Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều bằng 89C51

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ phần ứng Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ cóphương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

1.1 Động cơ điện một chiều 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 6

1.1.3 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ 9

1.1.4 Đo tốc độ động cơ điện một chiều 13

1.2 Bộ biến đổi xung áp một chiều 14

1.2.1 Các phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện một chiều 14

1.2.2 Phương pháp PWM 14

1.2.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều 17

1.3 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kich từ động lập bằng nam châm vĩnh cửu .21

1.3.1 Xây dựng mô tả toán học cho động cơ dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết 21

1.3.2 Xây dựng mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm 23

1.4 Hệ thống điều khiển PI số 25

1.4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động 25

1.4.2 Luật điều khiển PID 26

1.4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển PI số 27

1.4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển 28

1.5 Khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động 30

1.5.1 Tính ổn định của hệ thống 30

1.5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống 31

1.5.3 Biện luận tính ổn định của hệ thống với các trạng thái khác nhau của đối tượng điều khiển 32

1.5.4 Một số lưu ý khi thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số 33

CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 36

2.1 Vi điều khiển AT89C51 36

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89C51 36

2.1.2 Chức năng các chân của 89C51 37

2.1.3 Tổ chức bộ nhớ 39

2.1.4 Các thanh ghi chức năng đặc biệt và các vector ngắt 42

2.2 LCD1602 44

2.2.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân của LCD1602 44

2.2.2 Hiển thị LCD 45

CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM 46

3.1 Sơ đồ khối 46

3.2 Khối nguồn 47

3.2.1 Khối nguồn I 47

3.2.2 Khối nguồn II 48

3.3 Đối tượng điều khiển 49

3.4 Bộ biến đổi 50

3.5 Khối giao tiếp, điều khiển và hiển thị 52

3.6 Khối tải ảo 65

3.7 Thiết kế mạch in 66

3.7.1 Khối nguồn 66

3.7.2 Bộ biến đổi 67

3.7.3 Khối giao tiếp, điều khiển và hiển thị 68

3.7.4 Khối tải giả 69

CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

4.1 Kết luận 70

4.2 Phương hướng phát triển của đề tài 71

Lời cảm ơn ! 72

Tài liệu tham khảo 73

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổi đáng kể là ViệtNam đã gia nhập WTO, một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, để chúng ta - conngười Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh

vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng

Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớm lạc

hậu và nhanh chóng thụt lùi Nhìn ra được điều đó trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên” đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Để tăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và khoa Điện - Điện Tử nói

riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các Đồ Án Môn Học nhằm tạo nên tảng vững chắccho sinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm

Ngày nay lĩnh vực vi điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩmphục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti

vi nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn

Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đápứng cho cuộc sống tiện nghi của con người Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng nhữngyêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế, nhưng

không quá xa lạ đối với mọi người, đó là : “Thiết kế hệ thống điều khiển và ổn định tốc

và hướng dẫn kịp thời của thấy "Nguyễn Viết Ngư", sự góp ý kiến của các bạn sinh viên

trong lớp Được như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận đượcnhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo và bạn trong các đồ án sau này

Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thể tránh khỏisai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đóng góp ý kiến đểchúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Động cơ điện một chiều

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện - từ quay,làm việc theo nguyên lý điện - từ Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòngđiện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng lực từ vào dây dẫn (dòng điện) và làmdây dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ

Hình 1.1.2.a – Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiềuNhư ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ Vì vậykhi cho dòng điện một chiều đi vào ở chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn

sẽ chịu tác dụng của lực từ Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dướicực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lêncác thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay

I

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạchkích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động

cơ kích từ độc lập

Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt làm dây cuốn kích từ sinh ra từ

thông Φ Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φ max

tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R kt đến nhỏ nhất có thể Cũng cần đảm bảo

không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0 dẫn tới M = KΦI = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư = 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất

lớn làm cháy động cơ Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M >

M c ) rôto bắt đầu quay và suất điện động E ư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của E ư , dòng điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn

* Cấu tạo chung :

Phần động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:

+ Phần tĩnh : Stato

+ Phần quay : Roto

* Stato :

Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Gắn

với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau:

cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác

Hình 1.1.2.b - Cấu tạo stato

a Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắtcực từ Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép carbon dày 0.5đến 1 mm ép lại và tán chặt

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọccách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ Cáccuộn dây này được nối nối tiếp với nhau

Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như : Nắp máy, cơ cấu chổi than

-Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay antoàn cho người khỏi chạm phải điện

-Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than gồm cóchổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi thanđược cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó Giá chổi có thể quay được để đưa

b Dây quấn phần ứng

Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilowatt)thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diệnchữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đaichặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit

c Cổ góp

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiềuthành một chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớpmica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốphình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của cácphần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác

Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiều thường đượcchế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trụcđộng cơ Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vànhgóp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ

Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục động cơ thườngđược làm bằng thép carbon tốt

1.1.3 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ

a Mở máy động cơ điện một chiều

Phương trình cân bằng điện áp : U ư=E ư+I ư × R ư

Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư lên tới khoảng 20 đến 25 lần

Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện

Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp :

 Dùng biến trở mở máy R Mở

 Giảm điện áp đặt vào phần ứng

* Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau:

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào Φ (từ thông), Rư

(điện trở phần ứng), Uư (điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơđiện một chiều ta có ba phương án

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ

phần ứng

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ cóphương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vàophần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có

độ cứng không đổi và bằng với độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên (đặc tính cơ tự nhiên có

độ cứng là lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị hao tổn

Vì vậy trong đồ án này em chỉ giới thiệu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điệnmột chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1.1.3.a – Sơ đồ khốiPhương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức Tuy nhiên docách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện ápphần ứng Uư Khi Uư giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là không đổi nên tốc độ n giảm Vì vậy

thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điềuchỉnh trong phạm vi rất nhỏ

Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vìtừ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi : M=K ×Φ đm × I ư đm

Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có

thể đến 1:25 Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không

đổi, bằng với độ cứng đặc tính cơ tự nhiên

Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nóiphương pháp này điều khiển là triệt để

Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện

áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởiyêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trịlớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

ω 0 max∨β∨ ¿

M đm ≤ 10¿

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômenkhông đổi

Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làmviệc ở chế độ kích từ độc lập

Điều chỉnh động cơ điện một chiều chính là sử dụng phương pháp này

Hình 1.1.3.b - Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp

Kết luận : Trong đồ án này em sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một

chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ vì nó thu được đặc tính

cơ có độ cứng không đổi (và là đặc tính cơ có độ cứng lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằngphẳng và không bị hao tổn

* Lưu ý : So với động cơ điện xoay chiều thì động cơ điện một chiều có ưu thế tuyệt đối

trong việc điều chỉnh tốc độ Sự tỉ lệ giữa điện áp phần ứng và tốc độ của động cơ điệnmột chiều mang tính tuyến tính cao còn trong động cơ điện xoay chiều thì tốc độ khôngchỉ phụ thuộc điện áp mà còn phụ thuộc vào tần số và sự phụ thuộc đó gần như hoàn toàn

là phi tuyến, hơn nữa nếu muốn điều khiển hoàn toàn động cơ điện xoay chiều cần có bộbiến tần đi kèm (tăng điện áp phần ứng không làm cho tốc độ vượt qua tốc độ không tải

lý tưởng) Vì thế trong những hệ thống yêu cầu tính chính xác cao người ta thường dùngđộng cơ điện một chiều

1.1.4 Đo tốc độ động cơ điện một chiều

Để đo tốc độ động cơ nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng người ta thường sửdụng Encoder

 n : Số xung đo được

 no: Độ phân giải (32 xung/vòng)

 T : Khoảng thời gian đếm xung (0.375 s)

Phân loại :

Có 2 loại Encoder là :

 Encoder tuyệt đối

 Encoder tương đối

Về cơ bản thì Encoder tuyệt đối và tương đối có nguyên tắc hoạt động là giống nhau; mặc

dù Encoder tuyệt đối đưa ra tín hiệu chuẩn xác hơn nhưngcó cấu tạo phức tạp hơp và giáthành cao hơn Vì vậy trong phạm vi đề tài này chúng em sử dụng Encoder tương đối

Encoder tương đối (incremental encoder)

Có 2 kiểu Encoder tương đối là kiểu quay và kiểu thẳng Tuy nhiển kiều thẳng thì tốnkém và bất tiện hơn kiểu quay nên trong phạm vi đề tài này em sử dụng Encoder tương

1.2 Bộ biến đổi xung áp một chiều

1.2.1 Các phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện một chiều

Đề điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều chúng ta có thể sử dụng

bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc phương pháp PWM Tuy nhiên với các hệ thống chỉ yêucầu công suất vừa và nhỏ thì việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển khó khăn và tốnkém hơn phương pháp PWM mà không mang lại hiệu quả cao hơn Vì vậy trong phạm vi

đề tài này chúng em sử dụng phương pháp PWM đề điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứngđộng cơ điện một chiều

