16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
70
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.1 Ảnh hưởng củasố hóa (lượng tử hóa) biên độ
4.1.1 Nguyên nhân gây sai số lượng tử hóa
Lượng tử hóa biên độ:
1. Có thể xuấthiện trong: khâu ADC, đơnvị xử lý trung tâm (CPU), khâu DAC.
2. Có thể gây nên:
sai lệch tĩnh, dao động giá trị (bang-bang), đặcbiệt khi bề rộng củaWordxử
lý không đủ lớn.
3. Có thểđượcbỏ qua đốivới
chếđộtín hiệulớn (quá trình quá độ), nhưng khó có thể bỏ qua ở
chếđộtín hiệunhỏ (dao động quanh điểmlàmviệc)
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
71
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.1 Ảnh hưởng củasố hóa (lượng tử hóa) biên độ
a) Nhậpsố liệudạng analog: Đặc tính phi tuyến bậc thang đầu tiên ở hình thuộc trang trước
4.1.1 Nguyên nhân gây sai số lượng tử hóa
Ví dụ: Trích mẫu tín hiệuy nằmtrongdải0…10V, sauđósố hóa nhờ khâu ADC vớibề rộng
word là WL (
word length), độ phân giải ∆ (resolution) và dảigiátrị NR (number range) thu được.
32767
0,00003
0,003
4095
0,00024
0,024
1023

o
C.
•L là số nguyên lần lượng tử ∆ đãchia điện áp y:
Q
yL;L0,1,2,,NR=∆ = 
•Số dư δ
y
<∆được làm tròn lên, tròn xuống, hoặc cắt bỏ:
Qy
yy+δ=
•Sai số lượng tử hóa δ
y
:
–Khi làm tròn:
(
)
y
0,5 0,5
R
δ−≤ ∆≤
(
)
y
01
C
δ≤∆<
–Khi cắt bỏ:
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
72

+r e k + +r e k
µ
ν
µ
ν
−
=− − − − −
−


Do bề rộng word WL
CPU
của CPU là hữu hạn, sẽ xuất hiện sai số lượng tử hóa các giá trị sau đây:
(
)
()
() ()
(
)
Q
Q
iQ iQ
iQ Q iQ Q
Q
wk
uki,i=1,2,…
p,r
,i=0,1,2,…
pu k i,re k i
uk

−
−⋅≤≤ ⋅
−⋅≤≤⋅
∆≈
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.1 Ảnh hưởng củasố hóa (lượng tử hóa) biên độ
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
73
c) Xuấtsố liệudạng analog: Tương tự khâu nhập số liệu dạng analog, sai số lượng tử hóa của khâu
xuất cũng phụ thuộc vào bề rộng word. Khâu DAC cũng gây nên một đường đặc tính phi tuyến
dạng bậc thang.
4.1.1 Nguyên nhân gây sai số lượng tử hóa
d) Kết luận:
•Đãxuất hiện nhiều khâu phi tuyến trong toàn bộ vòng ĐC số. Việc khảo sát ảnh hưởng của chúng
đối với vòng ĐC là cực kỳ khó khăn.
•Về cơ bản tồn tại
ba loại nguyên nhân sai số chính sau đây:
–
Lượng tử hóa các biến (làm tròn số các biến ĐC và ĐK trong ADC, DAC và CPU)
–
Lượng tử hóa các tham số (làm tròn số các tham sốĐK)
–
Lượng tử hóa các kết quả trung gian của thuật toán ĐK (làm tròn số các tích)
•Đối với hệ thống ĐK số, có thể xẩy ra các trường hợp sau:
–Vòng ĐC „vẫn“ ổn định do tác động của lượng tử hóa là nhỏ. Khi bị đẩy ra khỏi trạng thái
cân bằng ta có:
–Khi bị đẩy ra khỏi trạng thái cân bằng sẽ xuất hiện sai số tĩnh:
–Khi giá trịđặt luôn biến động, sẽ xuất hiện hiện tượng „
tạp âm lượng tử hóa“, còn gọi là „tạp

