1
Ch−¬ng 5
®¹I C¦¥NG VÒ CÊu tróc phÇn cøng vµ phÇn mÒm CHO §IÒU
KHIÓN Sè ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
Ch−¬ng nµy giíi thiÖu vÒ phÇn cøng vµ phÇn mÒm trong ®iÒu khiÓn sè. HÖ thèng phÇn
cøng ®−îc x©y dùng tõ vi ®iÒu khiÓn. Bªn c¹nh ®ã, mét hÖ thèng vi ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc
ghÐp nèi víi m¸y tÝnh, do ®ã c¸c th«ng sè cña bé ®iÒu khiÓn sè cã thÓ ®Æt trùc tiÕp trªn m¸y
tÝnh. M¸y tÝnh còng lµm nhiÖm vô gi¸m s¸t gi¸ trÞ ®Æt còng nh− gi¸ trÞ ph¶n håi cña hÖ thèng
®iÒu khiÓn. Cuèi cïng ch−¬ng nµy giíi thiÖu ®Æc ®iÓm cña ng«n ng÷ C lµ ng«n ng÷ tiÖn lîi ®Ó
lËp tr×nh cho c¸c vi ®iÒu khiÓn trong ®iÒu khiÓn sè.
5.1 Vi ®iÒu khiÓn
PhÇn cøng ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu bao gåm vi ®iÒu khiÓn. Mét bé vi ®iÒu khiÓn
(viÕt t¾t lµ MCU hay µC) lµ mét m¸y tÝnh trªn mét chip. §©y lµ mét d¹ng cña vi xö lý cã ®é
tÝch hîp cao, tiªu thô Ýt n¨ng l−îng vµ gi¸ thµnh thÊp. §iÒu nµy t−¬ng ph¶n víi mét bé vi xö lý
®a chøc n¨ng ®−îc sö dông cho m¸y tÝnh c¸ nh©n ph¶i ®−îc kÕt nèi víi c¸c phÇn tö kh¸c míi
cã thÓ lµm viÖc ®−îc. Ngoµi viÖc kÕt hîp víi c¸c phÇn tö sè häc vµ logic nh− mét bé vi xö lý
®a n¨ng, mét sè vi ®iÒu khiÓn cßn ®−îc tÝch hîp víi c¸c phÇn tö kh¸c nh− lµ bé nhí ®äc-viÕt
®Ó l−u d÷ liÖu, bé nhí chØ ®äc ®−îc (ROM) hay cßn gäi lµ bé nhí chíp nho¸ng ®ª l−u m· hay
code ch−¬ng tr×nh. Mét sè hä vi ®iÒu khiÓn cßn cã bé nhí EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read-Only Memory) ®−îc sö dông ®Ó l−u ch−¬ng tr×nh m·i m·i. Bé nhí
EEPROM ®−îc gäi lµ bé nhí chØ ®äc ®−îc cã kh¶ n¨ng lËp tr×nh xãa ®−îc b»ng ®iÖn. Ngoµi
ra bé vi ®iÒu khiÓn cßn cã c¸c giao diÖn vµo/ra.
Víi tèc ®é xung nhÞp kho¶ng mét vµi MHz hoÆc thÊp h¬n, mét bé vi ®iÒu khiÓn th−êng
lµm viÖc víi tèc ®é thÊp h¬n so víi bé vi xö lý hiÖn ®¹i nh−ng ®ñ cho mét sè øng dông cô thÓ.
C¸c vi ®iÒu khiÓn th−êng tiªu thô c«ng suÊt nhá mét vµi milliwatts vµ cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë
chÕ ®é chê hay cßn gäi lµ chÕ ®é “sleep” trong khi ®îi c¸c sù kiÖn ngo¹i nh− qu¸ tr×nh Ên mét
nót Ên ®Ó ®−a vi ®iÒu khiÓn vÒ tr¹ng th¸i lµm viÖc. C«ng suÊt tiªu thô ë chÕ ®é chê cã thÓ chØ
mét vµi nanowatt lµm cho c¸c vi ®iÒu khiÓn lý t−ëng ®èi víi c¸c øng dông c«ng suÊt thÊp vµ
thêi gian lµm viÖc l©u dµi cña nguån cÊp lµ pin.
