Luận văn thạc sỹ 1 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:
Học viên: ĐỖ MẠNH TUẤN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP
THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 2 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
MỤC LỤC
Số trang
Trang bìa 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5
Lời mở đầu 7
Chương I: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển
trong truyền động điện 9
1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 9
1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển 9
1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển 10
1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển 12
1.1.4 Phần mềm của vi điều khiển 16
1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng 18
1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính 18
1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng trong công nghiệp 18

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số cho động cơ
không đồng bộ sử dụng biến tần 58
Chương III: Phân tích tổng hợp hệ truyền động số PWM-D 60
3.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động số PWM-D . 60
3.1.1 Mạch tạo xung điều khiển . 62
3.1.2 Thiết kế các bộ điều khiển số 64
3.1.2.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ 64
3.1.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I 64
3.1.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D 65
3.1.2.4 Thuật toán điều khiển PID 66
3.1.3 Khối biến đổi tương tự- số và số -tương tự 68
3.1.3.1 Khối biến đổi tương tự -số (A/D) 68
3.1.3.2 Khối biến đổi số - tương tự (D/A) 71
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 4 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
3.1.4 Cảm biến vị trí tốc độ (Encoder) 72
3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số 75
3.2.1 Tổng hợp hệ thống 76
3.2.2 Xác định tính ổn định hệ thống 81
3.2.3 Chất lượng của hệ truyền động 84
3.3 Tính toán và khảo sát cho hệ truyền động PWM-D 87
3.3.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện 87
3.3.2 Xét ổn định mạch vòng tốc độ 89
3.3.3 Chất lượng của hệ truyền động 92
3.3.2.1 Khảo sát chất lượng dùng chương trình pascal 92
3.3.2.2 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng
phần mềm Matlab Simulink 95
Kết quả luận án và hướng phát triển của đề tài 101
Tài liệu tham khảo 102
Phụ lục 103

SX
: Điện áp sửa xung.
U
đb
: Điện áp đồng bộ.
FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo.
SRC : Khối tạo xung răng cưa.
SS : Khối so sánh.
TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung.
U
ω
: Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử).
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 6 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
M
S1
: Tín hiệu phản hồi âm tốc độ.
M
S2
: Tín hiệu phản hồi âm dòng điện.
T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM).
H(S) : Khâu lưu giữ 0.
U
d
: Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
U
c
: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
K

chiều chất lượng cao thường đều từ nước ngoài. Với công nghệ và áp dụng vi
điều khiển ta có thể hoàn toàn chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 8 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
chức năng tương đương. Do đó để tận dụng và khai thác tiềm năng của các
bộ vi điều khiển nên em chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu, ứng dụng vi
điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập”
Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi sai
sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp.
Em xin được bày tỏ biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã
hướng dẫn tận tình và chỉ bảo cặn kẽ để em hoàn thành luận văn này. Xin
được gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy cô Khoa sau đại học, Khoa điện và
các bạn đồng nghiệp lớp TĐH K11 trường ĐHKT công nghiệp Thái Nguyên.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010
Tác giả luận văn
Đỗ Mạnh Tuấn
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 9 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
CHƯƠNG I
VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TRONG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển
1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển
Bộ vi điều khiển viết tắt là µC (Microcontroller) là mạch tích hợp, trên một
chíp có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống.
Phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm (chương trình) đóng vai trò
chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi điều khiển có sự mềm dẻo
hóa trong các chức năng của mình. Ngày nay vi điều khiển có tốc độ tính toán rất

tranzito trong một chíp. Vi mạch VLSI (Very LSI) có độ
tích hợp cao cỡ 10
5
tranzito trong một chíp. Năm 1971 bộ vi xử lý Intel 4004 loại 4
bít ra đời chứa 2250 tranzito. Năm 1975 Intel chế tạo bộ vi xứ lý 8 bít 8080 và
8085. Cùng khoảng thời gian này xuất hiện bộ vi xử lý 6800 của Motorola với 5000
tranzito, bộ vi xử lý Zilog Z80, Signetics 6520. Năm 1978 xuất hiện loại Intel 8086
là loại vi xử lý 16 bít với 29000 tranzito, Motorola 68000 tích hợp 70000 tranzito,
AP 432 chứa 120000 tranzito. Bộ vi xử lý 32 bít của Hewlet Packard có khoảng
450000 tranzito. từ năm 1974 đến 1984 số tranzito tích hợp trong một chíp tăng
khoảng 100 lần.
Năm 1983 Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong máy vi tính họ AT
( Advanced Technology). Bộ vi xử lý 80286 sử dụng I/O 16 bít và có24 đường địa
chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB. Năm 1987 Intel đưa ra bộ vi xử lý 80386
32 bít. Năm 1989 xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộ
nhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động.
Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển
động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch
điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 11 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu
quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của
Vi xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống
lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ
nhanh. Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng
đài điện thoại, hoặc ở các robot có khả năng hoạt động phức tạp v.v
Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính
toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt
hiệu quả đối với các bài toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ,

