Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid

i
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
--------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
Đề Tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID.
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
SVTH: Thiều Đoàn Quang Huy
MSSV: 16341011
Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018

ii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH
Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Thiều Đoàn Quang Huy MSSV: 16341011
Chuyên ngành: CNKT Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 41
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 3
Khóa: 2016 Lớp: 163410A
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Nhóm tiến hành việc khảo sát các loại vi điều khiển, lựa chọn động cơ DC,
khảo sát các linh kiện liên quan để tiến hành thiết kế mạch.
 Tiến hành tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập
trình vi điều khiển ARM. Tham khảo các mô hình điều khiển động cơ để xây
dựng lên mô hình điều khiển.
 Tìm hiểu các mô hình điều khiển động cơ để lựa chọn và tham khảo cách
thức hoạt động phù hợp cho mô hình.
2. Nội dung thực hiện:
 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều
khiển tốc độ của động cơ DC.
 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn giải
pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều khiển.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển động cơ DC.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho
Vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình để điều khiển.
 NỘI DUNG 5: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình
để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số
thực tế.

iii
 NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/09/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.Nguyễn Minh Tâm
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

iv
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH
Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên : THIỀU ĐOÀN QUANG HUY
Lớp: 163410A MSSV: 16341011
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID.
Tuần/ngày Nội dung
Xác nhận
GVHD
25/09/2017
01/10/2017
Tìm tài liệu về bộ điều khiển PID DRIVER để điều khiển
tốc độ của động cơ DC.
01/10/2017
15/10/2017
Dựa trên các dữ liệu thu thập được, tiến hành lựa chọn
giải pháp thiết kế và thi công mô hình phần mạch điều
khiển.
15/10/2017
29/10/2017
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC.
29/10/2017
10/11/2017
Thiết kế lưu đồ giải thuật và kiểm tra độ ổn định của
mạch đã thi công.
10/11/2017
28/11/2017
Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển.
28/11/2017
15/12/2017
Thiết kế giao diện hiển thị để điều khiển động cơ DC.
15/12/2017
02/01/2018
Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương
trình để mô hình được tối ưu. Đánh giá các thông số của
mô hình.
02/01/2018
15/01/2018
Viết báo cáo thực hiện.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v
LỜI CAM ĐOAN
Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và
đề tài trước đó. Các số liệu trong đề tài này được nhóm thu thập từ các tài liệu hướng
dẫn và tham khảo một số đề tài liên quan từ đó nhóm đã nghiên cứu và phát triển để
thực hiện đề tài này. Không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018
Sinh viên thực hiện
THIỀU ĐOÀN QUANG HUY

vi
LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập ở trường cùng với những kiến thức được các Thầy Cô
giảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã
được các Thầy Cô tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm
ơn tới tất cả các Thầy, Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói
chung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cung
cấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thể
thực hiện được đồ án này.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy Nguyễn Minh Tâm đã
trực tiếp hướng dẫn tận tình cho nhóm trong suốt quá trình làm đồ án, cảm ơn Thầy đã
giành thời gian quý báu để hướng dẫn cho nhóm, hỗ trợ các thiết bị cũng như đưa ra
hướng đi giải quyết đúng cho nhóm mỗi khi gặp khó khăn.
Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn tập thể lớp 163410A đã cùng đồng hành với nhóm
trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Các bạn đã cùng nhau giúp đỡ, chia sẻ
kinh nghiệm và tạo thêm động lực để nhóm có thể hoàn thành được đồ án này.
Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè. Những người đã
giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để có thể hoàn thành tốt đồ án
này. Xin chân thành cảm ơn mọi người
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới
hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được
hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
THIỀU ĐOÀN QUANG HUY

x
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động..................................................... 5
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ......................................................... 6
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu................................................................ 6
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu ...................................... 7
Hình 2.5 Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau.............................................. 8
Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian ............. 10
Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian............... 12
Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID ....................................................... 13
Hình 2.9 Sơ đồ pipline................................................................................................... 15
Hình 2.10 Sơ đồ module STM32F103VET617 ............................................................... 16
Hình 2.11 Sơ đồ động cơ DC......................................................................................... 17
Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor......................................................................................... 18
Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều ............................................................... 19
Hình 2.14: Cổ góp và chổi than..................................................................................... 19
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều ................................................. 21
Hình 2.16 Encoder động cơ DC..................................................................................... 21
Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong............................................................ 22
Hình 2.18 OptoPC817 ................................................................................................... 23
Hình 2.19 Mosfet IRF3205 ............................................................................................ 24
Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet.............................................................................................. 25
Hình 2.21 Hoạt động của Mosfet................................................................................... 26
Hình 2.22 IC SN74HCO2N............................................................................................ 27
Hình 2.23 IC SN74HC14N............................................................................................. 28
Hình 2.24 Phần mềm Visual studio 2012 ....................................................................... 29
Hình 2.26 Chạy file vs_ premium................................................................................... 31
Hình 2.27 Click vào I agree the license sau đó chọn Next.............................................. 32
Hình 2.28 Bắt đầu cài đặt Install................................................................................... 32
Hình 2.29 Qúa trình chờ cài đặt .................................................................................... 33

x
Hình 2.30 Cài đặt giao diện thành công ........................................................................ 33
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................... 34
Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm ....................................................................................... 36
Hình 3.3 Khối Driver..................................................................................................... 37
Hình 3.4 Khối Logic ...................................................................................................... 37
Hình 3.5 Khối Nguồn 5V................................................................................................ 38
Hình 3.6 Khối Nguồn 3.3V............................................................................................. 38
Hình 4.1 Mạch in lớp trên.............................................................................................. 40
Hình 4.2 Mạch in lớp dưới............................................................................................. 41
Hình 4.3 Mạch in 3D lớp trên........................................................................................ 41
Hình 4.4 Mạch in 3D lớp dưới....................................................................................... 42
Hình 4.5 Hình ảnh khối nguồn và điều khiển ................................................................. 45
Hình 4.6 Hình ảnh mạch PID DRIVER được đóng gói .................................................. 46
Hình 4.7 Mạch PID DRIVER được đặt vào bên trong hộp............................................. 46
Hình 4.8 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh.......................................................................... 47
Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển chương trình chính............................................................. 48
Hình 4.10 Giao diện trình biên dịch Keil uVision5 ........................................................ 49
Hình 4.11 Giao diện trình biên dịch STM32CubeMX..................................................... 51
Hình 4.12 Giao diện điều khiển PID.............................................................................. 52
Hình 5.1 Điều khiển động cơ Planet (24V, 60W) ........................................................... 55
Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 19W) ...................................................................... 55
Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 38W) ...................................................................... 56
Hình 5.3 Trường hợp Kp, Kd, Ki=1............................................................................... 56
Hình 5.5 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.001 ........................................................................ 57
Hình 5.6 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.005 ........................................................................ 57
Hình 5.3 Kết luận rút ra được từ việc thay đổi hệ số Kp, Kd, Ki từ thực nghiệm............ 58

xiii
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện...............................................................................42

xiii
TÓM TẮT
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID
có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng
như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực
tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển
PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID
cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ
lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các
đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển
PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả những lý
thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển
PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích
nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định
Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực
của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy
bay…. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen
thuộc trong ngành điều khiển tự động. Trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em
xin chọn đề tài : Điều khiển động cơ DC motor với giải thuật PID

MỤC LỤC
Trang
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...................................................................................ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.....................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................vi
MỤC LỤC............................................................................................................................vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ...............................................................................................................ix
LIỆT KÊ BẢNG............................................................................................................................xii
TÓM TẮT.....................................................................................................................................xiii
Chương1. TỔNG QUAN..................................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ..............................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU...................................................................................................................2
1.3 GIỚI HẠN ....................................................................................................................3
Chương2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................4
2.1 GIỚI THIỆU..................................................................................................................4
2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ..................................................................................4
2.2.1 Điều khiển (control)....................................................................................................4
2.2.2 Điều khiển học (cybernctics)......................................................................................4
2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động......................................................................................5
2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) .........................................5
2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG..........5
2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN............................................................6

