Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp phát triển nhanh chóng, việc giám sát và điều khiển chính xác tốc độ các hệ truyền động điện xoay chiều (AC) là yêu cầu kỹ thuật nền tảng nhằm đảm bảo dây chuyền vận hành đúng tiến độ và hạn chế sai lỗi sản phẩm. Các hệ thống máy móc, băng tải trong các nhà máy và cơ sở sản xuất vừa và nhỏ đòi hỏi cơ chế theo dõi phản hồi liên tục về tốc độ để phát hiện sớm các bất thường cơ - điện.

Từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Giám sát và điều khiển động cơ AC" được thực hiện nhằm nghiên cứu giải pháp điều khiển công suất động cơ AC thông qua phương pháp kích dẫn bán dẫn đồng bộ pha lưới điện (dò điểm 0), kết hợp thuật toán điều khiển tự động PID và giao diện giám sát trên máy tính.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nắm vững phương pháp lập trình trên nền tảng vi điều khiển Arduino, xây dựng giải pháp điều khiển điện áp/tốc độ động cơ xoay chiều và ứng dụng thuật toán PID để ổn định tốc độ quay khi có dao động tải.
  2. Thiết kế và lập trình giao diện người - máy (HMI) trên máy tính bằng ngôn ngữ C# để thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển hệ thống theo thời gian thực.
  3. Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình phần cứng băng tải mini tích hợp hệ thống đo lường và hiển thị.
  4. Rèn luyện và nâng cao kỹ năng tra cứu tài liệu kỹ thuật, phân tích datasheet linh kiện và thiết kế mạch điện tử.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định qua các bước kỹ thuật:

  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và kiến trúc hệ thống.
  • Thử nghiệm, kiểm chứng từng khối mạch trên testboard.
  • Thiết kế mạch in (PCB) trên phần mềm Altium Designer.
  • Lập trình nhúng điều khiển và thiết kế phần mềm giao diện máy tính.
  • Gia công mạch in, hàn lắp linh kiện, đóng hộp cơ - điện cho sản phẩm.
  • Thử nghiệm đo đạc thực nghiệm và hoàn thiện báo cáo khoa học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kit vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328), phương pháp điều khiển góc kích Triac dựa trên phát hiện điểm qua không (Zero-Crossing Detection) của điện áp xoay chiều 220V, thuật toán ổn định tốc độ PID và cảm biến quang điện encoder đếm xung vòng quay.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở mô hình điều khiển động cơ điện xoay chiều công suất nhỏ (300W), băng tải mô hình kích thước nhỏ (1 x 0.x m), hiển thị dữ liệu cục bộ qua LCD 16x2 (giao tiếp I2C) và truyền thông nối tiếp UART/COM lên máy tính với giao diện xây dựng trên Microsoft Visual Studio (C#).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình điều khiển

Đề tài vận dụng các nguyên lý kỹ thuật điện tử, điện tử công suất và điều khiển học cổ điển:

  • Nguyên lý điều khiển điện áp xoay chiều bằng Triac: Phương pháp điều khiển pha (Phase Angle Control) dựa trên việc khóa van bán dẫn Triac tại thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0 và mở van tại một góc kích trễ $\alpha$ xác định trong mỗi nửa chu kỳ sóng sin ($10\text{ ms}$ tại tần số $50\text{ Hz}$). Khi góc kích $\alpha$ thay đổi, trị số hiệu dụng của điện áp cấp cho stator động cơ thay đổi, từ đó điều chỉnh tốc độ quay.
  • Giải thuật điều khiển hồi tiếp PID: Bộ điều khiển tiếp nhận sai số $e(t)$ giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế từ cảm biến để tính toán đại lượng tác động $F(t)$: $$F(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó, thành phần $K_p$ (tỉ lệ) tạo đáp ứng nhanh; $K_d$ (đạo hàm) tạo lực hãm khử độ vọt lố (overshoot); $K_i$ (tích phân) triệt tiêu sai số xác lập (steady-state error). Thuật toán được rời rạc hóa để thực thi trong vi điều khiển theo phương trình sai phân: $$\alpha = 2 \cdot T \cdot K_p + K_i \cdot T^2 + 2 \cdot K_d$$ $$\beta = T^2 \cdot K_i - 4 \cdot K_d - 2 \cdot T \cdot K_p$$ $$\gamma = 2 \cdot K_d$$ $$\text{Output} = \frac{\alpha \cdot E + \beta \cdot E_1 + \gamma \cdot E_2 + 2 \cdot T \cdot \text{LastOutput}}{2 \cdot T}$$ (với $T$ là chu kỳ lấy mẫu, $E, E_1, E_2$ là các giá trị sai số hiện tại và quá khứ).
  • Nguyên lý đo tốc độ bằng cảm biến xung quay (Rotary Encoder): Tốc độ động cơ (vòng/phút - rpm) được tính toán từ số xung đếm được trong khoảng thời gian lấy mẫu $T$: $$\text{Tốc độ (v/p)} = \frac{\text{Số xung đếm được}}{\text{Độ phân giải encoder}} \times \frac{1}{T} \times 60$$

Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích, mô phỏng đo kiểm thực nghiệm và chế tạo mẫu thử nghiệm:

  • Phương pháp đo kiểm - phân tích dạng sóng: Sử dụng máy hiện sóng (Oscilloscope) để quan sát, so sánh và đánh giá chất lượng xung kích ngõ ra của các mạch dò điểm 0 sử dụng IC thuật toán khuếch đại thuật toán (Op-amp $\mu\text{A}741$) và mạch sử dụng cách ly quang (Optocoupler 4N35).
  • Phần mềm thiết kế và lập trình:
    • Altium Designer: Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in (PCB) cho các khối điều khiển, công suất và cách ly.
    • Arduino IDE: Biên dịch và nạp mã nguồn C/C++ (Wiring) cho chip vi điều khiển ATmega328.
    • Microsoft Visual Studio: Lập trình ứng dụng Windows Forms bằng ngôn ngữ C# để tạo giao diện giám sát, xử lý đồ thị và quản lý cổng truyền thông nối tiếp.
  • Chuẩn truyền thông: Giao thức I2C (sử dụng 2 đường tín hiệu SDA, SCL với trở kéo pull-up $1\text{ k}\Omega - 4.7\text{ k}\Omega$) kết nối giữa Arduino và LCD 16x2; chuẩn truyền thông nối tiếp RS-232/UART qua giao tiếp USB-to-COM kết nối vi điều khiển với máy tính.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Tên khối Thành phần linh kiện chính Chức năng kỹ thuật
Khối nguồn Nguồn USB 5V-500mA, nguồn AC 220V/50Hz Cung cấp điện áp DC 5V cho vi điều khiển, cảm biến, LCD; cấp nguồn lực AC 220V cho động cơ qua mạch công suất.
Khối vi điều khiển Kit Arduino Uno R3 (ATmega328, 16 MHz) Đọc tín hiệu ngắt từ mạch dò điểm 0, tiếp nhận xung từ encoder, tính toán giải thuật PID và điều khiển góc mở Triac.
Khối cảm biến Encoder quang điện tử 600 xung/vòng (DC 5–24V) Gắn trực tiếp vào trục động cơ để đếm số xung 2 pha A-B, truyền tín hiệu số về Arduino tính toán vận tốc.
Khối dò điểm 0 Cầu Diode, Optocoupler 4N35, điện trở hạ áp Nhận diện thời điểm điện áp xoay chiều đi qua mức 0V và tạo xung ngắt chu kỳ 10ms gửi đến chân ngắt ngoài của vi điều khiển.
Khối công suất & cách ly Opto Triac MOC3021, Triac BTA41-800B Cách ly an toàn giữa khối điều khiển 5V và điện áp lưới 220V; thực hiện đóng cắt mạch tải theo tín hiệu xung kích.
Khối hiển thị & giám sát LCD 16x2 (I2C), Phần mềm C# Visual Studio Hiển thị giá trị tốc độ đặt và tốc độ thực tế tại chỗ; truyền dữ liệu lên máy tính để vẽ đồ thị và giám sát vận hành.

