Khéo tay hay làm Khéo tay hay làm Khéo tay hay làmkl ho xuan nguyen

Trong dây chuyền sản xuất, động cơ dùng để kéo băng tải hay động cơ dùng cán vật liệu, giấy, nhựa, cao su, thép và những ứng dụng trong công nghiệp dệt may… Hay động cơ điện một chiều dù

Tổng quan về hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC

Trong đời sống công nghiệp hoá, hiện đại hoá máy móc thiết bị là không thể thiếu được ,trong những năm gần đây chúng ta đã chứng kiến sự nhảy vọt về mọi mặt Các mặt hàng khác nhau phục vụ cho công việc, nhu cầu giải trí cao Mà động cơ là không thể thiếu được với các loại máy móc thiết bị đó, máy móc càng hiện đại thì động cơ cũa nó phải hiện đại Muốn nắm bắt và dùng máy móc thiết bị một cách hiệu quả thì chúng ta phải tác động vào nó để nó phát huy hết tiềm lực Động cơ DC là một đối tượng điều khiển thường gặp trong thực tế, nó ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quốc phòng

Trong dây chuyền sản xuất, động cơ dùng để kéo băng tải hay động cơ dùng cán vật liệu, giấy, nhựa, cao su, thép và những ứng dụng trong công nghiệp dệt may…

Hay động cơ điện một chiều dùng trong các con robot

Với ứng dụng của động cơ DC là rất nhiều nên em chọn đề tài điều khiển tốc độ động cơ DC để nghiên cứu

II DIỄN GIẢI ĐỀ TÀI

Từ thực tế cuộc sống công nghiệp của con người, họ muốn máy móc có thể đảm nhiệm và hoàn thành tốt công việc của họ.động cơ dc là một bộ phận cần thiết trong dây chuyền công nghiệp Có nhiều phương pháp để lập trình điều khiển cho động cơ dc như vi điều khiển dùng 8051,PIC,AVR và PLC.với PIC 18F4431 là thường dùng để điều khiển động cơ và có nhiều ứng dụng khác trong điều khiển

III SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

KHỐI DRIVER VÀ ĐỘNG LỰC ĐỘNG

Giới thiệu PIC18F4431

Modun điều khiển PWM14 bit

 4 kênh đối với ngõ ra bù

 Hổ trợ thao tác cạnh hoặc mức

 Ngõ vào bảo vệ lỗi phần cứng

 Cập nhận đồng thời chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ

 Linh hoạt với ngõ ra kích khởi sự kiện

 Ba kênh chốt/bắt giữ ngõ vào riêng biệt

 Chế độ vận hành linh hoạt cho các ứng dụng đo chu kỳ và độ rộng xung

 Modun giao diện cảm biến Hall

 Tính năng kích khởi sự kiện đến các modun khác

 Hai ngõ vào phase và một ngõ vào index từ encoder

 Cho phép theo dõi mức cao/thấp, trạng thái chiều và thay đổi hướng ngắt

3 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit 200ksps, tốc độ cao

 Lấy mẫu đồng thời 2 kênh ngõ vào

 Lấy mẫu tuần tự 1,2 hoặc 4 kênh

 Khả năng chuyển đổi tự động

 4 word FIFO cho phép lựa chọn tần số ngắt

 Sự lựa chọn kích khởi từ bên ngoài

 Thời gian nhận lập trình được

4 Cấu trúc bộ dao động linh hoạt

 4 kiểu dao động tinh thể đến 40Mhz

 2 modun xung clock ngoài đến 40Mhz

+ Cho phép người sử dụng lựa chọn 8 tần số từ 31Khz đến 8Mhz + OSCTUNE có thể bù sự trôi tần số

 Nguồn dao động phụ sử dụng cho timer 1 tần số 31Khz

 Dò và tự phục hồi xung clock

+ Tắt nguồn của thiết bị nếu xung clock bị lỗi

 Chế độ quản lý nguồn

+Run: CPU on, ngoại vi on

+Idle: CPU off, ngoại vi on

+Sleep: CPU off, ngoại vi off

+Bộ dao động hai tốc độ khởi động

5 Những điểm mạnh của ngoại vi

 Dòng ngõ ra cao 25mA

 Ba ngõ vào ngắt ngoài

 Hai modun bắt giữ, so sánh, điều biến độ rộng xung

+ Chế độ capture 16 bit, độ phân giải tối đa 6.25 ns

+ Chế độ compare 16 bit, độ phân giải tối đa 100 ns

+ Ngõ ra PWM, PWM độ phân giải từ 1 đến 10 bit

+ Hỗ trợ RS_485, RS_232 và LIN 1.2

+Tự động thức dậy trên bit start

Chế độ dò tự động

 RS_232 hoạt động dùng xung clock nội

 Các tính năng đặc biệt của vi điều khiển

 Tăng cường bộ nhớ chương trình Flash với 100.000 chu kỳ đọc ghi

 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM với 1.000.000 chu kỳ đọc ghi

 Bộ nhớ Flash và dữ liệu EEPROM duy trì trong 100 năm

 Tự lập trình được với phần mềm điều khiển

 Chế độ ngắt mức ưu tiên

 Mở rộng timer Watchdog: chu kỳ lập trình được từ 41ms đến 131s

 Lập trình tuần tự sử dụng nguồn đơn trên mạch

II CẤU HÌNH CÁC BỘ DAO ĐỘNG

Các loại dao động

PIC 18F4431 có thể hoạt động trong 10 chế độ dao động khác nhau Người sử dụng có thể lập trình cấu hình các bit F0SC3:F0SC0 trong thanh ghi cấu hình 1H để lựa chọn 1 trong 10 chế độ

 LX Dao động tinh thể nguồn thấp

 XT Tinh thể/bộ cộng hưởng

 HS Tinh thể/bộ cộng hưởng tốc độ cao

 HSPLL Tinh thể/bộ cộng hưởng tốc độ cao với cho phep PLL

 RC Dao động tụ điện/điện trở bên ngoài với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6

 RCIO Dao động tụ điện/điện trở bên ngoài với I/O trên chân RA6

 INTIO1 Bộ dao động nội với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6 và I/O trên chân RA7

 INTIO2 Bộ dao động nội với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6 và RA7

 EC Xung clock bên ngoài với ngõ ra Fosc/4

 ECIO Xung clock bên ngoài với I/O trên RA6.

Bộ dao động tinh thể/cộng hưởng gốm

Trong các chế độ dao động XT,LP,HS hoặc HSPLL một tinh thể hoặc bộ cộng hưởng gốm được kết nối vào chân OSC1 và OSC2 để thiết lập dao động

Cấu hình XT,LP,HS và HSPLL

Gía trị tụ điện cho bộ cộng hưởng gốm Giá trị tụ điện cho bộ dao động tinh thể.

