Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ dc sử dụng thuật toán pid, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán toán học.

• Tác giả: Đoàn Ngọc Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• LIỆT KÊ HÌNH VẼ
• LIỆT KÊ BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. GIỚI HẠN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU
• 2.2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• 2.2.1. Điều khiển (control)
• 2.2.2. Điều khiển học (cybernctics)
• 2.3. Lý thuyết điều khiển tự động
• 2.4. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
• 2.5. CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN
• 2.5.1. Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
• 2.5.2. Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu
• 2.5.3. Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu
• 2.6. THUẬT TOÁN PID SỐ
• 2.6.1. Quy luật tỉ lệ P
• 2.6.2. Quy luật tích phân (I)
• 2.6.3. Quy luật tỉ lệ tích phân
• 2.6.4. Quy luật tỉ lệ vi phân
• 2.6.5. Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative)
• 2.7. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.7.1. Giới thiệu về vi điều khiển ARM
• 2.7.2. Khái niệm động cơ điện 1 chiều
• 2.7.3. Cấu tạo chung của động cơ DC
• 2.7.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
• 2.7.5. ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
• 2.7.6. IC MOSFET IRF3205
• 2.7.6.1. Giới thiệu IC Mosfet IRF3205
• 2.7.6.2. Cấu tạo của Mosfet
• 2.7.6.3. Nguyên lý hoạt động của Mosfet IRF3205
• 2.7.7. IC SN74HCO2N
• 2.7.7.1. Giới thiệu IC SN74HCO2N
• 2.7.8. IC SN74HC14N
• 2.7.8.1. Giới thiệu IC SN74HC14N
• 2.8. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
• 2.8.1. Tổng quan phần mềm C#
• 2.8.2. Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012
• 2.8.3. Tính năng mới của Visual studio 2012
• 2.8.4. Cách cài đặt Visual studio 2012
• 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.1.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.1.3. Thiết kế khối xử lý trung tâm
• 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công bo mạch
• 4.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.3.2. Thi công mô hình
• 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.4.1. Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển ARM
• 4.4.2. Phần mềm tạo Project cho ARM STM32CubeMX
• 4.4.3. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 4.4.3.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KẾT QUẢ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG
• 5.2. ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Điều khiển Tốc độ Động cơ DC và Thuật toán PID

Bài viết tập trung vào thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID. Động cơ một chiều (DC) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Điều khiển tốc độ động cơ DC chính xác là yêu cầu quan trọng. Thuật toán PID là giải pháp phổ biến, hiệu quả cho bài toán này. Nó cung cấp khả năng điều khiển vòng kín, giảm sai số và đạt được độ chính xác cao. Việc thiết kế mạch điện tử cần cân nhắc nhiều yếu tố, từ lựa chọn vi điều khiển (ví dụ: Arduino, MSP430, PIC, STM32) đến phần cứng điều khiển, phần mềm điều khiển, và tối ưu tham số PID. Mô phỏng mạch bằng phần mềm như Proteus, Multisim hoặc MATLAB Simulink là bước quan trọng trước khi chế tạo thực tế. Giải thuật điều khiển cần được lập trình cẩn thận để đảm bảo hiệu quả.

1.1. Ứng dụng của Điều khiển Tốc độ Động cơ DC

Điều khiển tốc độ động cơ DC có nhiều ứng dụng thực tiễn. Trong công nghiệp, nó được dùng trong các dây chuyền sản xuất tự động, robot, máy móc tự động hóa. Trong lĩnh vực giao thông vận tải, động cơ DC được sử dụng trong ô tô điện, xe điện, tàu điện. Ngay cả trong các thiết bị gia dụng, điều khiển tốc độ động cơ DC cũng đóng vai trò quan trọng, ví dụ như máy giặt, máy hút bụi. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC là rất cần thiết. Thuật toán PID, với khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu quả cao, là một trong những giải pháp được lựa chọn hàng đầu. Kiểm soát quá trình chính xác là mục tiêu then chốt trong nhiều ứng dụng này. Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào việc lựa chọn và điều chỉnh PID phù hợp.

1.2. Ưu điểm của Thuật toán PID trong Điều khiển Tốc độ

Thuật toán PID nổi bật với khả năng giảm sai số và đạt độ chính xác cao trong điều khiển. Nó bao gồm ba thuật toán: tỷ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Thành phần P phản hồi trực tiếp với sai số hiện tại. Thành phần I tích lũy sai số, loại bỏ sai số tĩnh. Thành phần D dự đoán xu hướng thay đổi sai số, giúp hệ thống phản hồi nhanh hơn. Tối ưu hóa PID là bước quan trọng để đạt hiệu quả tốt nhất. Việc điều chỉnh PID phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống và yêu cầu điều khiển cụ thể. Các phương pháp tối ưu hóa PID có thể bao gồm phương pháp thử nghiệm, phương pháp Ziegler-Nichols, hoặc các thuật toán tối ưu tiên tiến hơn. Ứng dụng PID rất rộng rãi, không chỉ trong điều khiển tốc độ động cơ DC mà còn trong nhiều hệ thống điều khiển khác.

