ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Ngọc Hải

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP
NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC
DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Ngọc Hải

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID GHÉP
NỐI GIỮA MÁY TÍNH VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PSoC
DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ROBOT DI ĐỘNG
Ngành : Công nghệ Điện tử-Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Trần Quang Vinh

Hà Nội - 2008

1.2. Các nguyên tắc điều khiển tự động

4

1.2.1. Nguyên tắc giữ ổn định

4

1.2.2. Nguyên tắc điều khiển theo chương trình

5

1.3. Phân loại hệ thống điều khiển

5

1.4. Mô hình toán học của hệ thống

6

1.4.1. Phương trình vi phân của các hệ thống vật lý

6

1.4.2. Xấp xỉ tuyến tính của các hệ thống vật lý

8

1.4.3. Phép biến đổi Laplace


1.6.2. Hiệu chỉnh trễ pha Leg

14

1.6.3. Hiệu chỉnh trễ-sớm pha Leg-Lead

14

1.6.4. Điều khiển tỷ lệ P

15

1.6.5. Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân PI

15

1.6.6. Điều khiển Tỷ lệ - Vi phân PD

16


1.6.7. Điều khiển Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân PID

16

Chƣơng 2-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

18


2.2.1. Động cơ một chiều điều khiển dòng điện của phần trường

23

2.2.2. Động cơ một chiều điều khiển bởi phần ứng

24

2.3. Điều khiển PID cho động cơ một chiều

26

2.3.1. Bộ điều khiển PID

26

2.3.2. Sơ đồ điều khiển PID

26

2.3.3. Điều khiển mô tơ một chiều theo luật PID

28

Chƣơng 3-XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ỨNG DỤNG CHO
ROBOT DI ĐỘNG
3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ cho robot di động.

31
31

3.2.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ lập mã động cơ
một chiều

39

3.2.4. Thiết kế bộ xác định tốc độ và chiều quay động cơ bằng
các bộ đếm

41

3.2.5. Sơ đồ bộ điều khiển PID điều khiển động cơ.

42

3.2.6. Giải thuật PID điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế

42

3.3. Thiết kế chƣơng trình giao tiếp truyền tham số cho vi điều
khiển để xác định các tham số PID

46

3.3.1. Chương trình truyền tham số điều khiển cho bộ điều khiển PID

46

3.3.2. Truyền nối tiếp không đồng bộ theo chuẩn RS232

47


TÀI LIỆU THAM KHẢO

55

PHỤ LỤC A – Phép biến đổi Laplace

56

PHỤ LỤC B – Các thông số của mô-tơ một chiều

59

PHỤ LỤC C - Mã nguồn các chƣơng trình sử dụng trong luận văn

60


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sơ đồ của hệ thống điều khiển

Hình 1.2.a. Phương pháp bù tác động bên ngoài
Hình 1.2.b. Phương pháp điều khiển theo sai lệch
Hình 1.2.b. Phương pháp hỗn hợp
Hình 1.3.

Hệ thống lò xo – vật cản


Đặc tính logarit của điều khiển PD (K = 1, Td =10)

Hình 1.12.

Đặc tính logarit của điều khiển PID

Hình 2.1.

Một số loại động cơ một chiều trong thực tế

Hình 2.2.

Cấu tạo của động cơ một chiều

Hình 2.3.

Cấu tạo Roto động cơ điện một chiều

Hình 2.4.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 2.5.

Sơ đồ của động cơ một chiều

Hình 2.6.

Mô hình sơ đồ khối của động cơ điều khiển bởi phần trường



Môtơ sử dụng cho robot di động

Hình 3.2.

Sơ đồ hệ thống động cơ cho robot di động

Hình 3.3.

Sơ đồ mạch cầu H điều khiển motor

Hình 3.4.

Vi mạch L289N

Hình 3.5.

Nối song song hai mạch cầu H của vi mạch L289N

Hình 3.6.

Mạch bảo vệ cho vi mạch L289N

Hình 3.7.

Mạch nguyên lý điều khiển động cơ

Hình 3.8.

Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển PsoC


Rời rạc hóa quá trình tính toán PID

Hình 3.17.

Lưu đồ chương trình nạp cho vi điều khiển để điều khiển động cơ
robot di động

Hình 3.18.

Giao diện chương trình giao tiếp với PSoC

Hình 4.1.

Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều có giao tiếp với
máy tính

Hình 4.2.

Mạch điều khiển PID

Hình 4.3.

Sự phụ thuộc của tốc độ mô-tơ vào tín hiêu PWM

Hình 4.4.

Điều khiển P với vận tốc đặt 720 vòng/phút



robot di động tự quản trị có thể dùng cho các nhiệm vụ thám hiểm đại dương,
không gian… hoặc ở những nơi nguy hiểm, độc hại để thay thế cho con người.
Một robot di động tự quản trị thường bao gồm: các hệ thống cảm biến để thu thập
thông tin về môi trường xung quanh, một bộ điều khiển trung tâm dùng cho việc
hoạch định hoạt động của robot và một cơ cấu chấp hành, đó là bộ phận giúp robot
có thể di chuyển hoặc thao tác trong môi trường mà nó hoạt động, cụ thể ở đây
thường là các hệ thống mô-tơ, được điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển trung
tâm.
Điều khiển chuyển động của robot tự quản trị rất quan trọng vì nó quyết định
robot có thực hiện đúng được chiến lược hoạch định của robot nhằm đạt đến được
mục tiêu hay không, và công việc chính của điều khiển hoạt động của robot chính
là điều khiển hệ thống môtơ tạo ra các chuyển động của robot.
Việc điều khiển chuyển động của robot gặp phải nhiều trở ngại như: các cơ
cấu cơ khí khó có thể được chế tạo hoàn toàn chính xác và đối xứng, bề mặt các
môi trường chuyển động có độ ma sát khác nhau, sai số sinh ra trong quá trình
điều khiển… dẫn đến tốc độ của các môtơ khó ổn định và đồng nhất. Những trở


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đoàn Hữu Chức (2007), Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID điều khiển
mạch điện, tr. 38-56, Luận văn Thạc sĩ khoa học Công nghệ Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Lê Vũ Hà (2006), Kỹ thuật điều khiển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà
Nội.
3. Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều
khiển tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
4. Ngô Diên Tập (2004), Đo lường và Điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội.
5. Ngô Diên Tập (2005), Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Khoa học và Kỹ