ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
KS. TRẦN HOÀI LINH
TS. NGUYỄN HỒNG QUANG
1.Đặt vấn đề:
Ngày nay công nghệ số đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong mọi nghành của
khoa học kỹ thuật. Ở các nước công nghiệp, truyền động điện đã ứng dụng rất thành công
công nghệ này với những ưu việt hơn so với phương pháp điều khiển tương tự truyền
thống như:
- Mềm dẻo trong việc thay 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.
Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay đổi các tham số bằng chương
trình phần mềm, các hệ thống vi điều khiển được thiết kế và chế tạo tin cậy sẽ tạo ra những
bộ điều khiển linh hoạt, phù hợp với từng đặc điểm của hệ điều khiển tự động và tình hình
sản xuất của nước ta hiện nay.
Tuy nhiên ở nước ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ một chiều hiện đại (DC motor
Drive), chất lượng cao hiện nay đều phải nhập hoàn toàn từ nước ngoài. Nhưng thực ra nếu
áp dụng tốt các nguyên lý về điều khiển số và vi xử lý, chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo ra
những bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tương đương. Dưới đây là ví dụ đầy đủ thiết
kế mà chúng tôi đã thực hiện với đối tượng điều khiển là một động cơ một chiều kích từ
nam châm vĩnh cửu có tải giả.
2. Thực nghiệm nhận dạng đối tượng điều khiển:
Từ trước đến nay khi tổng hợp các hệ truyền động nhiều thông số người ta thường phân hệ
thành cấu trúc nhiều mạch vòng có các bộ điều chỉnh nối theo cấp. Do đó việc xác định
được các tham số của đối tượng điều khiển (mà không phải nhà sản xuất nào cũng cung
cấp) là tất yếu.
L­
R­
M

ư
), Mômen quán
tính của rôto (J), Hằng số mômen (Km), Mômen tổn hao theo tốc độ (B
ω
). Đây là các
tham số động nên để xác định được cần phải thí nghiệm nhiều lần và lấy giá trị trung bình.
Có nhiều phương pháp thực nghiệm hay các công thức lý thuyết gần đúng để tính chúng. Ở
đây tác giả kết hợp cả hai phương pháp này xác định được:
- Hằng số mômen K
m
=0,138(Nm/A)
- Mômen tổn hao theo tốc độ B
ω
: B = 3,38,10
-5
(Nm/rad)
Với B là tổng sự suy giảm tương đương (the total equivalent damping).
- Điện trở phần ứng R
ư
= 5,9(Ω)
- Điện cảm phần ứng L
ư
= 3,54(mH.)
- Mômen quán tính của rôto J≈5,10
-5
kgm
2

-
Hằng số thời gian điện và hằng số thời gian cơ: T

2
+
+
pKKT
KBR
mclcl
m
u
1
.
55,9.2
55,9
2
+
+
p
KKT
JL
mclcl
u
.
2
= 3,44 +
p
6,224
+
p
4
10.04,2
−

là: T=0,01s. Một cách khác là có thể dùng luôn bộ PID hay PI số có sẵn trong thư viện
Simulink. Các đặc tuyến tốc dòng quá độ sau khi số hoá bộ điều chỉnh về cơ bản giống như
analog nhưng độ chính xác giảm và chậm hơn do ảnh hưởng của thời gian cắt mẫu:
Rõ ràng là kết quả này là chưa được như mong muốn vì thế cần hiệu chỉnh lại các tham số
bộ điều chỉnh. Kết quả bộ điều chỉnh chỉ cần là PI với Kp=2,66 ; Ki=130 , Kd=0.
Như vậy sau khoảng 0,1 giây tốc độ động cơ đã ổn định ở giá trị đặt, quá độ điều chỉnh có
hơi lớn do sai số tính toán và đồ thị dòng điện tuy chưa lý tưởng nhưng cũng tương đối
đúng.
3. Tính toán thiết kế hệ thống:
Mặc dù những phương pháp tổng hợp các bộ điều chỉnh chưa thật hoàn thiện, đã tính gần
đúng hoặc không xét tới ảnh hưởng của các tham số có trị số nhỏ một cách tương đối.
Những giá trị nhận dạng về đối tượng điều khiển cũng không thật chính xác cùng với việc
bỏ qua tác động của môi trường xung quanh mà từ đó tìm ra được thông số tối ưu cho bộ
điều chỉnh. Tuy nhiên việc tính toán tổng hợp gần đúng có giá trị to lớn trong định hướng
thiết kế cũng như trong chỉnh định vận hành hệ thống sau này.
a. Mạch công suất :
Để thuận tiện khi thử nghiệm và
kinh tế thì việc chọn BBĐ sau là
hợp lý nhất:
Do động cơ thí nghiệm nhỏ,
điện cảm phần ứng bé nên để san
phẳng dòng hơn nữa thì việc thêm
cuộn kháng L là cần thiết. Điện trở
phản hồi dòng R=0,47Ω và
L
T1
R
M
DC Motor
T3