II. Thiết kế Mạch Điều khiển

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dựa trên thuật toán PID. Thiết kế mạch điện tử bao gồm lựa chọn các linh kiện phù hợp, bố trí mạch in, và các bước kết nối. Chọn vi điều khiển phù hợp là bước quan trọng. STM32 là một lựa chọn phổ biến nhờ hiệu năng cao và khả năng xử lý tín hiệu tốt. Phần cứng điều khiển cần bao gồm mạch cầu H để đảo chiều động cơ, cảm biến tốc độ (ví dụ: encoder, tachometer) để phản hồi tốc độ thực tế. Thiết kế mạch điều khiển động cơ cần đảm bảo tính ổn định và an toàn. Mô hình toán học của hệ thống cần được thiết lập để phân tích và tối ưu hóa PID. Biến đổi Laplace có thể được sử dụng trong việc phân tích hệ thống. IC điều khiển động cơ, driver động cơ cũng là những thành phần cần xem xét.

2.1. Lựa chọn Vi điều khiển và Linh kiện

Sự lựa chọn vi điều khiển ảnh hưởng đến hiệu năng và độ phức tạp của hệ thống. STM32, với nhiều phiên bản khác nhau, cung cấp sự lựa chọn linh hoạt về tính năng và khả năng xử lý. PIC và MSP430 cũng là những lựa chọn phổ biến, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể. IC điều khiển động cơ và driver động cơ cần được lựa chọn sao cho phù hợp với công suất của động cơ và yêu cầu về dòng điện. Cảm biến tốc độ (encoder, tachometer) cung cấp thông tin phản hồi cần thiết cho thuật toán PID. Phần cứng điều khiển cần được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện vận hành thực tế. Việc lựa chọn các linh kiện chất lượng cao là yếu tố quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả của hệ thống. Sơ đồ mạch điện cần được thiết kế cẩn thận để tránh nhiễu và lỗi hoạt động.

2.2. Thiết kế Phần mềm và Thuật toán PID

Phần mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình phù hợp với vi điều khiển đã chọn. Ngôn ngữ C là lựa chọn phổ biến. Thuật toán PID được cài đặt trong phần mềm để xử lý tín hiệu phản hồi từ cảm biến và điều khiển động cơ. Điều chỉnh PID là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt hiệu quả cao. Việc điều chỉnh tham số PID (Kp, Ki, Kd) cần được thực hiện một cách cẩn thận, có thể thông qua phương pháp thử nghiệm hoặc các thuật toán tự động. Mô phỏng mạch trước khi chế tạo thực tế là cần thiết để kiểm tra tính khả thi của thiết kế và tránh các lỗi nghiêm trọng. Phân tích hệ thống giúp tìm ra các thông số PID tối ưu. Mạch điều khiển động cơ cần đáp ứng các yêu cầu về tốc độ, độ chính xác, và độ ổn định.

III. Thử nghiệm và Kết luận

Phần này trình bày quá trình thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC đã thiết kế. Các kết quả thử nghiệm được phân tích và đánh giá. Đánh giá hệ thống bao gồm việc so sánh kết quả thực tế với kết quả lý thuyết. Sai số của hệ thống được đo lường và phân tích. Độ ổn định của hệ thống được kiểm tra trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết luận tổng kết các kết quả nghiên cứu và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Báo cáo nghiên cứu khoa học cần trình bày đầy đủ các kết quả và phân tích.

3.1. Quá trình Thử nghiệm và Thu thập Dữ liệu

Quá trình thử nghiệm bao gồm việc cấp nguồn cho hệ thống và đo lường các thông số cần thiết. Dữ liệu thu thập được bao gồm tốc độ động cơ, dòng điện tiêu thụ, và các thông số PID. Kiểm soát quá trình thử nghiệm cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Thiết bị đo lường cần được hiệu chuẩn và kiểm tra trước khi sử dụng. Dữ liệu thử nghiệm được ghi lại và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Phân tích dữ liệu giúp xác định các điểm mạnh và yếu của hệ thống. Báo cáo thực nghiệm cần trình bày đầy đủ các kết quả thử nghiệm và phân tích.

