n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

1
Bộ GIáO DụC ĐàO TạO
TRƯờNG ĐạI HọC DÂN LậP HảI PHòNG THIếT Kế Bộ ĐIềU KHIểN LUậT PID ĐIềU KHIểN
động cơ dc

Đồ áN TốT NGHIệP ĐạI HọC Hệ CHíNH QUY

Ngành : điện tử - viễn thông


2.3. Ghép nối PWM với động cơ một chiều 10
CHƢƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN 11
3.1 Bộ Điều Khiển PID Liên Tục 11
3.1.1 Sử Dụng Mô Hình Xấp Xỉ Bậc Nhất Có Trễ Của Đối Tượng 13
3.1.2 Xác định tham số bằng thực nghiệm 15
3.1.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 16
3.1.4 Phương pháp tổng Kuhn 18
3.2 Bộ Điều khiển PID số 21
3.2.1 Nguyên lý điều khiển PID số 21
3.2.2 Xác định tham số cho PID số bằng thực nghiệm 23
3.2.2.1 Xác định hàm quá độ của đối tượng 23
3.2.2.2 Xác định từ giá trị tới hạn 24
CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 25
4.1 Khối vi điều khiển 25
4.2 Khối hiển thị 25
4.3 Khối mạch động cơ 26
4.4 Khối nguồn 27
4.5 Khối Jump và bàn phím 28
4.6 Lưu đồ thuật toán và chương chình điều khiển 29 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC

SV : MAI THẠCH DUY

3
PHẦN B: PHỤ LỤC 39

chiều và được đề cập rất nhiều trên các sách báo , tạp trí và internet . Việc
ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang
lại những thành tựu nhất định .

Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì ta phải thiết kế cho nó một
bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt . Hiện nay có
rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó , tuy nhiên cá nhân em nhận
thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển
động cơ DC , bộ điều khiển này được ứng dụng rất rộng rãi vì nó là một điều
khiển đơn giản nhưng lại rất linh hoạt có thể áp dụng được cho rất nhiêu loại
động cơ, vì vậy em đã nhận đề tài này nhằm tìm hiểu kĩ hơn về bộ điều
khiển đó.

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do sự hạn chế về thời gian, tài
liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi có thiếu sót. Em rất mong được
sự đóng góp ý kiến của thầy cô trong hội đồng và các bạn để đồ án tốt
nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện-
Điện tử, đặc biệt là thầy ĐOÀN HỮU CHỨC đã giúp đỡ em hoàn thành tốt
đồ án này.
Hải phòng 9 tháng 7 năm 2009
Sinh viên thực hiện
MAI THẠCH DUY


- Động cơ một chiều,kích từ độc lập
- Động cơ một chiều, kích từ nối tiếp
- Động cơ một chiều, kích từ song song
- Động cơ một chiều, không chổi than
1.2.1 Động cơ một chiều,kích từ vĩnh cửu
+ Là trường hợp đặt biệt của động cơ một chiều kích thích độc lập.
Cuộn dây kích từ trên stator được loại bỏ và thay bằng một cặp nam châm
vĩnh cửu
+ Điện áp nuôi được đưa vào qua cổ góp cơ khí.Dòng điện chạy qua
cuộn dây tạo ra một từ trường và bị từ trường nam châm cố định hấp hẫn
khiến rotor quay cho tới khi cực được nam châm hóa thẳng với cực nam
châm. Đúng lúc ấy, chổi than và vành góp chuyển điện áp cung cấp sang cặp
cực tiếp theo.
+ Chiều quay của động cơ một chiều do chiều dòng điện cấp vào
phần ứng, để đảo chiều chỉ cần đảo điện áp phần ứng.
1.2.2 Động cơ một chiều không chổi than
+ Động cơ một chiều không chổi than không được cấp liên tục một
điện áp một chiều.Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu.Stator gồm
các cực dây cuốn, khi được cấp điện, các cực này hoạt động giống như một
nam châm điện.
+ Động cơ một chiều không chổi than không sử dụng chổi than và cổ
góp.Việc cấp điện áp lần lượt cho các cực từ thực hiện bằng mạch điện tử
của driver
+ Việc loại bỏ chổi than cổ góp tránh được đánh lửa cổ góp, tăng công
suất, tăng tốc độ maximum. Tuy nhiên luôn đòi hỏi phải có một bộ điều
khiển điện tử.
1.3. Các phƣơng trình quan trọng