2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch...........................................................................6
2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu ..........................................................6
2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu .......................................................7
2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ................................................................................................7
2.5.1 Quy luật tỉ lệ P............................................................................................................7
2.5.2 Quy luật tích phân (I)..................................................................................................8
2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân ...............................................................................................9
2.5.4 Quy luật tỉ lệ vi phân ................................................................................................10
2.5.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) ................12
2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .......................................................................................14
2.6.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM. ............................................................................14
2.7 ĐỘNG CƠ DC (MOTOR) ..........................................................................................17
2.7.1 Khái niệm động cơ điện 1 chiều...............................................................................17
2.7.2 Cấu tạo chung của động cơ DC................................................................................17
2.7.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều..........................................................20
2.8 ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIẸN 1 CHIỀU...........................................................21
2.9 OPTO PC817...............................................................................................................23
2.10 IC MOSFET IRF3205 ...............................................................................................24
2.10.1 Giới thiệu IC Mosfet IRF3205 ...............................................................................24
2.10.2 Cấu tạo của Mosfet.................................................................................................25
2.10.3 Nguyên lý hoạt động của Mosfet IRF3205 ............................................................26
2.11 IC SN74HCO2N........................................................................................................27
2.11.1 Giới thiệu IC SN74HCO2N ...................................................................................27
2.12 IC SN74HC14N.........................................................................................................28

2.12.1 Giới thiệu IC SN74HC14N ....................................................................................28
2.13 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM .......................................................................................29
2.13.1 Tổng quan phần mềm C# .......................................................................................29
2.13.2 Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012..........................................................29
2.13.3 Tính năng mới của Visual studio 2012...................................................................30
2.13.4 Cách cài đặt Visual studio 2012 .............................................................................31
Chương3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..................................................................34
3.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................34
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................34
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................................34
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .......................................................................................35
a. Thiết kế khối xử lý trung tâm ........................................................................................35
Chương4. THI CÔNG HỆ THỐNG........................................................................40
4.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................40
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG.............................................................................................40
4.2.1 Thi công bo mạch .....................................................................................................40
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra...................................................................................................45
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ..................................................................45
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển.............................................................................................45
4.3.2 Thi công mô hình......................................................................................................46
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...........................................................................................48
4.4.1 Lưu đồ giải thuật.......................................................................................................48
4.4.2 Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển ARM...........................................................49

4.4.3 Phần mềm tạo Project cho ARM STM32CubeMX..................................................50
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC........................................52
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ...............................................................................52
Chương5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ......................................................54
5.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG.........................................................................54
5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ...................................................................55
Chương6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................59
6.1 KẾT LUẬN .................................................................................................................59
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................61
PHỤ LỤC ..........................................................................................................................62

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 1
Chương1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế quốc
dân, của khoa học kỹ thuật của nền công nghiệp v.v… bất cứ ở vị trí nào, bất cứ một
công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển nó là khâu quan trọng
cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều
phát triển có ý nghĩa hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung
đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám
cao hơn.
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có
ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như
Digital thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID.
Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc
đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID cũng giúp
người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích
phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng
điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không
thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…Ngay cả những lý thuyết điều khiển
hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại, ngoài ra
bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang
lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định.

Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của
khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy
bay…. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen
thuộc trong ngành điều khiển tự động có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ
điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi
điều khiển…Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau nhưng đều cùng chung
mục đích là điều khiển tốc độ của động cơ trên cơ sở muốn tìm hiểu thuật toán PID em
xin chọn đề tài: Điều khiển động cơ DC với giải thuật PID.
1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công mạch PID DRIVER để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC,
dùng vi xử lý STM32F103VET6 để điều khiển, ban đầu mình sẽ đưa tín hiệu đầu vào với
tốc độ đặt như mong muốn khi cấp nguồn vào cho động cơ quoay thì đồng thời Encoder
củng sẽ quoay chân A, B của Encoder đọc tín hiệu qua cảm biến và trả về giá trị xung,
giá trị trả về được so sánh với giá trị tốc độ đặt mong muốn ban đầu sẽ cho một hàm sai
số đưa tín hiệu hàm sai số này qua bộ PID, hàm PID sẽ xử lý và đưa ra tốc độ mình tính
được thông qua xung mà mình đo được xem tốc độ đó có gần bằng với tốc độ đặt mà
mình mong muốn ban đầu hay không, tính toán cho đến khi nào tốc độ ngõ ra gần bằng
tốc độ mong muốn ban đầu thì kết quả thành công, Dùng ngôn ngữ lập trình C# để thiết
kế giao diện điều khiển động cơ DC.
 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu cách sử dụng và phương thức hoạt động của mạch PID
DRIVER
 Viết chương trình cho vi điều khiển.
 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên giao diện.
 Thiết kế và thi công phần cứng mạch.
 Kết nối các khối vào module.
 Chạy thử nghiệm hệ thống.

 Viết sách luận văn.
 Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
1.3 GIỚI HẠN
Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong
suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đề
sau:
- Thiết lập được giao diện để điều khiển động cơ và hiển thị trạng thái hoạt
động của động cơ lên giao diện để quản lý.
- Xác định được 3 thông số: Kp, Kd, Ki chuẩn nhất của bộ PID để tốc độ ngõ
ra bằng với giá trị tốc độ đặt như mong muốn ban đầu.
- Đảo được chiều quoay động cơ quoay thuận và quoay nghịch.
- Điều khiển được nhìu động cơ với công suất khác nhau.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU
Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ
thuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều
khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất
hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v …
Theo mong muốn của đề tài là dùng giải thuật PID để điều khiển tốc độ của động
cơ và đảo chiều quoay của động cơ, theo như mong muốn trong phạm vi đề tài có sử
dụng khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối mạch cầu H để điều khiển động cơ DC.
Module STM32F103VET6 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới ngày
càng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người
dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kế
tối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽ
tìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đề
tài.
2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2.2.1 Điều khiển (control)
Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay
quá trình khác. Theo một quy luật hay một chương trình cho trước.
2.2.2 Điều khiển học (cybernctics)
Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc,
sinh vật và kinh tế điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành
nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học
sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế.

2.2.3 Lý thuyết điều khiển tự động
Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ
quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con
người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển ở chế độ tay (manual).
2.2.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system)
Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động một quá
trình nào đó được gọi là hệ thống điều khiển tự động
2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG
Một hệ thống điều khiển gồm có 3 thành phần cơ bản đó là:
- Đối tượng điều khiển (Object device)
- Thiết bị điều khiển (Controler device)
- Thiết bị đo lường (Measuring device)
Sơ đồ tổng quát:
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động.
Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
u(t) : tín hiệu vào (input)
y(t) : tín hiệu ra (output)
y(t)
e(t)
z(t)
C O
M
u(t) x(t)

x(t)
u(t) e(t) y(t)
M
x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)
e(t) : sai lệch điều khiển
z(t) : tín hiệu phản hồi
2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN
Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:
2.4.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
Hình 2.2: sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
Tín hiệu y(t) được đưa ra so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác
động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O.
2.4.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu
Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu
là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống
C O
z(t)
K
C O
u(t)
e(t)
x(t)
y(t)

2.4.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu
Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả 2 nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp
theo sai lệch vừa có các thiết bị để bù nhiễu.
2.5 THUẬT TOÁN PID SỐ
2.5.1 Quy luật tỉ lệ P
Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức:
x = KP.e (2.1)
Trong đó KP là hệ số khuếch đại của quy luật, theo tính chất của khâu khuếch đại
thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào điều này nói lên
rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy
luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là
khi hệ số tỷ lệ Kp càng lớn thì độ vọt lố càng cao, hệ thống kém ổn định và khi sử dụng
với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch
tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên
và có thể làm cho hệ thống mất ổn định
K
C O
M
u(t) e(t) x(t) y(t)
z(t)
y1(t)

Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép
tồn tại sai lệch tĩnh để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu
thức:
x = x0 + Kp .e (2.2)
Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống tác động điều khiển luôn giữ cho tín
hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch
Hình 2.5: Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau
2.5.2 Quy luật tích phân (I)
Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức
x = K ∫ e dt = . ∫ e dt (2.3)
Trong đó Ki = 1/Ti gọi là hằng số tích phân

Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình
điều khiển đã kết thúc) khi e = 0, như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai
lệch tĩnh.
Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu
vào 1 góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động
chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém
ổn định. Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp
2.5.3 Quy luật tỉ lệ tích phân
Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta
kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệu
điều khiển được xác định theo công thức:
x = KP .e + K ∫ e dt = KP (e+ . ∫ e dt) (2.4)
Trong đó: KP là hệ số khuếch đại
Ti = Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân
- Hàm truyền đạt của quy luật tỷ lệ tích phân có dạng:
W (p) = Kp (1+ )
- Hàm truyền tần số của quy luật PI
W (j ) = Kp (1-j
.
)

Như vậy khi khi ω = 0 thì ϕ (ω) = −π/ 2, còn khi ω = ∞ thì ϕ (ω) = 0. Tín hiệu
chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng từ -π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham
số Kp, Ti và tần số tín hiệu vào.
Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lại
nhanh hơn quy luật tích phân.
Hình 2.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian
Thời gian tích phân càng nhỏ độ vượt mức càng cao
2.5.4 Quy luật tỉ lệ vi phân
Tác động điều khiển của quy luật PID được hình thành theo công thức:

x = Kp.e + Kd. = Kp (e+Td ) (2.5)
Td = KP/ K d: hằng số thời gian vi phân
Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động hệ thống
Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ - vi phân có dạng:
W (p) = KP (1+Td.p)
- Hàm truyền tần số của quy luật PD
W (jω) = KP (1+ jTd)
- Đặc tính pha tần:
ϕ (ω) = arctg (Td .ω)
Như vậy khi ω thay đổi từ 0 đến ∞ thì đặc tính PT sẽ thay đổi từ 0 đến π/2, ta có
thể khẳng định tốc độ tác động của quy luật PD còn nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, thời gian
vi phân càng lớn thì đáp ứng càng nhanh.

Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian
2.5.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative)
Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép
thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân.Tác động
điều khiển được tính toán theo công thức:
x = KP .e + K ∫ e dt + K d. = KP (e+ + Td. ) (2.6)
Ti = KP/Ki là hằng số thời gian tích phân
Td = KP/ K d hằng số thời gian vi phân
- Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ-vi tích phân có dạng:
W (P) = KP (1+ + Td. p)
- Hàm truyền tần số của khâu PID:

W (jω) = KP (1+j(Td.ω - ))
- Đặc tính pha tần:
ϕ(ω)= arctg(
. .
)
Như vậy khi ω = 0 thì ϕ (ω ) = − π/2 , còn khi ω =
.
. thì ϕ (ω ) = 0 và khi ω =
∞ thì ϕ (ω ) =π/2 rõ ràng góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào nằm trong
khoảng từ −π/2 đến π/2, phụ thuộc vào các tham số KP, Ti, Td và tần số của tín hiệu vào.
Nghĩa là về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, nói tóm
lại quy luật PID là hoàn hảo nhất đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các
quy trình công nghệ nhưng việc hiệu chỉnh các tham số của nó rất phức tạp, đòi hỏi người
sử dụng phải có một trình độ nhất định vì vậy trong công nghiệp quy luật PID chỉ sử
dụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng
điều chỉnh.
Hình 2.8 So sánh các khâu hiệu chình PD, PI, PID

Khâu hiệu chỉnh PID có ưu điểm so với các khâu hiệu chỉnh còn lại có thời gian
đáp ứng nhanh và độ vượt mức nhỏ
2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Trong đề tài này sẽ thực hiện thi công mô hình điều khiển động cơ DC bằng giải
thuật PID. Trước tiên nhóm sẽ xây dựng sơ đồ nguyên lý kết nối giữa động cơ với mạch
nguyên lý, mạch nguyên lý gồm có: khối điều khiển động cơ, khối ổn áp nguồn, khối đèn
báo, khối vi xử lí sử dụng chíp STM32F103VET6, khối logic sử dụng IC SN74HCO2,
khối lọc nhiễu tín hiệu sử dụng IC SN74HC14.
Về phần điều khiển sẽ sử dụng KIT STM32F103VET6 lập trình để thực hiện việc
điều khiển mô hình, khối Driver sử dụng MOSFET kênh N IRF3205 để điều khiển đảo
chiều động cơ DC và còn dùng để điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM.
- Thiết bị đầu đầu vào: nút nhấn.
- Thiết bị điều khiển trung tâm: là khối module STM32F103VET6 với chíp
vi điều khiển là STM32F103VET6 với lõi ARM Cortex M3.
2.6.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM.
a. Tổng quan về ARM
ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lí
32 bít và 64 bít kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc
điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di
động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan
trọng hàng đầu việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển
của công ty máy tính Acorn.
Hầu hết các nguyên lý của hệ thống trên chip (Systems on chip-SoC) và cách thiết
kế bộ xử lý hiện đại được sử dụng trong ARM, ARM còn đưa ra một số khái niệm mới
<như giải nén động các dòng lệnh>. Việc sử dụng 3 trạng thái nhận lệnh-giải mã-thực thi

trong mỗi chu kì máy mang tính quy phạm để thiết kế các hệ thống xử lý thực do đó,
nhân xử lý ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phức tạp.
Hình: 2.9 Sơ đồ pipline
Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở
thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. CPU ARM được tìm thấy
khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại di
động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, máy tính cầm tay) cho đến các thiết bị
ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.).
b. Tổng quan về kit ARM Cortex – M3 STM 32F103VET6
Khối điều khiển trung tâm là khối module STM32F103VET6 với chíp vi điều
khiển là STM32F103VET6.
- CPU: STMicroelectronics (ST) dựa trên ARM Cortex-M3 chip xử lý 32-bit
STM32F103VET6 với hình dạng vỏ là LQFP100 có 100 chân, có 256KB bộ nhớ
FLASH, có 48KB bộ nhớ RAM và chip tích hợp thêm các ngoại vi 12Bit ADC, DAC,
PWM, CAN, USB, SDIO, FSMC và các nguồn tài nguyên khác.
- Là vi xử lý hiệu xuất xử lý 32-bit với cấu trúc RISC
- Cấu trúc 32-bit ARM Cortex-M3 tối ưu
- Tần số hoạt động là 72 MHz, với 1.25 DMIPS / MHz (Dhrystone MIPS)
- Có bộ nhân và bộ chia bằng mạch điện với thời gian thực hiện 1 chu kỳ lệnh.
- Có nhiều ngắt lồng ghép với nhau với thời gian từ 6 đến 12 chu kỳ xung clock.
- Có các luật bảo vệ truy xuất MPU .
- NGUỒN CUNG CẤP :

 Kit ARM có thể sử dụng 2 nguồn cung cấp:
 Kit ARM sử dụng nguồn DC 5V qua bộ chuyển đổi từ nguồn AC sang DC.
 Kit ARM có thể dùng nguồn 5V DC từ cổng USB.
- NGUỒN XUNG CLOCK :
 Kit ARM đươc thiết kế với năm nguồn xung clock: cho hệ thống, cho RTC
hồ, cho USB Host, cho Ethernet, cho MP3.
 Thạch anh Y1 có tần số 12,288MHz cấp cho MP3.
 Thạch anh Y2 có tần số 8MHz cấp cho hệ thống vi điều khiển ARM.
 Thạch anh Y3 có tần số 32,769Hz dùng làm đồng hồ thời gian thực.
 Thạch anh Y4 có tần số 25MHz cấp cho chip Ethernet ENC28J60.
- Chế độ Reset :
Kit ARM được thiết kế với nút reset tích cực mức thấp.
Có 2 chế độ reset vi điều khiển ARM:
 Nhấn nút reset trên kit.
 Reset thực hiện qua mạch giao tiếp JTAG.
Hình2.10 Sơ đồ module STM32F103VET6