C¸c bé vi ®iÒu khiÓn th−êng ®−îc sö dông trong c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn tù ®éng nh− lµ
trong c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®éng c¬ « t«, ®iÒu khiÓn xa, c¸c m¸y v¨n phßng, c¸c thiÕt bÞ
®iÖn, c¸c m¸y c«ng cô vµ ®å ch¬i. §−îc thiÕt kÕ víi kÝch th−íc nhá gän, gi¸ thµnh thÊp vµ
c«ng suÊt tiªu thô nhá so víi qu¸ tr×nh thiÕt kÕ sö dông mét vi xö lý riªng biÖt, bé nhí vµ c¸c
thiÕt bÞ vµo vµ ra, c¸c bé vi ®iÒu khiÓn ®−îc xem nh− lµ gi¶i ph¸p kinh tÕ ®Ó ®iÒu khiÓn ®iÖn
tö nhiÒu qu¸ tr×nh h¬n. B¶ng 5.1 lµ mét sè hä vi ®iÒu khiÓn th«ng dông cña h·ng Atmel vµ
Microchip
B¶ng 5.1: Mét sè vi ®iÒu khiÓn cña h·ng Atmel vµ Microchip
Atmel Microchip
• AT89 series (Intel 8051 architecture)
• AT90, ATtiny, ATmega series (AVR
architecture) (Atmel Norway design)
• AT91SAM (ARM architecture)
• AVR32 (32-bit AVR architecture)
• MARC4
• 8 and 16-bit microcontrollers with 12 to
24-bit instructions
• ability to include DSP function
• 12-bit instruction PIC
• 14-bit instruction PIC
• PIC16F84
• 16-bit instruction PIC
• 32-bit instruction PIC
5.1.1 Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16
Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 lµ bé vi ®iÒu khiÓn 8 bit m¹nh cã tèc ®é xö lý cao, tiªu thô
c«ng suÊt nhá. S¬ ®å ch©n ra cña lo¹i 40 ch©n cã d¹ng nh− trªn h×nh 5.1.
2
H×nh 5.1: S¬ ®å ch©n ra cña vi ®iÒu khiÓn Atmega16 lo¹i 40 ch©n
§Æc tr−ng cña bé vi ®iÒu khiÓn nµy nh− sau:
-HiÖu n¨ng cao, c«ng suÊt nhá
-KiÕn tróc RISC tiªn tiÕn
-Thao t¸c hoµn toµn tÜnh
-16K Bytes bé nhí ch−¬ng tr×nh chíp nho¸ng tù kh¶ tr×nh trong hÖ thèng
-512 Bytes EEPROM
-1K Byte SRAM néi
-Chu kú ®äc/viÕt: 10,000 Flash/100,000 EEPROM
-Thêi gian l−u tr÷ ch−¬ng tr×nh: 20 n¨m ë 80oC/ 100 n¨m ë 25oC
-Cã kh¶ n¨ng khãa ch−¬ng tr×nh sau khi n¹p
-2 bé ®Þnh thêi/®Õm 8 bit (Timer/Counter)
-1 bé ®Þnh thêi/®Õm 16 bit (Timer/Counter)
-4 kªnh PWM
-8 kªnh ADC 10 bit
-LËp tr×nh nèi tiÕp USART
-32 ®−êng lËp tr×nh vµo/ra
-§iÖn ¸p lµm viÖc: 4,5-5,5 V
-Møc tèc ®é: 0 ®Õn 16 MHz
Chøc n¨ng c¸c ch©n cña Atmega16
-VCC: §iÖn ¸p cÊp sè
-GND: §Êt
-Port A (PA7..PA0): Port A lµm viÖc nh− lµ c¸c ®Çu vµo cña c¸c bé chuyÓn ®æi tõ t−¬ng
tù sang sè (ADC). Port A còng cã thÓ lµm viÖc nh− lµ c¸c port I/O hai chiÒu 8 bit. C¸c
ch©n cña cæng cã thÓ cã c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi (®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm
®Çu ra cña Port A cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶ n¨ng ch×m vµ nguån cao. Khi c¸c
ch©n PA0 tíi PA7 ®−îc s− dông nh− c¸c ®Çu vµo vµ ®−îc kÐo xuèng bªn ngoµi, chóng
sÏ t¹o nªn mét dßng ®iÖn nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng
A lµ ba tr¹ng th¸i khi mét ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng
lµm viÖc.