3.2. Phân tích Kết quả và Đề xuất

Phân tích kết quả thử nghiệm giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC. Sai số được đo lường và so sánh với yêu cầu thiết kế. Độ ổn định của hệ thống được đánh giá. Kết luận tổng kết các kết quả nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Các đề xuất cho việc cải tiến hệ thống được đưa ra dựa trên kết quả phân tích. Hướng phát triển trong tương lai cũng được đề cập đến. Nghiên cứu khoa học này đóng góp vào việc phát triển công nghệ điều khiển động cơ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực điều khiển tự động và công nghiệp, các hệ thống điều khiển phản hồi đóng vai trò quyết định đến độ chính xác và chất lượng vận hành của dây chuyền sản xuất. Theo thống kê thực tế được tác giả nêu ra, hơn 90% các bộ điều khiển đang được sử dụng trong công nghiệp là bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID). Giải thuật PID được ứng dụng rộng rãi trong việc khống chế các đại lượng vật lý như nhiệt độ, mức chất lưu và vận tốc động cơ nhờ khả năng dễ dàng cấu hình linh hoạt theo các quy luật thành phần như tỷ lệ (P), tích phân (I), tỷ lệ - tích phân (PI), hay tỷ lệ - vi phân (PD).

Song song đó, động cơ điện một chiều (DC Motor) là cơ cấu chấp hành phổ biến trong nhiều hệ thống kỹ thuật như dây chuyền công nghiệp, phương tiện giao thông chạy điện, tàu thủy và thiết bị bay. Việc kiểm soát chính xác tốc độ và chiều quay của động cơ DC là một bài toán nền tảng trong kỹ thuật điều khiển tự động. Nhằm làm chủ giải thuật điều khiển kinh điển trên nền tảng vi xử lý hiện đại, đề tài "Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán PID" được thực hiện bởi sinh viên Đoàn Ngọc Lộc dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Minh Tâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mạch phần cứng PID DRIVER nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ DC; sử dụng vi điều khiển STM32F103VET6 để tiếp nhận giá trị đặt, thu thập tín hiệu hồi tiếp từ Encoder (kênh A, kênh B), tính toán hàm sai số qua giải thuật PID và điều chỉnh độ rộng xung PWM ngõ ra sao cho tốc độ thực tế bám sát tốc độ đặt; xây dựng phần mềm giao diện trên máy tính bằng ngôn ngữ C# để điều khiển và giám sát trực quan.
2. Nội dung thực hiện 1: Nghiên cứu tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER phục vụ điều khiển tốc độ động cơ DC.
3. Nội dung thực hiện 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển.
4. Nội dung thực hiện 3: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống phần cứng điều khiển động cơ DC.
5. Nội dung thực hiện 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển ARM và xây dựng giao diện hiển thị trên máy tính.
6. Nội dung thực hiện 5: Thử nghiệm, hiệu chỉnh phần cứng và chương trình điều khiển để tối ưu hóa hệ thống; đối sánh, đánh giá các thông số vận hành thực tế.
7. Nội dung thực hiện 6: Biên soạn báo cáo thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều DC (gồm động cơ Planet 24V - 60W, động cơ 24V - 19W, động cơ 24V - 38W), giải thuật điều khiển PID số, vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F103VET6), mạch công suất cầu H dùng MOSFET và cảm biến góc quay Encoder.
• Phạm vi và thời gian thực hiện: Đề tài được triển khai từ ngày 25/09/2017 đến ngày 15/01/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình điều khiển

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển kết hợp kỹ thuật vi xử lý và điện tử công suất:

• Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động: Hệ thống bao gồm thiết bị điều khiển (Controller), đối tượng điều khiển (Object) và thiết bị đo lường/phản hồi (Measuring device). Mối quan hệ giữa tín hiệu vào $u(t)$, tín hiệu ra $y(t)$, tác động điều khiển $x(t)$, tín hiệu hồi tiếp $z(t)$ và sai lệch điều khiển $e(t)$ được thiết lập theo nguyên tắc điều khiển theo sai lệch kết hợp bù nhiễu.
• Thuật toán PID số: Phân tích toán học các quy luật điều khiển thành phần và tổng hợp:
  • Quy luật tỷ lệ (P): Tín hiệu điều khiển $x = K_P \cdot e$ (hoặc $x = x_0 + K_P \cdot e$). Ưu điểm tác động nhanh nhưng luôn tồn tại sai lệch tĩnh với đối tượng tĩnh; tăng $K_P$ làm giảm sai lệch tĩnh nhưng tăng độ vọt lố và nguy cơ mất ổn định.
  • Quy luật tích phân (I): Tín hiệu điều khiển $x = K_I \int e , dt = \frac{1}{T_i} \int e , dt$ (với $K_I = \frac{1}{T_i}$). Có tác dụng triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh nhưng làm chậm tốc độ đáp ứng và pha trễ $\pi/2$.
  • Quy luật tỷ lệ - tích phân (PI): Tín hiệu điều khiển $x = K_P \left( e + \frac{1}{T_i} \int e , dt \right)$ với hàm truyền đạt $W(p) = K_P \left( 1 + \frac{1}{T_i p} \right)$ và hàm truyền tần số $W(j\omega) = K_P \left( 1 - j \frac{1}{T_i \omega} \right)$, cân bằng giữa tốc độ tác động và việc loại bỏ sai lệch dư.
  • Quy luật tỷ lệ - vi phân (PD): Tín hiệu điều khiển $x = K_P \left( e + T_d \frac{de}{dt} \right)$ với $T_d = \frac{K_P}{K_d}$, hàm truyền đạt $W(p) = K_P (1 + T_d p)$ và đặc tính pha tần $\phi(\omega) = \arctan(T_d \omega)$, cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ thống.
  • Quy luật tỷ lệ - vi tích phân (PID): Kết hợp đầy đủ 3 thành phần với phương trình tác động $x = K_P \left( e + \frac{1}{T_i} \int e , dt + T_d \frac{de}{dt} \right)$, hàm truyền đạt $W(p) = K_P \left( 1 + \frac{1}{T_i p} + T_d p \right)$, đáp ứng nhanh và giảm độ vượt mức.
• Mô hình động cơ điện một chiều và Encoder:
  • Mômen điện từ được xác định theo biểu thức: $M = \frac{P \cdot n}{2\pi a} \Phi I_u$ (trong đó $P$ là số đôi cực, $n$ là số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ, $a$ là số mạch nhánh song song, $\Phi$ là từ thông và $I_u$ là dòng điện phần ứng).
  • Cảm biến Encoder quang học sử dụng 3 kênh: kênh A và kênh B tạo ra $N$ xung/vòng (lệch pha nhau $90^\circ$ để giải mã chiều quay dựa vào sườn xung) và kênh I (Index) phát 1 xung/vòng để định vị.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng phối hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát cấu trúc vi điều khiển ARM 32-bit, nguyên lý bán dẫn của MOSFET kênh N và mạch logic phụ trợ.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, bố trí linh kiện, thiết kế bo mạch in (PCB) đa lớp, gia công mạch và đóng gói mô hình vật lý.
• Phương pháp lập trình nhúng và phát triển phần mềm: Xây dựng thuật toán ngắt đọc xung, xử lý số liệu PID và băm xung PWM trên vi điều khiển; lập trình ứng dụng điều khiển, giám sát thời gian thực trên máy tính.
• Phương pháp thực nghiệm và chỉnh định tham số: Thử nghiệm trực tiếp hệ thống trên nhiều tải động cơ khác nhau, đo đạc phản hồi và hiệu chỉnh các hệ số $K_P, K_I, K_D$ qua từng kịch bản thử nghiệm.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống điều khiển được phân chia thành 6 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ với nhau:

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm	Kit STM32F103VET6 (ARM Cortex-M3 32-bit)	Điều khiển toàn bộ hoạt động theo chương trình nạp sẵn, tính toán PID, băm xung PWM, giao tiếp với máy tính và xử lý ngắt Encoder.
Khối Driver (Cầu H)	4 MOSFET IRF3205, Opto PC817, IC SN74HC02N, IC SN74HC14N	Khuếch đại công suất, đóng cắt điều khiển vận tốc bằng PWM và đảo chiều quay của động cơ DC.
Khối nguồn	Nguồn DC, mạch ổn áp chuyên dụng	Cung cấp mức điện áp ổn định cho vi điều khiển (5V/3.3V) và khối công suất (24V).
Khối chấp hành	Động cơ DC (24V-19W, 24V-38W, 24V-60W)	Chuyển đổi điện năng thành cơ năng, quay theo chiều và vận tốc yêu cầu.
Khối cảm biến	Encoder quang học 3 kênh (A, B, Index)	Đo tốc độ quay thực tế, xuất tín hiệu xung lệch pha $90^\circ$ phản hồi về vi điều khiển.
Khối giao diện điều khiển	Ứng dụng C# trên Visual Studio 2012	Giao tiếp máy tính, thiết lập tham số PID, cài đặt tốc độ đặt và hiển thị trạng thái vận hành.