2.7 ĐỘNG CƠ DC (MOTOR)
Hình 2.11 động cơ DC
2.7.1 Khái niệm động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều thuộc về máy điện một chiều là loại máy hoạt động với
nguồn điện một chiều chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát điện hay chế độ động
cơ điện nghĩa là máy điện một chiều có thể chuyển hóa cơ năng thành điện năng một
chiều hoặc là biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng.
2.7.2 Cấu tạo chung của động cơ DC
Cấu tạo của động cơ gồm stator, rotor và hệ thống chổi than-vành góp.Stator bao
gồm vỏ máy cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) bao gồm
các bối dây được đặt trong rãnh của lõi sắt đối với các động cơ có công suất nhỏ người ta
có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

Hình 2.12 Cấu tạo của Rotor
Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật cách điện lại có rãnh để đặt
các phần tử của dây quấn phần ứng lõi thép có hình trụ tạo thành từ việc ghép nhiều lá
thép kỹ thuật điện đã phủ lớp vecni cách điện để giảm tổn hao gây bởi dòng điện xoáy,
Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại sẽ tạo thành rãnh của phần ứng để
đặt bộ dây quấn giữa lá thép có dập lỗ để lắp trục và chốt chêm dọc ngoài ra, trên lá thép
còn được dập một số lỗ thông gió để làm mát thân máy cực từ và lõi thép phần ứng hợp
thành mạch từ của máy điện một chiều.
Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn mỗi phần tử gồm nhiều vòng
dây được xếp trong các rãnh của lõi thép hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp, 2 cạnh
tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác tên.
Phần ứng được bắt chặt trên trục thép hai đầu trục có gắn bạc đạn nắp máy giữ cố
định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bulông xuyên

Hình 2.13: Stator của động cơ điện một chiều
Stator còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy thường
được chế tạo bằng gang hay thép đúc Stator là mạch từ cũng vừa là vỏ máy bao bọc các
bộ phận bên trong phía mặt trong của stator có gắn các cực từ, phần cuối cực từ được làm
loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây quấn kích từ.
Hình 2.14- Cổ góp và chổi than
Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn
sau đó gắn vào trục rotor, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cách điện

với trục bằng lớp mica mỏng một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu dây của
phần tử dây quấn phần ứng.
Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình
hộp chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt chặt
vào nắp máy một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo ép chặt.
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây
phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng.Số lượng chổi than bằng số
lượng cực từ (một nửa có cực tính dương, một nửa có cực tính âm).
2.7.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi đặt lên dây cuốn kích từ một điện áp Uk nào đó thì trong dây cuốn kích từ sẽ xuất
hiện một dòng ik và từ đó mạch từ của máy sẽ xuất hiện một từ thông , tiếp đó đặt một
giá trị điện áp U lên mặt phần ứng thì trong dây cuốn sẽ xuất hiện một dòng điện i chạy
qua . Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích sẽ tạo ra mômen điện từ
Và mômen điện từ này kéo phần ứng quay quanh trục, giá trị của mô men điện từ được
tính bởi công thức sau:
=
.
ϕI = kϕI 2.7
Trong đó:
P: Số đôi cực của động cơ
n: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
a: Số mạch nhánh song song của dây cuốn phần ứng
k: Số kết cấu của máy

Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều
2.8 ENCODER CỦA ĐỘNG CƠ ĐIẸN 1 CHIỀU
Hình 2.16 Encoder động cơ DC
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm có 3 kênh A, kênh B và kênh I
(index) như hình trên chúng ta thấy 1 lỗ nhỏ ở trong của đĩa quay và có 1 cặp phát–thu
hồng ngoại dành riêng cho lỗ này, đó là kênh I của encode. Cứ mỗi vòng quay của đĩa thì
lỗ nhỏ sẽ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu ,hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ
nhỏ để đến cảm biến quang, khi đó sẽ có 1 tín hiệu xuất hiện trên cảm biến như thế kênh I
sẽ xuất hiện 1 xung trong 1 vòng quay của motor.

Bên ngoài đĩa được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh
này đây là kênh A, của encoder hoạt động của kênh A
Tương tự như kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor thì có
N “xung” xuất hiện trên kênh A với N là số rãnh trên đĩa và cũng là độ phân giải
(resolution) của encoder.Mỗi loại động cơ khác nhau thì sẽ có độ phân giải là hoàn
toàn khác nhau.
Ngoài ra trên encoder còn 1 cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn
với kênh A nhưng mà lệch một chút(M+0.5) rãnh, đây là kênh B của encoder.Tín
hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng mà lệch pha 90o
. Bằng cách
phối hợp 2 kênh A và B thì người đọc sẽ biết được chiều quay của động cơ
Hình 2.17 Hai kênh A và B lệch pha nhau trong encoder
Hình trên cùng trong ba hình thể hiện sự bố trí của 2 cảm biến A và B lệch pha
nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại
xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh xét trường hợp motor

quay theo chiều kim đồng hồ tín hiệu đi từ trái qua phải ta thấy rằng lúc tín hiệu từ kênh
A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh thấp) thì tín hiệu của kênh B đang ở mức
cao.Như vậy bằng cách phối hợp 2 kênh A và B thì chúng ta có thể xác định được chiều
quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
2.9 OPTO PC817
Hình 2.18 OptoPC817
Opto là một trong những linh kiện điện tử cơ bản được người dùng sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực điện tử, opto hay còn gọi bộ cách ly quang dùng để truyền tín
hiệu điện bằng cách chuyển tín hiệu ánh sáng và sau đó mới truyền đi nó dùng để
cách ly điện áp giữa đầu vào và đầu ra.
Khi cấp nguồn 5V vào chân số 1 LED phía trong Opto nối giữa chân số 1
và 2 sáng xảy ra hiệu ứng quang điện làm cho chân 3 và 4 thông, mức logic chuyển
từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp IC.

2.10 IC MOSFET IRF3205
2.10.1 Giới thiệu IC Mosfet IRF3205
Hình 2.19 Mosfet IRF3205
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đánh thủng là 55V.
- Điện áp VGS = +/-20V
- Dòng chịu đựng trung bình là 110A
- Nhiệt độ hoạt động: -55o
C ~ 175o
C
- Công suất: 200W
Mosfet IRF3205 là mosfet kênh N hay mosfet ngược. Mosfet IRF3205 là Transistor
hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor
đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường Mosfet thường có
công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT, Mosfet IRF3205 có công suất là 220 đối với tín
hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở.

2.10.2 Cấu tạo của Mosfet
Hình 2.20 Cấu tạo Mosfet
- G : Gate gọi là cực cổng
- S : Source gọi là cực nguồn
- D : Drain gọi là cực máng
- Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-
N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và
cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra
thành cực G.
- Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn ,
còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và
cực S ( UGS )
- Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu
ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở
RDS càng nhỏ.

2.10.3 Nguyên lý hoạt động của Mosfet IRF3205
Hình 2.21 Hoạt động của Mosfet
- Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q
(Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không
có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện.
- Khi công tắc K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V =>
đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng.
- Khi công tắc K1 ngắt, điện áp tích trên tụ C1 (tụ gốm) vẫn duy trì cho đèn Q dẫn
=> chứng tỏ không có dòng điện đi qua cực GS.
- Khi công tắc K2 đóng, điện áp tích trên tụ C1 giảm bằng 0 => UGS= 0V => đèn
tắt
=> Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS như
trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trở
RDS giảm xuống .