-Port B (PB7..PB0): Port B lµ mét port vµo ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi
(®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port B cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶
n¨ng ch×m vµ nguån cao. Khi lµ ®Çu vµo, c¸c ch©n cña Port B ®−îc kÐo xuèng tõ bªn
ngoµi sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng B lµ ba
tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng lµm viÖc.
3
-Port C (PC7..PC0): Port C lµ mét port vµo ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi
(®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port C cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶
n¨ng ch×m vµ nguån cao. C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port B cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi
kh¶ n¨ng ch×m vµ nguån cao. Khi lµ ®Çu vµo, c¸c ch©n cña Port C ®−îc kÐo xuèng tõ
bªn ngoµi sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng C lµ
ba tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng lµm viÖc.
NÕu giao diÖn JTAG ®−îc cho phÐp, c¸c ®iÖn trë kÐo lªn trªn c¸c ch©n PC5(TDI),
PC3(TMS) vµ PC2(TCK) sÏ ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ khi cã reset.
-Port D (PD7..PD0): Port D lµ mét port vµo ra hai chiÒu 8 bit víi c¸c ®iÖn trë kÐo lªn néi
(®−îc chän cho mçi bit). C¸c bé ®Öm ®Çu ra cña Port D cã ®Æc tÝnh l¸i ®èi xøng víi kh¶
n¨ng ch×m vµ nguån cao. Khi lµ ®Çu vµo, c¸c ch©n cña Port D ®−îc kÐo xuèng tõ bªn
ngoµi sÏ ph¸t ra dßng nÕu c¸c ®iÖn trë kÐo lªn ®−îc kÝch ho¹t. C¸c ch©n cæng D lµ ba
tr¹ng th¸i khi ®iÒu kiÖn reset ®−îc kÝch ho¹t thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng lµm viÖc.
-RESET: §Çu vµo reset. Mét møc thÊp ë ch©n nµy víi thêi gian dµi h¬n ®é dµi cña
xung tèi thiÓu sÏ t¹o ra mét qu¸ tr×nh reset, thËm chÝ nÕu xung nhÞp kh«ng ch¹y.
-XTAL1: §Çu vµo tíi bé khuyÕch ®¹i bé dao ®éng ®¶o vµ ®Çu vµo t¬i m¹ch lµm viÖc
xung nhÞp néi.
-XTAL2: §Çu ra tõ bé khuyÕch ®¹i bé dao ®éng ®¶o.
-AVCC: lµ ch©n cÊp ®iÖn ¸p cho cæng A cña bé chuyÓn ®æi A/D. Ch©n nµy nªn ®−îc
nèi víi bªn ngoµi tíi Vcc thËm chÝ khi ADC kh«ng ®−îc sö dông. NÕu ADC ®−îc sö
dông, ch©n nµy nªn ®−îc nèi víi Vcc qua mét bé läc th«ng thÊp.
-AREF: lµ ch©n tham chiÕu t−¬ng tù cho bé chuyÓn ®æi A/D.
5.1.2 GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 víi m¸y tÝnh
Cæng nèi tiÕp RS232 lµ giao diÖn sö dông réng r·i nhÊt. Trong c¸c m¸y PC cæng nµy
cßn gäi lµ cæng COM1. Cæng RS232 ®−îc dïng cho c¸c môc ®Ých ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn.