Tính toán, lựa chọn linh kiện và mạch công suất

  1. Khối cảm biến tốc độ: Tác giả khảo sát giữa loại cảm biến đĩa đục lỗ mica 20 xung kết hợp motor V1 và loại Encoder công nghiệp 600 xung/vòng 2 pha AB. Encoder 600 xung được lựa chọn nhờ dải điện áp rộng (5–24V DC), tần số đáp ứng đạt $20\text{ kHz}$, tốc độ cơ khí cho phép đến $6000\text{ rpm}$, độ phân giải cao và khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường công nghiệp.
  2. Khối công suất Triac: Động cơ truyền động có công suất tiêu thụ định mức $P = 300\text{ W}$ ($0.3\text{ kW}$), sử dụng nguồn $U = 220\text{ V}$, dòng điện danh định $I = \frac{P}{U} = \frac{300}{220} \approx 1.36\text{ A}$. Để đảm bảo độ bền nhiệt và khả năng chịu dòng khởi động cảm kháng lớn, Triac BTA41-800B ($I_{\text{RMS}} = 40\text{ A}$, $V_{\text{DRM}} = 800\text{ V}$, dòng kích $I_{\text{GT}} = 50\text{ mA}$) được chọn thay vì BTA16 ($16\text{ A}$). Một điện trở $100\ \Omega$ được bố trí nối tiếp chân G của Triac để tạo chênh lệch áp kích mở an toàn.
  3. Mạch cách ly kích dẫn: Sử dụng Opto-Triac MOC3021 với thông số cách ly cao ($V_{\text{DRM}} = 400\text{ V}$, dòng ngõ vào $I_F = 60\text{ mA}$, dòng ngõ ra $I_o = 1\text{ A}$) nhằm bảo vệ an toàn tuyệt đối cho vi điều khiển khỏi các xung quá áp từ lưới điện xoay chiều.

Khảo sát thực nghiệm mạch phát hiện điểm qua không (Zero-Crossing)

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm song song hai phương án mạch dò điểm 0 và ghi nhận dạng sóng trên máy hiện sóng:

  • Phương án dùng Op-amp $\mu\text{A}741$: Mạch so sánh cho ra dạng sóng xung vuông nhưng sườn xung còn độ trễ, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đường nguồn.
  • Phương án dùng Opto 4N35 kết hợp cầu diode chỉnh lưu: Cho dạng sóng xung điện áp tại điểm 0 có độ dốc đứng, xung hẹp, rõ ràng và chu kỳ đồng bộ chính xác $10\text{ ms}$ (tần số $100\text{ Hz}$ sau khi chỉnh lưu toàn kỳ). Tác giả đã quyết định lựa chọn mạch dùng Opto 4N35 làm giải pháp chính thức cho hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 : Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các hệ thống tự động hóa, giám sát và điều khiển thiết bị thông minh. Tác giả phân tích nhu cầu ứng dụng thực tế của việc giám sát tốc độ động cơ trong các nhà máy, xí nghiệp nhằm duy trì tính ổn định của dây chuyền sản xuất và giảm thiểu sự cố. Chương này xác định rõ mục tiêu đề tài, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, các giới hạn kỹ thuật phần cứng (động cơ AC 220V/300W, mô hình băng tải nhỏ, màn hình LCD, giao diện C#) và tóm tắt cấu trúc 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và thông số chi tiết của các phần tử tham gia vào hệ thống:

  • Kit vi điều khiển Arduino Uno R3: Vi điều khiển ATmega328 8-bit, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 32KB, SRAM 2KB, EEPROM 1KB, 14 chân I/O số (6 chân PWM), 6 chân ngõ vào tương tự (ADC 10-bit).
  • Môi trường phần mềm: Hướng dẫn quy trình biên dịch và nạp mã nguồn trên Arduino IDE; giới thiệu kiến trúc nền tảng Microsoft Visual Studio trong việc xây dựng ứng dụng Windows Forms.
  • Chuẩn giao tiếp I2C: Cơ chế định địa chỉ, cấu trúc khung truyền dữ liệu và vai trò của các điện trở kéo trên hai đường dây SDA và SCL.
  • Giải thuật điều khiển PID: Phân tích chi tiết tác động của từng thành phần $K_p, K_i, K_d$ lên thời gian đáp ứng, độ vọt lố và sai số xác lập, kèm theo nguyên lý cân chỉnh hệ số thực nghiệm (Gain Tuning).
  • Chi tiết linh kiện điện tử: Cấu tạo, sơ đồ chân, nguyên lý đóng cắt và thông số kỹ thuật của Encoder quang 600 xung, Triac BTA41-800B, Opto MOC3021, Diode cầu chỉnh lưu, màn hình LCD 16x2 (bảng định nghĩa 16 chân chức năng), điện trở (bảng mã màu quốc tế) và máy điện không đồng bộ xoay chiều.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế chi tiết:

  • Sơ đồ khối và nguyên lý vận hành: Phân định chức năng từng khối và luồng tín hiệu khép kín từ cảm biến $\rightarrow$ Arduino $\rightarrow$ tính toán PID $\rightarrow$ kích mở Triac $\rightarrow$ động cơ $\rightarrow$ phản hồi tốc độ.
  • Tính toán cơ điện: Xác định công suất động cơ yêu cầu ($P_{\text{dc}} \approx 300\text{ W}$) dựa trên thông số tải băng tải, tính chọn Triac BTA41 và điện trở kích chân G.
  • Đo kiểm thực nghiệm mạch dò điểm 0: Trình bày kết quả đo dạng sóng trên Oscilloscope, so sánh giữa Op-amp $\mu\text{A}741$ và Opto 4N35.
  • Thiết kế phần mềm giao diện máy tính (C#): Xây dựng form kết nối cổng COM (tùy chọn Baud Rate, Connect/Disconnect) và vùng hiển thị dữ liệu giám sát tốc độ động cơ trực quan.
  • Lưu đồ thuật toán: Trình bày lưu đồ xử lý chương trình chính, lưu đồ ngắt Timer điều khiển góc kích Triac/PWM và giải thuật số tính toán giá trị ngõ ra PID dựa trên phương trình sai phân.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình phần cứng:

  • Thi công bo mạch: Thiết kế và gia công mạch in cho module mạch dò điểm 0, mạch kích On/Off công suất và shield kết nối mở rộng chân tín hiệu cho Arduino Uno.
  • Lắp ráp và liên kết hệ thống: Hàn nối các khối mạch, đấu nối dây tín hiệu từ Encoder 600 xung về vi điều khiển, kết nối mạch công suất với nguồn AC 220V và động cơ.
  • Thi công cơ khí băng tải: Lắp đặt mô hình khung băng tải mini, gắn động cơ truyền động trục con lăn, cố định cảm biến encoder vào trục quay và lắp đặt màn hình hiển thị LCD 16x2.

Chương 5: Kết quả và nhận xét

Chương 5 tổng hợp các kết quả thực nghiệm thu được sau khi vận hành toàn bộ hệ thống:

  • Hệ thống nhận diện chuẩn xác điểm qua không của sóng sin lưới điện và thực hiện kích mở Triac ổn định.
  • Tốc độ động cơ được đo đạc liên tục qua encoder 600 xung và hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD 16x2 gắn tại mô hình.
  • Ứng dụng C# trên máy tính kết nối thông suốt qua cổng COM, hiển thị đồng bộ giá trị tốc độ đặt và tốc độ phản hồi thực tế, hỗ trợ người vận hành giám sát trạng thái làm việc theo thời gian thực.
  • Thuật toán PID kiểm soát tốt tốc độ quay, đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ đặt và bù tải khi hệ thống băng tải hoạt động.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng điều khiển và công suất:
    • Xây dựng thành công mạch phát hiện điểm qua không sử dụng Opto 4N35, cho xung kích ngõ ra đồng bộ chu kỳ $10\text{ ms}$ tại tần số lưới $50\text{ Hz}$.
    • Thiết kế mạch công suất Triac BTA41-800B có cách ly quang MOC3021, đóng cắt an toàn cho động cơ AC 220V công suất 300W.
    • Hoàn thiện module shield kết nối Arduino Uno R3, tích hợp giao tiếp I2C cho màn hình LCD 16x2 và cổng giao tiếp Encoder 600 xung 2 pha AB.
  2. Triển khai thành công giải thuật điều khiển và phần mềm:
    • Số hóa và thực thi giải thuật PID trên vi điều khiển ATmega328, duy trì ổn định tốc độ vòng quay theo giá trị đặt.
    • Xây dựng phần mềm giám sát trên máy tính bằng C# (Visual Studio), giao tiếp ổn định qua giao thức UART nối tiếp (cổng COM), cung cấp giao diện trực quan hiển thị tốc độ và trạng thái kết nối.
  3. Hiện thực hóa mô hình cơ - điện:
    • Hoàn thiện mô hình băng tải mini tích hợp động cơ, cảm biến góc quay encoder và hộp mạch điều khiển vận hành đồng bộ.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Cung cấp giải pháp thực tế, chi phí thấp trong việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha bằng linh kiện bán dẫn (Triac) kết hợp vi điều khiển thông dụng (Arduino).
  • Đưa ra dữ liệu so sánh thực nghiệm trực quan trên máy hiện sóng giữa hai cấu hình mạch dò điểm 0 (dùng Op-amp và dùng Opto), làm cơ sở lựa chọn phương án mạch tối ưu cho các thiết kế điện tử công suất tương tự.
  • Kết hợp hoàn chỉnh giữa điều khiển nhúng thời gian thực tại tầng chấp hành và giao diện giám sát cấp trên (HMI trên PC qua C#).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Phạm vi công suất và loại tải: Hệ thống mới thử nghiệm trên động cơ AC 1 pha công suất nhỏ (300W) và mô hình băng tải kích thước thu nhỏ, chưa thử nghiệm trên các hệ thống truyền động công nghiệp công suất lớn hoặc động cơ 3 pha.
  • Phương pháp điều khiển: Điều khiển góc kích Triac làm biến dạng dạng sóng dòng điện và điện áp cấp vào động cơ, có thể gây phát sinh sóng hài bậc cao và tổn hao nhiệt trên cuộn dây khi vận hành ở tốc độ thấp trong thời gian dài.
  • Truyền thông giám sát: Kết nối giữa máy tính và khối điều khiển vẫn sử dụng dây cáp nối tiếp qua cổng COM/USB, chưa tích hợp các chuẩn truyền thông công nghiệp (RS-485/Modbus) hoặc truyền thông không dây (Wi-Fi, Bluetooth).

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu ứng dụng biến tần (Inverter) sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) hoặc SPWM với van đóng cắt IGBT để điều khiển tốc độ động cơ AC mượt mà hơn và nâng cao hiệu suất năng lượng.
  • Nâng cấp phần mềm giám sát trên máy tính thành hệ thống SCADA hoàn chỉnh, bổ sung tính năng lưu trữ dữ liệu lịch sử vận hành vào cơ sở dữ liệu (SQL) và xuất báo cáo tự động.
  • Tích hợp module truyền thông công nghiệp không dây để giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet (IoT).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học (Điện tử công suất, Vi xử lý, Hệ thống nhúng) hoặc đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung tham khảo giá trị nhất:
    1. Sơ đồ mạch nguyên lý và thiết kế mạch dò điểm 0 dùng Opto 4N35: Hướng dẫn cách tạo xung ngắt đồng bộ pha điện áp lưới chính xác cho vi điều khiển.
    2. Mạch công suất cách ly dùng MOC3021 và Triac BTA41: Cung cấp thiết kế chuẩn về mạch kích van bán dẫn xoay chiều có bảo vệ cách ly.
    3. Mã nguồn và lưu đồ giải thuật PID số rời rạc: Tài liệu mẫu rõ ràng về cách chuyển đổi phương trình vi tích phân PID sang giải thuật đại số chạy trên nền vi điều khiển 8-bit.
    4. Phương pháp lập trình giao diện giám sát C# kết nối Arduino qua Serial: Hướng dẫn thiết thực về xử lý chuỗi truyền thông nối tiếp và vẽ giao diện hiển thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại chọn Triac BTA41-800B trong khi dòng làm việc của động cơ 300W chỉ khoảng 1.36A?
Động cơ điện là loại tải mang tính cảm kháng lớn, có dòng điện khởi động gấp nhiều lần dòng định mức và sinh ra nhiệt lượng đáng kể trong quá trình hoạt động liên tục. Mặc dù Triac BTA16 ($16\text{ A}$) đủ khả năng chịu tải trên lý thuyết, tác giả chọn BTA41 ($40\text{ A}$, $800\text{ V}$) nhằm đảm bảo hệ số dự phòng an toàn cao, tăng độ bền cơ - nhiệt và nâng cao khả năng chịu đựng xung dòng/xung áp đột biến.

