LUẬN VĂN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VỚI PIC 18F4520

LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Tp Hồ ChÍ Minh, tháng 7 năm 2009

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Tp Hồ ChÍ Minh, tháng 7 năm 2009

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay nước ta đang tiến hành quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa vớimục tiêu giúp cho đất nước thoát khỏi cảnh nghèo nàn, lạc hậu và phấn đấu cơ bản trởthành một nước công nghiệp vào năm 2020.Ứng dụng những thành tựu của khoa học

kĩ thuật trong sản xuất, các ngành kĩ thuật nói chung và ngành điện tử - điều khiển tựđộng nói riêng đã đóng góp không nhỏ vào quá trình phát triển của đất nước Lĩnh lực

tự động hóa cần được quan tâm và phát triển để nâng cao hiệu quả sản xuất, đây cũngchính là cốt lõi của nền sản xuất hiện đại

Trong các dây chuyền công nghệ sản xuất trong công nghiệp thì hệ thốngtruyền động và băng tải là một bộ phận quan trọng và không thể thiếu Để cung cấpsức kéo cho các hệ thống này thì so với các loại động cơ khác, động cơ điện khôngđồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất, từ công suất nhỏ, trung bìnhđến công suất lớn do có rất nhiều tính năng ưu việt như: kết cấu đơn giản, độ bền cao,giá thành hạ, dễ lắp đặt và bảo trì

Nhờ sự phát triển của kĩ thuật đã chế tạo được các khóa bán dẫn có công suấtlớn nên việc điều khiển các động cơ không đồng bộ ba pha trở nên dễ dàng hơn vàcác tính năng của động cơ cũng được khai thác tốt hơn Thêm vào đó là sự phát triểncủa của kĩ thuật điện tử và lĩnh vực điều khiển tự động hóa, nhiều phương pháp điềukhiển đã ra đời và ngày càng hoàn thiện hơn nên việc điều chỉnh moment cũng như ổnđịnh tốc độ động cơ trở nên linh hoạt hơn, đáp ứng được các đòi hỏi của quy trìnhcông nghệ và quá trình sản xuất công nghiệp

Trong các phương pháp điều khiển vòng kín thì thuật toán điều khiển PID làphương pháp tương đối đơn giản, dễ thiết kế, thực hiện, lại có chất lượng chấp nhậnđược nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình và nhiều đối tượng khácnhau

Xuất phát từ những điều kể trên, trong đồ án này tôi đã ứng dụng thuật toánđiều khiển PID trong việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Dù đã rất cố gắng trong khi thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức còn hạnchế, chưa có kinh nghiệm sản xuất thực tế nên không tránh khỏi sai sót, rất mong sựđóng góp và nhận xét từ phía thầy cô và các bạn, tôi xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Đặng Xuân Cường

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, tất cả những người bạn, những người anh em, những người đã cùng gắn bó học tập, và giúp đỡ, động viên tôi trong những năm qua cũng như trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009

Giáo Viên Hướng Dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009

Giáo Viên Phản Biện

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha.

Trong các loại động cơ điện được sử dụng trong công nghiệp thì động cơkhông đồng bộ 3 pha được sử dụng rộng rãi nhất do có nhiều tính năng ưu việt như:kết cấu đơn giản, độ bền cao, dễ lắp đặt và bảo trì, chi phí thấp

Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong hầu hết các hệthống máy công nghiệp ngày nay với công suất có thể đạt đến 500 KW ( tươngđương 670 HP ), và được thiết kế theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi dễ dàngcác nhà cung cấp

1.1.1 Cấu tạo.

Hình 1.1 – Động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo gồm 2 phần : phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh (stator): gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.

+ Vỏ máy.

Có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ Vỏ máythường làm bằng gang, đối với máy có công suất lớn ( 500 KW ) thì vỏ máy thườngdùng thép tấm ghép lại Tùy theo cách làm mát mà cấu tạo vỏ máy cũng khác nhau, đối

với động cơ có công suất lớn, vỏ máy thường có nhiều lá tản nhiệt giúp làm mát tốthơn.

+ Lõi sắt.

