Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
--------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Đề Tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID.

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
SVTH: Thiều Đoàn Quang Huy
MSSV:

16341011

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018
i


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH
Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Thiều Đoàn Quang Huy

MSSV:

16341011

Chuyên ngành:

CNKT Điện Tử Truyền Thông

Mã ngành:

41

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

3

Khóa:

2016

Lớp:

163410A

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Nhóm tiến hành việc khảo sát các loại vi điều khiển, lựa chọn động cơ DC,
khảo sát các linh kiện liên quan để tiến hành thiết kế mạch.
 Tiến hành tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập
trình vi điều khiển ARM. Tham khảo các mô hình điều khiển động cơ để xây
dựng lên mô hình điều khiển.
 Tìm hiểu các mô hình điều khiển động cơ để lựa chọn và tham khảo cách
thức hoạt động phù hợp cho mô hình.
2. Nội dung thực hiện:
 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều
khiển tốc độ của động cơ DC.
 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn giải
pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển động cơ DC.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho
Vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình để điều khiển.
 NỘI DUNG 5: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình
để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số

thực tế.
ii


 NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

25/09/2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

15/01/2018

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS.Nguyễn Minh Tâm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

iii


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên : THIỀU ĐOÀN QUANG HUY
Lớp:
163410A
MSSV: 16341011
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID.
Xác nhận
GVHD

Tuần/ngày

Nội dung

25/09/2017

Tìm tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển

01/10/2017

tốc độ của động cơ DC.
Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn

01/10/2017
15/10/2017
15/10/2017

giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều

khiển.
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC.

29/10/2017
29/10/2017

Thiết kế lưu đồ giải thuật và kiểm tra độ ổn định của

10/11/2017

mạch đã thi công.

10/11/2017

Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển.

28/11/2017
28/11/2017

Thiết kế giao diện hiển thị để điều khiển động cơ DC.

15/12/2017
15/12/2017
02/01/2018
02/01/2018
15/01/2018

Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương
trình để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của
mô hình.

Viết báo cáo thực hiện.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và
đề tài trước đó. Các số liệu trong đề tài này được nhóm thu thập từ các tài liệu hướng
dẫn và tham khảo một số đề tài liên quan từ đó nhóm đã nghiên cứu và phát triển để
thực hiện đề tài này. Không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018

Sinh viên thực hiện

THIỀU ĐOÀN QUANG HUY

v


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập ở trường cùng với những kiến thức được các Thầy Cô
giảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã
được các Thầy Cô tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm
ơn tới tất cả các Thầy, Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói
chung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cung
cấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thể

thực hiện được đồ án này.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy Nguyễn Minh Tâm đã
trực tiếp hướng dẫn tận tình cho nhóm trong suốt quá trình làm đồ án, cảm ơn Thầy đã
giành thời gian quý báu để hướng dẫn cho nhóm, hỗ trợ các thiết bị cũng như đưa ra
hướng đi giải quyết đúng cho nhóm mỗi khi gặp khó khăn.
Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn tập thể lớp 163410A đã cùng đồng hành với nhóm
trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Các bạn đã cùng nhau giúp đỡ, chia sẻ
kinh nghiệm và tạo thêm động lực để nhóm có thể hoàn thành được đồ án này.
Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè. Những người đã
giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để có thể hoàn thành tốt đồ án
này. Xin chân thành cảm ơn mọi người
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới
hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được
hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.

Sinh viên thực hiện

THIỀU ĐOÀN QUANG HUY

vi


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động ..................................................... 5

