Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
1
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sĩ khoa học
Điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một
chiều dùng vi xử lý
Ngành: Ngành điều khiển và tự động hoá
M số:ã
Hà Nội - 2009
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Lời nói đầu
Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nớc. Tự động hoá là
yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động
hoá thì vi xử lý là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu trong
nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt truyền động, đo lờng và
điều khiển. Việc ứng dụng vi xử lý vào trong các hệ thống truyền động điều
khiển tốc độ và vị trí ngày càng phổ biến. Ví dụ nh trong các dây truyền lắp
ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dáng
kich thớc đã định trớc, cơ cấu truyền động cho tay máy, ngời máy, cơ cấu ăn
dao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ bám tuỳ động,

Do tính u việt của công nghệ số so với phơng pháp điều khiển tơng tự truyền
thống nh:
- Mềm dẻo trong việc thây đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động
- Độ chính xác cao.
- Có khả năng chống nhiễu tốt.
- Dễ dàng tự động hoá
Các bộ điều khiển số đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng

tốc độ động cơ DC
2. Tìm hiểu hệ thống truyền động điều khiển tốc độ và vị trí động cơ DC
3. Tìm hiểu các cảm biến đo và phản hồi vị trí và tốc độ.
4. Tìm hàm truyền đạt của hệ thống số và các thông số cần cho việc điều
khiển vị trí và tốc độ.
5. Dùng Simulink của phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống và kiểm
nghiệm hệ thống.
6. Tổng hợp hệ thống số.
7. Thiết kế và thi công một hệ thống cụ thể ứng dụng kỹ thuật vi xử lý.
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
4
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Mục lục
Trang
Chơng 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các
phơng pháp điều khiển tốc độ
1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ điện một chiều 12
1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC .17
1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng 17
1.2.2 Phơng pháp điều khiển từ thông động cơ 18
1.2.3 Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông
động cơ 19
1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng 20
Chơng 2: điều khiển vị trí tốc độ và các thuật toán
điều khiển
2.1 Điều khiển vị trí tốc độ 22
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ .22
2.1.2 Mạch điều khiển động cơ DC 24
2.2 Các thuật toán điều khiển 25
2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P 26

4.3.2 Mô phỏng mạch vòng vị trí 51
Chơng 5: xây dựng và thực hiện hệ thống dùng vi xử lý
5.1 Mạch động lực . 54
5.2 Mạch điều khiển 55
5. 3 Phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM 59
3.3.1 Tạo xung bằng phần cứng 61
3.3.2 Tạo xung bằng phần mềm 61
5.4 Lu đồ giải thuật chơng trình điều khiển vị trí tốc độ bằng PID số 63
5.5 Mô tả hệ thống thử nghiệm và kết quả thử nghiệm .65
Kết luận.67
Tài liệu tham khảo..68
Phụ lục: Chơng trình điều khiển Atmega8 bằng ngôn ngữ C 69
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
6
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Danh mục Các từ viết tắt, kí hiệu
ACV: Nguồn xoay chiều.
DCV: Nguồn một chiều.
A/D: Chuyển đổi tơng tự số.
D/A: Chuyển đổi số tơng tự.
DC: Động cơ điện một chiều.
: Độ lệch pha giữa hai tín hiệu.
P: Bộ điều chỉnh tỉ lệ.
I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân.
K
P
. :Hằng số tỉ lệ
K

J : Mô men quán tính của rôto
B : Mô men tổn hao theo tốc độ
Km : Hằng số mô men
T : Hằng số thời gian điện từ
T
c
. Hằng số thời gian điện cơ
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
7
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
. tốc độ động cơ
Const: Hằng số
I
kt
: dòng điện cuộn kích từ
K
kt
: Hệ số cuộn kích từ
C
kt
: Cuộn kích từ
U
kt
: Điện áp cuộn kích từ
: Từ thông động cơ