chip của họ MSC-51. Chip Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng
như ở Việt Nam hiện nay là Vi điều khiển của hãng Atmel với nhiều chủng loại vi
điều khiển khác nhau.
Hãng Atmel có các chip Vi điều khiển có tính năng tương tự như chip Vi
điều khiển MCS-51 của Intel, các mã số chip được thay đổi chút ít khi được Atmel
sản xuất. Mã số 80 chuyển thành 89, chẳng hạn 80C52 của Intel khi sản xuất ở
Atmel mã số thành 89C52 (Mã số đầy đủ: AT89C52) với tính năng chương trình
tương tự như nhau. Tương tự 8051, 8053, 8055 có mã số tương đương ở Atmel là
89C51, 89C53, 89C55. Vi điều khiển Atmel sau này ngày càng được cải tiến và
được bổ sung thêm nhiều chức năng tiện lợi hơn cho người dùng.
1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển
Trong khối vi điều khiển bao gồm các khối ghép trong hình vẽ H.1-1
Chuyên ngành tự động hoá
(MCU)
Bộ Vi
điều
khiển
Bộ đệm
và bộ
đổi
Mạch
đồng hồ Nguồn
Các bộ
nhớ và
ngoại vi
khác
BUS
Thế giới bên ngoài
BUS - Dữ liệu địa chỉ điều khiển
Bảng mạch vi điều khiển

dữ liệu I/O
Điều khiẻn I/O và
thanh ghi trang thái
Đồng hồ
Các đường
điều khiển
V
SS
V
DD
Bộ nhớ
Luận văn thạc sỹ 14 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
Bộ MCU được chia làm 3 phần chính: CPU, bộ nhớ và các thanh ghi; chúng
được nối với nhau bới các bus trong. Bên ngoài có các chân nối nguồn, vào ra I/O
và một số tín hiệu đặc biệt khác.
Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) điều khiển hoạt động của
bộ vi điều khiển.
Bộ nhớ (Memory) dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh, có nhiều loại bộ nhớ
khác nhau như ROM, RAM, EEPROM.v.v.
Các thanh ghi (Register) được sử dụng để lưu trữ thông tin đang trong quá
trình xử lý, khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi. Bộ vi
điều khiển có các thanh ghi vào ra I/O và các thanh ghi CPU; các thanh ghi được
chia làm 3 loại: thanh ghi dữ liệu, thanh ghi điều khiển và thanh ghi trạng thái. Các
thanh ghi này cùng với CPU và cổng I/O được sử dụng trong các hoạt động vào ra.
Mỗi thanh ghi dữ liệu I/O lưu giữ các số liệu vào ra gắn với cổng I/O tương
ứng. Cổng I/O là tập hợp các chân I/O của chíp ứng với số liệu, thông thường các
cổng I/O có 8 đường truyền byte dữ liệu; các cổng này có thể lập trình địa chỉ vào,
ra hoặc cả hai chiều vào – ra . Các chiều vào, ra luôn xét đối với chíp (VD: “Input”
có nghĩa dữ liệu từ bên ngoài vào)
Hoạt động đưa dữ liệu vào như sau: Bộ cảm biến lấy tín hiệu (như nhiệt độ,

ngoài nối giống sơ đồ trên H.1-2. Một số chân có thể được sử dụng như các cổng
I/O hoặc như các đường dữ liệu và địa chỉ bên ngoài. Bộ vi điều khiển có thể được
thiết lập để làm theo cách khác, việc thiết lập chế độ làm việc của bộ vi điều khiển
theo chế độ dồn kênh (Multiplexed) được mô tả như hình H.1-3 dưới đây.
Chuyên ngành tự động hoá
(CPU)
ROM
RAM
EPROM
Or
EEPROM
BUS dữ liệu trong
Mạch
địa chỉ
Bộ
đệm
dữ liệu
Các thanh ghi điều
khiển và trang thái
Đồng hồ
Các đường
điều khiển
V
SS
V
DD
Bộ nhớ
Bus dữ liệu
Bus địa chỉ
Luận văn thạc sỹ 16 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn

số 16 đẻ biểu diễn các thông tin. bảng biểu diễn hệ số 16 coi một nhóm 4 bít mã nhị
phân tương ứng với 16 số và ký tự từ 0 đến 9 và từ A đến F như bảng dưới đây:
Dạng nhị phân Dạng Hexa Dạng thập phân
0000 0 0
0001 1 1
0010 2 2
0011 3 3
0100 4 4
0101 5 5
0110 6 6
0111 7 7
1000 8 8
1001 9 9
1010 A 10
1011 B 11
1100 C 12
1101 D 13
1110 E 14
1111 F 15
Như vậy dãy số nhị phân ở trên được nhóm theo 4 bít có biểu diễn dạng
hexa được ký hiệu là $B65 theo Motorola với dấu $ chỉ dạng henxa, hoặc Ox B65,
hoặc B65H theo ngôn ngữ chuẩn.
101101100101
Tương tự thập phân của BC4 là