2.11 IC SN74HCO2N
2.11.1 Giới thiệu IC SN74HCO2N
IC SN74HCO2N là IC hoạt động theo cổng NOR.
Hình 2.22 IC SN74HCO2N
- Điện áp hoạt động 2V-6V
- Tiêu thụ điện áp thấp : tối đa ICC là 20 μA
- tpd = 8 ns
- ± 4-mA Đầu ra tại 5 V

2.12 IC SN74HC14N
2.12.1 Giới thiệu IC SN74HC14N
IC SN74HC14N là IC hoạt theo kiểu mắc Schmitt-trigger
Hình 2.23 IC SN74HC14N
- Điện áp hoạt động 2V-6V
- tpd = 11 ns
- ± 4-mA Đầu ra tại 5 V
- Tiêu thụ điện áp thấp : tối đa ICC là 20 μA

2.13 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
2.13.1 Tổng quan phần mềm C#
C# (đọc là "C thăng" hay "C sharp" ("xi-sáp")) là một ngôn ngữ lập trình hướng
đối tượng được phát triển bởi Microsoft, là phần khởi đầu cho kế hoạch NET của họ tên
của ngôn ngữ bao gồm ký tự thăng theo Microsoft nhưng theo ECMA là C# chỉ bao gồm
dấu số thường Microsoft phát triển C# dựa trên C++ và Java. C# được miêu tả là ngôn
ngữ có được sự cân bằng giữa C++, Visual Basic, Delphi và Java, C# được thiết kế chủ
yếu bởi Anders Hejlsberg kiến trúc sư phần mềm nổi tiếng với các sản phẩm Turbo
Pascal, Delphi, J++, WFC.
2.13.2 Giới thiệu về phần mềm Visual studio 2012
Hình 2.24 Phần mềm Visual studio 2012
Visual studio 2012 là phần mềm lập trình được viết bằng ngôn ngữ vb++ và C#,
chức năng của nó là giúp các lập trình viên xây dựng website và các ứng dụng
web.Visual studio 2012 có nhiều điểm tương đồng với Visual studio 2008 và 2010 nhưng
nó đã được cậpnhật nhiều tính năng mới vượt trội hơn.

Hiện nay Visual studio 2012 đang được nhiều doanh nghiệp và lập trình viên sử dụng
theo thống kế gần đây ở Việt Nam có hơn 14 doanh nghiệp sử dụng phần mềm này để
phát triển các sản phẩm phần mềm của mình như: FPT Software, TMA Solution, Lạc
Việt, VietSoftware…
2.13.3 Tính năng mới của Visual studio 2012
Hình 2.25 Tính năng mới visual studio 2012
- Visual studio 2012 của Microsoft là một bước tiến mới giúp cho công việc của các
lập trình viên nhanh và hiệu quả hơn rất nhiều và tạo ra được nhiều ứng dụng chất
lượng cao.
- Tính năng nổi bật nhất mà bạn có thể thấy là giao diện mới. Visual studio 2012 sử
dụng giao diện Metro đã làm nổi bật được các yếu tố trọng tâm của trang web và
code trong quá trình làm việc. Điều này rất thuận lợi cho công việc của các lập
trình viên, đảm bảo độ chính xác của thiết kế.
- Với Visual studio 2012 Windows có thể hoạt động trên mọi thiết bị có kích thước
khác nhau dựa trên nền tảng mới là WinRT.
- Khi sử dụng Visual studio 2012 bạn có thể dễ dàng tạo ra các ứng dụng Windows
8 bằng cách sử dụng ngôn ngữ C++, C# , XAML, Visual Basic, HTML 5, CSS và
JavaScript.

- Tính năng mới của Visual studio 2012 là bạn có thể thay đổi giao diện của trang
web mà không cần sử dụng XAML.
- Visual studio 2012 là công cụ hỗ trợ HTML hiệu quả giúp cho quá trình kiểm tra
lỗi và quản lý IntelliSense dễ dàng, chính xác và nhanh chóng hơn.
Việt, VietSoftware…
2.13.4 Cách cài đặt Visual studio 2012
- Bước 1: Downloads phần mềm Visual studio 2012
- Bước 2: Bạn vào folder source => chọn Visual studio 2012 => chọn VS_premium và tiến hành
chạy file.
Hình 2.26 Chạy file vs_ premium
Lúc này nó sẽ hiển thị ra một bảng thông tin và bạn click vào I agree the license
sau đó chọn Next.

Hình 2.27 Click vào I agree the license sau đó chọn Next
Sau đó bạn click vào tất cả các checkbox => sau đó bạn nhấn Install.
Hình 2.28 Bắt đầu cài đặt Install
- Bước 3: Sau khi tiến hành xong các bước trên bạn chờ quá trình cài đặt hoàn tất.
Thời gian cài đặt tương đối lâu nên bạn có thể làm việc khác để không làm mất
thời gian của mình.

Hình 2.29 Qúa trình chờ cài đặt
Sau khi cài đặt xong cấu hình bạn nhìn thấy sẽ hiển thị như thế này
Hình 2.30 Cài đặt giao diện thành công

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Chương3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU
Đề tài này yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ quoay và đảo chiều
quoay của động cơ DC sao cho tối ưu nhất, viết chương trình cho vi điều khiển xử lý,
thực hiện các lệnh điều khiển. Ở chương này sẽ tập trung tính toán và thiết kế các khối
cho hệ thống, dựa vào yêu cầu của đề tài từ đó tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị
phù hợp, thiết kế các bản vẽ cho hệ thống điều khiển.
Trình bày kỹ chức năng và đặc tính của các thiết bị sử dụng trong mô hình đề tài
giao diện giám sát và điều khiển động cơ DC
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Khối xử lý trung tâm: Điều khiển mọi sự hoạt động của hệ thống theo chương
trình đã nạp sẵn. Cùng với đó là việc truyền, nhận dữ liệu điều khiển với cơ cấu chấp
hành và giám sát hệ thống.
Khối Driver: Sử dụng IC Mosfet IRF3205 ngoài chức năng dùng để đảo chiều
quay của động cơ thì còn dùng để điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM
Khối nguồn: Thực hiện chức năng cung cấp nguồn để các thiết bị trong hệ thống
hoạt động.
Khối giao diện điều khiển: tạo ra giao diện điều khiển để thiết lập các thống số
điều khiển động cơ DC.
Khối chấp hành động cơ: Động cơ DC sẽ quoay theo chiều và tốc độ mà chúng ta
mong muốn.
Khối cảm biến (Encoder): khi được cấp nguồn động cơ quoay lúc này Encoder
quoay và sẽ đo tốc quoay của động cơ sau đó hồi tiếp về một tín hiệu xung.
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch
a. Thiết kế khối xử lý trung tâm
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho hệ thống xử lý trung tâm, cùng
với sự tư vấn và hỗ trợ thiết bị từ giáo viên hướng dẫn nên nhóm thực hiện đã quyết định
chọn vi điều khiển ARM để làm bộ xử lý chính cho đề tài này.Với đặc điểm có cấu hình
xử lí nhanh và việc tích hợp sẵn nhiều ngoại vi cần thiết cho đề tài để không cần phải tốn
thêm chi phí cho module mở rộng. Nhóm thực hiện đã chọn được KIT STM32F103VET6
Sau đây là một vài thông số cơ bản:
- Vi điều khiển có có 256KB bộ nhớ FLASH, có 48KB bộ nhớ RAM
- Hỗ trợ cổng USB
- Điện áp nguồn 5VDC
- Gói thư viện hỗ trợ của hãng STMicroelectronics.
- Tần số hoạt động là 72 MHz, với 1.25 DMIPS / MHz (Dhrystone MIPS).

Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm
b. Thiết kế khối Driver
IC Mosfet IRF3205 được dử dụng làm mạch cầu H ngoài chức năng dùng để đảo
chiều quay của động cơ thì IRF3205 còn dùng để điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM

Hình 3.3 Khối Driver
c. Thiết kế khối Logic
Các đường kích cầu trong Mosfet IRF3205 là H1 và H2 phải được đặt trong các
trạng thái ngược nhau bằng cách này chúng ta có thể tránh được trường hợp khi mà 2
Mosfet ở cùng một bên được kích cùng lúc (ngắn mạch) vì vậy chúng ta sẽ thiết kế một
mạch logic phụ với 2 ngõ vào là PWM và DIR.Trong đó PWM dùng để điều khiển vận
tốc còn DIR dùng để điều khiển hướng của động cơ.Hai ngõ ra là hai đường điều khiển
H1 và H2.Vì vậy khối logic được thiết kế như trên.
Hình 3.4 Khối Logic

d. Thiết kế khối Nguồn
Hình 3.5 Khối Nguồn 5V
Sử dụng IC7805 dùng để chuyển nguồn từ +24V sang +5V
Hình 3.6 Khối Nguồn 3.3V
Chúng ta sử dụng IC ổn áp ASM117 dùng để chuyển nguồn từ +5V sang +3.3V cấp
nguồn nuôi cho mạch điều khiển.
e. Thiết kế khối cơ cấu chấp hành
Tính toán thiết kế phần điện điều khiển:
- Động cơ bước: sử dụng nguồn 24V ( DC )
- Nguồn cung cấp cho chip ARM lõi Cortex-M3 STM32F103VET6 là 3,3V và
công suất là 690mW, nên dòng có giá trị:

= =
,
,
= 210( ) (3.1)
f. Thiết kế khối nguồn
Thiết kế khối ổn áp: yêu cầu điện áp ngõ ra là 5V DC để cung cấp cho các IC ngoại
vi hoạt động trên mạch và nguồn 3.3V cấp cho mạch vi điều khiển hoạt động.
Sử dụng IC ổn áp 7805, AMS117 để cho ra nguồn điện áp tương ứng 5V DC và
3.3V DC dòng tải lên đến 3A

CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
Chương4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Sau khi thực hiện xong quá trình tính toán các thiết bị để sử dụng trong mô hình
nhóm đã tiến hành việc xây dựng và thi công mô hình hệ thống.
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công bo mạch
Mạch in được vẽ trên Altium Designer
- Mạch in lớp trên
Hình 4.1 Mạch in lớp trên

- Mạch in lớp dưới:
Hình 4.2 Mạch in lớp dưới
- Mạch in 3D lớp trên
Hình 4.3 Mạch in 3D lớp trên

- Mạch in 3D lớp dưới:
Hình 4.4 Mạch in 3D lớp dưới
Bảng4.1: Danh sách các linh kiện
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Crystal HC49 DIP 8MHZ DIP2
2 1N4007 1000V, 1A DO-204AL
3 PC817X2NSZ9F 5V, 5mA DIP4

4 L7805ACD2T 5V, 1.5A TO-263-3
5 FUSE 20A, 250 V
6
32.768kHz 206 Thạch
Anh
32.768kHZ DIP2
7 STM32F103VET6 2 V ~ 3.6 V 100LQ-FP
8 Diode 1A DO214
9 Domino 2 chân KF350
10 Socket Header 8 Chân DO 2.54mm
11 Socket Header 4 chân DO 2.54mm
12 Tụ Gốm 10nf SMD-0805
13 Tụ Gốm 100nF SMD-CAP
14 Điện trở 220 ohm 2W DIP2
15 Điện trở 1/8W 5% 1KΩ SMD-0805
16 Điện trở
10KOhm 0805
5% SMD-0805
17 Tụ Gốm 10pF SMD-0805
18 Tụ Gốm 20pF SMD-0805
19 Điện trở
330 Ohm 0805
SMD-0805

5%
20 Điện trở
2.2K Ohm
0805 5%
SMD-0805
21 Điện trở
1K Ohm 0805
5%
SMD-0805
22 Điện trở
10K Ohm
0805 5%
SMD-0805
23 Điện trở
100 Ohm 0805
5%
SMD-0805
24 LED Blue SMD
25 SN74HC02N 2 V ~ 6 V 14-PDIP
26 SN74HC14N 2 V ~ 6 V 14-PDIP
27 ALC-100UF 50V

28 ASM117 3.3V SMD
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi đã có sơ đồ nguyên lý về mạch điều khiển cũng như mạch động lực của hệ
thống. Ta tiến hành lắp ráp hệ thống điều khiển cho mô hình.
- Lắp ráp module nguồn và mạch điều khiển
Ta tiến hành việc cấp nguồn điện 220V cho bộ mạch nguồn từ 220V AC sang 24V
DC , từ nguồn 24V DC cấp nguồn cho IC ổn áp7805 cho ra nguồn 5V và từ nguồn 5V
cấp nguồn cho IC ổn áp AMS117 cho ngõ ra 3.3V để cấp nguồn cho khối vi điều khiển
hoạt động, sau khi hoàn thành việc cấp nguồn ta tiến hành dùng VOM để đo kiểm tra
nguồn ngõ ra của mạch xem đúng hay không. Nếu nguồn được cấp đúng thì sau đó ta tắt
nguồn để lắp mạch và KIT STM32F103VET6.
Hình 4.5 Hình ảnh khối nguồn và điều khiển
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển
Mạch PID DRIVER được đóng gói trong hộp nhôm:

Hình 4.6 Hình ảnh mạch PID DRIVER được đóng gói
4.3.2 Thi công mô hình
Hệ thống mô hình được thiết kế sau khi đã thiết kế và lựa chọn được hộp nhôm ưng
ý thì ta tiến hành lặp đặt mạch PID vào bên trong hộp nhôm.
Hình 4.7 Mạch PID DRIVER được đặt vào bên trong hộp

Sau khi đặt mạch PID DRIVER vào hộp nhôm ta tiến hành đóng nắp hộp lại và
được mô hình hoàn chỉnh
Hình 4.8 Mô hình hệ thống hoàn chỉnh

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật
Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển chương trình chính
Bắt đầu vào chương trình khởi tạo các thông số PWM, TIMER, UART,
Kp, Ki, Kd, Err-now, Err-sum, Err-del sau đó vi điều khiển đọc dữ liệu từ máy
tính về và tính toán thông số U, đọc số xung từ Encoder trong 100ms sau đó
chuyển đổi tính ra vận tốc và vận tốc vừa tính được đem so sánh với giá trị đặt
vận tốc mong muốn ban đầu nếu bằng nhau thì vận tốc ổn định và kết thúc còn
nếu chưa bằng thì quoay lên lại tính tiếp tục vòng lặp cho đến khi nào hai vận tốc
bằng nhau.

4.4.2 Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển ARM
a. Giới thiệu phần mềm lập trình
Trong đồ án này nhóm đã sử dụng phần mềm Keil uVision5. Phần mềm được thiết
kế với giao diện thân thiện người sử dụng, Keil uVision5 thích hợp cho cả những người
mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình vi điều khiển. Là phần mềm cơ
sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình. Keil uVision5 là là công cụ phần mềm
chuyên nghiệp được phát triển bởi công ty ARM, sử dụng cho việc soạn thảo và biên dịch
chương trình dành cho các dòng vi điều khiển thiết kế dựa trên nền tảng ARM. Phần
mềm hiện đang được cộng đồng lập trình viên trên thế giới sử dụng rất phổ biến và liên
tục được cập nhật và hoàn thiện bởi rất nhiều người. Nguồn tài liệu thư viện và chương
trình mẫu viết bằng công cụ này là rất lớn. Đây là một công cụ rất hữu ích để phát triển
các ứng dụng sử dụng chip lõi ARM.
Hình 4.1 Giao diện trình biên dịch Keil uVision5
b. Cách cài đặt phần mềm
Bước 1: Sau khi download phần mềm KeilC-5 về, các bạn giải nén sẽ ra thư mục
KeilC V5, bên trong có chứa 2 thư mục: ARM và Keil 8051.
Bước 2: Để cài Keil C cho ARM, các bạn vào thư mục ARM chạy file
mdk511.exe.

