ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 1


LỜI TỰA

Mục đích đề tài là ĐIỀU KHIỂNTỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ,
tuy đây là một đề tài khá quen thuộc nhưng điển khác biệt so với những đề tài trước là
sử dụng là sử dụng ngôn ngữ lập trình là C thông qua chương trình CodevisionAVR
C compiler để lập trình cho vi xử lý ATMega16 nhằm mục đích tối ưu hóa những khả
năng của ATMega16.
Đồ án thực hiện đề
tài gồm 5 phần :
► Phần I: giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.
► Phần II : Phần cứng.
► Phần III : Thiết kế khối hiệu chỉnh PID bằng giải thuật phần
mềm.
► Phần IV : Phần mềm.
► Phần V : Tài liệu tham khảo .
Xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Phương Hà, người đã gợi ý và h
ướng
dẫn tôi thực hiện đề tài này.
Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh có sai
sót, tôi mong được sự góp ý để có thể hoàn thiện tốt hơn.
Người thực hiện
Nguyễn Quốc Huy

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 2
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN

…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..


ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 3

MỤC LỤC


Lời tựa 1
Nhận xét của giáo viên 2
Mục lục 3
Phần I : Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 4
Phần II : Phần cứng 5
1.Cấu trúc tổng quát 5
2.Khối xử lý trung tâm 6
3.Khối hiển thị 8
4.Khối cảm biến 8
5.Khối công suất 9
6.Khối bàn phím 10
7.Khối cấp nguồn 10
Phần III : Giải thuật mờ thiết kế bộ
điều khiển PID cho động cơ 12
Phần IV: Phần mềm 17

Phần V : Tài liệu tham khảo 19




























ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ

12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 4
PHẦN I :
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động
với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều
được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ
trong phạm vi rộng.
Một phần quan trọng của độ
ng cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của
rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một
bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ
điện một chiều: cổ góp làm cho cấ
u tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm
trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ
chỉnh lưu
Hiện nay có một số xu hướng trong điều khiển động cơ. Trong một số trường
hợp, vấn đề cần quan tâm chỉ đơn giản là điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen hoặc các
thuộc tính khác của động cơ trên cơ sở tín hiệu điều khiển đầu vào là từ phía con
người, chẳng hạn như qua bảng điều khiển. Việc điều khiển bằng tay như vậy thuộc về
phạm trù điều khiển vòng hở. Trong một số trường hợp khác, động cơ phải tự động
đưa ra các đáp ứng với các tác động thời gian th
ực. Các đáp ứng đối với các tác động
này được quan sát và các điều chỉnh cần thiết được tự động tạo ra. Vì vậy, nó tạo ra
một môi trường điều khiển kín. Các điều khiển vòng lặp kín như vậy được gọi là hệ
tùy động servo, hay chỉ đơn giản là servo.
Điều khiển servo là một quá trình xử lý tín hiệu liên quan đến điều khiển động
cơ trên c

ơ sở động học của các tín hiệu vào như vị trí, tốc độ hay mômen. Trong quá
khứ người ta sử dụng các mạch tương tự để thực hiện điều khiển servo, nhưng khả
năng thích nghi của các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) đã tạo ra một công nghệ cho sự
lựa chọn trong nhiều ứng dụng. Khi dải thông cho điều khiển tốc độ và mômen đơn
giả
n là hẹp một cách tương đối nếu so sánh với mã hóa tiếng nói, MCUs thường đủ
nhanh các việc xử lý DSP nhỏ nhặt. Trong một số trường hợp, mặc dù chúng phải dựa
vào các bảng tra (look-up tables) để cho các kết quả xấp xỉ, nhưng MCUs không có
tốc độ để thực hiện những thuật toán điều khiển nâng cao được cần đến trong truyền
động ổ đĩa cứng có chất lượng cao nhấ
t, các ổ CD-ROM hay DVD. Tuy nhiên, các bộ
điều khiển đĩa này có yêu cầu cao hơn các bộ điều khiển tốc độ động cơ. Chúng phải
đảm bảo điều khiển vị trí servo của phần cơ khí đọc (và viết) mà thường là các động
cơ tuyến tính. Điều khiển thích nghi là cần thiết cho các trường hợp này để bù sự thay
đổi nhiệt, sự lão hóa (aging) của đĩa và các lực gia tốc vậ
t lý.






ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 5

PHẦN II :
PHẦN CỨNG

1.CẤU TRÚC TỔNG QUÁT :
Board điều khiển được thiết kế nhằm mục đích diều khiển động cơ có công suất

tối đa là 10 Watt ,mạch chính gồm 6 khối như sau :
● Khối xử lý trung tâm : sử dụng vi điều khiển ATMega16.
● Khối hiển thị : sử dụng LCD 16x2 giao tiếp với PORTA của vi xử
lý.
● Khối cảm biến : Encoder nối trực tiếp vào tr
ục Motor để xác định
tốc độ.
● Khối công suất : có khả năng điều khiển Motor dùng nguồn DC
24V.
● Khối bàn phím : gồm 4 phím nhấn và 4 công tắc on-off dùng để
điều khiển và thiết lập các thông số cho bộ điều khiển tốc độ. Chức
năng của từng phím được thiết lập bằng phần mềm.
● Khối cấp nguồn : nguồn chính cung cấp điề
n áp 5V,12V, và 24V
dùng để cung cấp cho mạch điều khiển và mạch công suất.

Sơ đồ mô tả mạch :

:





2.KHỐI XỬ LÍ TRUNG TÂM :

Xử lý
trung tâm

Khối hiển thị

LCD

Khối bàn phím

Khối cảm biến

Khối cấp
nguồn

Khối công suất
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 6
Đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, chịu trách nhiệm về tất cả các họat động
của mạch. Board mạch chủ với bộ xử lí trung tâm là ATMega16 cung cấp mộ công cụ
có thể thực hiện điều khiển theo bất kì phương pháp nào, chỉ cần có giải thuật và
chuyển đổi thành chương trình nạp vào bộ nhớ của ATMega16.
Vi điều khiển ATMega16 được chọn vì MCU này có những ưu
điểm trong việc
điều khiển động cơ, cụ thể là bộ 2 timer 8 bit và 1 timer 16 bit tất cả đều có bộ chia tần
và PWM (Pulse Width Modulation).
Tổng quan về ATMega16:
ATMega16 là một vi điều khiển 8 bit do hãng ATMEL sản xuất, được chế tạo
theo công nghệ low-power CMOS, khả năng tiêu thụ công suất thấp, xử lý nhanh với
16KB Flash(In-System Self-Programmable Flash). Thiết bị này được chế tạo bằng
cách sử dụng kĩ thuật bộ nhớ không b
ốc hơi mật độ cao của ATMEL. Flash In-System
cho phép bộ nhớ được lập trình bởi một lập trình viên bình thường. Bằng cách kết nối
một CPU 8 bit với một bộ nhớ Flash 16KB trên một chip đơn, ATMega16 là một
MCU mạnh, cung cấp một bộ điều khiển với sự linh động cao và giá thành cạnh tranh
đối với nhiều ứng dụng dùnh MCU 8 bit.


Sơ đồ chân và các đặc điểm chủ yếu củ
ATMega16 :
● 16KB Flash Rom có khả năng ghi/xóa 10.000 lần.
● In-System Programming sử dụng On-chip Boot Program.
● 2 timer 8bit và 1 timer 16bit tất cả đều có bộ chia tần.
● 4 kênh PWM (Pulse Width Modulation).
● 8 kênh biến đổi ADC 10bit.
● 6 chế độ tiết kiệm nguồn.
● 21 nguồn ngắt cho phép lập trình linh hoạt.
● 32 đường I/O lập trình được (4 Port).
● Tần số hoạt động từ : 0 Hz đến 16MHz

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ GVHD:PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
12/2007 SVTH:NGUYỄN QUỐC HUY 7




Mô tả sơ đồ mạch :