ng
Điện áp nguồn nuôi
R
f
Điện trở phụ
K Hệ số động cơ
Φ Từ thông cực từ
R
u
Điện trở mạch phần ứng
1.4 Nguyên tắc hoạt động
Để cho motor 1 chiều hoạt động,chúng ta cần đặt 1 điện áp 1 chiều
vào motor và 1 dòng điện 1 chiều sẽ chạy qua motor, motor sẽ chạy theo
chiều nào đó. Nếu chúng ta đảo chiều của điện áp một chiều này, motor sẽ
quay ngược lại 1.5. Đáp ứng của motor một chiều
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC

SV : MAI THẠCH DUY

8
Các thông số của motor một chiều DC cảm ứng gồm:
- R
a
: điện trở cuộn dây cảm ứng [ohm]
- L
a
: điện cảm cuộn dây [Henrry]

t
: hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ ( tachometer)
- K
m
: hằng số motor [N.m/A]
Như vậy, môtơ một chiều dùng cuộn dây cảm ứng tự nó đã là một hệ
điều khiển có phản hồi. Trong đó sức điện động phản hồi ngược (back – emf
voltage ) tỷ lệ với tốc độ của môtơ. Sơ đồ khối của một môtơ một chiều
được trình bày trên hình vẽ. Trong đó đã bao gồm cả tác dụng của tải ngoại
như lực xoắn nhiễu Tt. V
a
(s) là lượng vào (thế đặt) và O(s) là lượng ra (tốc
độ trục quay môtơ).
Tỷ số L
a
/R
a
được gọi là hằng số điện – thời gian của môtơ và được ký
hiệu là
e
. Vì L
a
rất nhỏ nên có thế bỏ qua được
e
. Từ đó có thể tìm được tốc
độ của trục môtơ như sau:

)()(
2
sV

sT
JR
BRKK
s
R
L
BJs
R
L
J
R
L
s
L
ma
abm
a
a
m
a
a
m
a
a

Hay
)(
1
)(
1

J
m
/ (R
a
B +K
m
K
b
) là hằng số cơ của môtơ.
Nếu kết hợp quán tính tải và tỷ số bánh răng giảm tốc thì có thể thay
thế J
m
trong các biểu thức bằng J. Ta có thể viết:
0)()(0)()()( sVsOsTsOsO
aL
(1.5)
Để tính đáp ứng w(t), cho T
L
= 0 ( không có can nhiễu và B = 0 ) và
thế V
a
(t) = A, như vậy V
a
(s) = A/s, ta có:
)1()(
/
m
t
b
e

=D/s,
thì đẳng thức trên sẽ trở thành:
)1)((
1
)(
/
m
t
m
a
b
e
K
DR
A
K
tw

Đẳng thức này chứng tỏ can nhiễu T
L
tác động tới tốc độ xác lập của
môtơ.
Tốc độ cuối cùng đó là:
)(
1
m
a
b
final
K

a
(s)
E(s)
T
L
(s)
T(s)
O(s)
V
out
(s)
+
-
-
+
Hình 1.1. Sơ đồ một môtơ DC có cuộn cảm ứng.
V
b
(s)
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC

SV : MAI THẠCH DUY

11
CHƢƠNG 2 : PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
2.1. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung
Phương pháp điều chế độ rộng xung – Pulse Width Modulation
(PWM) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi của độ rộng xung
của chuỗi vuông dẫn đến thay đổi giá trị trung bình của điện áp ra.


chúng ta thay đổi điện áp cấp cho động cơ. Như vậy, nếu chúng ta thay
R_Tải bằng một chiếc động cơ một chiều thì tốc độ của nó sẽ thay đổi tuỳ
vào độ rộng xung D của chuỗi xung.