Thông số kỹ thuật của các linh kiện chủ chốt

• Vi điều khiển STM32F103VET6: Lõi 32-bit ARM Cortex-M3 (STMicroelectronics), vỏ LQFP100 (100 chân), tần số hoạt động 72 MHz (hiệu năng 1.25 DMIPS/MHz), bộ nhớ Flash 256 KB, RAM 48 KB. Tích hợp bộ chuyển đổi 12-bit ADC, DAC, kênh PWM, giao tiếp CAN, USB, SDIO, FSMC. Thiết kế phần cứng trên kit tích hợp 4 nguồn thạch anh (Y1 = 12.288 MHz cho MP3, Y2 = 8 MHz cho hệ thống chính, Y3 = 32.768 kHz cho RTC, Y4 = 25 MHz cho Ethernet) cùng nút nhấn Reset tích cực mức thấp.
• MOSFET công suất IRF3205: Transistor hiệu ứng trường kênh N, điện áp đánh thủng $V_{DS} = 55\text{V}$, điện áp điều khiển cực cổng $V_{GS} = \pm 20\text{V}$, dòng chịu đựng liên tục trung bình $I_D = 110\text{A}$, công suất tiêu tán tối đa $200\text{W} - 220\text{W}$, dải nhiệt độ làm việc từ $-55^\circ\text{C}$ đến $175^\circ\text{C}$.
• Bộ cách ly quang Opto PC817: Cách ly hoàn toàn giữa mạch điều khiển logic vi xử lý (5V) và mạch công suất động cơ nhằm chống nhiễu ngược.
• IC Logic hỗ trợ:
  • SN74HC02N: IC 4 cổng NOR 2 ngõ vào, điện áp hoạt động 2V - 6V, thời gian trễ lan truyền $t_{pd} = 8\text{ns}$, dòng ra ngõ ra $\pm 4\text{mA}$ tại 5V, dòng tiêu thụ $I_{CC}$ tối đa $20\mu\text{A}$.
  • SN74HC14N: IC 6 cổng đảo Schmitt-trigger, điện áp hoạt động 2V - 6V, thời gian trễ $t_{pd} = 11\text{ns}$, dòng ra $\pm 4\text{mA}$ tại 5V, dòng tiêu thụ $20\mu\text{A}$, đảm nhiệm chức năng lọc nhiễu và định hình dạng sóng xung vuông hồi tiếp.

Môi trường phát triển và công cụ lập trình

• STM32CubeMX: Công cụ đồ họa của STMicroelectronics phục vụ cấu hình sơ đồ chân, thiết lập xung nhịp Clock Tree, khởi tạo các ngoại vi Timer băm xung PWM, ngắt ngoài đọc Encoder và tạo khung dự án mã nguồn.
• Keil uVision5: Môi trường phát triển tích hợp (IDE) và trình biên dịch C/C++ dùng để viết thuật toán PID số, xử lý ngắt thời gian thực và nạp firmware vào vi điều khiển ARM thông qua mạch nạp chuẩn JTAG/SWD.
• Microsoft Visual Studio 2012: Nền tảng xây dựng ứng dụng Windows Form giao diện Metro trên ngôn ngữ C#, thực hiện truyền nhận dữ liệu chuỗi với kit STM32, gửi lệnh điều khiển chiều quay, giá trị tốc độ đặt và cập nhật đồ thị tốc độ thực tế.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của kỹ thuật điều khiển tự động trong sản xuất hiện đại và khẳng định vị trí của bộ điều khiển PID trong hơn 90% ứng dụng công nghiệp. Đặt bài toán điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ DC bằng vi điều khiển STM32F103VET6 thay cho các phương pháp dùng PLC hoặc mạch analog truyền thống. Tác giả xác lập mục tiêu thiết kế mạch PID DRIVER, xác định 6 nội dung công việc và giới hạn phạm vi đề tài vào việc thiết lập giao diện giám sát, xác định bộ hệ số $K_P, K_I, K_D$ tối ưu, đảo chiều quay thuận/nghịch và điều khiển thử nghiệm trên nhiều động cơ DC có dải công suất khác nhau.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày hệ thống khái niệm về điều khiển học (cybernetics) và 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản: điều khiển theo sai lệch, phương pháp bù nhiễu và phương pháp kết hợp sai lệch - bù nhiễu. Đi sâu vào giải thuật PID số thông qua các công thức giải tích của các khâu P, I, PI, PD và PID, phân tích hàm truyền đạt, hàm truyền tần số và đặc tính pha tần của từng khâu.

Chương 2 cũng cung cấp chi tiết thông số kỹ thuật phần cứng: cấu trúc vi xử lý ARM Cortex-M3 trên chip STM32F103VET6; cấu tạo cơ điện của động cơ DC gồm Stator, Rotor lõi thép dập rãnh phủ vecni cách điện, hệ thống cổ góp và chổi than graphit; nguyên lý đo xung và giải mã chiều quay của Encoder 3 kênh A, B, I; đặc tính đóng cắt của MOSFET IRF3205; thông số IC cách ly Opto PC817, IC cổng NOR SN74HC02N và IC Schmitt-trigger SN74HC14N. Cuối chương giới thiệu ngôn ngữ lập trình C# và quy trình cài đặt phần mềm Microsoft Visual Studio 2012.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật thành sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý chi tiết. Tác giả phân tích chức năng của 6 khối: Khối xử lý trung tâm, Khối Driver (Cầu H), Khối nguồn, Khối giao diện điều khiển, Khối chấp hành và Khối cảm biến. Phân tích chi tiết việc lựa chọn chip ARM STM32F103VET6 nhờ khả năng xử lý 32-bit nhanh (72 MHz), bộ nhớ Flash 256 KB, RAM 48 KB và tích hợp sẵn đầy đủ ngoại vi cần thiết giúp giảm thiểu chi phí phần cứng mở rộng. Thiết kế mạch công suất cầu H sử dụng 4 MOSFET IRF3205 kết hợp tầng đệm logic và cách ly quang nhằm đảm bảo đóng cắt an toàn cho mạch điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày toàn bộ quá trình gia công và chế tạo mô hình thực tế: thiết kế mạch in (PCB) lớp trên, lớp dưới và phối cảnh 3D; tiến hành gắn linh kiện, hàn mạch và kiểm tra thông mạch. Bộ điều khiển PID DRIVER và khối nguồn được bố trí, đóng gói hoàn chỉnh bên trong hộp bảo vệ chuyên dụng.