Bước 3: Hộp thoại cài đặt xuất hiện. Nhấn Next để tiếp tục.
Bước 4: Chọn “I agree to all the tems of the preceding License Agreement”, sau
đó chọn Next.
Bước 5: Tiếp theo, các bạn chọn đường dẫn lưu thư mục cài đặt, sau đó chọn
Next.
Bước 6: Các bạn điền đầy đủ thông tin, và chọn Next.
Bước 7: Sau đó đợi một thời gian để phần mềm cài đặt khi hoàn tất các bạn chọn
Finish.
Bước 8: Sau đó, hộp thoại Pack Installer xuất hiện, các bạn nhấn OK.
Bước 9: Trong hộp thoại Pack Installer, các bạn install dòng chip các bạn đang sử
dụng.
c. Chương trình lập trình Vi điều khiển
Xin mời xem phần chương trình ở phụ lục.
4.4.3 Phần mềm tạo Project cho ARM STM32CubeMX
a. Giới thiệu phần mềm lập trình
Khi bước đầu chuyển sang làm quen với dòng vi điều khiển ARM từ các dòng vi
điều khiển truyền thống như AVR, PIC, AT… chúng ta sẽ dễ cảm thấy bị choáng ngợp vì
sự phức tạp và khổng lồ của nó. Nếu học ARM bằng tư duy của AVR hay PIC, nhớ từng
register, từng công dụng của từng bit chắc chúng ta sẽ bỏ cuộc sớm. Thay vì phải nhớ
từng bit buồn tẻ nhàm chán đó, các nhà sản xuất đã phát triển các thư viện/driver chuẩn
cho các con chip của họ. Chúng ta sẽ không làm việc trực tiếp ở mức register nữa, mà
làm quen với các hàm API đã được nhà sản xuất cung cấp sẵn, giúp cho việc viết chương
trình trở nên dễ dàng hơn nhiều.
Hãng ST trước đây cũng cung cấp thư viện ngoại vi chuẩn (Standard Peripheral
Libraries) để cho chúng ta sử dụng. Tuy nhiên sử dụng nó cũng còn quá nhiều điều phức
tạp, và những ai mới bước vào thế giới ARM sẽ rất dễ nản lòng ví dụ đơn giản nhất là
việc khởi tạo phần cứng (Cài đặt RCC cho hệ thống, cài đặt ngoại vi) cũng khá phức tạp.

Sau đó ST ra mắt công cụ STM32 MicroExplorer để giúp cấu hình ngoại vi, cũng
như tạo project dựa trên các cấu hình đó, việc còn lại của chúng ta chỉ là viết code của
mình.Trải qua nhiều version, STM32 MicroExplorer đã phát triển thành
STM32CubeMX, một chương trình hoàn thiện hơn rất nhiều và giúp cho việc lập trình
trên STM32 dễ dàng hơn bao giờ hết.
Hình4.2 Giao diện trình biên dịch STM32CubeMX
b. Cách cài đặt chương trình
Bước 1: Sau khi tải file cài về chúng ta vào chạy file cài đặt với tên
SetupSTM32CubeMX.exe. Xuất hiện hộp thoại nhấn NEXT để tiếp tục.
Bước 2: Xuất hiện hộp thoại chọn “I accept the terms of this license agreement”
nhấn Next để tiếp tục.
Bước 3: Xuất hiện hộp thoại chọn vùng nhớ để lưu cài đặt. Sau đó chọn Next.
Bước 4: Xuất hiện hộp thoại . Chọn Next để tiếp tục.
Bước 5: Đợi phần mềm thực hiện quá trình cài đặt.
Bước 6: Sau khi hoàn thành chọn Next.
Bước 7: Xuất hiện hộp thoại ta chọn Done để kết thúc quá trình cài đặt phần mềm.

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
Sau khi đã hoàn thiện được mô hình mạch điều khiển PID Driver thì dưới đây là các
bước hướng dẫn để vận hành mô hình một cách tốt nhất, nhằm giúp người sử dụng hệ
thống có thể hiểu rõ quy trình hoạt động cũng như các bước vận hành như thế nào để đảm
tính chính xác nhất.
Hình4.12 Giao diện điều khiển PID

Quy trình vận hành trên hệ thống điều khiển:
Bước 1: Chọn cổng COM để kết nối tới mạch vi điều khiển
Bước 2: chọn tốc độ truyền Set Baurte
Bước 3: Chọn connect để bắt đầu kết nối
Bước 4: Cài đặt tốc độ mong muốn ban đầu tại ô set of speed
Bước 5: Nhấn Run để tải chương trình xuống mạch vi điều khiển xử lý tính toán.

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
Chương5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
Sau hơn 3 tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài nhóm đã hoàn thành đề tài với yêu
cầu đặt ra, bên cạnh việc có thêm nhiều kiến thức bổ ích về lý thuyết thì nhóm đã có được
kinh nghiệm về việc thiết kế và thi công hệ thống mạch điện. Nghiên cứu và biết cách sử
dụng cảm biến đo tốc độ động cơ DC đưa tín hiệu qua IC lọc nhiễu rồi đưa vào Vi điều
khiển xử lý.
Nhóm đã hoàn thiện được mô hình đề tài, với mô hình gọn gàng các hệ thống được
bố trí một cách hợp lý. Phần điều khiển được bố trí trực quan dễ sử dụng. Biết cách tính
toán và lựa chọn thiết bị để phục vụ cho việc xây dựng mô hình điều khiển.
Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động vi điều khiển ARM và có thể lập trình hệ thống
với phần mềm Keil µVision 5.
5.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG
Mạch thực nghiệm điều khiển được các động cơ có các công suất khác nhau: 25W,
38W, 60W, 100W....
- Mạch thực nghiệm điều khiển được Động cơ Planet điện áp hoạt động 24V, công
suất 60W, tốc độ động cơ 9000 vòng/phút, encoder đọc 13 xung.

Hình 5.1 Điều khiển động cơ Planet (24V, 60W)
- Mạch thực nghiệm điều khiển được động cơ 24V, công suất 19W, tốc độ động cơ
4400 vòng/phút
Hình 5.2 Điều khiển động cơ (24V, 19W)
- Mạch thực nghiệm điều khiển được động cơ 24V, công suất 38W, tốc độ động cơ
4884 vòng/phút

Hình 5.3 Điều khiển động cơ (24V, 38W)
- Xác định được các hệ số Kp, Kd, Ki chuẩn nhất từ thực nghiệm:
Hình 5.4 Trường hợp Kp, Kd, Ki=1

Hình 5.5 Trường hợp Kp, Kd, Ki=0.001
Hình 5.6 Trường hợp Kp, Kd=0.001, Ki=0.005
i

TTTTTTUVỌT LỐ
TTttt
Từ việc xác định được các thông số Kp, Kd, Ki chuẩn thì ta rút ra được kết luận quan
trọng như sau:
Hình 5.7 kết luận rút ra được từ việc thay đổi hệ số Kp, Kd, Ki từ thực nghiệm
5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
Sau quá trình thực hiện nhóm đã thiết kế và thi công được mạch PID DRIVER
điều khiển tốc độ của động cơ DC mô hình hoàn thành được 90% .
Thực hiện được việc chạy mô phỏng, thiết kế thành công phần mạch thực nghiệm.
Kết quả đạt được thỏa mãn yêu cầu của bài toán là khả năng đáp ứng nhanh và chính xác
tương đối ổn định.
Mạch được ứng dụng vào điều khiển các động cơ trong mô hình dự thi sáng tạo
Robocon.
Mạch thực nghiệm truyền và hiển thị nhanh vận tốc thực tế lên máy tính.

CHƯƠNG6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1 KẾT LUẬN
Sau hơn 3 tháng thực hiện đề tài với nhiều cố gắng và nổ lực của nhóm cùng với sự
tận tình hướng dẫn của Thầy Nguyễn Minh Tâm, đồ án đã hoàn thành đúng thời gian quy
định theo yêu cầu đặt ra là điều khiển và giám sát được các thông số của động cơ DC,
Sau thời gian thực hiện nhóm đã biết cách sử dụng và lập trình ARM Cortex-M3
STM32F103VET6 sử dụng phần mềm Keil µVision 5. Sử dụng phần mềm thiết kế
Altium Designer để vẽ nguyên lý và mạch in cho mạch PID Driver. Hoàn thiện được
mạch PID Driver điều khiển tốc độ của động cơ DC.
Tìm hiểu cơ bản về lý thuyết điều khiển tự động và thuật toán PID thực hiện được
việc chạy mô phỏng và thiết kế thành công phần mạch thực nghiệm.
Nhận xét và đánh giá:
Phần điều khiển được bố trí trực quan dễ sử dụng. Cùng với việc thiết kế giao diện
điều khiển giúp người dùng dễ dàng quan sát các thông số và điều khiển một cách dễ
dàng.
Mô hình phần cứng được bố trí phù hợp, gọn gàng và dễ dàng thao tác.
Mô hình hoàn thành được khoảng 90% so với mục tiêu ban đầu.
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Các vấn đề tiếp theo cần được thực hiện để phất triển đề tài:
Mạch thực nghiệm sẽ sử dụng kết nối với máy tính qua cổng COM hoặc cổng
USB để khống chế tốc độ điều khiển.
Mạch thực nghiệm hiển thị được tốc độ thực tế trên LCD.

