Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo là một lĩnh vực quan trọng trong… 57 trang · Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng · 2022.

• Tác giả: Trịnh Đình Hảo
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC SERVO
• 1.1. Cấu Tạo Động Cơ DC SERVO
• 1.2. Nguyên Lý Điều Khiển Động Cơ DC SERVO
• 1.3. Tổng Quan Về Vi Điều Khiển AVR
• 2. Vi Điều Khiển AVR
• 2.1. Giới Thiệu Về AVR
• 2.2. Một Số Chíp AVR Thông Dụng
• 2.3. Cấu Hình Chân (Pin Configurations)
• 2.4. Đặc Tính Của Atmega32
• 2.5. Cấu Trúc Bộ Nhớ
• 2.6. Cổng Vào Ra
• 2.7. Bộ Định Thời
• 2.8. Mô Tả Các Thanh Ghi
• 2.9. Giao Tiếp Với I2C
• 2.10. Mạch Nạp Cho AVR
• 3. CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG CÁCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG PWM
• 3.1. Nguyên Lý Điều Xung PWM
• 3.2. Thuật Toán PID
• 3.3. Khái Quát Về Bộ Điều Khiển PID
• 3.4. Phương Pháp Ziegler-Nichols
• 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI CHO ĐỘNG CƠ DC SERVO
• 4.1. Thuật Toán Điều Khiển
• 4.2. Phương Trình Toán Học Bộ PID
• 4.3. Sơ Đồ Khối Mạch Điều Khiển
• 4.4. Tính Chọn Hệ Số Kp, KI
• 4.5. Code Cho Vi Diều Khiển
• 5. KẾT LUẬN
• 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tự động công nghiệp. Động cơ DC Servo được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và khả năng điều khiển linh hoạt. Việc thiết kế bộ điều khiển không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh chính của việc thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho động cơ DC Servo.

1.1. Ứng Dụng Của Động Cơ DC Servo Trong Công Nghiệp

Động cơ DC Servo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như robot, máy CNC, và hệ thống tự động hóa. Chúng cung cấp khả năng điều khiển chính xác về vị trí và tốc độ, giúp nâng cao hiệu suất làm việc.

1.2. Lợi Ích Của Việc Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho động cơ DC Servo mang lại nhiều lợi ích như cải thiện độ chính xác, giảm thiểu sai số và tăng cường khả năng phản hồi của hệ thống. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm năng lượng.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Mặc dù động cơ DC Servo có nhiều ưu điểm, nhưng việc thiết kế bộ điều khiển cho chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ trễ trong phản hồi, nhiễu tín hiệu và sai số trong quá trình điều khiển cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Độ Trễ Trong Hệ Thống Điều Khiển

Độ trễ trong hệ thống điều khiển có thể gây ra sự không ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ. Việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển là cần thiết để giảm thiểu độ trễ này.

2.2. Nhiễu Tín Hiệu Và Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất

Nhiễu tín hiệu từ môi trường có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ điều khiển. Cần áp dụng các phương pháp lọc tín hiệu để cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Có nhiều phương pháp khác nhau để thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho động cơ DC Servo. Các phương pháp này bao gồm điều khiển PID, điều khiển PWM và các thuật toán điều khiển thông minh. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

3.1. Điều Khiển PID Nguyên Lý Và Ứng Dụng

Điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển động cơ. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều chỉnh ba tham số: tỷ lệ, tích phân và vi phân để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.2. Điều Khiển PWM Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Điều khiển PWM cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi độ rộng xung. Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu nhiệt độ phát sinh trong quá trình hoạt động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa sản xuất, robot công nghiệp và hệ thống điều khiển từ xa. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện độ chính xác trong quá trình hoạt động.

4.1. Ứng Dụng Trong Robot Công Nghiệp

Trong robot công nghiệp, bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo giúp điều chỉnh chính xác vị trí và tốc độ của các bộ phận, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót.

4.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Tự Động Hóa

Hệ thống tự động hóa sử dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo để điều chỉnh quy trình sản xuất, từ đó tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu chi phí.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tự động công nghiệp. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Trong Ngành

Ngành điện tự động công nghiệp đang hướng tới việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển.