Là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao thì lõisắt được chế tạo từ những lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau

+ Dây quấn.

Dây quấn đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện với lõi sắt Dây quấn của

- Phần động (Rotor) Có 2 loại rotor chính, rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn + Trục rotor.

Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rotor

+Lõi sắt.

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stator Lõi sắt được ép trựctiếp lên trục Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Dây quấn rotor: kiểu dây quấn và kiểu lồng sóc

+Kiểu dây quấn.

Loại này giống với dây quấn stator Dây quấn 3 pha của rotor thường đấuhình sao, còn 3 đầu kia thường được nối vào vành trượt làm bằng đồng được đặt cốđịnh ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài

Đặc điểm của rotor loại này là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụhay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điềuchỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi động cơ làm việc bìnhthường dây cuốn rotor thường được nối ngắn mạch Nhược điểm so với rotor lồngsóc là giá thành cao, dễ cháy nổ, khó làm việc ở môi trường khắc nghiệt…

+ Kiểu lồng sóc.

Khác dây quấn stator Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt bằng một thanh dẫn bằngđồng hoặc nhôm và được nối tắt ở hai đầu bằng 2 vòng ngắn mạch bằng đồng hoặcnhôm

1.1.2 Ứng dụng.

Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động

cơ điện không đồng bộ ba pha được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp,nông nghiệp và đời sống hằng ngày

Trong công nghiệp động cơ điện 3 pha thường được dùng làm sức kéo cho các

hệ thống máy cán thép, các máy công cụ trong nhà máy…

Trong nông nghiệp thường được dùng làm máy bơm nước và các loại máy giacông nông sản…

Trong đời sống hằng ngày, động cơ ba pha ngày càng chiếm một vị trí quantrọng, được ứng dụng làm quạt gió hay sử dụng trong các máy điện dân dụng…

1.1.3 Các phương pháp điều khiển.

So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khókhăn vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian.Các phương pháp điều khiển phổ biến:

- Điều khiển điện áp stator

- Điều khiển điện trở rotor

- Điều khiển tần số

- Điều khiển công suất trượt rotor

1.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha.

Hình 1.2 – Mạch chỉnh lưu 1 pha

Các trị số điện áp được tính như sau:

- Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

AV

I

U U



1.3 Biến tần và các phương pháp điều khiển.

1.3.1 Ứng dụng của biến tần.

Biến tần được dùng rất nhiều trong công nghiệp để lái các động cơ không đồng

bộ ba pha, ổn định tốc độ băng tải, đồng bộ tốc độ dễ dàng

Việc sử dụng biến tần đưa lại hiệu suất cao, đồng thời giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linhkiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống

Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển

hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động cho bơm và quạt

Từ biểu thức :

Ta thấy, tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi nếu ta thay

có nhiều nhược điểm nên ngày càng ít được dùng và được thay thế dần bằng các bộbiến tần bán dẫn.

Trong thực tế các bộ biến tần bán dẫn chia làm hai loại:

+Bộ biến tần bán dẫn trực tiếp

+Biến tần có khâu trung gian một chiều (biến tần gián tiếp)

1.3.2 Biến tần trực tiế p

Hình 1.5 – Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp

Bộ biến đổi tần số trực tiếp dùng mạch van, biến đổi nguồn điện xoay chiều ba

Trong bộ biến tần trực tiếp, điện áp ba pha chỉ chuyển đổi một lần, không phảiqua bộ chỉnh lưu nên đạt được hiệu suất cao Tuy nhiên trong bộ biến tần loại này thìmạch van khá phức tạp, số lượng van lớn, thuật toán điều khiển phức tạp và việc điều

1.3.3 Bộ biến tần có khâu trung gian một chiều (biến tần gián tiếp).

Bộ biến tần có khâu trung gian một chiều là bộ biến đổi hai tầng Điện áp xoaychiều đầu tiên được chỉnh thành điện áp DC qua bộ chỉnh lưu Sau khi qua bộ lọc, điện