Khối dao động nội

PIC 18F4431 có sẳn một khối dao động nội, nó tạo ra hai tín hiệu clock khác nhau có thể sử dụng như một nguồn xung clock hệ thống Khối này cho phép loại bỏ các bộ dao động bên ngoài trên chân OSC1 và/hoặc OSC2 Ngõ ra chính (INTOSC) là một nguồn xung clock 8MHz có thể sử dụng trực tiếp để cung cấp cho xung clock của hệ thống Nếu sử dụng bộ chia nó có thể cung cấp một dãy tần số từ 125KHz đến 4MHz để lựa chọn Ngõ ra INTOSC sẽ được cho phép khi tần số xung clock của hệ thống từ 125KHz đến 8MHz được lựa chọn Ngoài ra còn có một nguồn dao động nội RC (INTRC) cung cấp tần số 31KHz Dao động INTRC được cho phép bởi việc lựa chọn khối dao động nội như là một nguồn xung clock hệ thống hoặc theo sau bất kì một cho phép: a Power_up timer b Fail_safe Clock Monitor c Watchdog Timer d Two_speed Start_up

Các nguồn dao động của PIC 18F4431

PIC 18F4431 có 40 chân gồm 5 ports I/O Trong đó có một số chân đa công dụng, mội chân có thể hoạt động như một đường xuất nhập I/O hoặc là một chân chức năng đặc biệt dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi Mỗi port có 3 thanh ghi điều khiển

− TRIS register (thanh ghi hướng dữ liệu)

− PORT register (đọc mức logictrên chân của thiết bị)

− LAT register (chốt dữ liệu).

PORTA, TRISA và thanh ghi LAT

Port A gồm 8 chân từ RA0-RA7, việc ghi các giá trị vào thanh ghi TRISA sẽ quy định các chân của Port A là Input hay Output Nếu 0 là Output, 1 là input

Việc đọc thanh ghi Port A sẽ đọc trạng thái các chân của PortA Việc ghi giá trị vào thanh ghi PortA sẽ thay đổi trạng thái của các chân PortA

Cấu trúc tổng quát của 1 port I/O

Tính năng các chân của portA

2 PORTB, TRISB và thanh ghi LATB

Port B gồm có 8 chân từ RB0-RB7 Việc ghi các giá trị vào thanh ghi TRISB sẽ qui định các chân của Port B là Input hay Output Nếu 0 là Output, 1 là Input Việc đọc thanh ghi Port B sẽ đọc trạng thái các chân của Port B Việc ghi giátrị vào thanh ghi giá trị vào thanh ghi Port B sẽ thay đổi trạng thái ngõ ra của các chân Port B

Thanh ghi chốt dữ liệu (LATB) giống như một bản đồ bộ nhớ Các thao tác đọc – sửa – ghi trên thanh ghi LATB sẽ đọc ghi chốt các giá trị ngõ ra của Port B

Bốn chân của Port B từ RB7-RB4 có chức năng ngắt (interrupt) khi trạng thái chân Port thay đổi (khi chân port được qui định là output thì chức năng ngắt không hoạt động) Giá trị chân Port được so sánh với giá trị được lưu lại trước đó, khi có trạng thái sai lệch giữa 2 gía trị này, ngắt sẽ xãy ra Ngắt có thể làm cho VĐK thoát khỏi trạng thái SLEEP

Chức năng các chân Port B

Tóm tắt các thanh ghi liên quan với Port B

PORT C, TRIS C và thanh ghi LATC

Port C gồm 8 chân từ RC0 – RC7 Việc ghi các giá trị vào thanh ghi TRISC sẽ qui định các chân của PortC là Input hay Output Nếu 0 là Output, 1 là Input

Việc đọc thanh ghi Port C sẽ thay đổi trạng thái ngõ ra của các chân Port C

Các chân Port C được đa hợp với các chức năng ngoại vi

Khi các hàm ngoại vi được cho phép, ta cần quan tâm chặt chẻ tới giá trị các bit của thanh ghi TRISC Một số chức năng ngoại vi sẽ ghi các giá trị 0 đè lên các bit của thanh ghi TRISC và mặc định các chân là Output, ngoài ra một số chức năng ngoại vị khác sẽ tự động mặc định các chân là ngõ vào Do đó người sử dụng phải xem xét kỷ các tính năng của các hàm ngoại vi để thiết lập giá trị các bit trong thanh ghi TRISC cho chính xác

Chức năng các chân Port C

Tóm tắt các thanh ghi liên quan với Port C

PORT D, TRIS Dvà thanh ghi LATD

Port D gồm 8 chân từ RD0 – RD7 Ngoài việc Port D được cấu trúc là một port vừa xuất vừa nhập nó có thể hoạt động như một cổng song song (parallel slave port)

Chức năng các chân Port D

Tóm tắt các thanh ghi liên quan với Port D

5 PORT E, TRIS E và thanh ghi LATE.

Port E có 4 chân có thể cấu hình là các chân xuất nhập Các chân này được đệm ngõ vào Schmitt Trigger

Thanh ghi chốt dữ liệu (LATC) giống như một bản đồ bộ nhớ Các thao tác đọc – sửa – ghi trên thanh ghi LATC sẽ đọc ghi chốt các giá trị ngõ ra của PortC

Chức năng các chân Port E

Tóm tắt các thanh ghi liên quan với Port C

Modun timer 0

Modun timer0 gồm các tính năng sau:

 Chọn lập trình ở chế độ 8 bit hay 16 bit timer/couter

 Cho phép đọc được và ghi được

 Có sẳn 8 bit phần mềm lập trình tỷ lệ

 Nguồn xung clock lựa chọn được từ bên ngoài hay bên trong

 Ngắt tràn timer từ FFH về 00H trong chế độ 8 bit và FFFFH về 0000H trong chế độ 16 bit

 Lựa chọn cạnh tác động bên ngoài

 TMR0ON: bit điều khiển ON/OFF timer 0

 T016BIT: bit điều khiển timer 0 16 bit

 T0CS: bit lựa chọn nguồn xung clock cho timer0

 T0SE: bit lựa chọn cạnh nguồn tác động

 PSA: bit ấn định tỷ lệ cho timer0

 T0PS2:T0PS0: các bit lựa chọn tỷ lệ cho timer0

Ngắt timer0 : ngắt timer0 sinh ra khi thanh ghi TMR0 tràn từ FFH về 00H trong chế độ 8 bit và FFFFH về 0000H trong chế độ 16 bit Điều này sẽ set bit cờ tràn TMR1IF Ngắt có thể được che bởi việc xóa bít TMR1IE Bit TMR0IF phải được xóa bằng phần mềm bởi trình phục vụ ngắt của timer0 trước khi cho phép ngắt này hoạt động trở lại.Tóm tắt thanh ghi dao động timer0.

Modun timer1

16 bit timer/couter(2 thanh ghi 8 bit TMR1H, TMR1L)

 Cho phép đọc và ghi (cả 2 thanh ghi)

 Lựa chọn xung clock bên trong hoặc bên ngoài

 Ngắt tràn timer từ FFFFH về 0000H

 Reset từ modun CCP với sự kiện kích hoạt đặt biệt

 Trạng thái của xung clock hệ thống

Thanh ghi T1CON là thanh ghi điều khiển timer1, thanh ghi này điều khiển các chế độ hoạt động của modun timer1 và nội dung của các bit cho phép dao động (T1OSCEN) Timer có thể được cho phép hoặc dừng bằng việc set hoặc xóa bit điều khiển TMR1ON

Dao động timer1 có thể sử dụng nguồn dao động phụ trong chế độ Power-manager Khi bit T1RUN được set, dao động timer1 được cung cấp bởi xung clock hệ thống Nếu Fail-Safe Clock Monitor được cho phép và dao động timer1 bị lổi khi cung cấp cho clock hệ thống, kiểm tra tuần tự bit T1RUN sẽ chỉ ra xung clock cung cấp bởi timer1 từ dao động hay từ một nguồn khác

Timer1 có thể được sử dụng để cung cấp cho đồng hồ thời gian thực (RTC), chức năng này chỉ ứng dụng để giảm bớt các linh kiện không cần thiết bên ngoài

 RD16: bit cho phép chế độ đọc ghi 16 bit

 T1RUN: bit trạng thái xung clock hệ thống timer1

 T1CKPS1: T1KPS0 bit lựa chọn tỷ lệ ngõ vào xung clock cho timer1

 T1OSCEN: bit cho phép dao động timer1

 T1SYNC: bit lựa chọn đồng bộ ngõ vào xung clock bên ngoài

 TMR1CS: bit lưa chọn nguồn xung clock timer1

 TMR1ON: bit on timer1

Sơ đồ khối modun timer1

PIC 18F4431 có rất nhiều nguồn ngắt và chức năng ưu tiên ngắt, chức năng này cho phép gán một ngắt ở mức ưu tiên cao hay mức ưu tiên thấp Ngắt mức ưu tiên cao có vectơ ở địa chỉ 000008h và ngắt mức ưu tiên thấp có vectơ ở địa chỉ 000018h Một ngắt thấp đang được phục sẽ bị ngưng và phục vụ ngắt cao ở 000008h nếu ngắt cao xảy ra Ngược lại, ngắt cao xảy ra thì không bao giờ bị ngắt bởi ngắt thấp

Cấu trúc ngắt của PIC 18F4431

Có tất cả 13 thanh ghi, chúng được sủ dụng để điều khiển các thao tác ngắt Chúng là những thanh ghi:

Thanh ghi INTCON là thanh ghi cho phép ghi được và đọc được, chứa các bit cờ và bit ưu tiên

 GIE/GIEH: bit cho phép ngắt toàn cục

 PEIE/GIEL: bit cho phep ngắt ngoại vi

 TMR0IE: bit cho phép ngắt tràn timer0

 INT0IE: bit cho phép ngắt ngoài INT0

 RBIE: bit cho phép ngắt chuyển trang thái port B

 TMR0IF: bit cờ ngắt tràn timer0

 INT0IF: bit cờ ngắt ngoài 0

 RBIF: bit cờ ngắt chuyển trạng thái port B

 RBPU: bit cho phép kéo lên port B

 INTEDG0: bit lưa chọn cạnh ngắt ngoài 0

 INTEDG1: bit lựa chọn cạnh ngắt ngòai 1

 INTEDG2: bit lựa chọn cạnh ngắt ngoài 2

 TMR0IP: bit ưu tiên ngắt tràn timer0

 RBIP: bit ưu tiên ngắt chuyển trạng thái port B

 INT2IP: bit ưu tiên ngắt ngoài INT2

 INT1IP: bit ưu tiên ngắt ngoài INT1

 INT2IE: bit cho phép ngắt ngoài INT2

 INT1IE: bit cho phép ngắt ngoài INT1

 INT2IF: bit cờ ngắt ngoài INT2

 INT1IF: bit cờ ngắt ngoài INT1.

Thanh ghi PIR

 ADIF: bit cờ ngắt chuyển đổi A/D

 RCIF: bit cờ ngắt nhận EUSART

 TXIF: bit cờ ngắt truyền EUSART

 SSPIF: bit cờ ngắt truyền đồng bộ nối tiếp

 CCP1IF: bit cờ ngắt CCP1

 TMR2IF: bit cờ ngắt phù hợp trên MR2 và PR2

 TMR1IF: bit cờ ngắt tràn TMR1

 OSCFIF: bit cờ ngắt mất dao động

 EEIF: bit cờ ngắt ghi dữ liệu FLASH hoặc EEPROM

 LVDIF: bit cờ ngắt dò điện áp thấp

 CCP2IF: bit cờ ngắt CCP2

 PTIF: bit ngắt PWM time base

 IC3DRIF: bit cờ ngắt chuyển cờ/chiều IC3

 IC2QEIF: C2 Interrupt Flag/QEI bit cờ ngắt cờ/QEI ngắt IC2

 TMR5IF: bit cờ ngắt timer5

Thanh ghi PIE

 ADIE: bit cho phép ngắt chuyển đổi A/D

 RCIE: bit cho phép ngắt nhận EUSART

 TXIE: bit cho phép ngắt truyền EUSART

 SSPIE: bit cho phép ngắt truyền đồng bộ nối tiếp

 CCP1IE: bit cho phép ngắt CCP1

 TMR2IE: bit cho phép ngắt phù hợp trên TM2 và PR2

 TMR1IE: bit cho phép ngắt tràn TMR1

 OSCFIE: bit cho phép ngắt khi mất dao động

 EEIE: bit cho phép ngắt

 LVDIE: bit cho phép ngắt dò điện áp thấp

 CCP2IE: bit cho phép ngắt CCP2

 PTIE: bit cho phép ngắt PWM Time Base

 IC3DRIE: bit cho phép ngắt chuyển đổi cho phép/hướng ngắt IC3

 IC2QEIE: bit cho phép cờ ngắt cờ/QEI ngắt IC2

 IC1IE: bit cho phép ngắt IC1

 TMR5IE: bit cho phép ngắt TIMER5

Thanh ghi IPR

 ADIP: bit ưu tiên ngắt chuyển đổi A/D

 RC1IP: bit ưu tiên ngắt nhận EUSART

 TX1IP: bit ưu tiên ngắt truyền EUSART

 SSP1IP: bit ưu tiên ngắt port đồng bộ

 CCP1IP: bit ưu tiên ngắt CCP1

 TMR2IP: bit ưu tiên ngắt phù hợp trên TMR2 và PE2

 TMR1IP: bit ưu tiên ngắt tràn TMR1

 OSCFIP: bit ưu tiên ngắt lỗi dao động

 EEIP: bit ưu tiên ngắt

 LVDIP: bit ưu tiên ngắt dò điện áp thấp

 CCP2IP: bit ưu tiên ngắt CCP2

 IC3DRIP: bit ưu tiên ngắt chuyển đổi ưu tiên/hướng IC3

 IC2QEIP: bit ưu tiên ngắt ưu tiên/hướng ngắt IC2

 IC1IP: bit ưu tiên ngắt IC1

 TMR5IP: bit ưu tiên ngắt TIMER5

 8 kênh điều rộng xung với 4 nguồn phát chu kỳ nhiệm vụ Các chân theo từng cặp thích hợp cho điều khiển nửa cầu

 Độ phân giải 14 bit, phụ thuộc vào chu kỳ

 Tần số pwm thay đổi được

 Các ngõ ra chế độ Edge và Center-Aligned

 Chế độ phát xung đơn

 Lập trình thời gian chết (dead – time) điều khiển giữa các cặp pwm

 Hổ trợ ngắt cho cập nhật không đối xứng trong chế độ Center-Aligned

Modun này chứa bốn bộ phát chu kỳ nhiệm vụ, được đánh số từ 0 đến

3 Modun có 8 chân ngõ ra PWM được đánh số từ 0 đến 7 Tám ngõ ra PWM được nhóm lại thành những cặp đầu ra chẳn và lẽ được đánh số ngõ ra Trong chế độ bù, các ngõ ra PWM chẳn phải luôn luôn bổ sung cho các chân PWM lẽ tương ứng Ví dụ PWM0 sẽ bổ sung cho PWM1

Modun PWM được điều khiển bời tổng cộng 22 thanh ghi, tám trong chúng được sử dụng để cấu hình tính năng cho modun

 Thanh ghi 0 điều khiển timer PWM (PTCON0)

 Thanh ghi 1điều khiển timer PWM (PTCON1)

 Thanh ghi 0 điều khiển PWM (PWMCON0)

 Thanh ghi 1 điều khiển PWM (PWMCON1)

 Thanh ghi điều khiển thời gian chết (DTCON)

 Thanh ghi điều khiển đè ngõ ra (OVDCOND)

 Thanh ghi trạng thái ngõ ra (OVDCONS)

 Thanh ghi cấu hình lỗi (FLTCONFIG)

 PTOPS3:PTOPS0: bit lựa chọn tỷ lệ ngõ ra PWM TIME BASE

 PTCKPS1, PTCKPS0: các bit lựa chọn ngõ vào xung clock PWM TIME BASE

00 = PWM time base input clock is FOSC/4 (1:1 prescale)

01 = PWM time base input clock is FOSC/16 (1:4 prescale)

10 = PWM time base input clock is FOSC/64 (1:16 prescale)

11 = PWM time base input clock is FOSC/256 (1:64 prescale)

 PTMOD1:PTMOD0: các bit lựa chọn chế độ PWM TIME BASE

11 = PWM time base operates in a Continuous Up/Down Count mode with interrupts for double PWMupdates

10 = PWM time base operates in a Continuous Up/Down Count mode

01 = PWM time base configured for Single-Shot mode

00 = PWM time base operates in a Free-Running mode

 PTEN: bit cho phép timer PWM TIME BASE

1 = PWM time base is on

0 = PWM time base is off

 PTDIR: bit trạng thái hướng đếm PWM TIME BASE

1 = PWM time base counts down

0 = PWM time base counts up

 PWMEN2:PWMEN0: PWM Module Enable bits(1)

111 = All odd PWM I/O pins enabled for PWM output (2)

110 = PWM1, PWM3 pins enabled for PWM output

101 = All PWM I/O pins enabled for PWM output (2)

100 = PWM0, PWM1, PWM2, PWM3, PWM4 and PWM5 pins enabled for PWM output

011 = PWM0, PWM1, PWM2 and PWM3 I/O pins enabled for PWM output

010 = PWM0 and PWM1 pins enabled for PWM output

001 = PWM1 pin is enabled for PWM output

000 = PWM module disabled; all PWM I/O pins are general purpose I/O

 PMOD3:PMOD0: PWM Output Pair Mode bits

1 = PWM I/O pin pair (PWM0, PWM1) is in the Independent mode

0 = PWM I/O pin pair (PWM0, PWM1) is in the Complementary mode For PMOD1:

1 = PWM I/O pin pair (PWM2, PWM3) is in the Independent mode

0 = PWM I/O pin pair (PWM2, PWM3) is in the Complementary mode For PMOD2:

1 = PWM I/O pin pair (PWM4, PWM5) is in the Independent mode

0 = PWM I/O pin pair (PWM4, PWM5) is in the Complementary mode For PMOD3: (3)

Modul PWM

0 = PWM I/O pin pair (PWM6, PWM7) is in the Complementary mode

 SEVOPS3:SEVOPS0: PWM Special Event Trigger Output Postscale Select bits

 SEVTDIR: Special Event Trigger Time Base Direction bit

1 = A Special Event Trigger will occur when the PWM time base is counting downwards

0 = A Special Event Trigger will occur when the PWM time base is counting upwards

 UDIS: PWM Update Disable bit

1 = Updates from Duty Cycle and Period Buffer registers are disabled

0 = Updates from Duty Cycle and Period Buffer registers are enabled

 OSYNC: PWM Output Override Synchronization bit

1 = Output overrides via the OVDCON register are synchronized to the PWM time base

0 = Output overrides via the OVDCON register are asynchronous

Trong chế độ free-running thanh ghi PWM TIME BASE (PTMRL và PTMRH) sẽ bắt đầu đếm lên từ gía trị chứa trong thanh ghi chu kỳ PWM TIME BASE, khi khớp với thanh ghi PTPER (PTPERL và PTPERH) Thanh ghi PTPER sẽ bị reset tại cạnh của xung clock kế tiếp và thời gian nền sẽ tiếp tục đếm lên cho đến khi bit PTEN được set trở lại

3 Chế độ SINGLE-SHOT MODE

Trong chế độ single-shot PWM time base sẽ bắt đầu đếm lên khi bit PTEN được set Khi giá trị trong thanh ghi PTMR giống với thanh ghi PTPER, thanh ghi PTMR sẽ bị reset tại cạnh của xung clock tiếp theo, và bit PTEN sẽ được xóa bởi phần cứng để dừng bộ time base

4 Chế độ CONTINUOUS UP/DOWN COUNT

Trong chế độ continuous up/down count, pwm time base sẽ bắt đầu đếm lên từ giá trị trong thanh ghi PTPER cho đến khi giống với thanh ghi PTMR Tại cạnh của xung clock tiếp theo, timer sẽ bắt đầu đếm xuống bit PTDIR trong thanh ghi PTCON1 chỉ cho phép đọc sẽ chỉ ra hướng đếm bit PTDIR sẽ được set khi timer bắt đầu đếm xuống.

Giới thiệu về động cơ DC

Phần tĩnh hay Stato

Còn gọi là phần cảm, gồm có lõi thép và cuộn dây kích từ Cuộn dây kích từ được đặt vào trong lõi thép để tạo thành một nam châm điện Trong những động cơ công suất nhỏ, stato có thể là một nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên, trong các động cơ công suất lớn, stato là một nam châm điện Cuôn dây kích từ và lõi thép được gắn vào vỏ động cơ

2) Phần động hay còn gọi là phần Rotor

Còn được gọi là phần cứng, gồm lõi thép và dây quấn phần cứng Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày bằng 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại

Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phàn cứng Dây quấn phàn cứng luôn luôn ở dạng cuộn được đặt vào trong các rảnh của lõi thép Mõi phần tử của dây quấn phần cứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên Mõi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành một vòng khép kín Rotor được lồng vào giữa các cuộn dây kích từ, được đỡ bởi các ổ bi, nắp vỏ và quay giữa các cực của các cuộn dây kích từ

Gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp

Còn được gọi là chổi than vì được làm bằng than graphit Các chổi tỳ chặt trên một cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy để cung cấp điện áp một chiều cho động cơ Động cơ điện một chiều là một kết cấu cơ khí phức tạp, nó sẽ nẩy sinh một số vấn đề khi làm việc trong môi trường công nghiệp

Ví dụ: bẩn trên cổ góp làm giảm điện áp cấp cho phần cứng Sự ăn mòn có thể phá huỷ cổ góp Ngoài ra, việc chổi điện tỳ lên bề mặt của cổ góp sẽ gây ra tia lửa điện Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quang cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử Vì vậy, trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phải bảo vệ và bảo dưỡng định kỳ động cơ

Từ trường cực từ của động cơ điện một chiều có thể được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện mắc nối tiếp, song song hay kết hợp với dây quấn phần cứng Dựa vào phương pháp cấp dòng điện kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại sau:

1) Động cơ nam châm vĩnh cửu

Là loại động cơ một chiều có từ thông cực từ được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu Động cơ loại này có mômen khởi động cùng với khả năng ổn định tốc độ tốt Tuy nhiên, nó có hạn chế là bị giới hạn về khả năng tải, nên chỉ thích hợp với các ứng dụng đồi hỏi có công suất thấp Một hạn chế nữa động cơ là mômen khởi động luôn luôn bị giới hạn dưới 150% mômen danh định để ngăn sự khử từ nam châm vĩnh cửu

2) Động cơ kích từ nối tiếp

Là loại động cơ một chiều mà dây quấn kích từ được nối kế tiếp với dây quấn phần cứng và được quấn chỉ vài vòng bằng dây có kích thước lớn vì nó phải mang dòng phần cứng Một đặc diểm của động cơ loại này là có mômen khởi động lớn, tuy nhiên lại có sự thay đổi rộng về tốc độ giữa chạy khi không tải và khi đầy tải Động cơ kích từ nối tiếp không thể được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi tốc độ không đổi trong khi tải thay đổi Ngoài ra, khi không tải, tốc độ động cơ tăng đến vận tốc mà có thể phá huỷ động cơ Vì vậy, luôn luôn phải có một tải nào đó mắc nối tiếp với động cơ để tránh cho việc động cơ làm việc không tải Nói chung, động cơ nối tiếp không phù hợp với những ứng dụng có tốc độ thây đổi

3) Động cơ kích từ song song

L loại động cơ một chiều m dy quấn kích từ song song với dy quấn phần cứng Động cơ loại ny cĩ độ ổn định rất cao Cuơn dy kích từ cĩ thể được mắc ring hoặc chung với nguồn điện cấp cho phần cứng Một lợi thế của việc sử dụng nguồn điện ring l khả năng biến đổi tốc độ động cơ nhờ sự điều khiển độc lập của từ trường phần cứng v từ trường cực từ Đảo chiều động cơ đơn giản

4) Động cơ kích từ hỗn hợp

Là loại động cơ một chiều có cuộn dây kích từ mắc nối tiếp và cuộn dây kích từ còn lại mắc song song độc lập với dây quấn phần cứng Từ trường kích từ nối tiếp cung cấp mômen khởi động cao hơn và từ trường kích từ song song cung cấp sự ổn định tốc độ tốt hơn Tuy nhiên, từ trường kích từ nối tiếp có thể gây ra một vài vấn đề trong những ứng dụng điều khiển tốc độ thây đổi và thường không được sử dụng trong điều khiển bốn gốc phần tư

III NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 Động cơ điện một chiều có hai phần tử điện là dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng làm từ dây dẫn điện có các đầu được nối với cổ góp Điện áp một chiều được đặt vào các cuộn dây phần ứng thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp Trong các động cơ công suất nhỏ, stato có thể là một nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên, những động cơ công suất lớn sử dụng trong công nghiệp thì stato phải là một nam châm điện Khi đặt điện áp một chiều V a vào cuộn dây kích từ, một nam châm điện với các cực bắc, nam được hình thành và sinh ra một từ trường gọi là từ trường cực từ Từ trường này là tĩnh (không quay) Để đơn giản hoá trong việc giải thích, stato sẽ được biểu diễn bằng nam châm vĩnh cửu trong hình minh họa

Khi cho điện áp một chiều V a vào hai chổi điện, trong dây quấn phần cứng sẽ có dòng điện một chiều I a đi qua và sinh ra một từ trường gọi là từ trường phần cứng Từ trường cực từ và từ trườmg phần cứng sẽ tương tác với nhau Chiều của lực tương tác được xác định bằng quy tắc bàn tay phải Rôto sẽ quay theo chiều kim đồng hồ Cường độ của lực tương tác này phụ thuộc vào trường sức cực từ và cường độ dòng điện chạy qua dây quấn phần cứng

Khi rôto quay, dây quấn phần cứng cắt qua các đường sức từ của từ trường cực từ và sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng (sức điện động cảm ứng) E a trẹn dây quấn này, có chiều ngược với V a nên còn được gọi là sức phản điện và sẽ làm giảm điện áp đặt vào phần ứng Độ lớn của sức phản điện phụ thuộc vào nhiều nhân tố như số vòng quấn trong các cuộn dây, mật độ từ thông và tốc độ quay của rôto

Từ trường phần ứng: Là sự tổng hợp từ trường sinh ra xung quanh các dây quấn phần ứng và hình thành nên một cực bắc và một cực nam Cực bắc của từ trường phần ứng bị hút tới từ trường cực nam của từ trường cực từ, còn cực nam của từ trường phần ứng bị hút cực bắc của từ trường cực từ Sự tương tác này tạo ra một momen quay liên tục trên phần ứng Mặc dù roto quay liên tục nhưng nhờ có cổ góp mà từ trường phần ứng không thay đổi

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Động cơ DC thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động cần được thay đổi tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm đảo chiều

Điều khiển điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị  0 chứ không thay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phần ứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau Thông thường, điện áp làm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do an toàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từ thông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng)

Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều

Khi thay đổi điện áp phần ứng của động cơ, động cơ có thể làm việc tại bất cứ tốc độ – moment nào nằm giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục moment Vì vậy, điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới mức định mức Độ cứng của đặc tính cơ không đổi khi tốc độ giảm, moment khởi động giảm điều này khiến cho hệ có khả năng đáp ứng với bất kì vùng tải nào ngay cả khi trong điều kiện không tải lý tưởng

Phương pháp này dùng để điều khiển động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên chi phí vận hành cao

Phương pháp điều rộng xung:

Một trong những phương pháp để điều khiển là sử dụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM circuit – Pulse Wide Modutation) Điều khiển bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuổi xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ 12 volt) Tín hiệu xung vuông này sẽ được cấp cho mô tơ

Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn thì mô tơ sẽ chạy với một tốc độ điều đặn phục thuộc vô mômen của trục quay Nếu tần số bật tắt mà đủ cao, motor sẽ chạy ở một tốc độ ổn định nhờ mômen quay của bánh xe

Với phương pháp PWM, chúng ta điều chỉnh tốc độ của mô tơ thông qua việc điều chỉnh độ rộng của xung, tức là thời gian “đầy xung” (“on”) của chuổi xung vuông cấp cho mô tơ Bằng cách thay đổi chu kì hoạt động của tín hiệu (thay đổi độ rộng xung – PWM), tức là khoản thời gian “bật”, nguồn điện trung bình đặt lên motor sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ Việc điều chỉnh này sẽ tác động lên công suất trung bình cấp cho môtơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của môtơ cần điều khiển

Hình mô tả tín hiệu điều chế độ xung – PWM

Qua các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy: để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dãy điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất lương điều chỉnh cao Tốc độ môtơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuổi xung PWM Do đó ta chọn phương pháp điều rộng xung tức là thay đổi được ton

2 Thay đổi điện trở phần ứng Điện trở phần ứng chỉ có thể được tăng lên từ giá trị điện trở phần ứng tự nhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng) Khi thực hiện điều này, chỉ có độ lớn của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính cơ sẽ có cùng giá trị  0 nhưng với độ dốc tăng dần khi điện trở phần ứng được tăng lên Họ đặc tính cơ được thể hiện trong hình

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm Vì rằng dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ Độ cứng đặc tính cơ giảm Do đó khuyết điểm của động cơ này là hiệu suất của hệ thống kém, độ cứng của đặc tính cơ thấp nhất là khi hoạt động ở tốc độ thấp do đó phương pháp này ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ Nó được dùng trong khởi động động cơ và điều chỉnh tốc độ trong một thời gian ngắn

Họ đặc tính cơ cho phép xác định điểm làm việc ổn định mới của động cơ ứng với mõi phương pháp điều khiển tốc độ, nếu chúng ta biết được các thông số làm việc mới của động cơ Tuy nhiên, quá trình thay đổi tốc độ của động cơ từ điểm làm việc cũ đến điểm làm việc mới diễn ra như thế nào còn phụ thuộc vào cách thức mà chúng ta điều chỉnh tham số của động cơ trong mõi phương pháp, đó là lý do có nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như PI, PID, fuzzy logic,… Được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn với chế độ định mức độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh khi giảm từ thông Cách này được sử dụng với nam châm vĩnh cửu Cách này được ứng dụng với tải nặng

V MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ DC Động cơ một chiều được sử dụng khá phổ biến trong các hệ điều khiển nhờ đặc tính cơ là tuyến tính, tầm điều chỉnh vận tốc rộng

Mạch tương đương ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều:

Theo định luật Kirchoff ta có phương trình cân bằng điện áp ở mạch điện phần ứng:

E u   -Là sức điện động phần ứng K: là hệ số

: TƯ thông kích từ Áp dụng định Newton cho chuyển động quay ta có phương trình cân bằng mômen trên trục động cơ: dt jd m m  c  

+ m c : Mômen cản quy đổi về trục động cơ

M ms  với B là hệ số ma sát dt

Với: +J: momen quán tính động cơ và momen quán tính quy đổi về trục động cơ

Biến đổi laplace các phương trình trên ta được:

Với Tu: hằng số thời gian điện từ của động cơ

  1 (3.1) với Tc là hằng số thời gian điện cơ của động cơ

Từ các phương trình (1.1), (2), (3.1), (4) Ta có sơ đồ cấu trúc của động cơ DC:

Từ hình trên ta có thể suy ra quan hệ giữa tốc độ   s với điện áp phần ứng V u   s và moment tải M t   s hay hàm truyền tương đương của hệ thống từ sơ đồ khối: Tốc độ   s là xếp chồng của đáp ứng của động cơ với tín hiệu vào lần lượt là V u   s và M t   s :

VI THIÊT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN PID

Tên gọi PID là chử viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ diều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D)

Một bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi chất lượng của quá trình động và chất lượng của hệ thống ở chế độ xác lập Bộ điều khiển PID giúp cho hệ thống tác động nhanh nhờ khả năng bù các hằng số quán tính lớn của hệ Bộ điều khiển có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh nhờ thành phần khâu tích phân được cài đặt trong bộ điều khiển

( t d t de cho các thiết bị điều khiển tương tự

Trong đó e(t ) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k p được gọi là hệ số khuếch đại , T I là hàng số tích phân, T D là hằng số vi phân và u(k) = k P e(k) + u I (k-1) +

 e(k)e(k1) cho các thiết bị điều khiển số

H1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động

Luật điều khiển này gồm ba thông số là: hệ số khuếch đại k P của luật điều khiển tỷ lệ, hằng số thời gian T I của luật điều khiển tích phân và hằng số thời gian

T D của luật điều khiển vi phân, đối với bộ điều khiển PID số có thêm một tham số nữa là thời gian trích mẫu (Sample Time) T Phương thức làm việc của bộ điều khiển PID có thể so sánh với một nhóm nghiên cứu (Researchteam) gồm ba thành viên, một người luôn giữ thăng bằng trong mọi quyết định đó là luật điều khiển tỷ lệ, một luôn dự đoán được tương lai nên đưa ra được những quyết định mang tính chất vượt trước và người còn lại là con ông chăm chỉ, làm việc ngay cả khi tưởng chừng như không thể làm tốt hơn được nữa, đó chính là thành phần tích phân trong bộ điều khiển PID Tính huyền diệu của bộ điều khiển PID chính là sự kết hợp hài hòa giữa ba luật điều khiển tỷ lệ, vi phân và tích phân

Phương pháp tối ưu độ lớn

Là hệ thống luôn có đươc đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh được

W PID (s) Đối tượng điều khiển đưa ở đầu vào ω(t) tại mọi điểm của tần số hoăc thời gian quá độ y(t) bám được vào ω(t) càng ngắn càng tốt bộ điều khiển lý tưởng R(t) cần phải mang lại cho hệ thống khả năng

|G(jω)| =1 với mọi ω (1) Trong thực tế vì nhiều lý do mà yêu cầu R(s) thoả mản (1) khó được đáp ưng, chẳng hạn như vì hệ thống thực luôn chứa trong nó bản chất quán tính , tính cưởng lại lệnh tác động từ ngoài vào, song nó giảm bớt một cách tự nhiên khi làm việc ở tần số lớn, nên người ta thường thoả mản với bộ điều khiển R(s) khi nó mang lại cho hệ thống tính chất (1) trong một giải tần số rộng lân thuộc cận 0

Bộ điều khiển R(s) thoả |G(jω)| ≈1 (2) giải tần số rộng lớn được gọi là bộ điều khiển tối ưu độ lớn bộ điều khiển R(s) cần phải được chọn sao cho miền tần số của biểu đồ BODE hàm truyền hệ kín G(s) thoả mản L(ω) Lg|G(jω)| ≈0 là lớn nhất.dải càng lớn thì chất lượng hệ kín càng cao

Phương pháp tối ưu độ lớn được xây dưng chủ yếu chỉ phục vụ cho việc chọn tham số cho bộ đièu khiển PID để điều khiển các đói tượng S(s)có hàm truyền đạt dạng

    a) Điều khiển đối tượng quán tính bậc nhất :

Bộ điều khiển là khâu tích phân : ( )

 (3) Đối tương là khâu quán tính bậc nhất : ( )

- hàm truyền đạt hệ kín: ( )

- hàm truyền đạt hệ hở: ( ) ( ) ( )

       và để điều kiện (2) được thoả mản trong một dải tần số thấp có độ rộng lớn thì người ta chọn T R sao cho

Khi đó ta có hàm truyền đạt:

 b) Điều khiển đối tượng quán tính bậc hai :

   (6) Khi đó để để hàm truyền đạt hệ hở G s h ( ) lại có dạng (5) ,và khi đó với khiển PI ta có:

Nhằm việc thực hiện bù hằng số thời gian T 1 của (6),theo định nghĩa T I =T I

Với cách chọn tham số T I này,hàm truyền đạt hệ hở(8) trở thành

Và nó hoàn toàn giống(5),tức là ta lại có được

     c) Điều khiển đối tượng quán tính bậc ba :

    với bộ điểu khiển PID

     (9) với T A +T B = T I , T A T B = T I T D khi đó , hàm truyền đạt hệ hở lại trở vể dạng (5) nếu ta chọn: T A =T 1 , T B =T 2 , T D =T 1 T 2 /(T 1 +T 2 ) suy ra R I p

   vậy : nếu đối tượng là khâu bậc 3 thì bộ điều khiển PID với các tham số

   sẻ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn

2) Phương pháp tối ưu đối xứng

Có thể thấy ngay được sự hạn chế của phương pháp thiết kế PID tối ưu độ lớn là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và có dạng chữ S

Phương pháp chọn tham số PID theo nguyên tắc tối ưu đối xứng xem như là một sự bù đắp cho khiếm khuyết trên của tối ưu độ lớn

Gọi G s h ( )=R s( ) S s( )là hàm truyền đạt của hệ hở, khi đó hệ kín có hàm truyền đạt

Bvà giốn như phương pháp tối ưu độ lớn, để có

|G(jω)| ≈1 Trong giải tần số thấp thì phải có |G(jω)| >>1 (2.0) trong dải tần ω nhỏ

Dải tần số ω trong biểu đồ Bode mong muốn của hàm truyền hệ hở h ( )

G s gồm L h ( ) và  h ( ) Dải tần số ω trong biểu đồ Bode được chia làm ba vùng :

- vùng I là vùng tần số thấp điều kiện (10) được thể hiện rỏ ở vùng I là hàm đặc tính tần số hệ hở G h ( j ) phải có biên độ rất lớn hay L h ( ) >>0.vùng này đại diện cho chất lượng hệ thống ở chế độ xác lập hoặc tỉnh (tần số nhỏ) Sự ảnh hửng của nó tới tính động học của hệ kín là có thể bỏ qua

- Vùng II là vùng tần có tần số trung bình và cao vùng này mang thong tin đặc trưng của tính động hoc hệ kín Sự ảnh hửng của nó tới tính động hoc của hệ kín ở dải tần số thấp (tĩnh) hoặc rất cao là có thể bỏ qua.vùng II đặc trưng bởi điểm tần số cắt L h ( ) c =0 hay |G h ( ) | 1 c  Mong muốn rằng hệ hệ kín không có cấu trúc phức tạp nên hàm G h ( j ) củng được giả thiết chỉ có một tần số cắt  c Đường đồ thị biên độ Bode L h ( ) sẻ thay đổi độ nghiêng một giá trị 20db/dec tại điểm tần số gảy  I của đa thức tử số -20db/dec tại điểm tần số gảy  T của đa thức mẩu số nếu khoảng cách của độ nghiêng quá dài thì đường  h ( ) sẻ thay đổi một giá trị là 90 o tại  I và 90 o tại  T Ngoài ra hệ kín sẽ ổn định nếu tại tần số cắt đó hệ hở có góc pha   h ( ) c lớn hơn  theo định lý.Bởi vậy tính ổn định của hệ kín được bảo đảm nếu trong vùng I đã có G j h ( ) 1và ở vùng

II này,xung quanh điểm tần số cắt,biểu đồ Bode L h () có độ dốc là

 cũng như khoảng cách đó là đủ lớn

-Vùng III là vùng có tần số rất cao.Vùng này mang ít,có thể bỏ qua được,nhửng thông tin về chất lượng kỹ thuật của hệ thống.Để hệ thống không bị ảnh hưởng nhiễu bởi tần số cao tức là ở tần số rất cao G(s) cần có biên độ rất nhỏ,thì trong hàm này G j h ( ) nên có giá trị tiến tới 0

Có thể thấy ngay đưởc rằng ,nếu ký hiệu

T   ,T c  c  1 ,T 1  1  1 Thì hệ hở |G s h ( ) mong muốn với biểu đồ Bode trong hình như trên phải là

 (2.1) điều khiển đối tượng tích phân - quán tính bậc nhất từ (11) thấy được,khi đối tượng S(s) có hàm truyền đạt dạng khâu quán tính bậc nhất

Thì với bộ điều khiển PI

Hệ hờ sẽ có hàm truyền đạt giống như 11 là

Rõ ràng là trong vùng I,hàm G s h ( ) 2.184 phải thoả mãn 2.180.Để ở vùng II,biểu đồ biê7n độ của G s h ( ) có độ ngiêng -20dB/dec xung quanh điểm tần số cắt  c thì phải có

Từ mô hình 2.4 của hệ hở ta có góc pha

        Nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định cho hệ kín,các tham số bộ điều khiển cần phải được chọn sao cho tại tần số cắt c góc pha  h ( ) c là lớn nhất.Điều này dẫn đến:

Kết quả trên ta nói rằng trong biểu đồ Bode,điểm tần số cắt  c cần phải nằm giữa 2 điểm tần số  1 , I gãy,đó cũng là lý do tại sao phương pháp có tên là đối xứng. I

Gọi khoảng cách giữa  I , 1 do trục toạ độ biểu đổ Bode là a, ta có: lg a = lg 1 - lg I 1 lgT I

T I a T (2.8) như vậy rỏ ràng sẽ có (2.5) nếu có a >1 thay  c trong (2.7) vào (2.6), ta sẻ có với (2.4) và (2.8)

Nói cách khác nếu đả có a > 1 và (2.9) thì củng có (2.8)

Khoảng cách a gũa  I và  1 còn là một đại lượng đặc trưng cho quá độ điều chỉnh hcủa hệ kín nếu hệ có dao động cụ thể là a càng lớn thì độ quá điều chỉnh hcàng nhỏ

Trong vùng II, hàm truyền hệ hởG s h ( ) đươc thay thế gần đúng bằng h ( )

T  Khi đó hệ kín sẽ có hàm truyền đạt

    ( vì tính chất đối xứng của  c )

Vậy trong cùng II, hàm quá độ hệ kín có dạng dao động tắt dần khi 4>a>1.theo công thức trên thì độ quá điều chỉnh của hàm quá độ hệ kín là

        (3.1) công thức (3.1) xác nhận điều khẳng định là h nghịch biến với a.Ngoài ra nó còn chỉ thị rằng h chỉ phụ thuộc vào a do đó sẽ được sử dụng để xác định a từ yêu cầu chất lượng hệ kín về h

Tóm lại nếu đối tượng là khâu tích ohân quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển tối ưu đối xứng sẽ là bộ điều khiển PI với các tham số xác định như sau:

Phương pháp thời gian tổng của Kuhn

Đây là một trong những phương pháp thiết kế trên cơ sở thực nghiệm đơn giản nhất Phương pháp thời gian tổng của Kuhn thích hợp cho lớp đối tượng có đặc tính quá độ không có độ quá điều chỉnh, thường được gọi là động học hình chữ

S Từ hàm quá độ thực nghiệm h(t), chúng ta phải xác định được hai tham số quan trọng của đối tượng đó là hệ số khuếch đại kđt và hằng số thời gian tổng T  Hằng số thời gian được tính bằng công thức:

A A, K đt được xác định từ hình sau:

Sau khi xác định xong hai tham số K đt và T  của đối tượng, chúng ta có thể lựa chọn cấu trúc và tham số của luật điều khiển theo bảng thiết kế của Kuhn, Bảng B1 và B2

B1: cấu trúc và tham số của luật điều khiển ưu tiên chế độ lọc nhiễu h(t) k đt t

B2: cấu trúc và tham số của luật điều khiển ưu tiên chế độ tác động nhanh

Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào phương pháp thực nghiệm của Zeigler-Nichols

Luật điều khiển được thiết kế theo các phương pháp thực nghiệm dựa trên cơ sở hàm quá độ h(t) Như vậy, muốn thiết kế được luật điều khiển đòi hỏi chúng ta phải xác định được hàm quá độ h(t)

Zeigler và Nichols đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tùy theo đặc điểm của đối tượng

Cách 1: dựa vào đáp ứng của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S, ví dụ như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ (Hình_1)

Hình_1: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S Đối tượng r(t) c(t)

Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau:

Ví dụ: tìm thông số cho dộng cơ theo phương pháp Ziegler_Nichols thứ thất có các tham số và hàm truyền như sau: trong đó:

Ce: hằng số điện từ, Ce0.2 V.s/ rad

M: momen động cơ, Mc: momen cản

U: giá trị điện áp đặt vào động cơ

J: mômen quán tính của các phần chuyển động, J = 0.02 kgm/s 2

: là tốc độ quay của động cơ rad

Với điều kiện không tải thì Mc = 0, thu gọn sơ đồ khối trở thành:

Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ dộng cơ DC

Với hàm truyền động cơ DC ở trên , áp dụng phương pháp Ziegler_Nichols thứ thất để xác định các thông số Kp, Ki, Kd

Dùng SIMULINK để mô phỏng

Với hàm truyền hệ hở ta sẻ xác định được thông số L và T

Khối STEP1 là giá trị đặt tốc độ, khối Scope1 là khối hiển thị

Hàm truyền dc và Hàm truyền dc1 là hàm truyền của dộng cơ DC ở trên

Với các thông sốp trên , chaỵ mô phong ta được

Với Kp=1.2T kL , thay số vào ta có Kp =0.0179 Ki=2

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ dùng PID

Với thông số Kp,Ki,Kd vừa tính được,statulation là khâu bảo hòa tương ứng với mức điện áp từ 0 -> 24Vdc.(nguồn cung cấp cho động cơ)

Với tốc độ dặt mà quá lớn thì tốc độ đạt được sẻ không đạt đến giá trị đặt vì không đủ áp cung cấp (vì chúng ta chỉ cung cấp cho dộng cơ 24V), vì vậy ta phải đặt tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng giá trị định mức thì khâu điều khiển PID mới đạt được Sau đây là đặt với mức thấp hơn giá trị cực đại

Với giá trị đặt thấp hơn giá trị định mức thì tốc độ động cơ sẻ bám giá trị đặt nhung ta thấy với thời gian xác lập là hơi nhiều

Sau dây ta cho KP,Ki,Kd cùng đồng thời bằng 2

Ta xem thửđáp ứng như thế nào:

Với giá trị này thì tốc độ nhanh đến giá trị đặt

  , với giá trị này ta củng có thể chấp nhận được

Tiếp theo ta thử với Kp=0, Ki=Kd= 2

Với POT gần 100 0 0 và thời gian xác lập quá nhiều nên khi thiết kế hệ thống PID ta nhất thiết không chọn Kp nhỏ mà nên chon Kp thật lớn

Với Cho Kp=Ki=2, Kd =0 thì thời gian xác lập nhanh nhưng POT vản còn quá lớn Tiếp theo ta thử cho Kp 0, rất cao so với Ki =Kd =2

Với giá trị này ta thấy giá trị đạt diểm đặt nhanh mà độ vọt lố POT =0, với các thông số này thì quá tốt

Ta lại tiếp tục cho Ki 0, rất cao so với Kp =Kd =2

Khi khâu tích phân Ki 0, rất cao so voi hai thông số còn lại nhưng POT quá cao

Lần này ta lại giảm Kd xuống Kd =1 , Kp =Ki =2

  , với khâu Kd này thì ta cũng có thể chấp nhận được Kết luận :với PID các thông số Kp, Ki, Kd ta nên chọn giá trị Kp lớn và giá trị Kd thì nhỏ

Thiết kế phần cứng