- Chạy và dừng động cơ
- Điều chỉnh tốc độ
- Đảo chiều quay
- Chạy nhắp
- Dừng khẩn cấp
* Chức năng kiểm tra giám sát và bảo vệ:
- Hiển thị các tham số như: tốc độ, dòng điện,
điện áp…
- Tín hiệu báo trạng thái đang hoạt động của
động cơ
- Các tín hiệu bảo vệ động cơ: quá dòng, quá áp, quá tải…
* Để giao tiếp với nhiều khối chức năng đồng thời thực hiện được luật điều khiển tác giả
sử dụng hai vi điều khiển ATMEGA 16, một master và một slave. Slave làm nhiệm vụ giao
tiếp và hiển thị: nhận các tín hiệu đặt từ máy tính và phản hồi một mặt hiển thị (lên LCD),
mặt khác truyền các dữ liệu đó và tốc độ phản hồi sang cho master. Master nhận các dữ
liệu này cùng tín hiệu đồng bộ thực hiện luật điều khiển (trong các bộ điều chỉnh) rồi đưa
ra xung điều khiển bộ biến đổi.
- Tín hiệu tốc độ lấy từ encoder: slave sẽ đếm số xung nhận được trong một đơn vị thời
gian, từ đó suy ra vận tốc thực của động cơ.
- Tớn hiu dũng in phn hi v l tớn hiu tng t nờn phi khuych i ri qua bin i
A/D trong slave thnh tớn hiu s. Mt khỏc ng c cú o chiu nờn giỏ tr phn hi cú
hai du. Do ú trc khi a v vi iu khin cn qua cỏc b chnh lu. Mch phn hi
dũng cn phi nhn bit c thi im dũng v 0 o chiu. cỏc mch chnh lu
dựng diode thụng thng thỡ tớn hiu dũng phn hi v chuyn thnh ỏp s b ri trờn mch
chnh lu mt khong (0,7V), do ú khi dũng cũn nh thỡ kt qu o thiu chớnh xỏc.
õy, tỏc gi dựng mch chnh lu dựng IC thut toỏn, do vy cú th o chớnh xỏc c thi
im dũng v 0.
4. H thng iu khin trung tõm:
a. Vi iu khin ATMEGA 16: thuc h AVR ca hóng Atmel, l mt dũng vi khin tớch
hp cao vi nhng chc nng c bn nhng rt cn thit trong nhng ng dng c th. ú

slave
Vi điều khiển
master
Nhận xung đồng bộ.
Biến đổi A/D I .
Nhận tín hiệu đặt và
tốc độ phản hồi
Thực hiện luật điều
khiển.
Phát xung điều khiển.
Truyền tín hiệu phản
hồi lên máy tính.
đèn led
Báo trạng thái
đang hoạt động
của động cơ
Xung điều
khiểncác
thyristor
Xung Đồng bộ
Truyền
thông không
đồng bộ
rs232
Mạch
phản hồi
dòng
Encoder
phản hồi
tốc độ