V1
PWM source
R_Tai
R
V
M1
METER VOLTHình 2. 1a: Dạng xung PWM Hình 2.1b: Mạch điện PWM

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC

SV : MAI THẠCH DUY

12


ra ở cổng theo khoảng thời gian khác nhau.
V2
PWM source
M
MO1
DC-MOTOR

Hình 2. 2: Mạch điện mắc Động cơ với PWM

Hình 2. 3: Phương pháp tạo ra PWM
-
+
Comparator
3
2
1
SAW
REF
Output

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD : ĐOÀN HỮU CHỨC

SV : MAI THẠCH DUY

13
Mức 0 = 0V
Mức 1=5V
Khoảng thời gian giữ chậm khi xuất các mức điện áp này sẽ tạo ra tần
số của xung. Như vậy ta có thể tạo ra chuỗi xung điều khiển động cơ bằng vi
điều khiển

CHNG 3 : B IU KHIN T L - TCH PHN VI PHN
(PID )
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều
khiển đó là: khuếch đại tỷ lệ P (Proportional), tích phân I (Integral) và vi
phân D (Derivative) nh- hình 3.1.a. Ng-ời ta vẫn th-ờng ví von rằng bộ điều
khiển PID là một tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ đ-ợc giao (tỷ lệ);
- Làm việc và có tích luỹ kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân);
- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình
huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân).
3.1 B iu khin PID liờn tc
Bộ điều khiển PID đ-ợc sử dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống
SISO theo nguyên lý điều khiển bù trừ hồi tiếp nh- hình 3.1.b. Lý do bộ PID
đ-ợc sử dụng rộng rãi bởi tính đơn giản của nó cả về cấu trúc và nguyên lý
làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đ-a sai lệch e(t) của hệ thống về giá trị 0 sao
cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất l-ợng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ u
p
(t), tín
hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) ch-a bằng 0 thì qua thành phần tích phân u

15
Bộ điều khiển PID đ-ợc mô tả bằng hình toán học vào ra nh- sau:
]
)(
)(
1
)([)(
0
dt
tde
Tde
T
tektu
D
t
I
p
(3.1)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào và u(t) là tín hiệu đầu ra, k
p
đ-ợc gọi
là hệ số khuếch đại, T
I
là hằng số tích phân và T
D
là hằng số vi phân.
Từ đó có ảnh Laplace của bộ điều khiển PID nh- sau:
sT
sT
ksR

- Ph-ơng pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối t-ợng.
- Ph-ơng pháp thực nghiệm.
- Ph-ơng pháp xác định tham số theo tổng T.
Một điều cần quan tâm là không phải tất cả các tr-ờng hợp đều phải
xác định các tham số trên. Chẳng hạn nếu bản thân đối t-ợng đã có khâu tích
phân thì trong bộ điều khiển không cần phải thêm khâu tích phân mới triệt
đ-ợc sai số tĩnh, hay nói khác đi là ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD có:
R(s) = k
p
(1 + T
D
s) (3.3a)
là đủ (T
I
= ). Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống có sự thay đổi chậm
và bản thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay
đổi của sai lệch e(t) thì ta có thể chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI.

n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

16
(T
D
= 0) có hàm truyền đạt nh- sau:
sT
ksR
I
p

4.0
max
h
h
(hình minh họa)
Ba tham số L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuếch đại) và T
(hằng số thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ (3.4) có thể đ-ợc xác
định gần đúng từ đồ thị hàm quá độ của đối t-ợng. Nếu đối t-ợng có hàm
quá độ dạng nh- hình 3.2 mô tả thì từ đồ thị hàm h(t) đó ta có thể đọc ra
đ-ợc ngay:
PID
S(s)
w(t
)
e(t)
u(t)
y(t)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
0.5
1
1.5
Step Response
Time (sec)
Amplitude
Hình 3.2. Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID
n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY


, T
D
sau cho bộ điều khiển:
_ Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s) = k
p
, chọn k
p
= T/kL
_ Nếu sử dụng bộ PI với
sT
ksR
I
p
1
1)(
thì chọn k
p
= 0.9T/kL và
T
I
= 10L/3.
Hình 3. 3. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ biểu thức (3.4) của đối tng.
n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

18
_ Nếu sử dụng PID có
sT
sT

định, tức là h(t) có dạng dao động điều hoà. Xác định chu kỳ T
th
dao động.
_Xác định tham số bộ điều khiển P, PI hay PID nh- sau:
+ Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s) = k
p
thì chọn k
p
= k
th
/2.
+ Nếu sử dụng PI với
sT
ksR
I
p
1
1)(
thì chọn k
p
= 0.45 k
th
và T
I
=
0.85 T
th
.
+ Chọn k
p

h
h
nh- đang xét.
k
th
i tng
iu khin
x(t)
e(t)
u(t)
y(t)
Hình 3.4. Xác định hằng số khuếch đại hạn.
n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

19
Nh-ợc điểm của ph-ơng pháp thứ hai này là chỉ áp dụng đ-ợc cho
những đối t-ợng có đ-ợc chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hằng số
khuếch đại trong hệ kín.

3.1.3 Phng phỏp Chien Hrones - Reswick
Về nguyên lý, ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick gần giống với
ph-ơng pháp thứ nhất của Ziegler - Nichols, tuy nhiên nó không sử dụng mô
hình tham số gần đúng dạng quán tính bậc nhất có trễ cho đối t-ợng mà thay
vào đó là trực tiếp dạng hàm quá độ của đối t-ợng.
Ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick cũng phải giả thiết rằng đối
t-ợng là ổn định, hàm quá độ không dao động và có dạng hình chữ S. Tuy
nhiên ph-ơng pháp này thích ứng với những đối t-ợng bậc rất cao nh- quán
tính bậc n.

b. Bộ điều khiển PI: Chọn k
p
= 6b/(10ak) và T
I
= 4a.
c. Bộ điều khiển PID: Chọn k
p
= 19b/(20ak), T
I
= 12a/5 và T
D
=
21a/50.
Yêu cầu 2:
Yêu cầu tối -u theo nhiễu (giảm ảnh h-ởng nhiễu) và hệ kín có độ
quá điều chỉnh h
max
không v-ợt quá 20% so với
)(lim thh
t

a. Bộ điều khiển P: Chọn k
p
= 7b/(10ak).
b. Bộ điều khiển PI: Chọn k
p
= 7b/(10ak) và T
I
= 23a/10.
c. Bộ điều khiển PID: Chọn k

không v-ợt quá 20% so với
)(lim thh
t

a. Bộ điều khiển P: Chọn k
p
= 7b/(10ak).
b. Bộ điều khiển PI: Chọn k
p
= 6b/(10ak) và T
I
= b.
c. Bộ điều khiển PID: Chọn k
p
= 19b/(20ak), T
I
= 27b/20 và T
D
=
47a/100.
n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

21
3.1.4 Phng phỏp tng Kuhn
Lại xét đối t-ợng ổn định, không có độ quá điều chỉnh, hàm quá độ

2
t
T
m
t
và T
m
1
T
m
2
T
m
n

thì phải có:
T
1
t
< T
1
m
, T
2
t
< T
2
m
, , T
m


Hình 3.6. Quan hệ giữa diện tích A
và tổng các hằng số thời gian
n Tt Nghip GVHD : ON HU CHC