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ......................................................... 6
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu................................................................ 6
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu ...................................... 7
Hình 2.5 Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau .............................................. 8
Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian ............. 10
Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian ............... 12
Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID ....................................................... 13
Hình 2.9 Sơ đồ pipline ................................................................................................... 15
Hình 2.10 Sơ đồ module STM32F103VET617 ............................................................... 16
Hình 2.11 Sơ đồ động cơ DC ......................................................................................... 17
Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor ......................................................................................... 18
Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều ............................................................... 19
Hình 2.14: Cổ góp và chổi than ..................................................................................... 19
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều ................................................. 21
Hình 2.16 Encoder động cơ DC ..................................................................................... 21
Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong ............................................................ 22
Hình 2.18 OptoPC817 ................................................................................................... 23
Hình 2.19 Mosfet IRF3205 ............................................................................................ 24
Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet .............................................................................................. 25
Hình 2.21 Hoạt động của Mosfet ................................................................................... 26
Hình 2.22 IC SN74HCO2N ............................................................................................ 27
Hình 2.23 IC SN74HC14N............................................................................................. 28
Hình 2.24 Phần mềm Visual studio 2012 ....................................................................... 29
Hình 2.26 Chạy file vs_ premium ................................................................................... 31
Hình 2.27 Click vào I agree the license sau đó chọn Next .............................................. 32
Hình 2.28 Bắt đầu cài đặt Install ................................................................................... 32
Hình 2.29 Qúa trình chờ cài đặt .................................................................................... 33
x

Hình 2.30 Cài đặt giao diện thành công ........................................................................ 33
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 34
Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm ....................................................................................... 36
Hình 3.3 Khối Driver ..................................................................................................... 37
Hình 3.4 Khối Logic ...................................................................................................... 37
Hình 3.5 Khối Nguồn 5V................................................................................................ 38
Hình 3.6 Khối Nguồn 3.3V............................................................................................. 38
Hình 4.1 Mạch in lớp trên.............................................................................................. 40
Hình 4.2 Mạch in lớp dưới............................................................................................. 41
Hình 4.3 Mạch in 3D lớp trên ........................................................................................ 41
Hình 4.4 Mạch in 3D lớp dưới ....................................................................................... 42
Hình 4.5 Hình ảnh khối nguồn và điều khiển ................................................................. 45
Hình 4.6 Hình ảnh mạch PID DRIVER được đóng gói .................................................. 46
Hình 4.7 Mạch PID DRIVER được đặt vào bên trong hộp ............................................. 46
Hình 4.8 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh .......................................................................... 47
Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển chương trình chính ............................................................. 48
Hình 4.10 Giao diện trình biên dịch Keil uVision5 ........................................................ 49
Hình 4.11 Giao diện trình biên dịch STM32CubeMX..................................................... 51
Hình 4.12 Giao diện điều khiển PID .............................................................................. 52
Hình 5.1 Điều khiển động cơ Planet (24V, 60W) ........................................................... 55
Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 19W) ...................................................................... 55
Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 38W) ...................................................................... 56
Hình 5.3 Trường hợp Kp, Kd, Ki=1 ............................................................................... 56
Hình 5.5 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.001 ........................................................................ 57
Hình 5.6 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.005 ........................................................................ 57
Hình 5.3 Kết luận rút ra được từ việc thay đổi hệ số Kp, Kd, Ki từ thực nghiệm ............ 58

x

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện...............................................................................42

xiii


xiii


TÓM TẮT
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID
có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng
như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực
tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển
PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID
cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ
lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các
đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển
PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả những lý
thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển
PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích
nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định
Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực

của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy
bay…. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen
thuộc trong ngành điều khiển tự động. Trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em
xin chọn đề tài : Điều khiển động cơ DC motor với giải thuật PID

xiii


MỤC LỤC
Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...................................................................................ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.....................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................................v

LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................vi
MỤC LỤC............................................................................................................................vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ...............................................................................................................ix
LIỆT KÊ BẢNG............................................................................................................................xii
TÓM TẮT.....................................................................................................................................xiii

Chương1. TỔNG QUAN..................................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU ................................................................................................................... 2
1.3 GIỚI HẠN .................................................................................................................... 3

Chương2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................4
2.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................................. 4
2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN .................................................................................. 4
2.2.1 Điều khiển (control).................................................................................................... 4

2.2.2 Điều khiển học (cybernctics) ...................................................................................... 4
2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động ...................................................................................... 5
2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) ......................................... 5
2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .......... 5
2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN ............................................................ 6


