ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

ĐỂ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

nguyen dinh tuan
HOME Trang - 2 - PHẦN 1: LÝ THUYẾT 3
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3
1.1 Giới thiệu động cơ DC: 3
1.2 Mô hình hóa động cơ DC: 3
1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: 4
1.4 Khảo sát hàm truyền: 5
1.4.1 Hàm truyền lý tưởng: 5
1.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: 6
1.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 7
1.5.1 Thuật toán PID: 7
1.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: 9
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG CYPRESS 10

CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu động cơ DC:
Động cơ điện một chiều 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
Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với
stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi
trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên
rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng
sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto,
làm cho rôto quay.
Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động
cơ sau:
- Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và
cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng
biệt.
- Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn
dây phần ứng:
Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây
kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng
nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này.
1.2 Mô hình hóa động cơ DC:
Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau:
Trang - 4 - A
-
+

dt
d
JT 


(1.4)
B: hệ số ma sát
T: monen tải.
Ở chế độ xác lập:

gaaa
eiRu  (1.5)

atLd
iKTnBT 

2 (1.6)
Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập:




v
aaa
K
RIU
n (1.7)
1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:
Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay
đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều

t

Trang - 6 -

)()()()( aEpIpLpIRpU
gaaaaa
 (1.9)
)()( pnkpE
vg
 (1.10)
T
d
(p) = K
t
ΦI
a
(p) (1.11)
)()(2)(2)( pTpBnppJnpT
Ld


(1.12)
Từ 1.12 tính được:

)1(2
)()(
)(





m

=J/B Hằng số thời gian cơ.
Vậy ta có mô hình hệ thống như sau:

Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC
Khi momen tải không đổi, ta có:




vma
t
a
a
Kpp
K
BR
pUpn
)1)(1(
2
1
)()(



Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động.
1.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm:
Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ.

(p
)

T
d
(p)
T
L
(p)

n(p)
Trang - 7 - 1

Tp
k
G

Đáp ứng xung của động cơ:
n(p)=
pTp
kU
)1( 

Biến đổi Laplace ngược ta được:
n=kU(1-e
-t/T
)




d
de
KdeKKG
dip
)(
)( 


Trong đó:
- K
p
: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại)
Trang - 8 -

- K
i
: Hệ số tích phân
- K
d
: hệ số vi phân

Luật điều khiển PID:

Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh
nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống
tăng. Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm.
Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định

kT
k
n
nTTedtte
0
0
)()(

Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc. Công thức tích phân
gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới.
Khâu vi phân D (Derivative):
Trang - 9 -

)1(
1
)(
1


 zK
Tz
z
KzG
dDD
với thành phần vi phân xấp xỉ bởi:

T
TnenTe
dt
tde ))1(()()(

p
(1-z
-1
) + K
i
+ K
d
(1-z
-1
)
2

Suy ra:
u
k
– u
k-1
= K
p
(e
k
– e
k-1
) + K
i
e
k
+ K
d
(e

p
để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi),
tại đây ta xác định được K
gh
và T
gh
sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ
điều khiển như bảng trên.
Ki = Kp/Ti
Kd = KxTd
Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động
cơ, trong đồ án này chúng tôi đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy
tính để giao tiếp với mạch điều khiển.
Trang - 10 -

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG
CYPRESS
2.1. Giới thiệu:
Trong chương này sẽ giới thiệu chi tiết chip PSoC của hãng CYPRESS
gồm các nội dung như sau:
 Trình bày kiến trúc bên trong chip PSoC: Tổng quan về tài nguyên chip,
chi tiết kiến trúc bên trong của một chip PSoC.
 Giới thiệu phần mềm thết kế PSoC Designer dành cho chip PSoC của
hãng CYPRESS, phương pháp lập trình phần cứng (Device Editor) và
lập trình ứng dụng (Application Editor). Đồng thời giới thiệu tất cả các
module (embedded cores) trong thư viện API mà hãng này hỗ trợ.
2.2. Giới thiệu IC khả trình PSoC của hãng CYPRESS
2.2.1 Khái niệm PSoC
PSoC hay PSoC Mixed-Signal Arrays là từ viết tắt của Programmable
system-on-chips. PSoC là chip mà có thể tích hợp cả vi điều khiển các thành

Microcontroller

ASIC
Standard
Product
Cần mức tích hợp cao
hơn và ít thành phần
hơn (lower BOM)
Cần khả năng
thích nghi và linh
hoạt hơn
Cần sự tích hợp
cao và linh hoạt
hơn