Về phần mềm, chương mô tả lưu đồ giải thuật chương trình chính trên vi điều khiển, các bước cấu hình ngoại vi trên phần mềm STM32CubeMX, lập trình mã nguồn điều khiển trên Keil uVision5 và xây dựng giao diện người dùng trên Visual Studio 2012. Cuối chương là tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành và thao tác thiết bị.

Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thử nghiệm mô hình phần cứng hoàn thiện khi kết nối với máy tính và động cơ. Tác giả tiến hành thử nghiệm điều khiển trên 3 đối tượng động cơ cụ thể:

1. Động cơ DC Planet ($24\text{V} - 60\text{W}$).
2. Động cơ DC ($24\text{V} - 19\text{W}$).
3. Động cơ DC ($24\text{V} - 38\text{W}$).

Hệ thống được khảo sát qua các trường hợp điều chỉnh hệ số PID: kịch bản $K_P = K_I = K_D = 1$, kịch bản triệt tiêu các thành phần ($K_P = K_I = K_D = 0$) và các bộ hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm để phân tích độ vọt lố, thời gian xác lập và sai lệch tĩnh, từ đó rút ra quy luật ảnh hưởng của từng tham số tới đáp ứng động cơ thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu: hoàn thiện mạch PID DRIVER, điều khiển ổn định tốc độ và đảo chiều các động cơ có mức công suất khác nhau, thiết kế thành công phần mềm giao diện C#. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cấp hệ thống.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công bo mạch PID DRIVER sử dụng cầu H MOSFET IRF3205 có cách ly quang PC817, cổng logic SN74HC02N và cổng Schmitt-trigger SN74HC14N; toàn bộ mạch điều khiển và khối nguồn được đóng gói chắc chắn trong hộp bảo vệ.
• Lập trình điều khiển nhúng: Triển khai thuật toán PID số trên vi điều khiển STM32F103VET6 xung nhịp 72 MHz, thu nhận chính xác tín hiệu xung lệch pha $90^\circ$ từ 2 kênh A, B của Encoder để giải mã chiều quay và tính toán vận tốc.
• Thử nghiệm đa dạng động cơ: Điều khiển tốc độ ổn định và thực hiện đảo chiều quay thành công trên 3 dòng động cơ DC thực tế:
  • Động cơ Planet ($24\text{V} - 60\text{W}$).
  • Động cơ DC ($24\text{V} - 19\text{W}$).
  • Động cơ DC ($24\text{V} - 38\text{W}$).
• Xây dựng giao diện điều khiển: Phát triển phần mềm giao diện giám sát trên nền tảng Visual Studio 2012 (C#), cho phép cài đặt tốc độ mong muốn, thay đổi các hệ số $K_P, K_I, K_D$, giám sát trạng thái hoạt động và phản hồi tốc độ thực tế của động cơ theo thời gian thực.
• Khảo sát tham số thực nghiệm: Thu thập số liệu phản hồi qua các trường hợp chỉnh định hệ số PID ($K_P, K_I, K_D = 1$; $K_P, K_I, K_D = 0$; và bộ thông số thực nghiệm tối ưu), chứng minh quy luật lý thuyết về việc khâu P giúp tăng tốc độ đáp ứng, khâu I triệt tiêu sai lệch tĩnh và khâu D giúp giảm độ vượt mức.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp giải pháp phần cứng điều khiển động cơ DC khép kín hoàn chỉnh, tối ưu chi phí thông qua việc tự thiết kế mạch cầu H MOSFET công suất lớn kết hợp vi điều khiển ARM 32-bit thay vì sử dụng các module thương mại đắt tiền.
• Tích hợp thành công cấu trúc điều khiển số hai cấp: cấp điều khiển thực thi cấp thấp (firmware STM32 xử lý ngắt và thuật toán PID thời gian thực) và cấp giám sát cấp cao (giao diện máy tính C#).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống chỉ mới tập trung thử nghiệm và đánh giá trên một số động cơ DC điện áp 24V có công suất từ 19W đến 60W.
• Việc tìm kiếm và xác định bộ ba tham số $K_P, K_I, K_D$ tối ưu cho từng động cơ chủ yếu dựa trên phương pháp thử nghiệm - hiệu chỉnh thủ công (trial-and-error) trực tiếp trên mô hình thực tế, chưa tích hợp thuật toán tự động nhận dạng đối tượng hoặc tự chỉnh định thông số (Auto-tuning PID).