CHƯƠNG6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Điều khiển được các động cơ có công suất lớn ứng dụng mạnh mẽ vào các quy
trình sản xuất ở nhà máy xí nghiệp.
Mạch Ứng dụng vào điều khiển các động cơ trong mô hình dự thi sáng tạo
Robocon .

TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình vi xử lý nâng cao của Tác giả Phan Vân Hoàn.
[2] Giáo trình thực hành vi xử lý nâng cao của Tác giả Nguyễn Đình Phú.
[3] Phạm Xuân Minh, “Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động”, NXB Giáo Giục,
2008.
[4] Khoa điện, ĐHBK Hà Nội, “Lý thuyết điều khiển tự động”.
[5] Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, “Cơ sở điều khiển tự động”
2006.
[6] http://www.vinamain.com/2010/05/dong-co-dien-mot-chieu.html.
[7] http://www.hocavr.com/index.php/app/dcservo.
[8] http://www.eng.utah.edu/~sparks/how-do-thermoelectrics-work.html.

PHỤ LỤC
PHỤ LỤC
CODE CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN:
#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "stdio.h"
int timer=0;
int chieuquay,stop;
UART_HandleTypeDef huart1;
uint32_t dem = 0;
TIM_HandleTypeDef htim1;
char buffer[100];
char setpoint[5];
char Rx_indx,Rx_data[2],Rx_Buffer[100],nhandulieu;
int len,tatdc=0;
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM1_Init(void);
void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef *htim);
float pv,u=0;
float sp=0000;
float Ki;

PHỤ LỤC
float Kp;
float Kd;
float Err_now,Err_sum,Err_last,Err_del;
static void MX_USART1_UART_Init(void);
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#define GETCHAR_PROTOTYPE int fgetc(FILE *f)
#endif /* __GNUC__ */
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,100);
return ch;
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
uint8_t i;
if (huart->Instance == USART1)
{
if (Rx_indx==0) {for (i=0;i<100;i++) Rx_Buffer[i]=0;}
if (Rx_data[0]!=33)
{
Rx_Buffer[Rx_indx++]=Rx_data[0];
}

PHỤ LỤC
else
{
Rx_indx=0;
nhandulieu=1;
}
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,Rx_data, 1);
}
}
void PID_tocdo(void)
{
if(sp>=20000)
{
Ki=0.00019;
Kp=0.000680;
Kd=0.000005;
}
else
{
if(sp>=15000&&sp<20000)
{
Ki=0.00012;
Kp=0.000680;
Kd=0.000001;
}
else
{
if(sp>12000&&sp<15000)
{

PHỤ LỤC
Ki=0.0001;
Kp=0.000580;
Kd=0.00008;
}
else{
Ki=0.000095;
Kp=0.000580;
Kd=0.00001;
}
}
}
Err_now = sp - pv ;
Err_sum = Err_now + Err_last ;
Err_del = Err_now - Err_last ;
Err_last = Err_now ;
u = u+ Kp*Err_now + Ki*Err_sum + Kd*Err_del ;
if ( u > 100 ) {
u = 100;}
else if ( u< 0 ) u= 0 ;
timer++;
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();

PHỤ LỤC
MX_TIM1_Init();
MX_TIM2_Init();
MX_TIM3_Init();
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
MX_USART1_UART_Init();
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(uint8_t*)Rx_data,1);
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_TC);
while (1)
{
if(timer>0)
{
printf("%d rn",(int)pv);
timer=0;
}
if (nhandulieu)
{
int a;
nhandulieu =0;
for(a=0;a<strlen(Rx_Buffer);a++)
{
if(Rx_Buffer[a]!=83)
setpoint[a]=Rx_Buffer[a];
else
sp=atoi(setpoint);
if(Rx_Buffer[a]==67)
chieuquay=(Rx_Buffer[a-1]);

PHỤ LỤC
if(Rx_Buffer[a]==68)
stop=(Rx_Buffer[a-1]);
}
tatdc=1;
}
if(stop==49)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);
}
else {__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_1,u);
if(chieuquay==49)
{
if(tatdc==1)
{
HAL_Delay(1000);
tatdc=0;
pv=u=0;
HAL_GPIO_WritePin(GPIOE, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET);
}
}
if(chieuquay==48)
{
if(tatdc==1)
{
pv=u=0;
HAL_Delay(1000);
tatdc=0;

PHỤ LỤC
HAL_GPIO_WritePin(GPIOE, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);
}
}
}
}
}
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim -> Instance == TIM3){
dem = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0);
pv = (dem*600)/2000;
PID_tocdo();
}
}
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
Huart1.Instance = USART1;
Huart1.Init.BaudRate = 9600;
Huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
Huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
Huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
Huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
Huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
Huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);

PHỤ LỤC
}
}
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 16;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
}
RCC_ClkInitStruct.ClockType =
RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) !=
HAL_OK)
{
}
HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000);
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);

PHỤ LỤC
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}
static void MX_TIM1_Init(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig;
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig;
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 24;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 100;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
{
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
}
if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)

PHỤ LỤC
{
}
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) !=
HAL_OK)
{
}
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) !=
HAL_OK)
{
}
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0;
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;

PHỤ LỤC
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) !=
HAL_OK)
{
}
HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);
}
{
TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig;
{
}
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_TI1FP1;
sSlaveConfig.TriggerPolarity = TIM_TRIGGERPOLARITY_RISING;
sSlaveConfig.TriggerFilter = 0;
if (HAL_TIM_SlaveConfigSynchronization(&htim2, &sSlaveConfig) != HAL_OK)

PHỤ LỤC
{
}
HAL_OK)
{
}
}
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig;
{
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

PHỤ LỤC
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
}
HAL_OK)
{
}
}
static void MX_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
HAL_GPIO_WritePin(GPIOE, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_11;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
}
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.

PHỤ LỤC
* @param None
* @retval None
*/
void _Error_Handler(char * file, int line)
{
while(1)
{
}
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
}
#endif
/**
* @}
*/

PHỤ LỤC
/**
* @}
*/
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF
FILE****/
CODE CHƯƠNG TRÌNH CON WEB APPLICATION:
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.IO.Ports;
using System.IO;
using System.Xml;
namespace WindowsFormsApplication4
{
public partial class Form1 : Form
{
string InputData = String.Empty;
Int16 ND = 0;

PHỤ LỤC
Int16 set = 0;
string huong = "0";
int tocdoo = 0;
int a = 0;
int[] tocdo = new int[50] ;
int[] potlo = new int[100];
public Form1()
{
InitializeComponent();
string[] ports = SerialPort.GetPortNames();
cbCom.Items.AddRange(ports);
serialPort1.ReadTimeout = 1000;
serialPort1.DataReceived += new
SerialDataReceivedEventHandler(DataReceive);
String[] _bitsPerSecond = { "75", "110", "134", "150", "300", "600", "1200",
"1800", "2400", "4800", "7200", "9600", "14400",
"19200", "38400", "57600", "115200", "128000" };
cbBaudRate.Items.AddRange(_bitsPerSecond);
cbBaudRate.SelectedIndex = 11;
}
private void DataReceive(object obj, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
try
{
InputData = serialPort1.ReadTo("n");
}

Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid

Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

Similaire à Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid

Similaire à Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid (20)

Plus de Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

Plus de Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Dernier

Dernier (20)

Thi công mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng thuật toán Pid