74
4.1.2 Hiệu ứng lượng tử hóa các biến
a) Tạp âm lượng tử hóa:
•Theo mục 4.1.1a): Tín hiệu digital y
Q
gồm có tín hiệu analog y, xếp chồng
với tạp âm
δ, phân bốđều như hình bên
(
)
(
)
(
)
Q
yk=yk kδ−
•Kỳ vọng của „tạp âm lượng tử hóa“:
()
{}
()
k0Epdδδδδ
∞
−∞
==
∫
(
)
{}
k2E δ =∆
–Khi làm tròn:

75
4.1.3 Hiệu ứng lượng tử hóa các tham số
•Ảnh hưởng củathamsốđượclàmtrònsố đốivớihệ thống - kể cả CPU dấuphẩytĩnh – là nhỏ
và có thể bỏ qua
, trừ trường hợpthamsố quá bé (ví dụ: có kích cỡ chỉ vài lượng tử).
•Nếucầnthiết, có thể sử dụng các
phương pháp phân tích độ nhậy tham số để khảosát.
4.1.4 Hiệu ứng lượng tử hóa các kếtquả tính trung gian
a) Sai lệch tĩnh và dao động bang-bang:
–Trong thuậttoán ĐK, kếtquả tính trung gian là tích giữacáchệ số trọng lượng (tham số ĐK)
và các biến (sai lệch ĐC, hay đạilượng ĐK). Nguyên nhân gây sai số lượng tử hóa là: Cả các
thừasố củaphépnhânlẫnkếtquả nhân đềubị làm tròn.
Với: Q, E là số nguyên lần lượng tử ∆ đãchia
tham số
q, biến e; sai số làm tròn là
δ
q
,
δ
e

2
0
;
qe
eqqe
qQ eE
qe QE Q E
δδ
δδδδ

–Phương sai số củasaisố cuốicùnglà:
(
)
22222222
11
qe
QE qe
δδδ
σσσ
⎡
⎤
⎡
⎤
≈+∆ + ≈+ +
⎢
⎥
⎣
⎦
⎣
⎦
Nhận xét: Công thứcphương sai cho thấy, khi q và e có kích cỡ lớn, sai
số sẽ chủ yếubị gây nên bởiviệclàmtròncácthừasố của phép nhân.
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.1 Ảnh hưởng củasố hóa (lượng tử hóa) biên độ
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
76
4.1.4 Hiệu ứng lượng tử hóa các kếtquả tính trung gian (tiếp)
a) Sai lệch tĩnh và dao động bang-bang (tiếp):
b) Vùng chết:

22 2
10
u pui rei
ii
µ
ν
δδ δ
σσ σ
==
=+
∑∑
Nhậnxét:Phương sai sẽ tăng theo số lượng phép nhân củatổng tích lũyvàđốivới các thuậttoán
ĐK bậccao
có thể lớnhơnphương sai do lượng tử hóa trong khâu ADC gây nên.
(xem ví dụ 4.1.4)
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.1 Ảnh hưởng củasố hóa (lượng tử hóa) biên độ
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
77
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
4.2.1 Các phương pháp mô phỏng
Hình 1 Nguyên lý mô phỏng Off-line
Hình 2
Nguyên lý Software-in-the-Loop
Hình 3
Nguyên lý Hardware-in-the-Loop
(mô phỏng thờigianthực, real-time simulation)
Hình 4

của thuật toán ĐC.
–Bước 2: Bổ xung thêm các khối xuất/nhập dữ liệu (ví dụ:
các khối ADC ho
ặc DAC) vào sơ đồ cấu trúc vòng ĐC.
–Bước 3: Sử dụng C-compiler tạo mã C để nạp xuống card
hardware, cài xen với hệ thống phần mềm điều khiển theo
ngắt.
Chú ý:
Thư viện MLIB cung cấp các chức năng điều khiển
phần cứng từ môi trường MATLAB (sử dụng chương trình
Cockpit). Thư viện MTRACE có các chức năng giúp thu
thập số liệu từ phần cứng.
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
Mô phỏng thờIgianthực dùng Card
DS1102 của dSPACE
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
79
4.2.2 Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
Mô hình gián đoạn về
thờigian, chukỳ trích
mẫuchưaxácđịnh
Ts = -1
Mô hình
liên tục về thời
gian
không khai Ts:

Transfer function:
z - 0.5

z^2 + z - 2
Sampling time: 0.01
Mô hình ZPK:
>> h = zpk (0.5,[-2 1],1,0.01)
Zero/pole/gain:
(z-0.5)

(z+2) (z-1)
Sampling time: 0.01
Ví dụ:
a) Mô phỏng bằng các lệnh trựctiếptừ Toolbox
của MATLAB:
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
80
4.2.2 Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink
a) Mô phỏng bằng các lệnh trựctiếptừ Toolbox
củaMATLAB(tiếp):
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
Phương pháp gián đoạnhóa:
’zoh’, ’foh’, ’tustin’,
’prewarp’, ’matched’
method
Thay đổichukỳ trích mẫu
d2d(sys,Ts
Chuyểnhệ

a) Mụ phng bng cỏc lnh trctipt Toolbox
caMATLAB(tip):
4. Thc hin k thuth thng K s
4.2 Thitk h thng bng mỏy tớnh
Nhúm lnh lc s FIR (Finite Impulse Response, thuc Signal Processing Toolbox)
Vớ d:
% Tạo tập số liệu x có chiều dàI
% length(x)=101
>> t = 0:0.005:0.5;
>> x = 5 + 8*sin(2*pi*8*t) + 4*cos(2*pi*33*t);
% Thiết kế bộ lọc FIR
>> Bw = fir1(20,0.2,hamming(20+1));
% Dùng Bw để lọc x theo 2 cách: filter
% và filtfilt
>> x_f = filter(Bw,1,x);
>> x_ff = filtfilt(Bw,1,x);
()
(
)
()
(
)
()
() () ( ) ( )
(
)
(
)
11
1

n
n
m
n
yz Bz
Hz
xz Az
bbz bz bz
aaz az az
ayk bxk bxk b xk m
ayk a yk n
ỏp ng tn s giỏn
on
freqz(num,den,points,samplingfreq)
Lcs liucúhiu
chnh pha
filtfilt(num,den,data)
Lcs liu
filter(num,den,data)
Thitk b lcFIR
(lc thụng thp)
fir1(order,limitfrequency,window)
B lc FIR v hm ca s
Cụng thc tng quỏt:
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
82
4.2.2 Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink
a) Mô phỏng bằng các lệnh trựctiếptừ Toolbox
củaMATLAB(tiếp):



m
n
ay k bxk bxk
bxkm
aa
Lọc Tschebyscheff Typ 1
cheby1(order,ripple,limitfreq)
Lọc Tschebyscheff Typ 2
cheby2(order,ripple,limitfreq)
Lọc Elliptic (Cauer)
ellip(order,ripple,attenuation,limitfreq)
Đáp ứng tần số gián đoạn
freqz(num,den,points,samplingfreq)
Lọcsố liệucóhiệuchỉnh pha
filtfilt(num,den,data)
Lọcsố liệu
filter(num,den,data)
Lọc Butterworth
butter(order,limitfreq)
Bộ lọc IIR
Công thức tổng quát:
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
83
4.2.2 Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink
b) Mô phỏng bằng sơđồcấutrúccủa Simulink:
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính

)
12
12 3 1
12
12 3 1
−−
+
−−
+
++++
==
++++


mm m
m
nn n
n
Bz
bz bz bz b
Hz
A
zazaz az a
()
()
()
()
()
11
12

b) Mô phỏng bằng sơđồcấutrúccủa Simulink
(tiếp):
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
Khối Zero-Order Hold trích mẫutínhiệu đầu vào và giữ giá trị thu được đếnthời điểmtríchmẫu
tiếp theo. Nên sử dụng khối
Zero-Order Hold trong các hệ trích mẫuchưacómột trong các khối
gián đoạn đã đượcmôtảởtrên (tứclànhững khốicósẵn khâu giữ chậmbậc0). Khichọnbuớc
tích phân cứng, có thể sử dụng khối
Zero-Order Hold tại các vị trí chuyểntừ tầnsố trích mẫu cao
sang tầnsố trích mẫuthấphơn.
Zero-Order Hold
Khối Discrete State Space mô tả mộthệ thống gián đoạnbằng mô hình trạng thái. Khối
có đặc điểmsử dụng giống như khối
State Space củacáchệ liên tục.
Discrete State Space
Trong khối Discrete Zero-Pole, thay vì phải khai báo các hệ số, ta khai báo điểmcực-điểm không
củahàmtruyền đạtvàmộthệ số khuếch đại.
Discrete Zero-Pole (scalar)
Chú ý: Mộthệ thống số kỹ thuậtthường sử dụng nhiều chu kỳ trích mẫu khác nhau (gọilàhệ
có chu kỳ hỗnhợp
), và cầnphải đượclưuý đặcbiệtkhimôphỏng. Hệ lai là các hệ có chứa
cả hai thành phầnliêntụcvàgiánđoạn.
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
85
4.2.2 Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.2 Thiếtkế hệ thống bằng máy tính
b) Mô phỏng bằng sơđồcấutrúccủa Simulink

G i ả i m ã
l ệ n h
Đ ế m c h ơ n g
t r ì n h
Đ ệ m B u s
s ố l i ệ u
Đ ệ m B u s
đ i ề u k h i ể n
Đ ệ m B u s
đ ị a c
h ỉ
Ch vi trong khỏi nim trờn cú ci ngun
t ch micro, ký hiu l à, cú ngha l
mt phn triu hoc rt nh. Vi x lý
(
Microprocessor) cú ngha l b x lý rt
nh, ký hiu l àP.

Khõu tớnh toỏn: gm cú n v s hc v
lụgic
(Arithmetic Logic Unit: ALU), cỏc
thanh ghi s liu v a ch.

Khõu iu khin: gm cú b gii mó lnh
v b m chng trỡnh.

Khõu m: vi cỏc b m (thng l ba
trng thỏi:
Tri-State), ghộp ni Bus trờn
phin ca àP vi cỏc Bus iu khin, s

B u s s è l i Ö u
§ i Ò u k h i Ó n
V i x ö l ý
N h í c h  ¬ n g t r × n h
t r ª n c h i p
N h í s è l i Ö u
t r ª n c h i p
§ i Ò u k h i Ó n
B u s s è l i Ö u 1
B u s s è l i Ö u 2
B u s ® Þ a c h Ø 1
B u s ® Þ a c h Ø 2
a )
b )
P r o g r a m
B u s
D a t a B u s
(
)
ii
ax
∑
Hình bên: Cấu trúc Bus a) kiểu
Von-Neumann;
b) kiểu Harward
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
88
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển

W a t c h d o g
P e r i p h e r a l D a t a
E x t e r n a l
I n s t r . / D a t a
I n s t r . / D a t a
U S A R T
A S C
B R G
B R G
S S C
S y n c .
C h a n n e l
( S P I )
G P T 1
T 3
T 4
G P T 2
T 2
T 5
T 6
C A P C O M 1 , 2
3 2
C h a n n e l s
T i m e r 7
T i m e r 1
T i m e r 0T i m e r 8
P W M M o d u l e
P T 1
P T 2
P T 3