5.2. Tương Lai Của Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ DC Servo

Tương lai của bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo sẽ tiếp tục phát triển với các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật điều khiển tự động và truyền động điện, động cơ điện một chiều (DC) truyền thống và động cơ bước thường hoạt động theo cơ chế hồi tiếp vòng hở; hệ thống cấp nguồn để động cơ chuyển động nhưng không tự động xác định được vận tốc thực tế hay góc quay chính xác khi chịu tác động của tải trọng và các yếu tố cản trở cơ học. Để giải quyết triệt để vấn đề này, động cơ DC Servo được phát triển cho các cấu trúc điều khiển hồi tiếp vòng kín (closed-loop control system). Thông qua cơ cấu cảm biến phản hồi (như encoder quang hoặc tachometer), tín hiệu vận tốc và vị trí thực tế của trục động cơ liên tục được gửi về bộ xử lý trung tâm để so sánh với giá trị đặt, từ đó tự động tính toán tín hiệu điều chỉnh sai lệch nhằm duy trì độ chính xác cao. Động cơ DC Servo hiện diện rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp như máy tiện điều khiển bằng máy tính (máy công cụ CNC) cũng như các thiết bị mô hình tự hành.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự Động Công Nghiệp của tác giả Trịnh Đình Hảo (Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, hoàn thành năm 2022 dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Anh Dũng) tập trung vào việc thiết kế và hiện thực hóa bộ điều khiển tốc độ vòng kín cho động cơ DC Servo. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Khảo sát cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động của động cơ DC Servo và cơ chế phản hồi tín hiệu của bộ mã hóa vòng quay quang học (Optical Encoder).
2. Nghiên cứu cấu trúc kiến trúc phần cứng, tập lệnh, hệ thống thanh ghi ngoại vi và các chế độ ngắt của họ vi điều khiển AVR (trọng tâm là vi điều khiển ATmega32 và ATmega8).
3. Phân tích lý thuyết điều chế độ rộng xung (PWM) và thuật toán điều khiển PID kinh điển; nghiên cứu phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols nhằm tính toán các hệ số điều khiển.
4. Thiết kế phần cứng mạch công suất cầu H sử dụng linh kiện bán dẫn MOSFET, xây dựng sơ đồ khối ghép nối hệ thống và số hóa thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) trên vi điều khiển AVR.
5. Xây dựng giao thức truyền thông nối tiếp USART kết nối vi điều khiển với máy tính cá nhân (PC) để thiết lập vận tốc đặt, nhận diện chiều quay và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC Servo có gắn bộ mã hóa vòng quay quang học hồi tiếp xung. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc xây dựng mạch điều khiển số trên nền tảng vi điều khiển họ AVR, giải thuật điều khiển PI số hóa điều chế xung PWM đơn kênh kết hợp đảo chiều qua cầu H bán dẫn, và thử nghiệm giao tiếp điều khiển thời gian thực qua cổng nối tiếp trong khoảng thời gian từ tháng 6 năm 2022 đến tháng 9 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng khung lý thuyết điều khiển tự động tuyến tính kinh điển và nguyên lý kỹ thuật số vi xử lý nhúng:

• Mô hình toán học bộ điều khiển PID: Tín hiệu điều khiển $u(t)$ trong miền thời gian liên tục được mô tả theo sai lệch $e(t)$ giữa giá trị đặt $w(t)$ và giá trị hồi tiếp $y(t)$: $$u(t) = K_p \left[ e(t) + \frac{1}{T_I} \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + T_D \frac{de(t)}{dt} \right]$$ Hàm truyền đạt tương đương trong miền tần số phức $s$ là $R(s) = K_p \left(1 + \frac{1}{T_I s} + T_D s\right)$, trong đó $K_p$ là hệ số khuếch đại tỉ lệ, $T_I$ là hằng số thời gian tích phân, và $T_D$ là hằng số thời gian vi phân.
• Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM): Điện áp hiệu dụng trung bình $U_t$ cấp cho phần ứng động cơ biến thiên tuyến tính theo chu kỳ đóng/mở $t = t_{on} + t_{off}$ với tỉ lệ điều biến $%$ duty: $U_t = U_{max} \cdot % duty$.
• Nguyên lý cảm biến vị trí quang học: Cảm biến Incremental Optical Encoder sử dụng nguồn phát hồng ngoại, cảm biến quang và đĩa chia rãnh để tạo ra các xung vuông. Cặp kênh A và B bố trí lệch pha không gian $90^\circ$ (lệch $M + 0.5$ rãnh) cho phép mạch logic xác định cả góc quay (thông qua số lượng xung) lẫn chiều quay (thông qua mức logic của kênh B tại sườn xuống của xung kênh A); kênh I (Index) tạo 1 xung duy nhất sau mỗi vòng quay hoàn chỉnh để định vị điểm gốc.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết, giải thuật số hóa rời rạc và phương pháp thực nghiệm công nghiệp:

• Phương pháp số hóa giải thuật: Chuyển đổi phương trình vi tích phân liên tục sang dạng sai phân số rời rạc bằng cách xấp xỉ tích phân theo tổng sai lệch rời rạc $\sum e(i) \cdot \Delta t$ trong chu kỳ lấy mẫu $\Delta t$.
• Phương pháp xác định tham số Ziegler-Nichols thứ hai: Thay thế bộ điều khiển kín bằng khâu khuếch đại thuần túy, nâng dần độ lợi đến giá trị khuếch đại tới hạn $K_{gh}$ ($K_{tn}$) để hệ thống đạt trạng thái dao động điều hòa tự duy trì ở biên giới ổn định với chu kỳ $T_{gh}$ ($T_{th}$), từ đó tra cứu các bảng tham số chuẩn để chọn $K_p$ và $T_I$.
• Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Tín hiệu xung phản hồi từ Encoder quang độ phân giải 100 xung/vòng được thu thập trực tiếp thông qua chân ngắt ngoài INT0 của vi điều khiển, cùng tập lệnh nhị phân 24-bit truyền nhận thời gian thực qua giao diện USART từ phần mềm máy tính.

Tham số bộ điều khiển	Khâu tỉ lệ ($K_p$)	Hằng số tích phân ($T_I$)	Hằng số vi phân ($T_D$)
P	$0{,}5 \cdot K_{gh}$	—	—
PI	$0{,}45 \cdot K_{gh}$	$0{,}85 \cdot T_{gh}$	—
PID	$0{,}6 \cdot K_{gh}$	$0{,}5 \cdot T_{gh}$	$0{,}125 \cdot T_{gh}$

Thiết kế và triển khai

Cấu trúc phần cứng tổng thể của hệ thống điều khiển được phân chia thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

1. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển AVR (ATmega8/ATmega32) vận hành với bộ dao động thạch anh ngoài tần số 8 MHz. Khối này thực hiện nhiệm vụ thu thập xung encoder, tính toán giải thuật PI và phát xung PWM điều khiển.
2. Khối công suất cầu H: Chế tạo bằng 4 khóa điện tử công suất MOSFET gồm cặp kênh P (IRF9540) và kênh N (IRF540), khắc phục hạn chế sụt áp bão hòa lớn của Transistor lưỡng cực (BJT) và tốc độ đóng cắt cơ học chậm của Rơ-le (Relay).
3. Khối cảm biến tốc độ: Sử dụng Encoder quang tương đối 100 xung/vòng gắn đồng trục động cơ, đưa tín hiệu kênh A về ngắt ngoài INT0 của vi điều khiển để đo chu kỳ và đếm xung.
4. Khối truyền thông và giao diện PC: Sử dụng chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ USART để kết nối với máy tính, hỗ trợ nạp chương trình trực tiếp trong hệ thống (In-System Programming - ISP) qua giao tiếp SPI/mạch nạp STK200.

Khóa $L_1$	Khóa $L_2$	Khóa $R_1$	Khóa $R_2$	Chiều dòng điện qua động cơ	Trạng thái hoạt động
Đóng	Mở	Mở	Đóng	Từ cực A sang cực B	Động cơ quay chiều thuận
Mở	Đóng	Đóng	Mở	Từ cực B sang cực A	Động cơ quay chiều ngược (đảo chiều)
Đóng	Đóng	X	X	Nối tắt nguồn $V$ và $GND$	Ngắn mạch (Hư hỏng phần cứng)
Đóng	Mở	Đóng	Mở	Cùng nối mức điện áp cao	Hãm động cơ (Thắng điện)