Hướng phát triển tiếp theo

• Nghiên cứu và tích hợp các giải thuật điều khiển thích nghi hoặc tự động nhận dạng thông số động cơ để tự chỉnh định các hệ số $K_P, K_I, K_D$ tối ưu.
• Nâng cấp phần cứng mạch Driver để mở rộng dải điện áp và điều khiển được các động cơ DC công nghiệp có công suất lớn hơn.
• Bổ sung các chuẩn giao tiếp công nghiệp nâng cao (như CAN bus, Modbus RS485 hoặc Ethernet) nhằm kết nối vào hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu phân tán trong nhà máy.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực tế hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Nhúng.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

1. Thiết kế mạch lực và cách ly công suất: Bản vẽ và nguyên lý mạch cầu H sử dụng MOSFET IRF3205 kết hợp cách ly quang Opto PC817, mạch logic SN74HC02N và mạch lọc nhiễu Schmitt-trigger SN74HC14N.
2. Kỹ thuật lập trình vi điều khiển ARM Cortex-M3: Hướng dẫn cấu hình ngoại vi Timer băm xung PWM và ngắt đọc Encoder trên phần mềm STM32CubeMX, kết hợp viết mã nguồn nhúng thuật toán PID số trên Keil uVision5.
3. Phát triển giao diện điều khiển: Phương pháp xây dựng phần mềm giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp/USB bằng C# trên Visual Studio 2012 để gửi nhận dữ liệu và vẽ đồ thị điều khiển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển xử lý trung tâm được chọn trong đồ án có các thông số kỹ thuật chính nào?
Hệ thống sử dụng kit ARM Cortex-M3 STM32F103VET6 (STMicroelectronics) 32-bit, tần số hoạt động 72 MHz (1.25 DMIPS/MHz), vỏ LQFP100 (100 chân), tích hợp bộ nhớ Flash 256 KB, RAM 48 KB, các bộ chuyển đổi 12-bit ADC, DAC, ngõ ra PWM, giao tiếp USB, CAN, SDIO, FSMC và hỗ trợ 4 nguồn thạch anh tạo xung clock chuyên dụng.

2. Nguyên lý xác định chiều quay của động cơ DC thông qua Encoder được thực hiện như thế nào?
Encoder quang học xuất ra 2 kênh tín hiệu xung vuông A và B có cùng tần số nhưng lệch pha nhau $90^\circ$. Vi điều khiển giám sát trạng thái logic của kênh B tại thời điểm sườn xuống (cạnh xuống) của xung kênh A; nếu kênh B đang ở mức cao thì động cơ quay theo một chiều nhất định (ví dụ thuận chiều kim đồng hồ) và ngược lại, từ đó xác định chính xác chiều quay.

3. Tầng công suất Driver Cầu H sử dụng các linh kiện chính nào và có thông số ra sao?
Mạch công suất sử dụng 4 MOSFET kênh N mã hiệu IRF3205 với điện áp đánh thủng $V_{DS} = 55\text{V}$, dòng tải trung bình $I_D = 110\text{A}$, công suất tiêu tán $200\text{W} - 220\text{W}$, điện áp $V_{GS} = \pm 20\text{V}$; kết hợp cùng Opto PC817 để cách ly điện áp, IC cổng NOR SN74HC02N ($t_{pd} = 8\text{ns}$) và IC Schmitt-trigger SN74HC14N ($t_{pd} = 11\text{ns}$) để lọc nhiễu tín hiệu điều khiển.

4. Đề tài đã thử nghiệm điều khiển giải thuật PID trên các đối tượng động cơ cụ thể nào?
Hệ thống phần cứng và phần mềm đã được kết nối thử nghiệm trên 3 loại động cơ điện một chiều 24V với các mức công suất khác nhau: Động cơ DC Planet ($24\text{V} - 60\text{W}$), động cơ DC ($24\text{V} - 19\text{W}$) và động cơ DC ($24\text{V} - 38\text{W}$).

5. Những công cụ phần mềm nào được sử dụng để xây dựng hệ thống từ vi điều khiển đến máy tính?
Hệ thống sử dụng phần mềm STM32CubeMX để cấu hình chân và khởi tạo ngoại vi, phần mềm Keil uVision5 để lập trình và biên dịch mã nguồn C cho chip STM32F103VET6, cùng phần mềm Microsoft Visual Studio 2012 để lập trình giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ C#.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đoàn Ngọc Lộc đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC khép kín sử dụng thuật toán PID số. Công trình kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103VET6), mạch công suất cầu H dùng MOSFET IRF3205 cách ly quang và giao diện giám sát máy tính viết bằng ngôn ngữ C#. Kết quả thử nghiệm trên 3 loại động cơ DC công suất từ 19W đến 60W đã chứng minh tính ổn định của mạch phần cứng cũng như khả năng bám sát tốc độ đặt và đảo chiều linh hoạt của giải thuật điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Viết sách luận văn.  Báo cáo đề tài tốt nghiệp.3 GIỚI HẠN Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đề sau: - Thiết lập được giao diện để điều khiển động cơ và hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ lên giao diện để quản lý. - Xác định được 3 thông số: Kp, Kd, Ki chuẩn nhất của bộ PID để tốc độ ngõ ra bằng với giá trị tốc độ đặt như mong muốn ban đầu.

