i

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

LỜI NÓI ĐẦU
Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần mềm, kỹ
thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ bán dẫn và công nghệ
tạo hệ thống chip khả trình (programmable system on a chip) đang mở ra những hướng
mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng cho công nghiệp và trong đời
sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite
System) cùng với các vệ tinh viễn thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang
lại nhiều ứng dụng thiết thực trong việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau và có độ chính xác cao.
Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện nay. Và
để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được bộ điều khiển
tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó. Việc nghiên cứu thuật toán PID trong điều
khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các Robot, máy móc, các
thiêt bị tự động…hoạt động linh hoạt và chính xác hơn.
Với các lý do trên và được sự đồng ý của BCN khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Trường Đại
Học Nha Trang, em đã thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID”. Đề tài được thực
hiện từ ngày 20/2/2012 đến 25/6/2012.
Mặc dù đã có cố gắng nhưng những hạn chế và thiếu sót không thể tránh khỏi.
Kính mong được sự thông cảm và góp ý từ thầy cô và các bạn để các kết quả được trình
bày trong đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn bè, người thân đã giúp đỡ tôi
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
ii

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn


1.1.4 Các phương trình động học cơ bản 8
1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến lập mã quang: 10
1.2.1 Cấu tạo: 10
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của Encoder: 11
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 14
2.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động 14
2.2. Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động 14
2.2.1. Phân loại hệ thống điều khiển kiểu vòng 14
2.2.2. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống 16
2.2.3. Phân loại dựa trên ngõ vào - ngõ ra hệ thống 16
2.2.4. Phân loại theo chiến lược điều khiển 17
2.3. Hàm truyền 17
2.3.1. Mô hình toán học 17
2.3.2. Hàm truyền 18
2.4. Các mô hình biến trạng thái 20
2.4.1. Giới thiệu 20
2.4.2. Biến trạng thái của một hệ thống động 21
2.4.3. Phương trình vi phân của vector trạng thái 21
2.4.4. Đáp ứng theo thời gian rời rạc 24
2.5. Một số các kỹ thuật điều khiển và các hàm truyền tương ứng 26
2.5.1. Mạch bù 26
v

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

2.5.2. Sớm pha 29
2.5.3. Bộ điều khiển PD 32
2.5.4. Chậm pha 33
2.5.5. Bộ điều khiển PI 35
Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU

5.4. Lưu đồ thuật toán chương trình trên ATMEGA16: 75
5.5.Code chương trình: 75
5.5.1. Bộ đếm xung từ bộ lập mã quang để xác định vận tốc motor 75
5.5.2. Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển tốc độ motor 76
5.5.3. Bộ UART giao tiếp máy tính theo chuẩn RS-232 79
Chương 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 85
6.1. Hình ảnh thực tế đồ án: 85
6.1.1.Mạch công suất: 85
6.1.2.Động cơ gắn encoder: 85
6.1.3.Giao diện VB: 86
6.1.4.Mạch điều khiển: 86
6.1.5.Toàn mạch đồ án: 87
6.2. Kết quả đạt được 88
6.3.Hướng phát triển của đề tài: 88
Tài liệu tham khảo 90

vii

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn DANH MỤC HÌNH VẼ

Tên hình
Hình 1.1.Mặt cắt ngang động cơ điện 1 chiều
Hình 1.2.Stato động cơ điện 1 chiều
Hình 1.3. Roto động cơ điện 1 chiều
Hình 1.4.Chổi than và cổ góp trong động cơ điện 1 chiều
Hình 1.5. Cấu tạo của bộ lập mã quang ENCODER
Hình 1.6. Vị trí đặt của hai LED phát nguồn sáng tạo tín hiệu cầu

Hình 4.1.Sơ đồ khối phần cứng
Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý phần cứng
Hình 4.3.Mô tả các chân vi điều khiển ATmega16
Hình 4.4.Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16
Hình 4.5.Sơ đồ nguyên lý khối công suất
Hình 4.6. Vi mạch Max232
Hình 4.7. Sơ đồ mắc nối vi mạch MAX232
ix

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

Hình 4.8. Tín hiệu truyền của kí tự “A”
Hình 4.9. Sơ đồ chân của các cổng truyền nối tiếp theo chuẩn RS232
Hình 4.10. Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp


DC Một chiều
PID Phương pháp điều khiển động cơ dựa vào tỉ lệ - đạo hàm - vi phân
1

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài:
Từ thuở xa xưa con người đã từng nghĩ và chế tạo ra những thiết bị điều khiển tự
động nhằm mục đích giảm sức lực, tăng năng suất lao động và tăng của cải vật chất cho
xã hội. Những thiết bị điều khiển tự động ngày càng hoàn thiện theo thời gian, theo sự
hiểu biết và nhu cầu của con người. Những hệ thống điều khiển ban đầu loài người phát
minh ra là những hệ thống điều khiển cơ học đơn giản như cơ cấu điều khiển đồng hồ
nước Ktesibios ở thành phố Alexandra, Ai Cập (Egypt) trước công nguyên hay thiết bị
điều khiển vận tốc (flyball governor) do James Watt phát minh vào cuối thế kỷ 18. Nhu
cầu sử dụng hệ thống điều khiển tự động ngày càng gia tăng. Những hệ thống điều khiển
tự động đặc biệt phát triển mạnh hơn khi có những phát minh mới về điện điện tử, công
nghệ bán dẫn và công nghệ máy vi tính trong thế kỷ 20. Những hệ thống điều khiển tự
động có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào cách phân loại. Nếu phân loại theo cách thức
vận hành và chuyển hóa năng lượng chúng ta có thể phân chia thành hệ thống cơ học
(mechanical systems), hệ thống thủy lực học (hydraulic systems), hệ thống hơi
(pneumatic systems), hệ thống điện điện tử (electric and electronic systems), hệ thống
điều khiển kết hợp giữa các loại trên. Những hệ thống điều khiển tự động ngày nay phổ
biến hơn cả là những hệ thống điện và điện tử. Nếu phân chia những hệ thống điện và
điện tử theo loại tín hiệu, chúng ta có hệ thống điều khiển tín hiệu liên tục (analogue
control systems) và hệ thống điều khiển số (digital control system) hay còn gọi là hệ
thống điều khiển bằng máy tính(computer-based control systems). Xu thế chung ngày nay
ngày càng xuất hiện nhiều hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần mềm, kỹ
thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ bán dẫn và công nghệ

Phương pháp điều khiển thực tế: sử dụng vi điều khiển và các mạch phụ kiện để
tạo một mô hình điều khiển động cơ PID thu nhỏ.

3

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Tìm ra những sai sót trong phương pháp điều khiển động cơ bằng PID và góp phần
hoàn thiện phương pháp đó. Đồng thời mở ra hướng sử dụng các vi xử lý vào trong điều
khiển công nghiệp.

5.Cấu trúc đồ án:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: sơ lược về cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, mô tả toán học động cơ điện một chiều và kĩ thuật điều khiển
động cơ.
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG: nhắc
lại lý thuyết về điều khiển tự động đã được học.
Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: các phương pháp xác định bộ điều
khiển PID và cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều.
Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID: nêu sơ đồ
khối, sơ đồ nguyên lý của phần cứng, phân tích chức năng từng khối.
Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO PID: Lưu đồ
thuật toán và code chương trình.
Chương 6: KẾT LUẬN: một số hình ảnh thực tế về phần cứng và hiển thị của đề
tài, kết quả đạt được, hạn chế còn vướng mắc và hướng phát triển của đề tài.

5

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

Stato: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung trên các
cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kĩ thuật điện được dập
định hình sẵn có bề dày 0.5 – 1 mm, được gắn trên gông từ bằng thép đúc, cũng chính là
vỏ máy.

Hình 1.2.Stato động cơ điện 1 chiều
Roto: còn gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần ứng. Lõi thép
phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau. Dây
quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử
dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và
cổ góp được cố định trên trục rotor.

Hình 1.3. Roto động cơ điện 1 chiều
6

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

Chổi than – Cổ góp: đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều
dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có
cực tính dương và một nửa có cực tính âm).

Hình 1.4.Chổi than và cổ góp trong động cơ điện 1 chiều

1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều:
Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện 1 chiều thành các loại sau:
1.1.2.1.Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập:


một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện
i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen
điện từ. Giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
 k
a
np
m

2
.

Trong đó các p: số đôi cực của động cơ.
n: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.
a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k: hệ số kết cấu của máy.
Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục.
1.1.4 Các phương trình động học cơ bản
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
dt
di
LiReu
a
aaaaa
a



Sức điện động phần ứng:
nea

là tốc độ góc của rotor.

J là mômen quán tính của động cơ.
Mặt khác, do ω = 2πn (n tính theo vòng/giây), nên ta có thể viết:

)(
2
1
Le
TT
J
dt
dn



- Hằng số động cơ:
me
kk

2


* Hệ phương trình không gian trạng thái:
Từ các phương trình cơ bản trên ta có thể viết hệ phương trình mô tả không gian trạng
thái của động cơ một chiều như sau:





L
R
dt
di

2
1
2
1

Hệ phương trình này có hai biến trạng thái i
a
và n. Các tín hiệu vào là điện áp u
a
và
mômen cản của tải T
L
.
Giả sử các biến trạng thái i
a
và n là đo được, viết lại hệ phương trình trên dưới dạng ma
trận ta có:



















L
a
a
a
m
a
e
a
a
a
T
u
J
L
n
i
J
k
L
k


Trong đó:
















0
2 J
k
L
k
L
R
A
m
a
e
a







10
01
m
C








00
00
m
D

Biến trạng thái








Hình 1.5. Cấu tạo của bộ lập mã quang ENCODER

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của Encoder:
Để tạo mã xung thì mỗi bộ ENCODER sẽ sử dụng hai LED phát và tương ứng với
hai bộ tách sóng để tạo tín hiệu ra cầu phương, tức là hai LED được đặt sao cho hai tín
hiệu ra có pha vuông góc nhau để xác định chiều quay của đĩa (tương ứng với chiều quay
của động cơ).

Hình 1.6. Vị trí đặt của hai LED phát nguồn sáng tạo tín hiệu cầu phương

12

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

(A sớm pha hơn B)
(B sớm pha hơn A)

Dừng
Tốc độ quay của đĩa được xác định nhờ vào tần số của tín hiệu, chiều quay được
xác định dựa vào việc xem tín hiệu nào sớm pha hay muộn pha hơn.
Cụ thể như trên hình 3.5 và 3.6 sau: Hình 1.7. Dạng tín hiệu cầu phương thu được ở bộ tách sóng quang
(photodetector) khi động cơ quay

14

GVHD: Ths. Nhữ Khải Hoàn SVTH: Trần Thanh Toàn

Quá trình
Vào Ra

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động
Kỹ thuật điều khiển sử dụng mô hình toán học của các hệ thống động trong việc
phân tích hành vi của hệ thống, trên cơ sở đó áp dụng các lý thuyết điều khiển để xây
dựng các bộ điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động như được mong muốn.
Một hệ thống điều khiển (control system) là một liên kết của nhiều thành phần, tạo
nên một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng một yêu cầu nhất định. Cơ sở để thực
hiện việc phân tích một hệ thống là kiến thức nền tảng cung cấp bởi lý thuyết hệ thống
tuyến tính, trong đó giả thiết mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống là mối quan
hệ nhân - quả. Một thành phần hay quá trình (process) cần được điều khiển có thể biễu
diễn bằng một khối có đầu và và đầu ra. Hình 2.1. Quá trình cần điều khiển
Quan hệ vào - ra thể hiện mối quan hệ nhân - quả của quá trình, trong đó tín hiệu
vào được xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra là tín hiệu mà quá trình điều khiển mong
muốn.
2.2. Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động