Đồ án Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID

n trở R5 để thay đổi hệ số I của bộ điều khiển, 
sử dụng khóa sw2 ta có thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển. 
Theo tính chất của khuếch đại thuật toán ta có: 
UI = 
1
R5.C7
 ΔU.dt (3.15) 
Điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào 
R5.C7 gọi là hằng số tích phân 
Ta chọn R5 = 100 (KΩ) và C7 = 10 (µF) 
+) Khâu vi phân: Ta sử dụng biến trở R6 để thay đổi hệ số D của bộ điều khiển, 
sử dụng khóa sw3 ta có thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển. 
Theo tính chất của khuếch đại thuật toán ta có: 
UD = C8.R6.
dΔU
dt
 (3.16) 
Điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào 
C8.R6 gọi là hằng số vi phân 
Ta chọn R6 = 50 (KΩ) và C8 = 100 (nF) 
- Mạch cộng điện áp 
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng điện áp 
50 
Mạch cộng điện áp thực hiện nhiệm vụ cộng giá trị điện áp Up, UI, UD lại 
Nếu R15 = R16 = R17 = R18, theo tính chất của khuếch đại thuật toán ta có: 
Uđk = - (UP + UI + UD) (3.17) 
Ta chọn: R15 = R16 = R17 = R18 = 10 (KΩ) 
- Khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển 
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển 
Ta chọn R23 = 4,7 (KΩ) và D1 là diode zener loại DZ5V1. 
- Mạch tách tín hiệu chiều và độ lớn tín hiệu điều khiển sử dụng IC CD4052 
CD4052B là một bộ dồn kênh - phân kênh 4 kênh tương tự. Có hai ngõ 
chọn đầu vào nhị phân là A và B, và một hạn chế đầu vào. Hai tín hiệu đầu vào 
lựa chọn 1 trong 4 cặp kênh phải được bật và kết nối các yếu tố đầu vào tương 
tự và ra sẽ được đầu ra. 
+) Sơ đồ chân của CD4052 
Hình 3.18: Sơ đồ chân của CD4052 
51 
+) Khi tách kênh dữ liệu vào chân COM OUT/IN, ra ở 4 kênh CHANNEL I/O. 
Ngược lại, khi dồn kênh thì dữ liệu song song vào các chân CHANNEL 
OUT/IN và ra ở chân COM OUT/IN. 
+) 2 ngõ chọn là A, B 
+) Chân INH (inhibit) cho phép dữ liệu được phép truyền ra 
Hình 3.19. Cấu trúc mạch của CD4052 
Bảng 3.2. Hoạt động của CD4052 
52 
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch tách tín hiệu điều khiển dùng CD4052 
Điện áp điều khiển được đưa vào chân 13 của CD4052, thực hiện tách 
kênh dữ liệu. Điện áp điều khiển được tách xang 2 kênh X0 và X1. Nếu không 
có tín hiệu bít điều khiển, chân X0 sẽ được nối với Y0 và ta có đầu ra Y. Nếu có 
tín hiệu bit điều khiển thì chân X1 sẽ được nối với Y1, điện áp điều khiển có thể 
âm lên từ chân X1 điện áp điều khiển sẽ được qua một mạch khuếch đại thuật 
toán đảo, như vậy ta sẽ có đầu ra Y. 
Chọn R21 = R22 = 10 (K ) 
- Mạch tạo xung dao động dùng IC NE555 
+) 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được 
xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều 
chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng 
cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản 
xuất[1]. 
Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại LM555, NE555, NE7555) 
53 
 Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA 
 Điện áp logic ở mức cao: 0,5 - 15V 
 Điện áp logic ở mức thấp: 0,03 - 0,06V 
 Công suất lớn nhất là: 600mW 
+) Sơ đồ chân của NE555 
Hình 3.21: Sơ đồ chân của NE555 
IC NE 555 gồm có 8 chân 
+) Chấn số 1 (GND): Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân 
chung. 
+) Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so áp dùng các 
transistor PNP, mức áp chuẩn là 2.Vcc/3. 
+) Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng 
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1, 1 ở đây là mức cao nó tương 
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng 
mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V). 
+) Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối 
masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái 
ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao 
động thường hay nối chân này lên VCC. 
+) Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong 
IC555 theo các mức điện áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. 
Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta 
thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ 
này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. 
54 
+) Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp 
khác và cũng được dùng như 1 chân chốt. 
+) Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu 
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này 
đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch RC lúc IC555 
dùng như một mạch dao động. 
+) Chân số 8 (Vcc): Đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không 
có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V ->18V (Tùy từng loại 
555 thấp nhất là NE7555). 
Hình. 3.22: Mạch tạo dao động dùng NE555 
Khi tụ C4 nạp điện ta có: T1 = 0,693.C4.(R7 + R27) 
Khi tụ C4 phóng điện ta có: T2 = 0,693.C4.R27 
Vậy chu lỳ xung là: T = T1 + T2 = 0,693.C4.(R7 + 2.R27) 
Để tạo dao động có tần số 10Khz, tức là chu kỳ dao động T = 
1
f
 = 
1
10
4
 = 10
-4
 s 
Ta chọn: R7 = 50 (K ), R27 = 100 (K ), C4 = 1 (nF) 
55 
 Vậy: T1 = 0,639.10
-9
 .(50000 + 100000) = 1,04.10
-4
 (s) 
 T2 = 6,93.10
-9
 .100000 = 6,93.10
-5
 (s) 
- Mạch tạo xung răng cưa dùng khóa Transistor 
Hình 3.23: Mạch tạo xung răng cưa dùng Transistor 
Khi transistor mở, tụ C3 phóng điện qua transistor, Uc = 0. Khi transistor 
khóa tụ C3 nạp điện từ +12V qua R29, điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật hàm 
mũ với hằng số thời gian ι = R29.C3 [1]. 