áp một chiều được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi được Bộnghịch lưu ở đây làm việc độc lập với lưới, nghĩa là các van của chúng chuyển mạchtheo chế độ cưỡng bức, gọi là nghịch lưu độc lập Tần số điện áp đầu ra được điềuchỉnh nhờ thay đổi chu kì đóng ngắt các van trong nhóm nghịch lưu

Việc biến đổi điện áp 2 lần làm cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm Song việc

với các khóa bán dẫn có công suất lớn như IGBT, MOSFET đã làm phát huy ưu điểmcủa biến tần loại này, nên phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi

Biến tần loại này được chia ra làm hai loại, theo tính chất của bộ lọc bao gồm:

+ Biến tần nguồn áp:

Được sử dụng trong hầu hết các bộ biến tần ngày nay Bộ lọc dùng tụ C có điệndung lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt vào bộ nghịch lưu xem như lànguồn áp

Hình 1.6 – Mạch nghịch lưu gồm 6 khóa công suất

Nguyên lý hoạt động:

Ở mỗi thời điểm luôn có 3 khóa công suất được kích dẫn, hai khóa ở nhóm trên

và một khóa ở nhóm dưới (hoặc ngược lại)

khi pha đó mắc nối tiếp với hai pha còn lại

Để có giá trị điện áp ra tải tại mỗi thời điểm, ta xét một chu kì làm việc củamạch, trong đó chỉ xét nguyên lý hoạt động của Transistor

Hình 1.8 – Trạng thái mạch tại thời điểm T1.

Ta có:

1323

Hình 1.9 – Trạng thái mạch tại thời điểm T2

Ta có:

Hình 1.10 – Trạng thái mạch tại thời điểm T3

Ta có:

1323

1.3.5 Các phương pháp điều khiển phổ biến.

1.3.5.1 Phương pháp điều chế sin PWM.

Sau đây là hình vẽ miêu tả nguyên lý của phương pháp điều rộng sin một pha:

Hình 1.11 – nguyên lý của phương pháp điều rộng SIN một pha

Vcontrol < Vtri thì

2

dc AO

sinsmp arry

c

U ma

U



1.3.5.2 Phương pháp điều khiển V/f.

Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay Tốc độ của động cơ khôngđồng bộ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồncung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độcủa động cơ

Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp chođộng cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa Điều này dẫn đến dòng từ hóatăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõi từ, tổnhao đồng trong dây quấn Stator Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làmgiảm moment của động cơ

Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mứcthường đi đôi với giảm điện áp cung cấp cho động cơ Và khi động cơ hoạt động vớitần số định mức thì điện áp động cơ được giữ không đổi và bằng định mức do giới hạncủa cách điện của Stator cũng như của điện áp nguồn cung cấp

Ta có công thức sau:

dm

f a

Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a<1) Từ thông động cơ được

giữ ở giá trị không đổi Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động

cơ, nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểmlàm việc của động cơ

Ta có phương trình tính dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:

1 2

dm m

E I

m

E I

c

Tuy nhiên trong thực tế để giữ cho tỉ số này không đổi, đòi hỏi mạch điều khiểnrất phức tạp

Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stator, ta có thể xemnhư U ≈ E Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f = Const được thay bằng phương pháp V/f

= Const Theo phương pháp này thì tỉ số V/f được giữ không đổi và bằng tỉ số củachúng ở giá trị định mức

Với sơ đồ đơn giản của động cơ:

Hình 1.13 – Sơ đồ đơn giản của động cơ.

3w

dm

R V S M

db

V M

Và moment cực đại ở tần số f khác định mức khi thay các giá trị định mức bằng giá trị

đó nhân với tỉ số a (aωđm, aVđm, aX), với a < 1:đm, aVđm, aX), với a < 1:

2 ax

32

dm m

db

V M

Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn

so với giá trị của (X1+X2’), dẫn đến sụt áp nhiều ở điện trở stator khi moment tải lớn.Điều này làm cho E bị giảm và dẫn đến suy giảm từ thông và moment cực đại

1.3.5.3 Nghịch lưu 3 pha sixtep.

Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu truyền thống dùng 6 khóa công suất:

Với phương pháp nghịch lưu sixtep, các khóa công suất được kích dẫn trong

1.3.5.3.1 Nghịch lưu sixtep dẫn 120o.

3

 (rad), lệch

3

(rad), các van được kích dẫn theo trình

3

 (rad) :

Gọi E là áp nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu thì ta có giá trị điện áp trong

120180

180240

240300

300 360

Hình 1.16 – Đồ thị điện áp pha ngõ ra.