Thuật toán điều khiển PI số được triển khai trên vi điều khiển với chu kỳ trích mẫu ngắt định thời $T = 50\text{ ms}$. Công thức quy đổi vận tốc thực tế của động cơ ($v_cur$) từ số xung đếm được trong 50 ms thông qua ngắt INT0 được thiết lập theo quan hệ: $$v_cur = 12 \times \text{INT0}$$ Sai lệch tốc độ tức thời được tính toán bằng biểu thức $e_2 = v_set - v_cur$ (trong đó $v_set$ là tốc độ đặt), sai lệch tích lũy $e_sum = e_2 + e_1$. Tín hiệu đầu ra điều khiển PWM được cập nhật liên tục vào thanh ghi so sánh ngõ ra OCR1AL: $$\text{PWM} = \text{PWM} + K_p \cdot e_2 + K_I \cdot e_sum$$

Giao thức truyền thông điều khiển giữa máy tính và vi điều khiển sử dụng chuỗi dữ liệu 3 byte (24 bit):

• Lệnh quay thuận và đặt tốc độ: Truyền chuỗi ký tự "s" + chr(n) + "@", trong đó n là giá trị tốc độ đặt mã hóa 8-bit.
• Lệnh đảo chiều quay: Truyền chuỗi ký tự "d" + "i" + "@"; vi điều khiển lập tức đưa PWM về 0 để dừng động cơ trước khi kích hoạt tín hiệu đảo chiều và xuất lại PWM.
• Lệnh dừng khẩn cấp: Truyền chuỗi ký tự "t" + "t" + "@"; vi điều khiển ngắt lập tức xung PWM về 0.

Chương trình điều khiển nhúng được viết bằng ngôn ngữ C trên trình biên dịch CodeVisionAVR, khai báo các hàm phục vụ ngắt ngắt ngoài ext_int0_isr, ngắt nhận dữ liệu usart_rx_isr và ngắt truyền dữ liệu usart_tx_isr với bộ đệm vòng (ring buffer) 8 byte, bảo đảm quá trình nhận lệnh và phản hồi dữ liệu không làm gián đoạn chu kỳ lấy mẫu xung.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Động Cơ DC Servo

Chương này trình bày chi tiết về cấu trúc vật lý và nguyên lý điều khiển của động cơ DC Servo trong các hệ thống kín. Tác giả phân tích các thành phần cấu tạo cơ bản gồm stator gắn liền vỏ, rotor tạo chuyển động quay, chổi than - vành góp dẫn điện, phanh điện từ, máy phát tốc (tachometer) và bộ mã hóa vòng quay quang học (Optical Encoder). Nội dung tập trung làm rõ cơ chế hoạt động của encoder tương đối 3 kênh: kênh I định vị một xung trên mỗi vòng quay, kênh A và B chia $N$ rãnh nhỏ lệch pha nhau $90^\circ$ nhằm xác định chính xác độ phân giải, vận tốc và chiều quay.

Tiếp đó, chương khảo sát nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM và phân tích kỹ thuật mạch cầu H. Tác giả tiến hành so sánh 3 giải pháp thực hiện khóa chuyển mạch: cầu H dùng Rơ-le (chịu dòng cao nhưng quán tính cơ khí lớn, dễ dính tiếp điểm, không dùng được cho PWM), cầu H dùng BJT (tốc độ cao nhưng công suất nhỏ, sụt áp bão hòa $V_{CE}$ lớn gây nóng linh kiện), và cầu H dùng MOSFET (sử dụng cặp IRF9540 và IRF540 với ưu thế tốc độ đóng cắt tính bằng micro-giây, nội trở nhỏ, dòng chịu tải lớn, tối ưu cho điều tốc PWM).

Chương 2: Tổng Quan Về Vi Điều Khiển AVR

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về họ vi điều khiển AVR kiến trúc RISC 8-bit của hãng Atmel, đi sâu vào cấu trúc phần cứng của vi điều khiển ATmega32:

• Kiến trúc CPU: Cấu trúc Harvard tách riêng bộ nhớ chương trình Flash (32 KB, hỗ trợ phân chia vùng Boot Loader và vùng Application) và bộ nhớ dữ liệu (2 KB SRAM, 1024 Byte EEPROM). Tích hợp 32 thanh ghi làm việc đa năng 8-bit liên kết trực tiếp với khối số học và logic (ALU), cho phép thực thi 118 lệnh cơ bản hầu hết trong một chu kỳ xung nhịp (đạt hiệu năng 16 MIPS tại 16 MHz).
• Cấu hình cổng vào/ra (I/O): 32 chân I/O phân bổ trên 4 cổng 8-bit (Port A, Port B, Port C, Port D), hoạt động theo cơ chế Read-Modify-Write qua 3 thanh ghi điều khiển PORTx, DDRx, PINx, tích hợp điện trở kéo lên nội (Pull-up resistor) điều khiển qua bit PUD trong thanh ghi SFIOR.
• Hệ thống ngoại vi: Bộ định thời Timer/Counter0 8-bit hỗ trợ các chế độ tạo sóng PWM, thanh ghi so sánh OCR0, thanh ghi đếm TCNT0, thanh ghi điều khiển TCCR0 và các thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK, cờ ngắt TIFR. Khối truyền thông nối tiếp hai dây I2C/TWI với 5 thanh ghi chuyên dụng (TWBR, TWCR, TWSR, TWDR, TWAR), hỗ trợ 4 chế độ hoạt động (Master/Slave Transmitter và Receiver).
• Hệ thống nạp chương trình: Khảo sát mạch nạp ISP STK200 chuẩn giao tiếp DB25 qua cổng song song LPT kết hợp 4 điện trở hạn dòng, cho phép lập trình trực tiếp chip trên bo mạch ứng dụng.

Chương 3: Thuật Toán Điều Khiển PID Bằng Cách Điều Chế Độ Rộng PWM

Chương này tập trung phân tích cơ sở toán học của kỹ thuật điều xung PWM và thuật toán điều khiển PID kinh điển. Tác giả phân tích cơ chế truyền năng lượng dưới dạng xung vuông có chu kỳ $t = t_{on} + t_{off}$, xác định điện áp trung bình đặt lên tải tương ứng với các mức độ sâu điều biến $25%$, $50%$, và $75%$.

Về thuật toán PID, chương phân tích chức năng của từng thành phần: khâu khuếch đại tỉ lệ $P$ phản ứng trực tiếp theo độ lớn sai lệch tĩnh $e(t)$, khâu tích phân $I$ triệt tiêu triệt để sai lệch dư theo thời gian, và khâu vi phân $D$ đón đầu xu hướng biến thiên để tăng tốc độ đáp ứng. Tác giả trình bày hai phương pháp xác định tham số theo Ziegler-Nichols:

• Phương pháp thứ nhất: Áp dụng cho các đối tượng hở có đáp ứng quá độ dạng chữ S (như lò nhiệt, động cơ không có khâu tích phân), xác định thông số thông qua độ trễ $T_1$ và hằng số thời gian $T_2$.
• Phương pháp thứ hai: Áp dụng cho đối tượng có tính tích phân, xác định hệ số khuếch đại tới hạn $K_{gh}$ và chu kỳ dao động tự duy trì $T_{gh}$ của hệ kín tại biên giới ổn định để tính toán các tham số $K_p, T_I, T_D$.

Chương 4: Thiết Kế Bộ Điều Khiển PI Cho Động Cơ DC Servo

Nội dung chương 4 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, số hóa và lập trình bộ điều khiển PI cho đối tượng động cơ DC Servo thực tế:

• Lựa chọn cấu trúc điều khiển: Đồ án chọn bộ điều khiển PI số (loại bỏ khâu vi phân $D$ nhằm tránh khuếch đại nhiễu đo lường trong bài toán điều khiển tốc độ).
• Rời rạc hóa toán học: Xây dựng thuật toán tính toán tích phân gần đúng $\int e(t)dt \approx \sum e(i) \cdot \Delta t$, thiết lập biến tổng sai lệch $e_sum$, và thiết lập quan hệ tuyến tính giữa vận tốc động cơ với độ rộng xung $% duty$.
• Tính chọn tham số thực nghiệm: Áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai, lựa chọn các thông số thực nghiệm ban đầu gồm hệ số khuếch đại tới hạn $K_{gh} = 3$ và chu kỳ dao động tới hạn $T_{gh} = 0{,}17\text{ s}$ ($17/100$), từ đó xác định bộ thông số khởi tạo $K_p, K_I$ trước khi tinh chỉnh trên mô hình chạy thử.
• Thiết kế giải thuật điều khiển và mã nguồn: Thiết lập chu trình lấy mẫu tốc độ định kỳ, quy đổi số xung đếm được từ ngắt EXT_INT0 trong 50 ms thành vận tốc thực tế $v_cur = 12 \times \text{INT0}$. Xây dựng mã nguồn C hoàn chỉnh trên CodeVisionAVR điều khiển vi điều khiển ATmega8 (xung nhịp 8 MHz), tích hợp giải mã khung truyền USART 3 byte từ máy tính, điều khiển xuất xung PWM trên thanh ghi OCR1AL và chân đảo chiều logic PORTB.0.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp chuyên môn cụ thể:

• Thiết kế và chế tạo thành công mạch lực công suất cầu H sử dụng MOSFET kênh N và kênh P (IRF540/IRF9540), bảo đảm khả năng đóng cắt tần số cao theo tín hiệu PWM từ vi điều khiển mà không gây quá nhiệt hay sụt áp lớn.
• Số hóa thành công giải thuật điều khiển PI rời rạc trên nền tảng vi điều khiển AVR 8-bit với tần số xung nhịp 8 MHz; thực hiện quá trình lấy mẫu tốc độ định kỳ 50 ms qua ngắt ngoài INT0 và tự động hiệu chỉnh độ rộng xung PWM thông qua thanh ghi OCR1AL.
• Xác định và hiệu chỉnh thành công bộ tham số điều khiển PI dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai ($K_{gh} = 3$, $T_{gh} = 0{,}17\text{ s}$), giúp hệ thống bám sát tốc độ đặt và duy trì tính ổn định khi vận hành.
• Xây dựng hoàn chỉnh giao thức truyền nhận dữ liệu chuỗi 24-bit qua chuẩn giao tiếp USART, cho phép máy tính gửi lệnh chạy thuận ("s" chr(n) "@"), đảo chiều an toàn ("d" "i" "@" có bước ngắt PWM trung gian), và dừng tức thời ("t" "t" "@").

Về mặt giải pháp, tác giả khẳng định việc ứng dụng vi điều khiển AVR kết hợp mạch cầu H MOSFET là giải pháp kỹ thuật tối ưu về chi phí và độ phức tạp phần cứng đối với các hệ thống điều tốc DC Servo công suất vừa và nhỏ. Đóng góp của đề tài nằm ở việc hệ thống hóa phương pháp tính toán quy đổi xung encoder thời gian thực và cung cấp bộ mã nguồn nhúng C có cấu trúc rõ ràng, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu và thực hành trong đào tạo chuyên ngành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu thiết kế cơ bản, đồ án vẫn còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi triển khai:

• Bộ tham số $K_p, K_I$ xác định bằng thực nghiệm Ziegler-Nichols thứ hai mới chỉ được kiểm chứng trên một động cơ cụ thể ở dải tải cố định, chưa có cơ chế tự thích nghi thông minh khi tải trọng thay đổi đột ngột hoặc có biến thiên phi tuyến lớn.
• Hệ thống mới chỉ tập trung vào vòng điều khiển kín về vận tốc (PI), chưa tích hợp vòng điều khiển vị trí góc quay (vốn đòi hỏi khâu vi phân PD/PID hoàn chỉnh và xử lý đồng thời kênh Index).
• Giao thức truyền thông nối tiếp giữa PC và vi điều khiển mới dừng ở mức truyền nhận chuỗi ký tự ASCII đơn giản 3 byte, chưa tích hợp các thuật toán kiểm tra lỗi đường truyền (như Checksum hay CRC) trong môi trường công nghiệp có nhiều nhiễu điện từ.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm:

• Nghiên cứu và ứng dụng thuật toán điều khiển PID thích nghi (Adaptive PID) hoặc bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic) để tự động nhận dạng và cập nhật hệ số theo trạng thái tải.
• Tích hợp thêm thuật toán điều khiển vị trí kết hợp điều khiển vận tốc để khai thác toàn diện các tính năng của động cơ DC Servo.
• Xây dựng phần mềm giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA/GUI) hoàn chỉnh trên máy tính với tính năng vẽ đồ thị đáp ứng thời gian thực và đóng gói khung truyền thông chuẩn công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông. Cụ thể:

• Phần lý thuyết mạch công suất (Chương 1): Hữu ích cho việc tra cứu nguyên lý thiết kế mạch cầu H bán dẫn, phân tích ưu nhược điểm giữa Relay, BJT và MOSFET trong các ứng dụng điều khiển động cơ DC.
• Phần cấu trúc vi điều khiển AVR (Chương 2): Là tài liệu tổng hợp súc tích về cấu trúc thanh ghi ngoại vi, các chế độ định thời Timer/Counter, hệ thống ngắt và giao tiếp TWI/I2C của dòng vi điều khiển ATmega.
• Phần thuật toán và mã nguồn nhúng (Chương 3 & Chương 4): Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc số hóa bộ điều khiển PI, công thức quy đổi tần số xung encoder trong ngắt lấy mẫu định kỳ ($v_cur = 12 \times \text{INT0}$), cùng mã nguồn C điều khiển ngoại vi chuẩn xác trên CodeVisionAVR.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại cảm biến nào để phản hồi góc quay và vận tốc của động cơ DC Servo?
Đề tài sử dụng bộ mã hóa vòng quay quang học tương đối (Incremental Optical Encoder) với độ phân giải 100 xung/vòng. Cảm biến gồm 3 kênh ngõ ra: kênh A và kênh B lệch pha nhau $90^\circ$ (lệch $M + 0{,}5$ rãnh) để xác định vận tốc và chiều quay của rotor, cùng kênh I (Index) phát 1 xung sau mỗi vòng quay hoàn chỉnh để xác định vị trí gốc.

2. Công thức tính toán vận tốc thực tế của động cơ ($v_cur$) từ xung Encoder trong chương trình điều khiển được thiết lập như thế nào?
Với encoder có độ phân giải 100 xung/vòng và thời gian trích mẫu định kỳ là $T = 50\text{ ms}$, vận tốc động cơ tức thời được tính toán trực tiếp từ số xung đếm được trên ngắt ngoài INT0 theo công thức: $$v_cur = 12 \times \text{INT0}$$

3. Các tham số khởi tạo ban đầu cho bộ điều khiển PI được xác định theo phương pháp nào và có giá trị bao nhiêu?
Các tham số được xác định theo phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols thứ hai. Dựa trên việc khảo sát hệ kín ở biên giới ổn định với hệ số khuếch đại tới hạn $K_{gh} = 3$ và chu kỳ dao động tới hạn $T_{gh} = 0{,}17\text{ s}$ ($17/100$), các giá trị khởi tạo được tính toán theo công thức chuẩn $K_p = 0{,}45 \cdot K_{gh}$ và $T_I = 0{,}85 \cdot T_{gh}$, sau đó được tinh chỉnh trong quá trình chạy thử thực tế.

4. Cấu trúc khung dữ liệu điều khiển gửi từ máy tính (PC) xuống vi điều khiển qua cổng nối tiếp USART được quy định ra sao?
Dữ liệu truyền từ PC xuống vi điều khiển là chuỗi 24-bit (3 byte):

• Khi chạy thuận: Chuỗi có dạng "s" + chr(n) + "@" (với n là giá trị tốc độ đặt).
• Khi đảo chiều: Chuỗi có dạng "d" + "i" + "@" (vi điều khiển lập tức xuất PWM = 0 để dừng động cơ trước khi đổi chiều quay).
• Khi dừng động cơ: Chuỗi có dạng "t" + "t" + "@" (vi điều khiển xuất PWM = 0 ngay lập tức).

5. Tại sao mạch cầu H dùng MOSFET (IRF9540/IRF540) được lựa chọn thay thế cho Rơ-le và Transistor lưỡng cực (BJT)?
Mạch cầu H dùng Rơ-le có tốc độ đóng/mở cơ khí rất chậm và dễ bị dính tiếp điểm nên không thể áp dụng phương pháp điều xung PWM tần số cao. Mạch dùng BJT có tốc độ chuyển mạch cao nhưng công suất chịu tải nhỏ và điện trở bão hòa $V_{CE}$ lớn gây tổn hao nhiệt cao. MOSFET kết hợp được ưu điểm tốc độ đóng cắt micro-giây và khả năng chịu dòng tải lớn, đáp ứng tối ưu yêu cầu điều chế PWM.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Servo" của tác giả Trịnh Đình Hảo đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng hệ thống điều khiển vận tốc vòng kín trên cơ sở vi điều khiển AVR. Hệ thống tích hợp thành công giải thuật PI số hóa rời rạc, mạch công suất cầu H MOSFET tốc độ cao và cơ chế đọc xung phản hồi từ encoder quang 100 xung/vòng. Toàn bộ giải thuật điều khiển và giao thức truyền thông nối tiếp USART kết nối máy tính đã được hiện thực hóa bằng ngôn ngữ C trên môi trường CodeVisionAVR với tính ổn định cao. Công trình cung cấp một tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn rõ ràng cho việc nghiên cứu, giảng dạy và phát triển các hệ truyền động điện tự động công nghiệp quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC SERVO.3 Cấu tạo động cơ DC SERVO. Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng.1: Một động cơ DC servo trong thực tế Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.

Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi.2: Các thành phần của động cơ DC servo.

Một động cơ DCservo tiêu biểu gồm có các thành phần chính sau: • Stator: được gắn liền với vỏ động cơ • Rotor: là thành phần tạo chuyển động quay • Chổi than và vành góp: giúp đưa điện vào Rotor • Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính (xung/vòng) Ngoài ra, DC servo còn có thể có thêm các thành phần sau: • Phanh điện từ: giúp hãm động cơ trong trường hợp cần thiết • Tachometer : là thành phần phản hổi tương tự, thực chất là một máy phát điện nhỏ, với điện áp phàn hổi được tính bằng (vol/vòng quay) 1.4 Nguyên lý điều khiển động cơ DC SERVO. Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer, hoặc dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder. Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là 10 phương pháp analog và dùng optical encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital.

Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder). Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder được dùng đa số.3: Cấu tạo một encoder quang. Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index).

Trong hình trên chú ý rằng có một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor.

Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu- phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia.

Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Không được vẽ trong hình 1.2, tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90o.

Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.4: Hoạt động của một encoder quang. Hình trên cùng trong hình 1.3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh.

Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao.

Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A). Động cơ Dc servo được điều khiển bởi tín hiệu từ vi điều khiển theo nguyên lý điều khiển độ rộng xung ( Pulse width modulation – PWM), sử dụng mạch cầu H 12 Hình 1.5: Hoạt động của mạch cầu H Trong hình 1.5, hãy xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động.

Giả sử bằng cách nào đó mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND (như hình 2a). Như thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B. Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND). Vậy là chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) Nếu đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1 và L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Hiện tượng “ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra.

Cách đóng các khóa như thế này sẽ làm hỏng mạch cầu H. Để tránh việc này xảy ra, người ta thường 13 dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết rõ hơn về mạch logic này trong các phần sau. Giả thiết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên cùng đóng (ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường hợp này, cả 2 đầu A, B của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động.

Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Đó là nguyên lý cơ bản của mạch cầu H. Như vậy thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor).6: Mạch cầu H dùng Rơ le.

Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 1.6, 4 diode được dùng để chống hiện tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đường kích solenoid không được nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc kích các transistor lại được thực hiện qua các điện trở. 14 Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng.

Vì vậy, mạch cầu H bằng rờ le không được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM. Người ta thay thế rờ le trong mạch cầu H, bằng các tranzitor gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên đến hàng nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây Hình 1.7: Mạch cầu H dùng BJT Do BJT có thể được kích ở tốc độ rất cao nên ngoài chức năng đảo chiều, mạch cầu H dùng BJT có thể dùng điều khiển tốc độ motor bằng cách áp tín hiệu PWM vào các đường. Nhược điểm lớn nhất của mạch cầu H dùng BJT là công suất của BJT thường nhỏ, vì vậy với motor công suất lớn thì BJT ít được sử dụng. Mạch điện kích cho BJT cần tính toán rất kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, nếu không sẽ hỏng BJT.

Mặt khác, điện trở CE của BJT khi bão hòa cũng tương đối lớn, BJT vì vậy có thể bị nóng… 15 Hình 1.8: Mạch cầu H dùng Mosfet Hình trên minh họa một mạch cầu H dùng MOSFET điển hình với cặp IRF9540 và IRF540 Mạch cầu H dùng MOSFET, hoạt động tương tự như mạch cầu H dùng BJT, tuy nhiên do ưu điểm của các Mosfet là tốc độ đóng mở nhanh, dòng tải lớn do đó được dùng nhiều hơn trong thực tế. Tổng quan về Vi điều khiển AVR 2. Vi điều khiển AVR. Giới thiệu về AVR.

AVR là họ Vi điều khiển khá mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đây là họ vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp.