LuanVanTotNghiep

ii
LỜI CẢM ƠN

Trước hết xin cảm ơn ba mẹ , gia đình đã là nguồn động viên rất lớn và là chỗ dựa vững
chắc nhất của con trong suốt quá trình học tập.
Kính gửi đến thầy LÊ NGỌC ĐÌNH lời cảm ơn chân thành và sâu sắc, cảm ơn thầy đã
tận tình hướng dẫn, chỉ dạy em từ các đồ án môn học cho đến khi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô của trường đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung,
quý thầy cô của khoa Điện-Điện tử và bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng đã tận tình
giảng dạy , trang bò cho em những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học đại học.
Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình
học tập và thực hiện luận văn .
Tôi xin cảm ơn tất cả.

Thành phố Hồ Chí Minh ,tháng 1 năm 2009
Nguyễn Gia Minh Thảo

iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng giải thuật điều khiển kết hợp với vi điều khiển để ổn
đònh và đồng bộ tốc độ hệ động cơ điện một chiều ( động cơ DC ).

Đề tài được thực hiện như sau: Sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ kết hợp với vi điều
khiển 16-bit MC9S12DP512 để ổn đònh và đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC . Mô hình phần cứng
bao gồm 3 mô-đun mạch : mô-đun 0 đóng vai trò làm trung tâm điều khiển-giám sát toàn hệ
thống , mô-đun 1 điều khiển động cơ 1, mô-đun 2 điều khiển động cơ 2 .
Vi điều khiển trên mô-đun 1 sẽ nhận tốc độ đặt từ người dùng ,sử dụng giải thuật điều
khiển PI-Mờ để điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) điều khiển động cơ 1 chạy
đúng theo tốc độ đặt , đồng thời truyền giá trò tốc độ của động cơ 1 cho vi điều khiển trên mô-
đun 2 qua Port A của 2 vi điều khiển. Vi điều khiển trên mô-đun 2 sẽ lấy giá trò tốc độ của
động cơ 1 từ Port A để làm tốc độ đặt , và sử dụng giải thuật điều khiển PI-Mờ để điều rộng
xung ( PWM ) điều khiển động cơ 2 chạy đúng theo tốc độ của động cơ 1.
Cả 3 mô-đun đều được kết nối với nhau trong mạng CAN ( Controller Area Network) để
hai mô-đun 1 và 2 có thể truyền nhanh dữ liệu về mô-đun 0 (có vai trò là trung tâm điều
khiển-giám sát) cho người dùng có thể giám sát .Thêm vào đó , kết hợp với máy vi tính đặt tại
mô-đun 0, người dùng có thể điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.

Kết quả đạt được thỏa mãn khá tốt yêu cầu đề ra: Điều khiển ổn đònh được tốc độ động
cơ DC , đồng bộ được tốc độ của 2 động cơ DC . Thay đổi tốc độ khá linh hoạt . Xây dựng
thành công mạng CAN dùng để kết nối các mô-đun trong hệ thống , cho phép điều khiển và
giám sát toàn hệ thống từ máy vi tính hay từ mô-đun điều khiển trung tâm.




iv
MỤC LỤC

Đề mục Trang
Trang bìa i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt iii
Mục lục iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……… …………………………………………… 1
1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế 2

1.3 Nhiệm vụ của luận văn 5

1.4 Thực hiện 5

1.5 Sơ lược về mô hình hệ thống 7

1.5.1 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống 7
1.5.2 Mô tả hoạt động của mô hình hệ thống 7
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ , ĐIỀU KHIỂN PID ………………….… 9
2.1 Lý thuyết điều khiển Mờ 9

2.1.1 Giới thiệu về Logic Mờ 9
2.1.2 Một số khái niệm cơ bản 11
2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 14
2.1.4 Bộ điều khiển mờ 17
2.2 Lý thuyết điều khiển PID 20

2.2.1 Khâu hiệu chỉnh tỷ lệ P 20
2.2.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỷ lệ PD 20
2.2.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ PI 21
2.2.4 Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ PID 21
2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID 22
CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT GIAO THỨC CAN………………………………… 24
3.1. Giới thiệu ( CAN: Controller Area Network ) 24

3.2. Giao thức CAN ( CAN Protocol ) 26

3.2.1 Nội dung giao thức 26

v
3.2.2 Mô hình CAN trong OSI 27
3.2.3 Lớp vật lý 29
3.2.4 Cấu trúc bức điện 32
3.2.5 Cấu trúc bit trong giao thức CAN 35
3.2.6 Truy cập và giải quyết tranh chấp trên đường truyền 37
3.2.7 Sự đồng bộ xung clock 38
CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN….40
4.1 Đặc tính cơ tónh của động cơ điện một chiều ( Động cơ DC ) 40

4.2 Sơ lược về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 44

4.2.1 Điều khiển từ thông 45
4.2.2 Điều khiển điện áp phần ứng 46
4.2.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 47
4.3 Phương pháp điều rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) 48

4.4 Giới thiệu về Encoder được sử dụng trong luận văn 50

CHƯƠNG 5: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN HCS12 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN MC9S12DP512……….53
5.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển HCS12 53

5.1.1 Các thành phần cơ bản của bộ xử lý 55
5.1.2 Các chế độ hoạt động 56
5.2 Vi điều khiển được sử dụng trong Luận văn - MC9S12DP512 58

5.2.1 Các Port xuất nhập đa dụng 60
5.2.2 Khối chức năng thời gian ( Timer ) 63
5.2.3 Bộ điều rộng xung ( PWM ) 67
5.2.4 Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ ( SCI ) 70
5.2.5 Khối chức năng Key-WakeUp 72
5.2.6 Khối Mô-đun chức năng CAN ( Controller Area Network ) 73
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG………………… 79
6.1 Cấu trúc phần cứng của các mô-đun trong mô hình 79

6.2 Các khối mạch chức năng trên mô-đun điều khiển động cơ và mô-đun trung tâm 80

6.2.1 Khối mạch vi điều khiển trung tâm 81
6.2.2 Khối mạch giao tiếp máy vi tính qua cổng nối tiếp 82
6.2.3 Khối giao tiếp CAN 84
6.2.4 Khối giao tiếp song song giữa 2 mô-đun điều khiển 2 động cơ 85
6.2.5 Khối bàn phím điều khiển động cơ ( 4 phím) 85
6.2.6 Khối bàn phím chọn các chế độ hoạt động cho mô hình 86

vi
6.2.7 Khối mạch nguồn 5 Vdc cho hệ thống điều khiển 87
6.2.8 Khối thời gian thực 87
6.2.9 Khối hiển thò LCD 91
6.2.10 Khối mạch động lực điều khiển động cơ 92
6.2 Khối nguồn 24/12/5 Vdc cung cấp cho mạch động lực và động cơ 94

6.3 Sơ đồ mạch BDM-Pod :Mạch dùng để Nạp ,Debug cho họ HCS12 95
Hình ảnh thật của mô hình phần cứng luận văn…………………………………….… 96
CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH…………….…………………… 97
7.1

Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ , ổn đònh tốc độ động cơ DC 97

7.1.1 Sơ lược sơ đồ khối và hệ phương trình toán 97
7.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ 98
7.1.3 Cách tính tốc độ của động cơ DC được sử dụng trong luận văn 102
7.2

Cách thức điều khiển từ máy vi tính ( PC ) 103

7.3 Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển trên các mô-đun 110

7.3.1 Lưu đồ giải thuật đoạn chương trình MAIN 112
7.3.2 Trình tự chi tiết trong các chương trình con và 5 chương trình phục vụ Ngắt 116
CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC , HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI …………… 123
8.1 Một số hình ảnh về hoạt động của hệ thống 123

8.1.1 Tại giao diện trên máy tính ở mô-đun điều khiển động cơ 1 123
8.1.2 Hình ảnh tại giao diện trên máy tính và mô-đun ở trung tâm điều khiển ……… 125
8.2 Các kết quả đã đạt được 127

8.3 Một số điểm hạn chế 128

8.4 Hướng khắc phục các điểm hạn chế và phát triển đề tài 128

8.4.1 Hướng khắc phục các điểm hạn chế 128
8.4.2 Hướng phát triển đề tài 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………130
PHỤ LỤC: BẢN VẼ TỔNG HP SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÁC MẠCH


Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
- Cùng với công cuộc công nghiệp hóa-hiện đại hóa của đất nước , lónh vực tự động hóa có
những bước phát triển vượt bậc và trở thành yếu tố quan trọng không thể thiếu của nền
công nghiệp hiện đại. Khi nói đến tự động hóa là nói đến sự thay thế dần dần đến hoàn
toàn các hoạt động chân tay bằng máy móc trong các dây chuyền sản xuất.

- Trong nền công nghiệp hiện đại và phát triển , các dây chuyền sản xuất hoạt động chủ
yếu dựa trên các máy móc , dưới sự điều khiển và giám sát của con người. Khi có càng
nhiều máy móc và nhiều công đoạn sử dụng máy móc thì sự phối hợp ăn khớp hay còn gọi
là sự đồng bộ giữa các công đoạn là điều cần phải quan tâm. Điều này càng được chú
trọng trong các lónh vực cần có độ chính xác tốc độ của các động cơ cao như: ngành công
nghiệp vải , giấy , dệt ,… .

- Xét một ví dụ đơn giản về ứng dụng của sự đồng bộ , như mô hình băng chuyền sau:

Hình 1.1: Mô hình băng chuyền có 2 trục quay
Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo
2
+ Trong mô hình băng chuyền này ta có 2 động cơ: động cơ 1 dùng để kéo trục xả và
động cơ 2 dùng kéo trục cuốn .
+ Yêu cầu điều khiển là: Động cơ 1 và động cơ 2 luôn phải hoạt động ổn đònh ở cùng một
tốc độ đặt trước , ngay cả khi băng tải vận chuyển các hàng hóa có khối lượng khác
nhau. Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 cũng phải thay đổi tốc độ theo-phù
hợp với sự thay đổi của động cơ 1 , để băng tải không quá đùn hay quá căng.

- Qua các dẫn chứng trên , ta nhận thấy vấn đề được đặt ra ở đây là: Sự ăn khớp , đồng bộ
đó từ đâu mà có? Sử dụng phương pháp nào để có thể ổn đònh được tốc độ các động cơ và
điều khiển chúng hoạt động đồng bộ tốc độ với nhau ? Ngoài ra, khi hệ thống có nhiều dây
chuyền ở xa nhau, làm sao để điều khiển đồng bộ và giám sát tất cả hoạt động của các
dây chuyền đó? Đây chính là ý tưởng cho đề tài của Luận Văn này.

- Đồng bộ tốc độ động cơ điện xoay chiều (động cơ AC ) hay động cơ điện một chiều (động
cơ DC ) đều được sử dụng rộng rãi trong nhiều lónh vực .
Phạm vi của Luận văn là giải
quyết bài toán đồng bộ tốc độ động cơ DC .

1.2 Các phương pháp đã được sử dụng để đồng bộ tốc độ động cơ và ứng dụng thực tế

Ø Phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ AC dùng biến tần

Hình 1.2: Sơ đồ đồng bộ tốc độ động cơ AC sử dụng biến tần

Động cơ AC 1 Encoder

Bộ tỷ lệ Analog Biến tần 2

Động cơ AC 2

Biến tần 1
Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo
3
- Biến tần 1 có nhiệm vụ điều khiển động cơ 1 chạy đúng tốc độ đã đặt. Encoder sẽ phản
hồi tốc độ thật của động cơ 1 và đưa vào bộ tỉ lệ analog . Sau đó biến tần 2 sẽ điều
khiển động cơ 2 chạy theo đúng tốc độ mà động cơ 1 đang chạy.
- Ưu điểm : được dùng cho các động cơ AC có công suất lớn và điều khiển tốc độ rất tốt.
- Nhược điểm: cần sử dụng nhiều biến tần mà giá thành của một bộ biến tần là khá cao .

Ø Phương pháp điều khiển đồng bộ tốc độ tốc độ động cơ DC

Hình 1.3 : Điều khiển tốc độ động cơ DC dùng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha
- Các bộ điều khiển 1 và 2: sử dụng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha để điều khiển
ổn đònh tốc độ động cơ DC có hồi tiếp , với phản hồi ở vòng trong là dòng điện và phản
hồi ở vòng ngoài là vận tốc.
- Bộ điều khiển 1 sẽ điều khiển động cơ 1 chạy đúng theo tốc độ đặt . Tốc độ thật của
động cơ 1 sẽ được truyền đến cho bộ điều khiển 2 để điều khiển động cơ 2 chạy đúng
theo tốc độ này.
- Ưu điểm: Hệ thống điều khiển nhiều vòng nên điều khiển ổn đònh tốc độ động cơ tốt.
- Nhược điểm: Cách thiết kế bộ điều khiển dùng phương pháp chỉnh lưu điều khiển pha thì
phức tạp , yêu cầu có nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong lónh vực điện tử công suất.
Bộ điều khiển 1 Động cơ DC 1
Phản hồi: Vòng trong-dòng điện ; vòng ngoài-tốc độ
Bộ cập nhật tốc độ động cơ 1
( Encoder hay Tacho generator )
Bộ điều khiển 2 Động cơ DC 2
Phản hồi: Vòng trong-dòng điện ; vòng ngoài-tốc độ
Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo
4
Ø Một số hình ảnh về ứng dụng thực tế của đồng bộ tốc độ động cơ
+ Trong dây chuyền sản xuất bánh kem:



Hình 1.4: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ - dây chuyền sản xuất bánh kem

+ Trong hệ thống nhuộm vải:

Hình 1.5: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ – hệ thống nhuộm vải

+ Trong máy xeo giấy:

Hình 1.6: Ứng dụng của đồng bộ tốc độ động cơ trong máy xeo giấy

Chương 1: Tổng quan về đề tài GVHD: KS. Lê Ngọc Đình

SVTH: Nguyễn Gia Minh Thảo
5
1.3 Nhiệm vụ của luận văn
- Tìm hiểu động cơ điện một chiều ( động cơ DC ) và các phương pháp điều khiển tốc độ
động cơ DC.

- Sử dụng các giải thuật điều khiển ( kinh điển , hiện đại ,thông minh ) và kết hợp với vi
điều khiển nhằm thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC , thỏa mãn các yêu cầu : đáp
ứng quá độ , sai số xác lập , đảm bảo hoạt động tốt ở nhiều mức vận tốc và ổn đònh ngay
cả khi tải thay đổi….

- Thiết kế và thi công các mạch điều khiển và mô hình có ít nhất 2 động cơ để tượng trưng
hệ thống nhiều động cơ.

- Viết chương trình điều khiển với 2 mục đích chính :
Thứ nhất
là ổn đònh tốc độ của một
động cơ DC ,
sau đó là
điều khiển đồng bộ tốc độ của tất cả các động cơ trong hệ thống
– nghóa là: Khi động cơ 1 thay đổi tốc độ thì động cơ 2 , động cơ 3… phải thay đổi tốc độ
và luôn bám theo động cơ 1.

- Đồng thời phải điều khiển và giám sát được hoạt động của tất cả các động cơ từ mạch
điều khiển và từ máy vi tính.

1.4 Thực hiện Luận văn được lấy tên là:
ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ GIAO THỨC CAN
TRONG ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ HỆ ĐỘNG CƠ DC

- Động cơ DC được sử dụng trong luận văn là động cơ DC 24V-20W , được gắn đồng trục
encoder quang loại tương đối ( 100 xung/vòng ) . Mô hình của luận văn gồm 2 động cơ.
Điều khiển tốc độ bằng phương pháp điều rộng xung ( PWM: Pulse Width Modulation).

Xem chi tiết: LuanVanTotNghiep