3 6 e x t . I R
X T A L
Hình bên: Cấu trúc chi tiết của µC
16 Bit loại SAB C167 (Siemens)
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
89
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển
4.3.1 Phân loạivi xử lý (tiếp)
d) Khái niệm“DSP Controller”
A ( 1 5 - 0 )
D ( 1 5 - 0 )
5 4 4 W x 1 6
P r o g r a m R O M /
1 6 k W x 1 6
D a t a R A M
C P U
1 6 - B i t
B a r r e l
S h i f t e r
1 6 - B i t T - r e g i s t e r
1 6 x 1 6 M u l t i p l y
3 2 - B i t P - r e g i s t e r
S h i f t L ( 0 , 1 , 4 , - 6 )
3 2 - B i t A L U
3
2 - B i t A c c u m u l a t o r
S h i f t L ( 0 - 7 )
8 L e v e l H / W S t a c k

+ ngắt không cần thủ tục
ta viết:
µ
C = DSP + ngoại vi
+ ngắt không cần thủ tục
= DSP Controller
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
90
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển
4.3.2 Khái quát về nhiệmvụ thiếtkế
Minh họa nhiệmvụ thiếtkế thông qua ví dụ cụ thể: Hệ thống ĐK số cho truyền động điệnxoaychiều 3 pha.
Cầnphải làm rõ các vấn đề cụ thể:
•Hardware: Lựachọnvi xử lý (hệ 1 hay nhiềuµP, µC)? Cầnnhững ngoại vi gì và với tính năng thế nào?
•Software: Công cụ, quy trình và quản lý (management) phát triển? Chuẩnbị lập trình (thuậttoán, chuẩn
hóa, thư viện, test)?
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
91
4.3.3 Hardware: Yêu cầu đốivớivi xử lý
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển
•Chọn hệ 1 vi xử lý (Single Processor System) khi Hardware chỉ
phải thực hiện các bài toán ĐK. Nhiệm vụ truyền thông với môi
trường xung quanh ở mức rất hạn chế.
•Chọn hệ 2 vi xử lý (Double Processor System) khi Hardware
không chỉ phải thực hiện các thuật toán thời gian thực mà còn
phải cho phép tích hợp vào một môi trường công nghệ tựđộng
(ví dụ: nhờ Field Bus, ĐK qua giao diện vv ) phức hợp.

4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển
•Phải có đơn vị PWM (Puls Width Modulation) với độ phân giải
thời gian bé nhất (ví dụ: 50ns của SAB C167, TMS 320C/F240)
phục vụđiều chế vector điện áp.
• Đo dòng stator với độ phân giải 10 12bit. Đối với truyền động
chất lượng cao phải là 12bit-ADC với tốc độ biến đổi <10µs.
• Đo tốc độ quay bằng IE cần có các thanh ghi CAP/COM. Đo
bằng Resolver thường phải có mạch phụ bên ngoài.
• Đo điện áp U
DC
bằng 10-12bit-ADC.
•Mạch phụđểghép Field Bus.
• Mạch theo dõi/bảo vệ mạch điện tử công suất và động cơ.
16 June 2007 Assoc. Prof. Hon Prof. Dr Ing. habil. Ng. Ph. Quang
Electrical Engineering - Automatic Control
94
4. Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số
4.3 Thiếtkế hệ thống vi điều khiển
4.3.5 Software: Công cụ phát triển và công tác quảnlý
a) Các bước chuẩn bị viết
Software
• Tập hợp tất cả các công thức cần tính (các thuật toán) cùng với
các tham số của đối tượng công nghệ (ví dụ: số liệu động cơ).
• Chuẩn hóa các công thức cần tính, xác định kích cỡ của dữ liệu
(bề rộng word) cũng như độ chính xác của dữ liệu (số bits sau
dấu phẩy).
•Môtả chu trình tính bằng lưu đồ thuật toán (flow chart).
• Xác định chương trình chính, chương trình con và chương trình
ngắt (chương trình con theo mảnh thời gian hay theo mức ưu