ViÖc truyÒn d÷ liÖu qua cæng ®−îc tiÕn hµnh thao c¸ch nèi tiÕp, nghÜa lµ c¸c bit ®−îc göi nèi
tiÕp nhau trªn cïng mét ®−êng dÉn. Lo¹i truyÒn th«ng nµy cã kh¶ n¨ng dïng cho c¸c kho¶ng
c¸ch lín h¬n, kh¶ n¨ng bÞ nhiÔu Ýt h¬n so víi dïng cæng song song. ViÖc dïng cæng song
song cã nh−îc ®iÓm lµ viÖc sö dông cap qu¸ nhiÒu sîi, h¬n n÷a møc tÝn hiÖu n»m trong
kho¶ng 0-5V kh«ng thÝch hîp víi kho¶ng c¸ch lín.
Møc logic tÝn hiÖu sö dông kh¸c nhau tïy theo m¹ch cô thÓ. TÝn hiÖu ®Þnh møc lµ +12V
(logic 0) vµ -12V (logic 1). Møc tÝn hiÖu nµy cho phÐp truyÒn dÉn tÝn hiÖu kho¶ng c¸ch xa.
H×nh 5.1 lµ s¬ ®å ch©n cña c¸p nèi tiÕp RS232.
H×nh 5.1: C¸p nèi tiÕp RS232
4
Vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 cã thÓ ghÐp nèi víi m¸y tÝnh qua bé nhËn vµ truyÒn nèi
tiÕp ®a n¨ng ®ång bé vµ kh«ng ®ång bé (Universal Synchronous and Asynchronous serial
Receiver and Transmitter /USART). H×nh 5.2 lµ mét vÝ dô cña viÖc m¾c mét bé chuyÓn ®æi
møc cæng nèi tiÕp MAX232 víi vi ®iÒu khiÓn AVR Atmega16 cho truyÒn th«ng nèi tiÕp víi
mét m¸y tÝnh qua cæng nèi tiÕp RS232.
H×nh 5.2: GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn Atmega 16 víi m¸y tÝnh qua truyÒn th«ng nèi tiÕp RS232
5.2 §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
§éng c¬ 1 chiÒu Lab-Volt cã c¸c th«ng sè ®Þnh møc nh− sau:
-PhÇn øng: 220 V-1,5 A
-KÝch tõ song song (shunt): 220 V-0,3 A
-KÝch tõ nèi tiÕp (series): 1,5 A
-C«ng suÊt ®éng c¬: 175 W-1500 r/min
5.3 Ph¶n håi tèc ®é
Ph¶n håi tèc ®é lµ mét m¸y ph¸t tèc víi ®Çu ra 1 V øng víi 500 vßng/phót.
5.4 T¶i c¬ cña ®éng c¬
Khèi Dynamometer dïng lµm t¶i c¬ cho ®éng c¬ ®iÖn:
-C«ng suÊt: 0-3 N.m – 0-2500 r/min, 175 W
Khi phÇn øng cña ®éng c¬ lµ 200 VDC vµ r« to cña ®éng c¬ ®−îc nèi víi t¶i c¬
(dynamometer) vµ m« men ®−îc ®iÒu chØnh b»ng tay vÒ 0 N.m th× tèc ®é ®éng c¬ lµ 940
vßng/phót.
5.5 Van ®ãng c¾t cña m¹ch b¨m
Van ®ãng c¾t cña m¹ch b¨m lµ MOSFET c«ng suÊt: §iÖn ¸p vµo ®Þnh møc 700 VDC,
dßng ®Þnh møc 1,5A. S¬ ®å khèi m¹ch më MOSFET nh− trªn h×nh 5.3. Theo thùc nghiÖm ®Ó
MOSFET cã thÓ më ®−îc th× ®Çu vµo cña khèi ®iÒu khiÓn ®ãng c¾t ph¶i lín hín hoÆc b»ng
9VDC.