1.2.2 Phương pháp PWM

* Giới thiệu về phương pháp PWM

Phương pháp điều chế PWM (viết đầy đủ là Pulse Width Modulation) là phương phápđiều chỉnh điện áp ra tải hay nói chính xác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi

độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng

để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thìPWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu một pha

và ba pha Trên thực tế phương pháp PWM còn được ứng dụng trong nhiều mạch điềukhiển khác Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử côngsuất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn nguồn một chiều cố định

Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của xungdương hoặc là xung âm

Hình 1.2.2.a - Dạng xung PWM

Trong sơ đồ trên, trong một chu kỳ thì những xung PWM khác nhau có thời gian đạttrạng thái “1” (xung dương) khác nhau, độ rộng xung PWM được tính theo tỉ lệ phầntrăm giữa thời gian xung dương và thời gian của một chu kỳ Độ rộng xung PWM đượctính như sau :

Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn Nhìntrên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :

+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = 25%Umax (V)

+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = 50%Umax (V)

+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = 75%Umax (V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào

Bây giờ ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm khi sử dụng PWM để điều khiển động cơđiện một chiều

a Ưu điểm

- Van công suất ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được

mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra

- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ mô tơ cao hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp mộtđiện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM

b Nhược điểm

- Cần các mạch điện tử bổ trợ

- Giá thành cao

- Các xung kích lên Umax có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng

ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ

- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ

* Nguyên lý của phương pháp PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách

có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trongmạch các van bán dẫn

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằng Mosfet (hoặc cóthể sử dụng IGBT hay các van bán dẫn khác)

Nguyên lý hoạt động :

Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn U được đưa ratải Còn trong khoảng thời gian từ t0 đến T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải

Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàntoàn điện áp cung cấp cho tải

Hình 1.2.2.b - Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 1.2.2.c - Đồ thị xung của van điều khiển và đầu raCông thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

U t=U ¿

T = U × D

Với : t0 là thời gian xung dương (khóa đóng)

T là thời gian của cả sườn âm và dương

U là điện áp nguồn cung cấp cho tải

D = t0/T là độ rộng xung PWM và được tính bằng %

* Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phầnmềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các ICdao động tạo xung vuông như : NE555, LM555 Trong phần mềm được tạo bằng các

vi điều khiển có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạobằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

* Một vài ứng dụng nổi bật của PWM

a PWM trong điều khiển động cơ

Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điềukhiển động cơ như là nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó Cái nàyđược ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ nguyên lý của mạchđiều khiển động cơ DC là :

Hình 1.2.1.d - Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC

Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuậnquay ngược thì phải dùng đến cầu H hay muốn ổn định tốc độ thì cần các bộ lọc hỗ trợ

b Trong các bộ biến đổi xung áp

Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòngđiện và điện áp ra tải Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp

và bộ biến đổi xung áp song song

Ngoài những bộ biến đổi trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC

-AC , hay trong biến tần và nghịch lưu

1.2.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều

* Đặt vấn đề

Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong

một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại

T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện

áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong mộtphạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rấtnhỏ

Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cáchmắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thànhnối tiếp hay song song Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụnhư bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn

bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào Tuỳ thuộcvào dấu điện áp mà người ta chia ra : bộ biến đổi xung áp không đảo chiều hoặc bộ biếnđổi xung áp có đảo chiều

* Nguyên lý chung của bộ biến đổi xung áp một chiều

Hình 1.2.3.a- Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung

Bộ biến đổi xung áp một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm

là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và tổnthất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ mộtchiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biếnđổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì phương phápdùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể : điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng,tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm táisinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiệnbán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độnhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặcbiệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

Nguyên lý hoạt động :

Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Transistor) Đặc điểm của

sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chất cảm kháng hoặcdung kháng Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khikhoá K ngắt

+ K đóng: Us được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì Utải=Us (nếu bỏ qua sụt áp trêncác van)

+ K mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện itải do năng lượng tích luỹtrong tụ điện C, cuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ura= Utải

Như vậy, Utải tb Us Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Hình 1.2.3.b - Đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tụcĐiện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầuvào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thayđổi Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiểntheo hai cách :

 Thay đổi độ rộng xung

 Thay đổi tần số băm xung

Nguyên lý :

Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau

Hình 1.2.2.c - Sơ đồ Hình 1.2.2.d - Dạng sóng

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện

áp ra khi thay đổi độ rộng là :

b Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn tđ không đổi Khi đó :

Kết luận : Trong đồ án này chúng em sử dụng phương pháp thay đổi điện áp đặt lên

phần ứng của động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi xung áp nối tiếp, xung PWMđược tạo bằng vi điều khiển vì phương pháp này đơn giản và các tổn hao khi biến đổiđiện áp rất nhỏ, xung PWM được tạo bằng vi điều khiển có chất lượng tốt và độ chínhxác cao hơn so với sử dụng các IC số hay khuếch đại thuật toán