PSoC
PSoC đáp ứng tất cả các yêu cầu trên
Trang - 12 - Hình 2.2 Tổng quan kiến trúc PSoC
Những tài nguyên hỗ trợ người dùng xây dựng kiến trúc PSoC:
 32 KBytes ROM (FLASH) cho việc lập trình với 50000 lần xóa ghi.
 Hỗ trợ lên đến 2KByte SRAM, bộ nhớ động EEPROM
 Bộ chuyển đổi AD với độ phân giải tối đa lên đến 14 bits
 Bộ chuyển đổi DA với độ phân giải tối đa 9bits
 Bộ khuếch đại điện áp khả trình
 Bộ lọc và so sánh tín hiệu tương tự khả trình
 Timer và Counter 8, 16 ,24hoặc 32 bits.
 Chuỗi giả và bộ phát mã CRC.

Trang - 14 - Hình 2.3Kiến trúc PSoC IC
PSoC xây dựng trên cơ sở kiến trúc vi xử lí 8 bit CISC với cấu trúc
Harvard (cấu trúc mà bus dữ liệu, bus địa chỉ và tín hiệu điều khiển bộ nhớ
chương trình, bộ nhớ dữ liệu độc lập nhau). Cấu trúc chung là các khối:
CPU unit, Frequency generator, Reset controller, Watch Dog timer, Sleep
timer, Input-Output pins, Digital programmable blocks, Analog
programmable blocks, I2C controller, Voltage, MAC unit, SMP. Chúng ta
tiến hành phân tích từng khối.
 Đặc điểm CPU

Hình 2.4 CPU
Trang - 15 -

Chương trình được lưu trong bộ nhớ FLASH. CPU tìm kiếm theo chỉ
dẫn từ bộ nhớ chương trình, giải mã và thi hành lệnh. Khối CPU chứa các
thanh ghi PC, SP, A, X và F, khối ALU, khối giải mã, kết hợp với nhau
trong quá trình xử lý lệnh.
Các thanh ghi trong CPU:
 Program counter (PC) là con trỏ PC, thanh ghi bộ đếm chương
trình thực hiện chương trình tại vị trí giá trị con trỏ.
 Stack pointer (SP) trỏ đến địa chỉ SRAM nơi data được ghi hoặc
đọc trong trường hợp của PUSH và POP theo chỉ dẫn tương ứng.
Khi hoạt động này xảy ra giá trị con trỏ SP tự động tăng hoặc giảm.
 Accumulator register (A) là thanh chứa A.
 Index register (X) có thể được xem như thanh ghi A và cũng được
sử dụng trong trường hợp của địa chỉ chỉ số.
 Flag register (F) là thanh ghi cờ chứa bit mô tả hoạt động trước đó .

thực hiện những hoạt động ngoài dự đoán. Trong trường hợp nay
PSoC cung cấp mode Reset POR (Power on Reset) chuyển PSoC vào
trạng thái này cho đến khi điện áp ổn định ở giới hạn cho phép.
Trang - 17 -

 XRES Là mode Reset bên ngoài bằng công tắc Switch như các vi
điều khiển thông thường khác.

Hình 2.6 Mạch Reset
 WDR Watch dog reset (WDR) được sử dụng để mang hệ thống ra
khỏi chế độ vòng lặp chết hoặc các hoạt động ngoài dự đoán.
 Digital Inputs and Outputs
IO số kết nối PSoC với bên ngoài qua 8 chân mỗi Port. Làm việc với
port là làm việc với các thanh ghi PRT0DR (port 0), PRT1DR (port 1),
PRT2DR, PRT3DR, PRT4DR và PRT5DR.

Hình 2.7 Digital Inputs and Outputs
 Drive Mode: Chọn cách mà thanh ghi PRTxDR được nối với chân
PSoC. Có 8 phương thức thiết lập trạng thái của chân mà không cần
các thiết bị hỗ trợ bên ngoài. Mode làm việc của chân được định
nghĩa theo bảng bên dưới ứng với các bit của các thanh ghi DM2,
DM1 và DM0. Có thể tác động trực tiếp vào các thanh ghi này hoặc
trong Device Editor.
DM2
bit
DM1
bit
DM0
bit
Mode Data = 0

1 1 0
High Impedance
Analog
Hi-Z Hi-Z
1 1 1
Open Drain, Drives
Low
Strong
(Slow)
Hi-Z
 Mode Strong: được sử dụng khi nối trực tiếp trạng thái thanh ghi
PRTxDR với chân PSoC. Phương thức này được sử dụng khi chân
được sử dụng như đầu vào.