Nếu có E là áp nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu thì ta cũng có giá trị điện

3

 (rad) khi phụ tải 3 pha đối xứng :

180240

240300

300 360

ca

Đây cũng là phương pháp nghịch lưu được chọn để thực hiện trong đề tài này,

do yêu cầu mạch lái đơn giản và số lần đóng cắt của khóa công suất ít Điện áp 3 phangõ ra lái động cơ khá tốt

1.4 Encoder.

Encoder được dùng để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị Dựa trên nguyêntắc cảm biến ánh sáng với một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng vàphototransistor ( đối với encoder quang ) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ ( đối vớiencoder từ ) Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang

1.4.1 Cấu tạo.

Bao gồm hai bộ phận chính đó là đĩa quay và bộ phận thu phát ánh sáng

Một encoder thường có các dây sau:

+Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder

+Dây Z là dây phát ra một xung trên một vòng

1.4.2 Nguyên lý hoạt động.

Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ(rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ(rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyênqua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu

Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đượcđèn led có chiếu qua lỗ hay không Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình

để thiết bị đo đếm lên 1 Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo Ví

dụ đĩa của bạn có 1 lỗ tức là khi bạn quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung,nếu đĩa của bạn khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng bạn thu được N xung

Như vậy khi đo tốc độ bạn đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó bạn tínhđược số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc bạn có thể đo chu kì xung) Nếu đo tốc độcao thì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác

1.5 Cảm biến nhiệt LM335.

Đây là cảm biến nhiệt vi mạch có độ biến thiên theo nhiệt độ:10mV/K

độ môi trường Thông số kĩ thuật:

+ Dòng điện làm việc từ 400uA - 5mA.

+ Dòng điện ngược Max 15mA

+ Dòng điện thuận Max 10mA

+ Công suất tiêu tán thấp

Quan hệ giữa điện áp ngõ ra và nhiệt độ của LM335 như sau:

out

1.6 Thuật toán bộ điều khiển PID

PID được viết tắt từ: Proportional Integral Derivative nghĩa là khâu tỉ lệ, khâu tíchphân và khâu vi phân

Mục đích của PID là cố gắng hiệu chỉnh sai số giữa biến quá trình (biến đolường) và giá trị đặt (giá trị mong muốn) sao cho sai số giữa chúng là nhỏ nhất bằngcách tính và xuất ra hệ số hiệu chỉnh tương ứng để tối ưu quá trình

Bộ điều khiển PID được coi là lý tưởng đối với các đối tượng có mô hình liêntục chính xác Bộ PID là bộ điều khiển thay đổi động mà sự thay đổi các tham số của

bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính tác động và đặc tính tĩnh của hệ thốngđiều khiển tự động

1.6.1 Thuật toán PID số.

Bộ điều khiển PID số có hàm truyền dạng liên tục như sau:

Một số ảnh hưởng của các hệ số trên trên đáp ứng hệ kín :

Từ biến đổi z ta có phương trình PID số như sau:

1

222

K z T

K T K K T

K T K K z

G

d d

i d d

i p

Đặt:

T

K T K K

a i d

d

2 2

1 1 0

2 2

1 1 0

1.6.2 Thuật toán PID rời rạc hóa.

Hàm truyền liên tục của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là e(t) và tín hiệu ra là tínhiệu điều khiển R(t):

R(t) = Kp * ( e(t) + 1/Ti * ∫e(t)dt + Td * de(t)/dt )

Hàm truyền được viết lại như sau:

R(t) = Kp * e(t) + Kp/Ti * ∫e(t)dt + KpTd * de(t)/dt

Hay:

R(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

Trong đó:

- e(t) : sai số giữa giá trị đặt và giá trị đo, tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển

- R(t): tín hiệu điều khiển

Sử dụng phương pháp rời rạc gần đúng để tính khâu vi phân và tích phân như sau:

+ Khâu tích phân:

ow 0

i n

i i

e





+ Khâu vi phân: ei - 2ei-1 + ei-2

+ Khâu tỉ lệ: ei = wđặt - wđo tại thời điểm i

+ Xét bộ điều khiển chỉ có khâu tỉ lệ:

Hình 1.17 – Mô hình điều khiển vòng kín dùng khâu hiệu chỉnh P

Sai số e(t) giữa giá trị đặt và giá trị đo được tính toán, giá trị sai số này sau khi quahàm truyền sẽ quyết định giá trị của tín hiệu điều khiển R

Nếu độ lợi Gain là hằng số K, thì ta sẽ có:

Giá trị R sẽ tỉ lệ tuyến tính với sai số e: R(t) = Kp * e(t) và Kp được gọi là hệ số độlợi

Như vậy với bộ điều khiển với khâu hiệu chỉnh P, đáp ứng của hệ thống sẽ luôn cósai số xác lập.

Rời rạc hóa gần đúng, ta có:

Nếu sai số giảm dần về 0, sẽ không có tín hiệu lái Motor, do đó sai số có thể khôngbao giờ về 0

+ Với bộ điều khiển chỉ có khâu độ lợi Kp, đáp ứng của hệ thống sẽ không được nhưmong muốn, để cải thiện đáp ứng của hệ ta xét bộ hiệu chỉnh với 3 thông số: khâu độlợi, khâu tích phân và khâu vi phân

Hình 1.18 – Mô hình điều khiển vòng kín dùng khâu hiệu chỉnh PID

Với 3 khâu hiệu chỉnh trên chúng ta có thể điều chỉnh đáp ứng của hệ thống : giảmbớt thời gian xác lập, độ vọt lố, cũng như sai số xác lập

+ Ảnh hưởng của khâu vi phân

k=0.2k=0.4k=0.6

+

Khâu vi phân làm cho tốc độ đáp ứng thay đổi, thêm khâu này vào sẽ làm thời gianxác lập tăng, nhưng sai số xác lập vẫn không thay đổi.

R(t) = Kp * ( e(t) + Td * de(t)/dt )

Rời rạc hóa và tính gần đúng:

Rn = Rn-1 + Kp * (en - en-1) + Kd * (en – 2en-1 + en-2)

+ Ảnh hưởng của khâu tích phân:

Khâu hiệu chỉnh Ki làm tăng độ vọt lố, giảm thời gian xác lập và làm cho sai số xáclập dần về 0

R(t) = Kp * ( e(t) + 1/Ti * ∫e(t)dt + Td * de(t)/dt )

Hàm truyền bộ điều khiển PID sau khi qua phép biến đổi gần đúng

Đặt

Thời gian

Kp Kd

Đặt

Thời gian

Kp Kd Ki

Sai số xác lập gần về 0

Rn = Rn-1 + Kp * (en - en-1) + Ki * (en + en-1)/2 + Kd * (en – 2en-1 + en-2)

Trong đó:

Đây là thuật toán điều khiển PID đã được biến đổi, đưa ra phương pháp tính toán gầnđúng các khâu hiệu chỉnh vi phân và tích phân Với các phương pháp này, chúng ta

có thể dễ dàng thực hiện thuật toán PID trên máy tính hoặc vi điều khiển mà không còn gặp khó khăn trong việc tính toán vi phân và tích phân nữa

1.6.3 Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID.

Việc lựa chọn các thông số của PID có thể dựa vào phương pháp biểu đồ Bode,phương pháp quĩ đạo nghiệm số, Simulink…nhưng đòi hỏi phải biết hàm truyền đốitượng

Có 2 phương pháp hiệu chỉnh và đều hướng tới đạt độ vọt lố khoảng 25%

1.6.3.1 Phương pháp thứ nhất.

Ở phương pháp này, bằng thực nghiệm ta tìm được đáp ứng quá độ của hệ thốngvới đầu vào là bậc thang đơn vị Nếu hệ thống không chứa các khâu tích phân haynghiệm phức liên hợp thì đường quá độ có hình dáng như hình chữ S

K

TL

tY(t)

Ziegler – Nichols đề xuất xác định Kp, Ti, Td.