SV : MAI THCH DUY

22
Chứng minh:
Theo khái niệm về diện tích thì :
dtthkA
0
)]([

Chuyển hai vế đẳng thức trên sang miền phức nhờ toán tử Laplace,
đặc biệt là tín chất ảnh tích phân của phép biến đổi này. Gọi A(s) là ảnh của
A, H(s) là ảnh của h(t) ta có:
)(
1
)( sH
s
k
s
sA

mm
s

s
e
TTTTTTk
sT
t
m
ttm
n
mm
s
1
) () (lim
2121
0

Suy ra:
kTTTTkA
m
i
t
i
n
j
m
j
)(
11

)51)(21)(1(
)31(
)(
sss
s
sG

Do G(s) có: k =1, T
t
1
= 3, T
m
1
= 5, T
m
2
= 2 và T
m
3
= 1 thoả mãn điều
kiện T
m
1
> T
t
1
nên ta áp dụng đ-ợc định lý 3.1 để xác định sai lệch.
R(s)
S(s)
w(t)

quá 25%. Ph-ơng pháp này của Kuhn khá thích hợp với những đối t-ợng có
thể xấp xỉ đ-ợc bởi hàm truyền đạt dạng khâu quán tính bậc n:
n
sT
k
sS
)1(
)(
(3.8)
Mặc dù đ-ợc xây dựng cho đối t-ợng đ-ợc giả thiết là có mô hình
hàm truyền đạt dạng (3.8) song trong thực tế ph-ơng pháp tổng T vẫn đ-ợc
áp dụng hiệu quả cho cả những đối t-ợng có hàm truyền không giống (3.8),
miễn là nó ổn định, không có dao động, hàm quá độ h(t) của nó đi từ 0 và có
dạng hình chữ S. Ph-ơng pháp tổng T của Kuhn bao gồm hai b-ớc sau:
B-ớc 1: Xác định k,
T
có thể từ hàm truyền đạt S(s) cho trong (3.3)
nếu nh- đã biết tr-ớc S(s) hoặc bằng thực nghiệm từ hàm quá độ h(t) đi từ 0
và có dạng hình chữ S của đối t-ợng.
B-ớc2: Xác định tham số:
a. Nếu sử dụng bộ điều khiển PI: Chọn k
P
= 1/2k và T
I
=
T
/2.
b. Nếu sử dụng bộ điều khiển PID: Chọn k
P
= 1/2k, T

cần phải liên tục hoá nó ( trong miền thời gian) bằng bộ chuyển đổi số -
t-ơng tự ZOH với hàm truyền đạt G
ZOH
(s). Xem G
ZOH
(s) chung với S(s) nh-
đối t-ợng điều khiển không liên tục thì đối t-ợng này sẽ có hàm truyền đạt:
}
)(
{
1
)(
s
sS
Z
z
z
sS
Để xác định mô hình không liên tục của bộ PID số ta sẽ đi từ mô hình
liên tục của nó trong miền thời gian:



)(
)(
0
)(

Tde
T
tektu

Lý do cho việc không sử dụng biến đổi Z để chuyển trực tiếp
)
1
1()( sT
sT
ksR
D
I
p

sang miền Z là vì R(s) có chứa thành phần vi phân D.
Khi đầu vào e(t) của PID số đ-ợc thay bằng dãy {e
k
} có chu kỳ trích
lấy mẫu T
a
thì:
_ Thành phần khuếch đại u
p
(t) = k
p
e(t) đ-ợc thay bằng
u
p
k
= k

I
k
e
T
Tk
u

+ Xấp xỉ tích phân loại 2:
1
1
k
i
i
I
ap
I
k
e
T
Tk
u

+ Xấp xỉ tích phân loại 3:
1
1
1
2
k
i
ii

k
= u
k
p
+ u
k
I
+ u
k
D

ta sẽ đ-ợc mô hình không liên tục của bộ PID số:
+ Xấp xỉ loại 1:
]
)(
[
1
1
0
a
kkD
k
i
i
I
a
kpk
T
eeT
e

1
1
1
a
kkD
k
i
ii
I
a
kpk
T
eeTee
T
T
eku
(3.9c)

Hình 3. 9. Minh học công thức xấp xỉ thành phần tích phân.