đm
: Tốc độ định mức của động cơ
X(p) : Là vị trí đặt miền ảnh laplas
E

(p): Hàm truyền của cảm biến tốc độ miền ảnh Laplas
M
2
(p) : Hàm truyền của cảm biến vị trí miền ảnh Laplas
Y
1m
(p) : Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ) ảnh Laplas
Y
m
(p) : Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi) miền ảnh Laplas
K
1
, K
2
, K
3
, K
4
: là các khoá bán dẫn.
Hz : là tần số
U
đk
. Là điện áp điều khiển.
X(t) : Tín hiệu kích thích miền thời gian tơng tự.
Y(t): Đáp ứng trong miền hời gian tơng tự.
G
cp
(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ miền rời rạc
G
cI

là các hệ số của phơng trình đặc tính.
C
k
: Là các giá trị của định thức của tổng hai ma trận A
k
,B
k
.
D
k
: Là các giá trị của định thức của hiệu hai ma trận A
k
,B
k
A
k
,B
k
: Là các ma trận k.
X
m
: Quãng đờng dịch chuyển của trục encoder.
NT:Số xung đếm đợc của encoder.
NR: Tổng số xung trên một độ phân giải của encoder.
dm: Đờng kính trục bánh xe của encoder.
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
9
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Danh mục Các hình vẽ
Hình 1.1 Các loại động cơ một chiều thông dụng .13

độc lập 39
Hình: 4.2 Sơ đồ khối động cơ điện một chiều khi kích từ là định mức .40
Hình: 4.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số 42
Hình 4.4: Sơ đồ khối của hệ thống biểu diễn ở hệ thống số .43
Hình 4.5: Biến đổi sơ đồ khối của hệ thống dùng lý thuyết điều khiển tự
động . 44
Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng tốc độ động cơ DC bằng
Simulik .48
Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi K
p
=1, K
I
=0, K
D
= 0 . 49
Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi K
p
=0, K
I
=1, K
D
= 0 . 49
Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi K
p
=0, K
I
=0, K
D
= 1 .50
Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi K

p
=0.5 ,K
I
=0.2,K
D
= 0.3 53
Hình 5.1: Mạch động lực . 54
Hình 5.2: Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega8 57
Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega8 . 57
Hình 5.4:Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển dùng vi xử lý Atmega8 58
Hình 5.5: Biểu đồ xung PWM . .60
Hình 5.6: Lu đồ thuật toán điều khiển vị trí, tốc độ bằng PID rời rạc .64
Hình 5.7: Sơ đồ bó trí thiết bị mô hình .65
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
11
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Chơng I
Tổng quan về Động cơ một chiều và các phơng pháp
điều khiển tốc độ
Động cơ điện một chiều (DC) thờng đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ
truyền động cần thay đổi tốc độ khởi động, hãm và đảo chiều. Một số ứng
dụng của động cơ một chiều nh chuyển động cho xe điện, máy công cụ, máy
vận chuyển, máy cán, máy nghiền .

Hình 1.1 giới thiệu các loại động cơ DC thông dụng, bao gồm động cơ
DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ tổng hợp.
Với động cơ DC kích từ độc lập, dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điều
khiển độc lập với nhau. Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộn
kích từ đợc đấu với nguồn cung cấp. Vì vậy, với loại động cơ này, dòng phần
ứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện

phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp.
Phơng trình cơ bản của động cơ một chiều là:
E = K (1-1)
U = E + RI (1-2)
J = KI (1-3)
Trong đó:
- : từ thông trên mỗi cực (Wb)
- I: dòng phần ứng (A)
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
U

Iu
U

I

Ikt
Ckt
Ckt
(c) Kích từ nối tiếp

(d) Kích từ hỗn hợp


U

Iu
RU
E = K
Hình 1.2: Mạch tơng đơng chế độ tĩnh của động cơ DC



=
(1-5)
Công thức (1-1) đến (1-5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một
chiều đã kể ở trên.
Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ đợc duy trì
không đổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi momen động
cơ thay đổi.
Khi đó ta có: K = const (1-6)
Nh vậy theo (1-5), đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập là
một đờng thẳng, nh vẽ trên hình 1-3. Tốc độ không tải của động cơ xác
định bởi điện áp cung cấp V và từ thông kích từ K. Tốc độ động cơ suy
giảm khi momen tải tăng và ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng
R. Trong thực tế, do phản ứng phần ứng, từ thông động cơ giảm khi momen
tăng, dẫn đến tốc độ động cơ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức (1-
5). Với momen lớn, từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở
nên dơng, dẫn đến hoạt động không ổn định. Vì vậy, cuộn bù thờng hay đợc
sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng.
Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi
không tải khoảng 50%.
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
14
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông là một hàm của dòng
phần ứng. Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc
tính từ hoá, có thể xem là từ thông tỷ lệ bậc nhất với dòng phần ứng nghĩa là:

ukt
IK=


(1-10)
R lúc này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở cuộn kích từ.
a. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập
b. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp
c. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp
Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp đợc vẽ trên đờng (b)
hình 1.3 Có thể thấy rằng tốc độ động cơ suy giảm nhiều theo momen tải.
Tuy nhiên trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thờng đợc thiết kế làm việc
trên một phần của đặc tính từ hoá khi mang tải định mức. Với tải trên định
mức, mạch từ động cơ bão hoà, khi đó từ thông không thay đổi nhiều theo
dòng tải I dẫn đến đặc tính cơ tiệm cận với đờng thẳng.
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
c
b
a

%đm
100
100
M(%Mđm)
Hình 1.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DC
15
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi
momen khởi động cao và có thể quá tải. Với momen tải tăng, từ thông động
cơ cũng tăng theo. Nh vậy với cùng một lợng gia tăng của momen nh nhau,
dòng phần ứng I của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với
động cơ kích từ độc lập. Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của
nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích

Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích tờ độc lập và kích từ nối tiếp khi
điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ đợc vẽ trên hình 1.4(a) và
(b). Các đặc tính này suy ra từ công thức (1-5) với điện áp U thay đổi.
Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất
kì tốc độ, momen nào nằm giữa đờng đặc tính cơ tự nhiên và trục momen. Vì
điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dới định mức, phơng pháp này chỉ
dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ
tự nhiên. Tính chất quan trọng của phơng pháp này là độ cứng đặc tính cơ
không thay đổi khi tốc độ động cơ đợc điều chỉnh. Điều này khiến hệ có khả
năng đáp ứng với tải có momen hằng số vì dòng phần ứng cực đại cho phép I
-
max- tơng ứng với nó là momen tải cực đại cho phép của động cơ không đổi
với mọi tốc độ
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
Giảm, U=const
đặc tính tự nhiên
Giảm U, =const
Giảm
U,=const
Giảm,
U=const
(a) Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối tiếp
Hình 1.4: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ
DC
17
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Để điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng
động cơ ta có thể sử dụng các phơng pháp sau:
- Máy phát DC (Hệ Máy phát - Động cơ)
- Bộ chỉnh lu có điều khiển (AC DC)

sẽ giảm xuống khi tốc độ tăng cao.
Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ đợc thực
hiện bằng cách thay đổi điện áp kích từ với bộ chỉnh lu có điều khiển hoặc
bộ chopper, tuỳ theo nguồn cung cấp đợc sử dụng là AC hoặc DC. Với động
cơ công suất nhỏ, cũng có thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điều
khiển từ thông.
Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông đợc thực
hiện bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ. Một số động
cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ
thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ.
%&' !"()#$

Phơng pháp này đợc sử dụng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ động cơ
trong một dải rộng trên và dới tốc độ định mức. Tốc độ dới tốc độ định mức
đợc điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từ ở
giá trị định mức.
Tốc độ trên định mức đợc điều khiển bằng cách thay đổi điện áp kích
từ. Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện áp
phần ứng và từ thông kích từ đợc vẽ trên hình: 1.5.
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
đk điện
áp p/ đk điện
áp p/
M
I
đm
Mmax
M
Hình 1.5: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp
điện áp phần ứng và từ thông

