Luận văn
Xây dựng bộ điều khiển tốc độ
động cơ một chiều khi có vòng
điều khiển dòng và khi không có
vòng điều khiển dòng. Đánh giá
chất lượng điều khiển trong 2
trường hợp
1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các
ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1
chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà
máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thực
hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp
trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ
biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu của điều khiển là nâng cao
chất lượng các hệ thống điều khiển tự động.Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều
đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau.
Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ
truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí
thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền
động điện và trong các dây chuyền sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“Xây dựng bộ điều
khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi
không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2
trường hợp”.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy
Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã
dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập :Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây,
dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.
1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện
khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn
giản, dễ chế tạo. Dó đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có
yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao , phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng,
người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều.
4
Hình 1.2 : Các loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
e)
Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản
như :
- Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng
- Thay đổi từ thông
- Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc
độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi
đồ án này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện
phần ứng và từ thôngmạch kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ có giá trị:
'.
.
2 .
p N
M I k I
a
π
= Φ = Φ
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 quấn phần ứng ;
k = p’N/2
π
a hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :
'.
.
2 .
p N
E k
a
ω ω
π
= Φ = Φ
Trong đó
ω

Φ
_ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa
của lõi sắt.
( ) ( )
. .
k t k k t k
d
U R i N
dt
φ
= +
Nk: số vòng dây cuộn kích từ
Rk: điện trở cuộn dây kích từ
⇒ biến đổi Laplap ta được :
- Mạch phần ứng :
N
N
: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
=>
Hoặc dạng dòng điện:
L
ư
_ điện cảm mạch phần ứng ;
N
N
_ số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
T
ư
= L
ư

= Φ
∆
,
c
cb B
M
B M
ω
ω
∆
=
∆
Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc
độ
B
ω
,điện áp kích từ U
ko
, từ thông Φ
o
dòng kích từ I
ko
và mômen tải M
cb
. Biến
thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
, , , , , ,
P P P K P K P P c P
U I U I M

B O
U p K p K p
ω ω
 
∆ − ∆Φ + Φ ∆
 
=R
ư
.∆I(p).(1+pT
ư
)
-> phần kích từ :
∆U
k
(p) = R
k
.∆I
k
(p)(1+pT
k
)
-> phương trình chuyển động cơ học :
K.I
o
.∆Φ(p) +K.Φ
o
.∆I(p) - ∆M
c
(p) = J.p∆ω(p)
b) Trường hợp từ thông kích từ không đổi.

u
và M
c
.
CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần là khâu khuếch đại
(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID phải
11
Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
nhất thiết lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho
các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có 3 thuật toán được sử dụng là P, PI và
PID.
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng
rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp ( hỉnh
2.2 ). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình
quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng :
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , tín hiệu điều
chỉnh u(t) càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần
( )
I
u t
, PID vẫn còn
tạo tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần
( )
D
u t

T
: hằng số tích phân
D
T
: hằng số vi phân
Từ mô hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID :
( )
1
1
p D
I
R s k T s
T s
 
= + +
 ÷
 
2.2 Giới thiệu cấu trúc điều khiển
- Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng
Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền
động điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều
chỉnh dòng điện,
R
ω
là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều
chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng
Đểth
ựchiệnhailoạiphảnhồiâmlàtốcđộquay vàdòngđiệngây tácdụng
riêngrẽ,tronghệthốngbốtríhaibộđiềuchỉnh,mộtdùngchotốcđộquay vàmột
dùngchodòngđiện.Haibộnày ghépnốitiếpnhautứclàlấy đầuracủabộđiều

ω
làbộđiềuchỉnhtốcđộquay
R
I
làbộđiềuchỉnhdòngđiện
FX-thiếtbị phátxung
FT- máyphátxungđotốcđộ
CL – chỉnh lưu
GHD – khâu giới hạn dòng
d
dt
- khâu giới hạn tốc độ tăng của tín hiệu
sp
ω
- Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng điều
khiển dòng
14
CL
Hình 2.3: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khi có mạch vòng điều khiển dòng
ω
ω
FT
Đ
ph
ω
d
dt
sp
ω

là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng
được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng.
• Cấu trúc cơ bản của mạch điều khiển dòng
Mạch vòng điều khiển dòng có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện động cơ 1
chiều. Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho
phép Một mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là tiết lập dòng phần ứng bằng
giá trị đặt trước các sự thay đổi của nhiễu.
Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2
cách :
+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng.
+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng.
Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với
quán tính phần điện nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng
điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đỏi của tốc độ và tại những điểm đó xem
như tốc độ không đổi.
Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ.
2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động
của động cơ
16
Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
I
R
(1 )(1 )
cl
v cl
k
T p T p+ +
1/
1
u

Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn :
Trong đó
I
S
làm mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng
1/
. .
1 (1 )(1 ) 1
u cl bd
I
u cl v bd
R k k
S
T p T p T p T p
=
+ + + +
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có bộ điều khiển dòng
I
R
1
.2 (1 )
I
R
S p p
τ τ
=
+
Ta thấy trong mô hình đối tượng
I
S

bd cl
I
u u SI
k k
S
R T p T p
≈
+ +
Thay giá trị của
I
S
ta được
1
.
2 (1 )
.
(1 )(1 )
I
cl bd
u u SI
R
k k
p p
R T p T p
τ τ
=
+
+ +
Chọn
SI

u bd
sp SI SI
I k
I T p T p
=
+ +
2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với
vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Tuy
nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất
lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.
2.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển
dòng :
Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau:
18
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
-
R
1/
1 2
bd
SI
k
T p+
Đo
-
Mc

1
. . .
1 2 . 1 .
ft
bd
SI ft
k
k
S Cu
T p T p J p
ω
=
+ +
với hàm truyền khâu đo có dạng
1
ft
ft
k
T p+
xấp xỉ hàm truyền đối tượng
S
ω
ta được :
.
1
.
. (1 2 )
ft
bd S
k Cu

=
+
ft
w
1
.
1
. .2 .(1 )
. (1 2 . )
bd s
Cu k
p p
J k p T p
τ τ
=
+
+
Chọn
2
s
T
ω
τ
=

.
. .4
bd
ft S
J k

Cu K
p p
p T p
ω
τ
τ τ
+
=
+
+
Chọn
2
S
T
ω
τ
=
2 2
(1 8 ). . .
1
8
. .32. . . .32.
S bd bd
S
ft S ft S
T p J K J K
R T
Cu K T p Cu K T p
ω
ω ω

T p
+
 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có
1
.2 .(1 )
R
S p p
ω
ω
τ τ
=
+
1
1
. . .2 .(1 )
1 .
ft
ft
k
Cu p p
T p J p
τ τ
=
+
+
Chọn
ft
T
τ

τ
τ τ
+
=
+
2 2
1 4
1
. . .8 .(1 )
1 .
ft
ft
p
k
Cu p p
T p J p
τ
τ τ
+
=
+
+
Chọn
T
ω
τ
=
21
Hình 2.9: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khi không có mạch vòng điều khiển dòng

- Dòng điện định mức : I
đm
= 4.3 [A]
- Tốc độ định mức : n
đm
= 3000 [v/p]
- Điện trở phần ứng : R
ư
= 5.340 [Ω]
- Điện cảm phần ứng : L
ư
= 0.0972 [H]
- Mô men quán tính : J= 0.012 [kg.m
2
]
 Tính toán các giá trị của bộ điều khiển
- Bộ chỉnh lưu :
Hàm truyền đạt của khâu chỉnh lưu cầu 3 pha :
( )
cl
W
1
cl
cl
K
p
T p
=
+
trong đó :

l
à hệ số khuếch đại của máy phát tốc
- Biến dòng :
Hàm truyền đạt của biến dòng :
( )
bd
W
1
bd
bd
K
p
T p
=
+
trong đó :
1
bd
K =
: là hệ số khuếch đại của biến dòng.
Tbd = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng.
Ta có :
0.0972
0.018
5.340
u
u
u
L
T

dm
P
M
ω
= = ≈
- Ta có bộ điều khiển dòng có dạng như sau
1
1
I P
I
R K
T p
 
= +
 ÷
 
Trong đó : T
I
= T
U
= 0.018, T
SI
= T
v
+ T
bd
+ T
cl
= 0,004
0,018

 
23
- Tính bộ điều khiển tốc độ ( theo phương pháp modul tối ưu ) :
 Khi có mạch vòng dòng điện :
Ta có bộ điều khiển tốc độ có dạng như sau
.
0,012.1
0,79
4. . . 4.1.0,63.0,006
bd
ft S
J K
R
K Cu T
ω
ω
= = =
Trong đó :
2
2.0,004 0,004
0,006
2 2
SI ft
S
T T
T
ω
+
+
= = =

24
Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng động cơ điện một chiều
- Kết quả mô phỏng
Khi Mc = 0
Khi Mc = 2
25
Hình 3.2: Cài đặt thông số cho Step
Hình 3.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi Mc = 0