2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ........................................................................... 6
2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu .......................................................... 6
2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu ....................................................... 7
2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ ................................................................................................ 7
2.5.1 Quy luật tỉ lệ P ............................................................................................................ 7
2.5.2 Quy luật tích phân (I).................................................................................................. 8
2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân . ..............................................................................................9
2.5.4 Quy luật tỉ lệ vi phân ................................................................................................ 10
2.5.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) ................ 12
2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................................... 14
2.6.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM. ............................................................................ 14
2.7 ĐỘNG CƠ DC (MOTOR) .......................................................................................... 17
2.7.1 Khái niệm động cơ điện 1 chiều ............................................................................... 17
2.7.2 Cấu tạo chung của động cơ DC ................................................................................ 17
2.7.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều.......................................................... 20
2.8 ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIẸN 1 CHIỀU ........................................................... 21
2.9 OPTO PC817 ............................................................................................................... 23
2.10 IC MOSFET IRF3205 ............................................................................................... 24
2.10.1 Giới thiệu IC Mosfet IRF3205 ............................................................................... 24
2.10.2 Cấu tạo của Mosfet ................................................................................................. 25
2.10.3 Nguyên lý hoạt động của Mosfet IRF3205 ............................................................ 26
2.11 IC SN74HCO2N ........................................................................................................ 27
2.11.1 Giới thiệu IC SN74HCO2N ................................................................................... 27

2.12 IC SN74HC14N ......................................................................................................... 28


2.12.1 Giới thiệu IC SN74HC14N .................................................................................... 28
2.13 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ....................................................................................... 29
2.13.1 Tổng quan phần mềm C# ....................................................................................... 29
2.13.2 Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012 .......................................................... 29
2.13.3 Tính năng mới của Visual studio 2012 ................................................................... 30
2.13.4 Cách cài đặt Visual studio 2012 ............................................................................. 31

Chương3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..................................................................34
3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................ 34
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................ 34
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 34
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ....................................................................................... 35
a. Thiết kế khối xử lý trung tâm ........................................................................................ 35

Chương4. THI CÔNG HỆ THỐNG........................................................................40
4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................ 40
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................................. 40
4.2.1 Thi công bo mạch ..................................................................................................... 40
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................................... 45
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................................. 45
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển............................................................................................. 45
4.3.2 Thi công mô hình ...................................................................................................... 46
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................... 48
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ....................................................................................................... 48
4.4.2 Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển ARM ........................................................... 49

4.4.3 Phần mềm tạo Project cho ARM STM32CubeMX .................................................. 50
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................................ 52
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ............................................................................... 52

Chương5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ......................................................54
5.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG ......................................................................... 54
5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ................................................................... 55

Chương6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................59
6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 59
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 61
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 62


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế quốc
dân, của khoa học kỹ thuật của nền công nghiệp v.v… bất cứ ở vị trí nào, bất cứ một
công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển nó là khâu quan trọng
cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều
phát triển có ý nghĩa hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung
đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám
cao hơn.
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có
ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như
Digital thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID.

Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc
đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID cũng giúp
người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích
phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng
điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không
thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…Ngay cả những lý thuyết điều khiển
hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại, ngoài ra
bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang
lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của
khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy
bay…. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen
thuộc trong ngành điều khiển tự động có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ
điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi
điều khiển…Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau nhưng đều cùng chung
mục đích là điều khiển tốc độ của động cơ trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em
xin chọn đề tài: Điều khiển động cơ DC với giải thuật PID.

1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công mạch PID DRIVER để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC,
dùng vi xử lý STM32F103VET6 để điều khiển, ban đầu mình sẽ đưa tín hiệu đầu vào với
tốc độ đặt như mong muốn khi cấp nguồn vào cho động cơ quoay thì đồng thời Encoder
củng sẽ quoay chân A, B của Encoder đọc tín hiệu qua cảm biến và trả về giá trị xung,

giá trị trả về được so sánh với giá trị tốc độ đặt mong muốn ban đầu sẽ cho một hàm sai
số đưa tín hiệu hàm sai số này qua bộ PID, hàm PID sẽ xử lý và đưa ra tốc độ mình tính
được thông qua xung mà mình đo được xem tốc độ đó có gần bằng với tốc độ đặt mà
mình mong muốn ban đầu hay không, tính toán cho đến khi nào tốc độ ngõ ra gần bằng
tốc độ mong muốn ban đầu thì kết quả thành công, Dùng ngôn ngữ lập trình C# để thiết
kế giao diện điều khiển động cơ DC.
 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu cách sử dụng và phương thức hoạt động của mạch PID
DRIVER
 Viết chương trình cho vi điều khiển.
 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên giao diện.
 Thiết kế và thi công phần cứng mạch.
 Kết nối các khối vào module.
 Chạy thử nghiệm hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Viết sách luận văn.
 Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.3 GIỚI HẠN
Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong
suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đề
sau:
-

Thiết lập được giao diện để điều khiển động cơ và hiển thị trạng thái hoạt
động của động cơ lên giao diện để quản lý.

-

Xác định được 3 thông số: Kp, Kd, Ki chuẩn nhất của bộ PID để tốc độ ngõ
ra bằng với giá trị tốc độ đặt như mong muốn ban đầu.

-

Đảo được chiều quoay động cơ quoay thuận và quoay nghịch.

-

Điều khiển được nhìu động cơ với công suất khác nhau.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU
Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ
thuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều
khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất
hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v …
Theo mong muốn của đề tài là dùng giải thuật PID để điều khiển tốc độ của động

cơ và đảo chiều quoay của động cơ, theo như mong muốn trong phạm vi đề tài có sử
dụng khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối mạch cầu H để điều khiển động cơ DC.
Module STM32F103VET6 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới ngày
càng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người
dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kế
tối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽ
tìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đề
tài.

2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2.2.1 Điều khiển (control)
Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay
quá trình khác. Theo một quy luật hay một chương trình cho trước.

2.2.2 Điều khiển học (cybernctics)
Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc,
sinh vật và kinh tế điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành
nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học
sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động
Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ
quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con

người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển ở chế độ tay (manual).

2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system)
Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động một quá
trình nào đó được gọi là hệ thống điều khiển tự động

2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG
Một hệ thống điều khiển gồm có 3 thành phần cơ bản đó là:
-

Đối tượng điều khiển (Object device)

-

Thiết bị điều khiển (Controler device)

-

Thiết bị đo lường (Measuring device)

Sơ đồ tổng quát:

u(t)

y(t)

x(t)

e(t)

C

z(t)

O

M

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động.

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
u(t) : tín hiệu vào (input)
y(t) : tín hiệu ra (output)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)
e(t) : sai lệch điều khiển
z(t) : tín hiệu phản hồi

2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN
Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:
2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
u(t)

x(t)

e(t)

y(t)

C

O

z(t)
M
Hình 2.2: sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
Tín hiệu y(t) được đưa ra so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác
động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O.

2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu

K

e(t)

x(t)

u(t)
C

y(t)
O

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu

Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu
là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu
K

u(t)

y1(t)
x(t)

e(t)
C

y(t)
O

z(t)
M

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu
Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả 2 nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp

theo sai lệch vừa có các thiết bị để bù nhiễu.

2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ
2.5.1 Quy luật tỉ lệ P
Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức:
x = KP.e

(2.1)

Trong đó KP là hệ số khuếch đại của quy luật, theo tính chất của khâu khuếch đại
thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào điều này nói lên
rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy
luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là
khi hệ số tỷ lệ Kp càng lớn thì độ vọt lố càng cao, hệ thống kém ổn định và khi sử dụng
với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch
tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên
và có thể làm cho hệ thống mất ổn định

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép
tồn tại sai lệch tĩnh để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu
thức:
x = x0 + Kp .e

(2.2)

Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống tác động điều khiển luôn giữ cho tín

hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch

Hình 2.5: Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau

2.5.2 Quy luật tích phân (I)
Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức
x = K ∫ e dt =

. ∫ e dt

(2.3)

Trong đó Ki = 1/Ti gọi là hằng số tích phân

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình
điều khiển đã kết thúc) khi e = 0, như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai
lệch tĩnh.
Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu
vào 1 góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động
chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém
ổn định. Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp

2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân
Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta

kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệu
điều khiển được xác định theo công thức:
x = KP .e + K ∫ e dt = KP (e+
Trong đó:

. ∫ e dt)

(2.4)

KP là hệ số khuếch đại
Ti = Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân
-

Hàm truyền đạt của quy luật tỷ lệ tích phân có dạng:
W (p) = Kp (1+

-

)

Hàm truyền tần số của quy luật PI
W (j ) = Kp (1-j

.

)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

9