- Đảo được chiều quoay động cơ quoay thuận và quoay nghịch. - Điều khiển được nhìu động cơ với công suất khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương2.1 GIỚI THIỆU Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v … Theo mong muốn của đề tài là dùng giải thuật PID để điều khiển tốc độ của động cơ và đảo chiều quoay của động cơ, theo như mong muốn trong phạm vi đề tài có sử dụng khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối mạch cầu H để điều khiển động cơ DC.

Module STM32F103VET6 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kế tối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đề tài.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1 Điều khiển (control) Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình khác. Theo một quy luật hay một chương trình cho trước.2 Điều khiển học (cybernctics) Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc, sinh vật và kinh tế điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.3 Lý thuyết điều khiển tự động Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển ở chế độ tay (manual).4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động một quá trình nào đó được gọi là hệ thống điều khiển tự động 2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Một hệ thống điều khiển gồm có 3 thành phần cơ bản đó là: - Đối tượng điều khiển (Object device) - Thiết bị điều khiển (Controler device) - Thiết bị đo lường (Measuring device) Sơ đồ tổng quát: u(t) x(t) y(t) e(t) C O z(t) M Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động. Các tín hiệu tác động trong hệ thống: u(t) : tín hiệu vào (input) y(t) : tín hiệu ra (output) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O) e(t) : sai lệch điều khiển z(t) : tín hiệu phản hồi 2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản: 2.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch u(t) e(t) x(t) y(t) C O z(t) M Hình 2.2: sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch Tín hiệu y(t) được đưa ra so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu K e(t) x(t) u(t) y(t) C O Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu K y1(t) u(t) e(t) x(t) y(t) C O z(t) M Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả 2 nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa có các thiết bị để bù nhiễu.5 THUẬT TOÁN PID SỐ 2.1 Quy luật tỉ lệ P Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức: x = KP.1) Trong đó KP là hệ số khuếch đại của quy luật, theo tính chất của khâu khuếch đại thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào điều này nói lên rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là khi hệ số tỷ lệ Kp càng lớn thì độ vọt lố càng cao, hệ thống kém ổn định và khi sử dụng với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và có thể làm cho hệ thống mất ổn định BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép tồn tại sai lệch tĩnh để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu thức: x = x0 + Kp .2) Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch Hình 2.5: Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau 2.2 Quy luật tích phân (I) Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức 1 x = K i ∫ e dt = .3) Ti Trong đó Ki = 1/Ti gọi là hằng số tích phân BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e = 0, như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai lệch tĩnh. Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém ổn định. Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp 2.3 Quy luật tỉ lệ tích phân Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: 1 x = KP .4) Ti Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Ti = Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân - Hàm truyền đạt của quy luật tỷ lệ tích phân có dạng: 1 W (p) = Kp (1+ ) 𝑇𝑖 p - Hàm truyền tần số của quy luật PI 1 W (j𝜔) = Kp (1-j ) Tj .ω BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như vậy khi khi ω = 0 thì ϕ (ω) = −π/ 2, còn khi ω = ∞ thì ϕ (ω) = 0.

Tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng từ -π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti và tần số tín hiệu vào. Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lại nhanh hơn quy luật tích phân.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian Thời gian tích phân càng nhỏ độ vượt mức càng cao 2.4 Quy luật tỉ lệ vi phân Tác động điều khiển của quy luật PID được hình thành theo công thức: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT de de x = Kp.5) dt dt Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Td = KP/ K d: hằng số thời gian vi phân Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động hệ thống Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ - vi phân có dạng: W (p) = KP (1+Td.p) - Hàm truyền tần số của quy luật PD W (jω) = KP (1+ jTd) - Đặc tính pha tần: ϕ (ω) = arctg (Td .ω) Như vậy khi ω thay đổi từ 0 đến ∞ thì đặc tính PT sẽ thay đổi từ 0 đến π/2, ta có thể khẳng định tốc độ tác động của quy luật PD còn nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, thời gian vi phân càng lớn thì đáp ứng càng nhanh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian 2.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân.Tác động điều khiển được tính toán theo công thức: de 1 de x = KP .6) dt Ti p dt Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Ti = KP/Ki là hằng số thời gian tích phân Td = K P / K d hằng số thời gian vi phân - Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ-vi tích phân có dạng: 1 W (P) = KP (1+ + Td. p) Ti p - Hàm truyền tần số của khâu PID: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 12 do an CHƯƠNG 2.