1.3 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kich từ động lập bằng nam châm vĩnh cửu

Do kích từ bằng nam châm vỉnh củu nên từ thông kích từ của động cơ luôn giữ ở giá trịđịnh mức K ×❑đm

1.3.1 Xây dựng mô tả toán học cho động cơ dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết

* Phương trình mô tả toán học của động cơ điện một chiều

J : mô men quán tính quy đổi về đầu trục động cơ

B : hệ số ma sát ở trục động cơ

Uư : điện áp phần ứng (tín hiệu vào)

ω : tốc độ quay của trục động cơ (tín hiệu ra)

Phương trình cân bằng điện áp phần ứng trong chế độ quá độ :

Chuyển phương trình trạng thái trên sang dạng hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace

mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm

1.3.2 Xây dựng mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm

Từ việc xây dựng mô tả toán học dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết ở trên ta thấy rằnghàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một khâu quán tính bậc 2

Hình 1.3.2.a – Đặc tính quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng trong chế độ xác lập :

 Tư : Thời gian quá độ

 Tg : Hằng số thời gian

g

>0.103648, thì ta không xác định được T1 và T2 theo cách trên do lúc này x >1 mà

theo điều kiện ban đầu thì 0<T1

T2=x <1

Kết luận : Như vậy ta đã xây dựng được mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu Bây giờ ta sẽ tiến hành thiết kế hệ thống điều khiểndựa trên mô tả toán học vừa xây dựng được

1.4 Hệ thống điều khiển PI số

1.4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động

* Sơ lược về hệ thống điều khiển :

−¿

Z(t)

Hình 1.4.1.a – Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự độngController : Thiết bị điều khiển

Object : Đối tượng điều khiển

Measuring : Thiết bị đo lường

R(t) : Tín hiệu đặt

U(t) : Tín hiệu điều khiển

Y(t) : Tín hiệu ra

Z(t) : Tín hiệu phản hổi

E(t) : Sai lệch điều khiển

* Chất lượng của hệ thống điều khiển :

Chất lượng của hệ thống điều khiển được đánh giá dựa trên 3 tiêu chí cơ bản là :

 Độ quá điều khiển

 Thời gian quá độ

 Số lần dao động

 Sai lệch tĩnh

* Các nguyên tắc điều khiển cơ bản :

Ta có 2 nguyên tắc điều khiển cơ bản là :

 Điều khiển theo sai lệch

 Điều khiển theo phương pháp bù nhiễu

Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng phương pháp điều khiển theo sai lệch làchính (có thể kết hợp cả bù nhiễu)

* Phân loại hệ thống điều khiển :

Tiến hành phân loại theo tính chất của hệ thống điều khiển, ta có 2 loại hệ thống điềukhiển cơ bản sau :

 Hệ thống điều khiển tuyến tính

MeasuringDevice

 Hệ thống điều khiển phi tuyến

Tuy nhiên hệ thống điều khiển phi tuyến thường gặp rất nhiều khó khăn trong khâu tínhtoán và mô phỏng hệ thống điều khiển nên trong thực tế ta thường sử dụng hệ thống điều khiển tuyến tính

Trong hệ thống điều khiển tuyến tính, tùy vào tính liên tục hay gián đoạn của hệ thống tachia ra thành 2 loại sau :

 Hệ thống liên tục (điều khiển tương tự)

 Hệ thống rời rạc ( điều khiển số)

Trải qua thời gian dài phát triển, đến nay, cùng với sự bùng nổ của kỷ nguyên số, các hệthống điều khiển liên tục (tương tự) đang dần được thay thế bởi các hệ thống rời rạc (hệthống số) Bởi vì cùng với sự “lên đời” của các vi điều khiển và vi xử lý thì hệ thốngđiều khiển số ngày càng chiếm ưu thế về tính chính xác, tốc độ và khả năng biến đổi cấutrúc hệ thống để thích nghi vơi đối tượng điều khiển thay đổi mà mạch điện thì ngày cànggọn nhẹ so với hệ thống điều khiển tương tự

1.4.2 Luật điều khiển PID

Luật điều khiển PID được hợp thành bởi 3 luật điều khiển cơ bản sau :

 Quy luật tỷ lệ P

 Quy luật tich phân I

 Quy luật vi phân D

* Quy luật tích phân I :

Ta chỉ xét khâu tích phân lý tưởng

Hàm trọng lượng : g (t )=k ×1 (t )=1

T i ×1 (t)

Quy luật tích phân I có khả năng triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh nhưng phản ứng kémvới các nhiễu cao tần và tín hiệu ra luôn chậm pha hơn tín hiệu vào một góc π2 nên tácđộng chậm dẫn tới các hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng khâu tích phân kém ổn định

* Quy luật vi phân D :

Ta chỉ xét khâu vi phân lý tưởng

Quy luật vi phân D có tín hiệu ra nhanh pha hơn tín hiệu vào một góc π2 nên tác động cực

kỳ nhanh và phản ứng tốt với các nhiễu cao tần Tuy nhiên việc tác động quá nhanh vànhạy cảm với nhiễu thường dẫn tới hệ thống không ổn định

Trong thực tế, các quy luật điều khiển trên thường được sử dụng kết hợp với nhau để kếthợp các ưu điểm và hạn chế nhược điểm nhằm đáp ứng các yêu cầu về chất lượng củacác quá trình công nghệ, trong đó hoàn hảo nhất là việc kết hợp cả 3 thành phần trên đểtạo thành bộ điều khiển PID có tốc độ tác động nhanh, không có sai lệch tĩnh và phản ứngtốt với các nhiễu không mong muốn

Tuy nhiên do kiến thức, kỹ năng và kinh nghiêm của chúng em còn hạn chế nên trong đềtài này chúng em chỉ thiết kế bộ điều khiển PI có kết hợp quy luật tỷ lệ P và tích phân I

để điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

1.4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển PI số

* Cấu trúc hệ thống điều khiển số :

Sensor : Cảm biến (để trích mẫu giá trị Y(t))

A/D và D/A : Các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số và ngược lại

R(kT) : Tín hiệu đặt trên miền gián đoạn

U(kT) : Tín hiệu điều khiển trên miền gián đoạn

U(t) : Tín hiệu điều khiển trên miền liên tục

Y(t) : Tín hiệu ra trên miền liên tục

Y(kT) : Tín hiệu ra trên miền gián đoạn

E(kT) : Sai lệch điều khiển trên miền gián đoạn

* Thiết kế hệ thống điều khiển số :

Khi chuyển sơ đồ cấu trúc (Hình 1.3.3.a) sang dạng hàm truyền đạt trong miền ảnh Z, vớikhâu giữ mấu là khâu giữ thành phần bậc 0 “ZOH”, ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống điềukhiển số như sau :

−¿

Hình 1.4.3.b – Cấu trúc hệ thống điều khiển số trong miền ảnh Z

Về cơ bản ta có 2 cách thiêt kế hệ thống điều khiển số như sau :

 Thiết kế trên cơ sở xấp xỉ liên tục

 Thiết kế trên miền thời gian gián đoạn

Do các tham số hệ thống trong miền ảnh Z rất khó liên hệ với đặc tính quá độ của hệthống nên em tiến hành tìm hàm truyền đạt của hệ thống trong miền ảnh Laplace sau đótiến hành xấp xỉ sang hàm truyền trong miền ảnh Z Tuy nhiên quá trình xấp xỉ hệ thốngtừ miền ảnh Laplace sang miền ảnh Z không thể tránh khỏi xuất hiện sai khác hàm quá độnên em sẽ tiến hành mô phỏng, khảo sát và hiệu chỉnh lại hệ thống trên miền ảnh Z saukhi lấy xấp xỉ hàm truyền từ miền ảnh Laplace

1.4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển

Trước hết ta tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển trên miền ảnh Laplace

– y(t)

Hình 1.4.4.a – Sơ đồ hệ thống điều khiển trên miền ảnh Laplace

Gs(s)

Đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 2 có hàm truyền dạng :

Có nhiều phương pháp để chọn các tham số ban đầu cho bộ điều khiển như :

 Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất

 Phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai

 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

 Phương pháp tối ưu độ lớn

 Phương pháp tối ưu đối xứng



Tùy vào đối tượng điều khiển thực tế ta sẽ chon phương pháp lấy tham số ban đầu chophù hợp Tuy nhiên với khâu quán tính bậc 2 thường sử dụng phương pháp tối ưu độlớn (phương pháp này được xây dựng chủ yếu để phục vụ việc chọn tham số bộ điềukhiển cho các khâu quán tính bậc thấp ) hoặc phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất

và phương pháp Chien – Hrones – Reswick (2 phương pháp này được sử dụng khi đặctính quá độ của đối tượng điều khiển có dạng chữ S)

Sau khi chọn được các tham số ban đầu ta tiến hành khảo sát hệ thống bằng phần mềm

“MATLAB và Simulink” và hiệu chỉnh các tham số cho đến khi nhận được hệ thống

với các tham số đánh giá chất lượng mong muốn (sai lệch tĩnh, thời gian quá độ, độ quáđiều chỉnh, số lần dao động và sai lệch bám)

Một số quy tắc đề hiệu chỉnh tham số bộ PI :

 Kp lớn, Ti lớn : tác động điều chỉnh tương đối lớn nhưng thiên về quy luật tỷ lệ nên

hệ dao động với tần số lớn và tồn tại sai lệch tĩnh

 Kp lớn, Ti nhỏ : tác động điều chỉnh rất lớn, quá trình điều chỉnh dao động mạnh,thời gian điều chỉnh dài nhưng không có sai lệch tĩnh

 Kp nhỏ, Ti lớn : tác động điều chỉnh nhỏ, quá trình không dao động

 Kp nhỏ, Ti nhỏ : tác động điều chỉnh tương đối lớn và thiên về quy luật tích phânnên hệ tác động chậm nhưng dao động với tần số nhỏ và không có sai lệch tĩnh

Kết luận : Như vậy ta đã xây dựng được hệ thống điều khiển Bây giờ ta sẽ tiến hành

đánh giá chất lượng hệ thống vừa thu được

1.5 Khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động

1.5.1 Tính ổn định của hệ thống

* Định nghĩa một hệ thống ổn định

Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian Hệ thống ởbiên giới ổn định nếu quá trình quá độ không thay đổi hoặc dao động không tắt dần Hệthống không ổn định nếu quá trình quá độ tắt đần theo thời gian

* Tiêu chuần đánh giá tính ổn định của hệ thống

Trong miền ảnh Laplace, ta có rất nhiều tiêu chuẩn và phương pháp đánh giá tính ổn địnhcủa hệ thống điều khiển tự động như :

 Tiêu chuẩn đại số

 Tiêu chuẩn tần số

 Phương pháp giản đồ Bode

 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số

Trong miền ảnh, Z ta có các tiêu chuẩn đánh giá tính ổn định của hệ thống như sau :

 Tiêu chuẩn đại số

 Phương pháp quỹ đại điểm cực

Trong phạm vi đề tài này em chỉ đánh giá tính ổn định của hệ thống bằng tiêu chuẩn đại

số, cụ thể là tiêu chuẩn Routh trong miền ảnh Laplace

Trong miền ảnh Laplace :

Tiêu chuẩn đại số (điều kiện cần) được phát biểu như sau :

Điều kiện cần để hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của đathức đặc tính phải dương

Tiêu chuẩn Routh (điều kiện đủ) được phát biểu như sau :

Điều kiện đủ để hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các số hạngtrong cột thứ nhất của bảng Routh dương

Với phương trình đặc trưng :

a0× p n

+a1× p n−1

+…+a n−1 × p+ a n=0

Ta lập được bảng Routh như sau :

 Dòng đầu tiên ghi các hệ số có chỉ số chắn, dòng thứ 2 ghi các hệ số có chỉ số lẻ

 Các dòng tiếp theo tính như bên dưới

 Bảng Routh kết thúc khi chỉ còn một số hạng

 Nếu phương trính đặc tính không phải đại số tuyến tính thì ta phải dùng khai triểnTaylor để chuyển nó về dạng đại số tuyến tính

Hình 1.5.1.a - Cách lập bảng Routh

Lưu ý : Trong miền ảnh Z ta có tiêu chuẩn Jury tương tự tiêu chuẩn Routh đã trình bày ở

trên Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển PI số ta có thể đánh giá tính ổn định của nótheo tiêu chuẩn Jury, tuy nhiên sau khi xấp xỉ hệ thống từ liên tục sang số thì thường hệthống sẽ đạt tiêu chuẩn ổn định

1.5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống

* Trạng thái xác lập

Trong trạng thái xác lập, tham số ta quan tâm là sai lệch tĩnh St

Sai lệch tĩnh St của hệ thống được tính như sau :

Một hệ thống được đánh giá là có chất lượng tốt nếu sai lệch tĩnh nhỏ và tối ưu là bằng 0

Sai lệch tĩnh S t thể hiện chất lượng tĩnh của hệ thống

 Độ quá điều chỉnh : δmax = ymax−¿ y∞

 Số lần dao động (n) của tín hiệu ra xung quanh giá trị y∞

Ba chỉ tiêu chất lượng trên sẽ do yêu cầu của quá trình thiết kế đặt ra, giá trị của chúngcàng nhỏ thì chất lượng của hệ thống càng cao, lý tương là là bằng “0”

Ngoài ra người ta còn sử dụng một tham số khác là sai lệch bám :

Q=‖y (t)−u(t)‖=‖e (t )‖2=√ ∫

0

∞

e2(t ) dt

1.5.3 Biện luận tính ổn định của hệ thống với các trạng thái khác nhau của đối tượng điều khiển

Với sơ đồ hệ thống (phản hồi âm) và các khâu có dạng hàm truyền đạt như trong mục1.4.4, ta có hàm truyền của hệ kín có dạng như sau :

Ta có : để tất cả hệ số của đa thức đặc tính luôn dương hay hệ thống đạt điều kiện cần để

ổn định thì tất cả hệ số của hàm truyền đạt của thiết bị điều khiển phải luôn dương :

Giả thiết ta đã biết các tham số của đối tượng điều khiển là T1, T2 và các tham số của bộđiều khiển là Ti và Kp Khi đó ta có :

Với a, Kp là hằng số thì nếu bất đẳng thức trên đúng với K lớn hơn thì nó cũng đúng với

K nhỏ hơn, nghĩa là nếu hệ thống ổn định với đối tượng có hệ số khuêch đại K lớn thì nócũng ổn định với đối tượng có hệ số khuếch đại K nhỏ

Giả thiết ta đã biết các tham số của đối tượng điều khiển là K và các tham số của bộ điềukhiển là Ti và Kp Khi đó ta có :

Với blà hằng số thì nếu bất đẳng thức trên đúng với T1, T2 nhỏ hơn thì nó cũng đúng T1,

T2 lớn hơn, nghĩa là nếu hệ thống ổn định với đối tượng có hằng số thời gian T1, T2 nhỏthì nó cũng ổn định với đối tượng có hằng số thời gian T1, T2 lớn hơn

Vậy ta sẽ xây dựng hệ thống điều khiển cho trường hợp mà hệ số khuếch đại và các hằng

số thời gian của đối tượng điều khiển là lớn nhất Tuy nhiên khi các hằng số thời giantăng thì hệ thống thường xuất hiện dao động và tăng thời gian quá độ nên ta cần xem xét

hệ thống trong trường hợp các hằng số thời gian là lớn nhất

1.5.4 Một số lưu ý khi thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số

Khi thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số ta cần lưu ý sự ảnh hưởng của quá trính sốhóa biên độ (hay còn gọi là sai số lượng tử hóa)

Sai số của quá trình làm tròn phụ thuộc vào độ phân giải của tín hiệu gián đoạn thu được Nếu tín hiệu gián đoạn thu được có độ phân giải càng lớn thì sai số này càng nhỏ

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) :

Mức độ chính xác trong tính toán của CPU là hữu hạn và trong các phép tính thì luônphải chịu sai số Tuy sai số trong tính toán của CPU thường nhỏ hơn nhiều so với khâuADC nhưng lại tồn tại nhiều phép tính trung gian gián tiếp gây nên sai số cho kết quảcuối cùng Vì vậy cần chú ý hạn chế các phép tính trung gian để tăng tốc độ xử lý tínhiệu và giảm sai số trong CPU

Khâu DAC :

Tương tự khâu ADC, khâu DAC cũng gây nên sai số lượng tử hóa tùy thuộc vào quátrình giữ mẫu là ZOH (giữ thành phần bậc 0), FOH (giữ thành phần bậc 1) hay các khâugiữ mẫu khác mà ta thu được tín hiệu liên tục phi tuyến dạng bậc thang, gấp khúc haymột dạng tín hiệu phi tuyến nào đó gây ra sai số hệ thống

Kết luận : Đã xuất hiện nhiều khâu phi tuyến trong hệ thống điều khiển số Việc khảo

sát ảnh hưởng của chúng đối với vòng điều khiển là cực kỳ khó khăn Về cơ bản tồn tại 3nguyên nhân gây sai số chính là :

 Lượng tử hóa các biến (làm tròng các biến trong khâu ADC, DAC và CPU)

 Lượng tử hóa các tham số (làm tròn các tham số của thiết bị điều khiển )

 Lượng tử hóa các kết quả trung gian của thuật toán điều khiển

Khi đó, hệ thống điều khiển số có thể sẽ xảy ra các hiện tượng sau :

 Hệ thống vẫn ổn định do tác động của quá trình lượng tử hóa là nhỏ

 Xuất hiện sai lêch tĩnh : S t ≠ 0

 Xuất hiện dao động bang bang

 Nếu tín hiệu đặt là tín hiệu tương tự được chuyển sang số thì sẽ xuất hiện “tạp âmlương tử hóa” làm giá trị đặt luôn biến động Hiện nay người ta thường tạo tín hiệuđặt là một tín hiệu “số” được lưu trữ trực tiếp bên trong CPU và được thay đổi qua

cơ cấu giao tiếp giữa CPU và người vận hành hệ thống để tránh hiện tượng trên

* Các hiệu ứng của việc lượng tử hóa :

Tạp âm lượng tử hóa :

Nếu “tạp âm” xuất hiện trong khâu ADC, nó có tác dụng như một tín hiệu nhiễu ngẫunhiên tác động vào tín hiệu đặt (hay tín hiệu phản hồi) và không thể bị suy giảm bởi thiết

bị điều khiển Còn trong khâu DAC thì nó gây nên sai số ở các tín hiệu điều khiển , làmđối tượng điều khiển không đạt được trạng thái mong muốn

Sai lệch tĩnh và dao động bang bang xuất hiện do quá trình lượng tử hóa trong khâu ADC

và có biên độ tối thiểu 1 lượng tử Việc giảm hệ số khuếch đại có thể góp phần giảm sailệch tĩnh và dao động bang bang

Ngoài ra việc lượng tử hóa các tham số của bộ điều khiển và làm tròn các kết quả tínhtoán trung gian cũng gây ra sai lệch tĩnh và dao động bang bang

Vùng chết :

Trong hệ thống điều khiển số, các giá trị tín hiệu điều khiển đặt lên đối tượng điều khiển

là hữu hạn, có nghĩa là đối tượng điều khiển chỉ có thể làm việc ở một số trạng thái hữuhạn hay những vùng nằm giữa 2 trạng thái của 2 tín hiệu điều khiển có giá trị cách nhau 1lượng tử là những vùng mà đối tượng điều khiển không thể đạt tới được, và những vùng

mà sai lệch vẫn còn nhưng hệ thống không tiến hành điều khiển nữa do sự làm tròn số khitính toán, đó gọi là “vùng chết” Nếu giá trị đầu ra thực tế hoặc mong muốn nằm trongvùng chết thì hệ thống điều khiển số không thể đạt trạng thái ổn định hoàn toàn như hệthống điều khiển tương tự Nhất là trong trường hợp hệ thống có độ phân giả thấp thìvùng chết sẽ gây ảnh hưởng khá lớn đến hệ thống, gây ra dao động mạnh Đây chính làđiểm yếu kém của hệ thống điều khiển số so với hệ thống tương tự

Kết luận : Dù hệ thống số có một số nhược điểm so với hệ thống tương tự tuy nhiên do

dễ thiết kế và mạch điện gọn nhẹ hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà hiện nay chúng

ta chủ yếu sử dụng hệ thống điều khiển số Và cùng với sự phát triển của khoa học kỹthuật nói chung và điều khiển số nói riêng thì những nhược điểm trên đang ngày càng bịche mờ đi so với những ưu điểm ngày càng rõ rệt Vì vậy, trong phạm vi đề tài nàychúng em sẽ thiết kế một hệ thống điều khiển số đơn giản nhất là hệ thống điều khiển và

ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu bằng bộđiều khiển PI số

CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Vi điều khiển AT89C51

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89C51

Vi điều khiển AT89C51 là một biến thể của vi điều khiển 8051, được chế tạo bởi hãngAtmel bằng công nghệ CMOS dựa theo chuẩn công nghiệp MSC51 (linh kiện đầu tiêntheo chuẩn này do hãng Intel của Mỹ chế tạo, Atmel và nhiều nhà sản xuất khác được cấpphép làm nhà cung cấp thứ 2)

* Sơ đồ khối và một số đặc trưng cơ bản của vi điều khiển AT89C51 :

Hỉnh 2.1.1.a – Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51

 4 Kbytes FLASH

 128 Byte RAM

 4 Port xuất - nhập (I/O port) 8 bit

 2 bộ timer 16 bit

 Có mạch giao tiếp nối tiếp

 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64 Kbytes

 Không gian nhớ chương trình ngoài 64 Kbytes

 Xử lý bit đơn

 210 vị trí nhớ được địa chỉ có thể định vị trên từng bit

 Cần 4 μss

* Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51 :

Hình 2.1.1.b – Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51

2.1.2 Chức năng các chân của 89C51

C

ác Port :

 Port 0 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 32 đến 39 của AT89C51 Trong các

thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường xuất nhập Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa busđịa chỉ và bus dữ liệu

- Port 1: là port I/O trên các chân từ 1 đến 8 của AT89C51 Port 1 không có chức

năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

 Port 2 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 21 đến 28 của AT89C51 Được

dùng như các đường xuất - nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết

bị dùng bộ nhớ mở rộng