• Ngôn ngữ máy :
Chuyên ngành tự động hoá
B
6
5

máy mà bộ vi điều khiển có thể thực hiện được.
1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng
1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính
Máy vi tính hiện nay với các thế hệ Pentum thế hệ mới có tốc độ xử lý nhanh
hơn, nhiều lệnh. Nếu biết khi thác ứng dụng các máy vi tính trong lĩnh vực công
nghiệp, truyền động điện sẽ tiếp tục nâng cấp được hệ thống truyền động sẵn có ở
nước ta. Trong máy tính có vi xử lý như 80286, 8088…. Việc ứng dụng các vi xử lý
này sẽ tăng tốc độ xử lý tín hiệu gấp 2 lần so với các bộ vi xử lý chuyên dùng khác.
1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng trong công nghiệp
* Họ vi điều khiển AMCC.
* Họ vi điều khiển Atmel.
* Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems.
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 19 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
* Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor.
* Họ vi điều khiển Fujitsu.
* Họ vi điều khiển Intel.
* Họ vi điều khiển Microchip.
* Họ vi điều khiển National Semiconductor.
* Họ vi điều khiển STMicroelectronics.
* Họ vi điều khiển Philips Semiconductors.
Kĩ thuật vi điều khiển có vai trò quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc
sống và khoa học đặc biệt là lĩnh vực tin học và tự động hoá. Qua đó các hãng sản
suất đã cho ra các bộ vi điều khiển với độ phức tạp và độ gọn nhẹ và khả năng xử lí
ngày càng được cải tiến. Với các họ vi điều khiển thông dụng hiện có.
1- Họ vi điều khiển MCS-51
2- Họ vi điều khiển PIC16Cxx
3- Chíp điều khiển thông minh Psoc
1.2.3 Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51 (AT89C52)
AT89C52 là một vi điều khiển 8 bit do ATMEL sản xuất, chế tạo theo công

H.1-4: Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C52
Luận văn thạc sỹ 21 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
Họ MSC-51 có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân
DIP (Dual In-Line Pakage) dạng vỏ dẹt vuông QFP (Quad Flat Pakage) và dạng
chíp không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) và đều có 40 chân cho các
chức năng khác nhau như vào ra I/0, đọc , ghi , địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Tuy nhiên,
vì hầu hết đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP, nên chúng ta cùng khảo sát vi
điều khiển AT89C51 với 40 chân dạng DIP như hình vẽ H.1-5 dưới đây.+ Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển
Nguồn điện cấp là +5V±0.5.
+ Chân GND: Chân số 20 nối GND (hay nối Mass).
Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách
đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805.
+ Port 0 (P0) : Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng
• Chức năng xuất/nhập.
• Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0).
+ Port 1 (P1): Port P1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng
làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác.
+ Port 2 (P2): Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng:
 Chức năng xuất/nhập.
 Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15).
Chuyên ngành tự động hoá
H.1-5: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52
Luận văn thạc sỹ 22 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
+ Port 3 (P3): Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17):
 Chức năng xuất/nhập.
 Mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau.
Bit Tên Chức năng

là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ở chân ALE
dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu
khi kết nối chúng với IC chốt.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi
điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp
cho các phần khác của hệ thống.
Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này.
+ Chân EA : Chân EA dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ
ROM nội hay ROM ngoại.
Khi EA nối với logic 1(+5V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ
bộ nhớ nội.
Khi EA nối với logic 0 (0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ
bộ nhớ ngoại.
1.2.3.4 Tổ chức bộ nhớ
 Khảo sát tổ chức bộ nhớ 8952
AT 89C52 có bộ nhớ được tổ chức theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ
nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu.
Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên trong ; dù vậy
chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ
nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu.
Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM và RAM trên chip bao gồm nhiều thành
phần: Phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và
các thanh ghi chức năng đặc biệt.
Chuyên ngành tự động hoá
Luận văn thạc sỹ 24 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn
FFFF
Bộ nhớ
chương trình
được chọn
qua PSEN\

30 B8 _ _ _ BC BB BA B9 B8 IP
2F 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78
2E 77 76 75 74 73 72 71 70 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3
2D 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68
2C 67 66 65 64 63 62 61 60 A8 AF _ _ AC AB AA A9 A8 IE
2B 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58
2A 57 56 55 54 53 52 51 50 A0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2
29 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48
28 47 46 45 44 43 42 41 40 99 không được địa chỉ hóa bit SBUF
27 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 98 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON
26 37 36 35 34 33 32 31 30
25 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 90 97 96 95 94 93 92 91 90 P1
24 27 26 25 24 23 22 21 20
23 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 8D
không được địa chỉ hóa bit
TH1
22 17 16 15 14 13 12 11 10 8C
không được địa chỉ hóa bit
TH0
21 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 8B
không được địa chỉ hóa bit
TL1
20 07 06 05 04 03 02 01 00 8A
không được địa chỉ hóa bit
TL0
1F BANK 3 89
không được địa chỉ hóa bit
TMOD
18 88 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON
17 BANK 2 87