là
giá trị sai số e tại thời điểm đang xét. Tổng quát:
=> Tổng hợp các xấp xỉ, công thức của bộ điều khiển PID số tính:

Các công thức trên rất dễ dàng để thực hiện bằng PIC. Do đó, đến lúc này chúng
ta đã sẵn sàng để đưa ý tưởng vào lập trình cho chip.
III.2 Phương pháp thiết kế bộ PID
Phương pháp thử sai:
Phương pháp thử sai là một phương pháp điều chỉnh các thông số sao cho ban đầu bằng
không. Tăng dần cho đến khi đầu ra của hệ thống dao động, sau đó có thể được đặt tới
xấp xỉ một nữa giá trị đó. Khi đã có giá trị, tăng đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian

xử lý. Tuy nhiên, quá lớn sẽ gây mất ổn định hệ thống. Cuối cùng, tăng nếu cần thiết cho
đến khi thời gian xác lập của hệ thống nhỏ nhất.

24

ĐỒ ÁN 2B

Thông số
Kp

Nguyễn Trường An

Thời gian
khởi động

Độ vọt lố

Thời gian
xác lập

Sai số xác lập

Giảm

Tăng

Giảm

Giảm

Phương
pháp
Kd
Giảm
Giảm ít
Giảm ít
Không tác động ZieglerNichols:
Phương pháp Ziegler–Nichols là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID được
phát triển bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols. Phương pháp này được thực hiện
bằng cách thiết lập hệ số khâu tích phân và hệ số khâu vi phân về không. Hệ số khâu tỷ lệ
được tăng lên từ không cho đến khi nó đạt đến độ lợi tối đa, mà đầu ra của vòng điều
khiển dao động với biên độ không đổi. và chu kỳ dao động được sử dụng để thiết lập các
hệ số tùy thuộc vào loại điều khiển được sử dụng.
Ki

Giảm

Tăng

Tăng

Giảm

Dạng điều khiển

Kp

Ki

Kd

P

0.5 Ku

-

-

PI

0.45 K u

1.2 K p / Pu

-

PID

0.6 Ku

2 K p / Pu

K p Pu / 8

IV Cổng giao tiếp USB
IV.1 Giới thiệu chung về chuẩn USB:
IV.1.1 Khái niệm USB:
USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính. USB sử

dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng
các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy mà với tính năng cắm nóng
thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống).
IV.1.2 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB:
- Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của máy tính.

- Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao lên đến
480 Mb/s.

- Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như: voice, audio, video, …
- Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp.
25

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về