Uc = 12.(1 - e 
t
ι
 ) (3.18) 
để lấy đoạn tuyến tính của điện áp trên tụ có thể chọn T = 
1
3
.ι 
+) Chọn transistor là loại A1015 có các thông số sau: 
 Ic = 150 mA = 0,15 (A) 
VCB0 = -50 (V) 
 VCE0 = -50 (V) 
 Pcmax = 400 (mW) 
 Tần số hoạt động 1 kHz 
 +) Dòng điện cực đại qua Bazơ là IB = 
IC
HFE
 = 
0,15
90
.1,2 = 2 (mA) 
56 
 Mà IB = 
12-0,7
R28+R29
 Vậy R28 + R29 = 5650 ( ) 
 Ta có Un = 12V, T = 10
-4
 s, vậy R29.C3 = 3.10
-4
Chọn R 28 = 3 (K ), R29 = 3 (K ), tụ C3 = 0,1 (µF) 
- Mạch so sánh 
Hình 3.24: Mạch so sánh điện áp 
Đây là mạch so sánh hai điện áp vào đó là: Điện áp răng cưa và điện áp 
điều khiển Uđk (lấy từ bên ngoài vào)[1] 
 Tại thời điểm bằng nhau về giá trị tuyệt đối của 2 điện áp này, trong phần 
sườn sử dụng của điện răng cưa thì mạch phát ra một xung điện áp, xung này 
được đưa qua khối tạo xung nó có thể thay đổi được độ dài công suất, độ dốc 
sườn trước. Có nghĩa là khối so sánh là nơi quyết định giá trị góc điều khiển 
Đồ thị so sánh điện áp: 
57 
Hình 3.25: Đồ thị so sánh điện áp 
Muốn xác định được thời điểm mở van công suất ( góc mở ) thì ta tiến 
hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của 
khâu khuếch đại thuật toán qua R25 để so sánh với điện áp điều khiển được đưa 
vào cửa không đảo, điện áp điều khiển được đưa vào cửa không đảo của khuếch 
đại thuật toán qua R24. 
+) Nếu Uc 0. 
+) Nếu Uc > Uđk thì tín hiệu ra là âm Ur < 0. 
+) Nếu Uc = Uđk thì đó là thời điểm phát xung để mở van công suất. Vậy ở đầu 
ra của khuếch đại thuật toán là một chuỗi xung âm dương liên tiếp. Muốn thay 
đổi góc mở của van công suất thì ta thay đổi giá trị độ lớn của điện áp điều 
khiển Uđk. 
+) Điốt D2 dùng để loại bỏ phần xung âm. Vì vậy điện áp ra chỉ còn phần xung 
dương. 
+) Tính toán khâu so sánh 
Chọn điện trở R24 = R25 = R26 = 4,7 (k ) 
Điốt D2 dùng để giới hạn điện áp đầu ra chọn loại DZ5V1 
58 
- Xây dựng mạch điều khiển 
Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý khâu điện áp đặt và mạch trừ 
59 
Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID 
60 
Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý khâu nhận biết chiều và tách điện áp điều khiển 
Hình 3.29: Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa và khâu so sánh điện áp 
61 
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Sau hơn ba tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp: “Nghiên 
cứu tổng quan về hệ truyền động điện một chiều, đi sâu xây dựng bộ điều khiển 
PID cho động cơ điện một chiều” với các kết quả đạt được như sau: 
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều 
- Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều 
- Xây dựng mô hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab & Simulink 
- Xây dựng bộ điều khiển PID ứng dụng cho động cơ một chiều. 
Hình 3.31: Mô vật lý điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 
62 
KẾT LUẬN 
Đề tài điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID tuy không 
phải là một đề tài mới, nhưng qua đó đã phản ánh được tính nghiêm túc trong 
việc học hỏi và vận dụng các kiến thức vào việc thực hiện đề tài. 
Sau thời gian ba tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đề tài với các kết quả 
đạt được như sau: Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều, các phương pháp 
điều khiển tốc độ động cơ một chiều, xây dựng mô hình hệ truyền động điện 
một chiều trên Matlab & Simulink và lý thuyết điều khiển tự động từ đó làm cơ 
sở cho việc xây dựng bộ điều khiển PID ứng dụng cho động cơ một chiều. 
Tuy nhiên bản đồ án vẫn còn một số vấn đề tồn tại, hạn chế cần giải 
quyết: 
+) Việc kiểm soát các tham số của bộ điều khiển PID là khá khó khăn. 
+) Chưa quan sát được một cách trực quan tốc độ động cơ trên máy tính. 
Do vậy, hướng phát triển tiếp theo của đề tài sẽ là: 
+) Ứng dụng cảm biến đo dòng điện ACS712 xây dựng hệ thông điều khiển 
gồm 2 mạch vòng tốc độ và dòng điện cho động cơ điện một chiều. 
+) Thiết kế giao diện trên máy tính cho phép quan sát được đáp ứng tốc độ. 
+) Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển vị trí. 
63 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Nguyễn Bính (1996), Điện tử công suất. NXB Khoa Học Kỹ Thuật 
2.Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi 
(2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học và kỹ thuật 
3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện. NXB 
Khoa học và kỹ thuật 
4. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều 
khiển tự động. NXB Khoa học và kỹ thuật 
5. Design PID circuit -