Hình 2.8 Mode Strong
 Mode Analog Hi-Z: được dùng khi pin là đầu vào tín hiệu analog
như đầu vào ADC. Trong trường hợp này thanh ghi PRTxDR được
cách ly với chân PSoC vì vậy không ảnh hưởng đến giá trị điện áp
trên chân.

Hình 2.9 Mode Analog High-Z
Trang - 19 -

 Pull-up hoặc pull-down là mode điện trở kéo lên hay kéo xuống bên
trong. Giữ trạng thái chân ở 1 mức nhất định khi không có tác dộng
bên ngoài.
 Mode Open drain được dùng khi mang 1 vài thiết bị trên 1 line, lúc
này cần thêm điện trở treo bên ngoài. Cần cho việc chuyển trạng thái
nhanh như trường hợp ngắt.



Hình 2.13 Clock
 Logic circuit sửa đổi tín hiệu ra: cho phép qua 1 của 2 tín hiệu, đảo
tín hiệu và thực hiện các phép toán logic AND, OR, XOR,
Trang - 21 - Hình 2.14 Logic circuit
 Các khối khả trình Analog
Các khối khả trình Analog được chia làm các cột mỗi cột 3 khối, tùy vào
các họ khác nhau mà có 1, 2, hoặc 4 cột Analog. Mỗi cột có bộ Mux đầu
vào, 1 dây tần số, đầu ra analog hoặc đầu ra so sánh. Các khối tương tự có
thể liên kết với các khối số để so sánh hoặc lấy tần số Clock. Đầu vào và
đầu ra tín hiệu Analog chỉ cho phép ở 1 số chân gồm P0 và 4 chân thấp của
P2.

Hình 2.15 Tổng quan khối analog
Trang - 22 -

 Analog multiplexers of port P0 Tín hiệu từ Port 0 được nối đến
khối analog ACB.
 Analog columns Mỗi cột có 3 loại khối block: ACB, ASC và ASD.
Đầu ra của nhữngkhối này được nối đến các khối kế bên hoặc đầu ra
Analog hoặc đầu ra so sánh.

Hình 2.16 Một cột của khối analog
 Khối ACB sử dụng cho các bộ khuếch đại. Phụ thuộc các liên kết
nội bên trong khối mà có thể là khuếch đại đảo, không đảo hoặc so
sánh. Đầu vào khối này được lấy từ bộ Analog multiplexer hoặc từ
các khối kế bên.


RefHi [V]

Vdd/2 ± Vbg 2.5/1.65 1.2/0.35 3.8/2.95
Vdd/2 ± Vdd/2 2.5/1.65 0 5.0/3.3
Vbg ± Vbg 1.3 0 2.6
1.6Vbg ± 1.6Vbg

2.08 0 4.16
2Vbg ± Vbg 2.6 1.3 3.9
2Vbg ± P2[6] 2.6 1.6 3.6
P2[4] ± Vbg 2.2 0.9 3.5
P2[4] ± P2[6] 2.2 1.2 3.2
Trang - 24 -

Trong mode Pump nguồn cung cấp lấy từ Pin, hoạt động trên nguyên tắc
của chuyển đổi BOOSTDC/DC. BOOSTDC/DC tạo ra điện áp cao hơn
1.5V làm nguồn nuôi cho PSoC .
 Khối MAC
MAC là 1 khối thiết bị phần cứng dùng tính toán như nhân các số 8 bit
cũng như phép cộng. Việc thực hiện rất đơn giản, việc chúng ta làm là đọc
và ghi các giá trị vào các thanh ghi
 Hardware multiplication
Thực hiện bằng cách ghi 8 bit đầu vào X và Y vào thanh ghi
MUL_X và MUL_Y và đọc giá trị đầu ra 16 bit từ thanh ghi
MUL_DH và MUL_DL.

Hình 2.20 Hardware multiplication
 Sum of products
Trong phép nhân, kết quả có thể được cộng dồn và lưu trong bộ

được khôi phục từ stack, bộ đếm chương trình được trả về giá trị cũ.

Hình 2.22 Ngắt
Thanh ghi PRTxIF được sủ dụng thể hiện ngắt GPIO trên port, trong khi
đó PRTxIC1và PRTxIC0 là các thanh ghi điều khiển ngắt thích hợp. Mỗi

Trích đoạn Giới thiệu phần mềm PSoC Designer của hãng CYPRESS Giải thuật phần mềm:

---