Nguyên tắt hiệu chỉnh theo Ziegler –Nichols

1.6.3.2 Phương pháp thứ hai.

Các thông số được chọn như Bảng 6.2:

1.7 Ngôn ngữ lập trình Visual Basic.

1.7.1 Khái quát về Visual Basic.

Ngôn ngữ Visual Basic có module phần mềm MSCOMM.OCX phục vụ chotruyền thông, với Visual Basic 6.0 là MSCOMM32.OCX

Muốn cài đặt đơn truyền thông vào thanh công cụ ta vào project \ components \controls chọn microsoft comm control 6.0/OK, lúc này biểu tượng hình điện thoại sẽhiện lên thanh công cụ.

+ Value = False: đóng cổng và xóa bộ truyền thu

+ Cổng tự động đóng sau khi kết thúc chương trình áp dụng

- Nhập dữ liệu:

String$ = Object.input

+ Dữ liệu chuỗi ở bộ đệm thu được đọc vào biến String$

- Liên quan đến đọc dữ liệu có các lệnh sau:

Object.Inputlen [= numbyte%]

+ Inputlen: quy định số ký tự được đọc bởi input Chọn inputlen = 0 sẽ chođọc toàn bộ vùng bộ đệm.

+ Xuất chuỗi ký tự hay chuỗi nhị phân ra cổng Com

- Giống như nhập dữ liệu ta có các lệnh hỗ trợ

Outbuffersize: đặt và trả lại kích thước bộ đệm truyền

Outbuffercount: trả lại số ký tự trong bộ đệm truyền

- Đặt số byte của bộ đệm thu tối thiểu để báo sự kiện:

Oject.rthreshold[=value]

+ Nếu đặt bằng 1 sẽ gọi oncomm khi nhận được một ký tự

+ Nếu đặt bằng 0 thì không gọi

- Lập trình theo sự kiện: Khi có sự kiện xảy ra chương trình cho cổng Object_oncomm

sẽ được gọi để xử lý các sự kiện hay các lỗi

- Một số sự kiện lập trình thường được sử dụng nhất:

+ Case ComEvReceive : Số byte đệm thu đạt mức Rthreshold

+ Case ComEvSend :Số byte đệm thu ít hơn mức Sthreshold

1.7 2 Giới thiệu về công cụ ActiveX Teechart.

Để sử dụng Teechart ta copy teechart7.oxc vào C:Windows/System32, sau đótrên visual Basic 6.0 ta mở Teechart thông qua menu Project > Components

Để thay đổi giao diện, thiết lập thông số ta kích chuột phải vào giao diện trênForm và chọn Edit Cửa sổ Editing hiện ra

Tại TAB Chart/Series, ta chọn Add để thêm đồ thị cần hiển thị và chọn kiểu đồthị Ở đây hỗ trợ nhiều kiểu đồ thị khác nhau Bỏ Check 3D để được đồ thị 2D Kếtquả sau khi chọn kiểu đồ thị Point 2D

Đây là công cụ hỗ trợ vẽ đồ thị trên VB có giao diện đẹp và cách thức lập trình đơngiản

1.8 Vi điều khiển _PIC 18f4520.

1.8.1 Giới thiệu về PIC.

Đây là vi điều khiển 8 bit do hãng Microchip chế tạo và sản xuất với công nghệ hiện đại, phù hợp cho nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp Ngoài ngôn ngữ lập trình Assembler như các MCU khác, người dùng có thể lập trình

PIC trên ngôn ngữ C quen thuộc thông qua nhiều phần mềm hỗ trợ (PIC 18C, CCS C, MPLAP C18…).

Hình 1.20 – Sơ đồ chân của PIC18F4520.

Cấu trúc bên trong PIC 18F4520 :

Hình 1.21 – Cấu trúc bên trong của PIC 18F4520.

1.8.2 Đặc điểm nổi bật ngoại vi.