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
- Thay đổi từ thông động cơ: Độ cứng của đặc tính cơ cũng giảm,
mômen giảm, làm tăng quá trình quá độ, điều kiện chuyển mạch của cổ góp
cũng bị xấu đi hiệu suất biến đổi giảm.
- Thay đổi điện áp phần ứng: Mômen tải là hằng số trong toàn dải điều
chỉnh, độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi, dải điều chỉnh rộng không
gây tổn hao thêm trong động cơ điện, hiệu suất biến đổi cao.
Từ đó ta thấy rằng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện để
điều chỉnh tốc độ đông cơ tỏ ra hiệu quả hơn cả và sẽ đợc sử dụng trong luận
văn này.
Chơng II:
Các phơng pháp và thuật toán điều khiển
2.1. điều khiển vị trí và tốc độ
Hệ thống truyền động điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống đợc sử
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Khi yêu cầu một đối tợng
chuyển động từ vị trí này đến vị trí khác với thời gian ngắn nhất, hoặc điều
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
21
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
khiển tốc độ động cơ ở một giá trị xác định, khi muốn một đối tợng này bám
theo một đối tợng khác đang chuyển động theo một quy luật nhất định, thì
ta cần phải điều khiển vị trí.
Trong công nghiệp điều khiển vị trí đợc sử dụng rộng rãi nh trong cơ
cấu truyền động cho tay máy, Robot tự động, quay kính viễn vọng, cơ cấu ăn
dao cắt gọt kim loại, giấy, vải,
Việc ứng dụng vi xử lý vào trong hệ thống truyền động điều khiển vị
trí ngày càng phổ biến hơn do một số tính năng u việt của nó, đặc biệt là
trong các dây chuyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao.
Trong luận văn này, nghiên cứu và phát triển chủ yếu tập trung vào các
phơng pháp điều khiển tốc độ, vị trí động cơ DC.

(p) G
p1
(p)
G
p2
(p)
Hình 2.1:Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí- tốc độ động cơ DC
22
Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
E
2
(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí)
G
C2
(p)
Bộ điều khiển vị trí
X1(p) Tín hiệu đặt tốc độ
E
1
(p)

Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ)
G
C1
(p)
Bộ điều khiển tốc độ
G
p1
(p) Hàm truyền đạt của bộ biến đổi và động cơ
Y

, K
4
là các khoá bán dẫn, tuỳ theo
công suất của động cơ mà các khoá này có thể là Transistor, Thyristor và
GTO,
- Encoder là cảm biến gắn trên trục của động cơ để đo vị trí và tốc độ.
- Khối cách ly (OPTO): Dùng để cách ly mạch lực và vi điều khiển về điện
- Vi xử lý nhận tín hiệu đặt và phản hồi từ encoder đa ra lệnh điều khiển các
van K
1
, K
2
, K
3
, K
4
.
Khi tín hiệu xuất ra từ vi xử lý kích mở các van K
1
, K
3
thì động cơ
quay theo chiều thuận, khi K
2
và K
4
mở động cơ quay theo chiều nghịch.
Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi khoảng dẫn của các van bằng phơng
pháp điều chế độ rộng xung PWM.
19

bớc phát triển mạnh mẽ. Việc ứng dụng vi xử lý v o tự động hoá l một vấn
đề tất yếu v đã đ a tự động hoá có các b ớc phát triển mới. Ta thấy rằng
bộ điều khiển PID trớc kia đ ợc xây dựng bằng các thiết bị điện tử t ơng tự
v có một số nh ợc điểm nhất định:
- Dễ chịu tác động phá huỷ của môi tr ờng công nghiệp.
- Các thông số của bộ điều khiển dễ bị thay đổi do yếu tố nhiệt độ môi
tr ờng v tuổi thọ thiết bị.
- Khả năng linh hoạt trong thay đổi (thông số, cấu trúc điều khiển)
thấp.
Do khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên nên việc sử dụng các bộ
điều khiển PID số ng y c ng rộng rãi, đ ợc xây dựng trên các phần mềm
chuyên dụng hoặc bằng các ngôn ngữ lập trình phổ thông kết hợp với vi xử
lý, vi điều khiển.
Để thực hiện thuật toán điều khiển PID số ta tiến hành xấp xỉ liên tục
các bộ điều khiển PID liên tục. Sau đây chúng ta sẽ xem xét các thành phần
Ngành Điều khiển & Tự động hoá
25

Trích đoạn Phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM

---