5
H×nh 5.3: S¬ ®å khèi m¹ch më MOSFET cña tñ thÝ nghiÖm truyÒn ®éng Lab-Volt
5.6 Diod m¾c song song ng−îc víi t¶i
-§ièt c«ng suÊt m¾c song song ng−îc víi t¶i: 1 A
-Môc ®Ých cña diod nµy lµ b¶o vÖ MOSFET khái bÞ ph¸ hñy khi t¶i c¶m lín
5.7 Cuén kh¸ng läc
-T¸c dông cña cuén kh¸ng läc lµ ®¶m b¶o cho dßng ®iÖn phÇn øng lµ liªn tôc
-Mçi cuén kh¸ng läc nÕu ®−îc m¾c nèi tiÕp: 3,2 H – 0,75 A
-NÕu mçi cuén kh¸ng läc ®−îc m¾c song song: 0,8 H – 1,7 A
H×nh 5.4: Mét cuén kh¸ng läc
5.8 §iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu sö dông ph¶n håi tèc ®é
Mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµ ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p
phÇn øng. Trong ph−¬ng ph¸p nµy, dßng ®iÖn kÝch tõ ®−îc gi÷ kh«ng ®æi vµ ®iÖn ¸p phÇn
øng ®−îc thay ®æi.
Tèc ®é cña ®éng c¬ tû lÖ víi ®iÖn ¸p phÇn øng. Do ®ã, ®Ó cã ®−îc mét tèc ®é theo
mong muèn, chóng ta chØ cÇn ®Æt mét ®iÖn ¸p mét chiÒu t−¬ng øng vµo phÇn øng cña ®éng
c¬. Tuy nhiªn, khi t¶i cña ®éng c¬ thay ®æi, tèc ®é cña ®éng c¬ sÏ thay ®æi.
§Ó ®¹t ®−îc mét hÖ thèng cho phÐp duy tr× tèc ®é ®Æt lµ kh«ng thay ®æi khi t¶i cña
®éng c¬ thay ®æi, chóng ta cÇn ph¶i sö dông ph¶n håi ©m tèc ®é. §èi víi mét hÖ thèng ph¶n
håi ©m tèc ®é, mét tÝn hiÖu ®iÖn ¸p tû lÖ víi tèc ®é thËt cña ®éng c¬ (th−êng thu ®−îc qua
mét m¸y ph¸t tèc g¾n ë trªn trôc cña ®éng c¬) ®−îc trõ tõ tÝn hiÖu tû lÖ víi tèc ®é ®Æt th−êng
®−îc xem nh− lµ tÝn hiÖu tham chiÕu. KÕt qu¶ cho ra mét tÝn hiÖu ®−îc gäi lµ tÝn hiÖu sai lÖch.
TÝn hiÖu sai lÖch nµy sau ®ã sÏ x¸c ®Þnh ®iÖn ¸p ®Æt vµo phÇn øng cña ®éng c¬.
Nãi chung, tÝn hiÖu sai lÖch sÏ ®−îc xö lý b»ng mét bé ®iÒu khiÓn tr−íc khi cho ra ®iÖn
¸p t−¬ng øng ®Æt vµo phÇn øng cña ®éng c¬. Mét bé ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n nhÊt cã thÓ lµ mét
bé ®iÒu khiÓn tû lÖ. Trong thùc tÕ, ®Ó cã chÊt l−îng ®iÒu khiÓn tèt h¬n ng−êi ta ph¶i sö dông
bé ®iÒu khiÓn PID (bé ®iÒu khiÓn tû lÖ-tÝch ph©n-vi ph©n) theo s¬ ®å khèi nh− trªn h×nh 5.5.
Khèi ®iÒu khiÓn
®ãng c¾t
C¸ch ly vµ
khuyÕch ®¹i
§Çu vµo
§Õn cùc G cña
MOSFET