Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 1
-
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
ĐỂ TÀI: THIẾT KẾ BỘ PID SỐ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
NHÓM 1 LỚP 04DT2
1. Nguyễn Ngọc Nhân (Nhóm trưởng)
2. Đặng Vân Khánh
3. Lê Văn Sanh
4. Phạm Thị Hoa
5. Thongsoul Sengchaleung
Phân công công việc:
- Thiết kế và tính toán: Nhân, Hoa
- Thi công và kiểm thử mạch: Khánh, Thongsoul
- Thiết kế phần mềm
o Phần giao tiếp máy tính: Sanh
o Chương trình điều khiển PSOC: Nhân
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 2
-
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 3
-
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 4
-
PHẦN 1: LÝ THUYẾT
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

g
a
aaaa
e
dt
di
LiRu ++=
(1.1)
nke
vg
Φ=
(1.2)
Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động
cơ.
Momen điện từ:
T
d
= K
t
Φi
a
(1.3)
Phương trình của động cơ:
Ld
TB
dt
d
JT ++=
ω
ω

Hình 1.1: PWM
Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm
vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ.
Điện áp trung bình:
in
on
dk
V
T
T
V =
Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục,
gợn sóng như sau:
Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ.
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
U
dk
t
Ia
t
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 7
-
1.4 Khảo sát hàm truyền:
1.4.1 Hàm truyền lý tưởng:
Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được:
)()()()( aEpIpLpIRpU
gaaaaa
++=
(1.9)
)()( pnkpE

)()(
)(
+
−
=
pR
pEpU
pI
aa
aa
a
τ
(1.14)
Trong đó:
a
τ
=L
a
/R
a
Hằng số thời gian của mạch phần ứng
m
τ
=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 bằng 0, ta có:
Φ+++
Φ
=

Φ
t
k
)1(2
1
+
pB
m
τπ
U
a
(p)
E
g
(p
)
T
d
(p)
T
L
(p)
n(p)
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 8
-
Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian.
Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn
của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc
1 có dạng như sau.
1+

+
=
+
=
ppTp
k
G
1.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID:
1.5.1 Thuật toán PID:
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang - 9
-
τ
τ
ττ
d
de
KdeKKG
dip
)(
)( ++=
∫
Trong đó:
- K
p
: Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại)
- K
i
: Hệ số tích phân
- K

với
∫
∑
=
=
kT
k
n
nTTedtte
0
0
)()(
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
10 -
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):
)1(
1
)(
1−
−=
−
= zK
Tz
z
KzG
dDD
với thành phần vi phân xấp xỉ bởi:

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
k

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
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
11 -
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.
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
phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ

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
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
13 -
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.
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
14 -
• Hai bộ UART song công.
• Bộ SPI nhiều thiết bị (SPI master và SPI slaver).
• Truyền thông giữa tất cả các chân
• Truyền thông giữa các khối.
• Bảo vệ cho việc lập trình cho vùng nhớ riêng và bảo vệ tránh ghi chồng

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
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
16 -
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 .
Thanh ghi cờ cũng đống vai trò chọn trang nhớ RAM khi PSoC có
nhiều hơn 256 Byte RAM. Thanh ghi cờ chứa bit cờ Zero (Z) và cờ
Carry (C).
 Arithmetic logic unit (ALU) là 1 phần chuẩn của CPU được sử
dụng trong các phép toán số học như phép cộng, trừ dịch trái phải,và
các phép toán logic. Dữ liệu sau tính toán có thể được lưu trữ trong
thanh ghi A, X hoặc RAM data.
• Đặc điểm tần số hoạt động

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.
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
19 -
DM2
bit
DM1 bit
DM0
bit
Mode Data = 0 Data = 1
0 0 0 Resistive Pull Down Resistive Strong
0 0 1 Strong Drive Strong Strong
0 1 0 High Impedance Hi-Z Hi-Z
0 1 1 Resistive Pull Up Strong Resistive
1 0 0
Open Drain, Drives
High

 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 2.10 Mode Open Drain
• Tổng quan các liên kết của khối khả trình số.
Hình 2.11 Tổng quan khối số
 GIO và GIE là Global input chẵn (P1,P3,P5) và lẻ (P0,P2,P4,P6):
 Input multiplexers của block lines
Input multiplexer chọn 1 trong các global lines và nối đến các line
tín hiệu phía trên các khối khả trình. Phần này sẽ được trình bày kĩ trong
mục 3.3 (PSoC Designer).
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
21 -
 Khối khả trình số: Mô tả chi tiết ở hình bên dưới. Khối khả trình số
được chia làm 2 loại: Digital Basic block (DBB) và Digital
communication block (DCB) :
Digital Basic block như: 8,16,24,32 bit Timer. 8,16,24,32 bit
Counter, 8,16 bit PWM. 8,16 dead band Generator. 8,16,24,32 bit
Pseudo random sources (PRS). Các bộ đệm và đảo số, bộ phát mã CRC.
Các khối này có thể đặt vào bất kì khối số nào trong PSoC mà còn trống
(DBB hoặc DCB).
Digital communication block: chỉ có thể đặt vào các khối khả trình
ở hai cột bên phải (DCB). Ví dụ: I2C master và Slaver, SPI Master và
Slaver, UART, Hồng ngoại IrDA.
Hình 2.12 Khối số
 Frequency signal (CLK)

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.
 Khối ASC and ASD là loại switched capacitor (SC). Chúng chứa bộ
khuếch đại với rail-to-rail IO và bộ MUX nội. ADC, DAC và bộ lọc
thi hành tùy thuộc vào cấu hình bên trong khối. Đầu vào khối SC lấy
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Đồ án môn học: Điện tử ứng dụng Trang -
24 -
từ những khối khác nhưng tín hiệu từ bộ MUX analog không thể đưa
trực tiếp vào khối SC mà phải qua khối ACB
 Đầu ra Analog Mỗi cột analog có chung đường 1 đường
AnalogOutBus nối ra bộ đệm ra 4 chân giữa P0 (P0_2 - P0_5).
 Comparator outputs Mỗi cột có 1 đường so sánh goi là “compare
line” có thể nối đến các khối số hoặc khối tương tự khác.
 Frequency signal Những khối ADC, DAC và bộ lọc cần những tần
số đặc biệt để hoạt động, tần số này được chọn qua bộ MUX: từ
VC1, VC2, đầu ra của 1 số khối clock (Counter, timer, PWM)
Hình 2.17 Tần số tín hiệu cho khối Ananlog
 Các mức điện áp tham chiếu:
Trong PSoC có 3 mức điện áp tham chiếu: AGND, RefH, RefLo.
Được mô tả ở hình bên dưới.
Nhóm 1 – Lớp 04DT2
Ref Mux AGND [V] RefLo [V] 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