2. Giữa mạch dò điểm 0 dùng Op-amp $\mu\text{A}741$ và dùng Opto 4N35, kết quả đo thực nghiệm trên máy hiện sóng khác nhau như thế nào?
Kết quả đo thực tế trên máy hiện sóng cho thấy dạng sóng ngõ ra của mạch dùng Opto 4N35 có sườn xung rõ ràng, dốc đứng, ít nhiễu và bám sát chu kỳ $10\text{ ms}$ (chu kỳ nửa sóng sin của lưới điện $50\text{ Hz}$ sau chỉnh lưu) hơn hẳn so với mạch dùng Op-amp $\mu\text{A}741$. Do đó, mạch dùng Opto 4N35 được chọn để đưa tín hiệu ngắt về Arduino.

3. Công thức tính tốc độ động cơ từ cảm biến Encoder 600 xung trong đồ án được xác định như thế nào?
Tốc độ động cơ (tính theo đơn vị vòng/phút - rpm) được tính theo công thức: $$\text{Tốc độ} = \frac{\text{Số xung đếm được}}{\text{Độ phân giải encoder}} \times \frac{1}{T} \times 60$$ Trong đó độ phân giải encoder là $600\text{ xung/vòng}$ và $T$ là khoảng thời gian lấy mẫu (tính bằng giây).

4. Giải thuật PID trong đồ án tính toán giá trị ngõ ra (Output) điều khiển theo phương trình sai phân nào?
Trong lưu đồ thuật toán tại Chương 3, giá trị ngõ ra được tính bằng công thức: $$\text{Output} = \frac{\alpha \cdot E + \beta \cdot E_1 + \gamma \cdot E_2 + 2 \cdot T \cdot \text{LastOutput}}{2 \cdot T}$$ Với các hệ số phụ thuộc vào chu kỳ lấy mẫu $T$ và bộ tham số $K_p, K_i, K_d$:

  • $\alpha = 2 \cdot T \cdot K_p + K_i \cdot T^2 + 2 \cdot K_d$
  • $\beta = T^2 \cdot K_i - 4 \cdot K_d - 2 \cdot T \cdot K_p$
  • $\gamma = 2 \cdot K_d$

5. Giao diện máy tính của hệ thống được xây dựng bằng công cụ nào và đảm nhiệm các chức năng gì?
Giao diện máy tính được xây dựng bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng Microsoft Visual Studio. Ứng dụng cung cấp các chức năng: lựa chọn cổng COM và tốc độ Baud Rate để kết nối/ngắt kết nối với Arduino Uno, tiếp nhận dữ liệu chuỗi từ vi điều khiển và hiển thị trực quan thông số tốc độ đặt cùng tốc độ thực tế của động cơ theo thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và điều khiển động cơ AC" của sinh viên Hồ Đan Nguyên đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 220V/300W ứng dụng thuật toán PID. Hệ thống kết hợp đồng bộ giữa mạch phát hiện điểm qua không dùng Opto 4N35, khối công suất Triac BTA41 cách ly quang MOC3021, vi điều khiển Arduino Uno R3 và cảm biến phản hồi Encoder 600 xung. Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình vận hành ổn định trên băng tải mini, hiển thị dữ liệu tin cậy tại chỗ qua LCD I2C và truyền thông đồng bộ lên giao diện giám sát C# trên máy tính.