- Là MCU sử dụng tập lệnh RISC và có tốc độ xử lý cao, công suất thấp nhờ sử dụngcông nghệ CMOS FLASH/EEPROM

- Tập lệnh có 75 lệnh

- Một chu kỳ lệnh bằng 4 chu kỳ xung Sử dụng bộ dao động 40 Mhz thì chu kỳ lệnh là0,1 us

- Dòng I/O ra cao: sink / source 25mA / 25mA

- 5 port I / O

- 3 ngắt ngoài có thể lập trình

- 4 ngõ vào thay đổi ngắt

- Các module lấy mẫu / so sánh / PWM được tăng cường so với loại PIC 20 chân.[ hai ngõ ra PWM ; tự động ngưng và khởi động lại ; thời gian trễ ( dead time ) cóthể lập trình lại ]

- Cổng serial đồng bộ với chế độ SPI(Master) và I2C (Master/Slave) thực hiện bằngphần cứng

- Tăng cường module USART có thể định địa chỉ:

+ Tự động dò tốc độ baud

+ Hỗ trợ RS - 485, RS - 232 và LIN 1.2

+ RS - 232 hoạt động qua việc sử dụng bộ tạo dao động bên trong ( không cầnthạch anh bên ngoài )

+ Chế độ chuyển nhận đồng bộ/bất đồng bộ với 9 bit địa chỉ kiểm tra

- 10 bít, 13 kênh của module chuyển đổi A/D với tốc độ 5 - 10us

+ Có khả năng tự động thu nhận

+ Sự chuyển đổi thực hiện trong suốt quá trình chờ

- 2 bộ so sánh tương tự với nhiều đầu vào

- Trang bị 4 bộ định thời: 1 bộ 8 bit, 3 bộ 16 bit

- 2 module Capture/Compare/PWM

- Cổng song song (PSP) 8bit

- Các chế độ định địa chỉ: trực tiếp, gián tiếp và tương đối

- Chế độ SLEEP (tạm nghỉ) để tiết kiệm điện năng

- 2 chân cho phép gỡ rối hoạt động của vi điều khiển

- Cấu trúc bộ dao động linh hoạt:

- 4 chế độ dao động thạch anh, tần số bộ dao động cho phép tới 40 Mhz

- 4 vòng khóa pha ( dùng cho bộ dao động thạch anh bên ngoài và bộ dao động bêntrong )

- Hai chế độ dao động RC bên ngoài.

- 2 kiểu xung clock bên ngoài, lên đến 40 MHz

- Khối dao động bên trong:

+ 8 tần số sử dụng có thể chọn lựa từ 31 KHz đến 8 MHz

+ Cung cấp một dải xung clock đầy đủ với tốc độ từ 31 KHz đến 32 MHz khidùng với PLL

- Bộ dao động thứ hai sử dụng Timer 1 32 KHz

- Đặc tính đặc biệt của PIC:

- 100, 000 quá trình xóa / ghi bộ nhớ Flash chương trình

- 1, 000, 000 quá trình xóa dữ liệu EEPROM

- 32k bộ nhớ FLASH lập trình.

- 1536 byte bộ nhớ SRAM , trong đó bộ nhớ EEPROM lên đến 256 byte.

- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình

- Có chế độ bảo vệ mã lập trình

- Lập trình thông qua cổng serial với điện thế chỉ 5 V

- Sự tự lập trình bằng phần mềm điều khiển

- Các mức ưu tiên cho ngắt

- Bộ định thời Watchdog được nới rộng ( WDT ):

+Chu kỳ có thể lập trình từ 4 ms đến 131 s

- Dải điện áp hoạt động rộng: 2 V đến 5.5 V

1.8.3 Chức năng từng chân.

- Port A:

+ Là port xuất nhập hai chiều:

+ Gồm 6 chân từ RA0 đến RA5 Chân RA2 là ngõ vào điện áp tham chiếu thấp (

ref

cho việc đổi tương tự sang số ( A/D )

+ Chân RA4 là ngõ vào xung clock cho Timer0 RA5 dùng phát hiện mức điện

áp cao / thấp ở đầu vào

- Port B:

+ Là port xuất nhập hai chiều, port B có thể được lập trình bằng phần mềm để