TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động cơ-xe. Xây dựng bộ điều khiển vị
trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập.
Yêu cầu nội dung Thông số kỹ thuật
- Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích
từ độc lập.
- Xây dựng mô hình điều khiển truyền động
cho xe .
- Tính chọn các bộ điều khiển .
- Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các
nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả.
Động cơ JI-72:
P
đm
=25(kW),U
đm
=220(V),
I
đm
=132(A), n
đm
= 1500
(v/p), R
ư
= 0.0966 (Ω), L
ư
=
0.0063 (H), J= 1.2 (kg.m

2
3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí
3.2.Kết quả mô phỏng
3.2.1.Tính toán thông số
3.2.2.Kết quả mô phỏng
Kết luận
Sinh viên thực hiện Giáo viên hướng dẫn
Phạm Đức Long Trần Tiến Lương
MỤC LỤC
Lời nói đầu 5
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động 6
1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều 6
1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 6
3
1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 7
1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều 8
1.2.Yêu cầu công nghệ 8
1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều 9
1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID 9
1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 11
Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 17
2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động 17
2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình 17
toán của các thành phần
2.2.1.Bộ điều khiển 17
2.2.2.Bộ biến đổi 23
2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 24
2.2.4.Thiết bị đo lường 30
Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 32

W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu
momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng
6
đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh
với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ.
Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu
điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng. Chỉnh
lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha.
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện.
Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều
•Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrung
trên các cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật
điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm và được gắn trên gông từ bằng
thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
•Rotor : còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần
ứng. Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép
cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh
trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá
góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.
7
•Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng.
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ
nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được
tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích từ
vĩnh cửu.

êm. Độ bền cơ khí của hệ thống phải cao. Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn.
9
Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, các
phần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa chữa và thay thế dễ dàng.
1.3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền
vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biến trong các
hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K
P
,
T
I
, T
D
của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được
tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận
hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt
hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối
tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn
tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển
không thực hiện được.
1.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P),
khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải
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 ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.
Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển PID
10
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng

tde
Tde
T
tektu
0
)(
)(
1
)()(
ττ
Trong đó:
e(t) - tín hiệu đầu vào
u(t) - tín hiệu đầu ra
11
k
P
- hệ số khuếch đại
T
I
- hằng số tích phân
T
D
- hằng số vi phân
Từ mô hình vào-ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:







Hình 6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại.
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn k
th
để hệ kín ở chế độ biên
giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.
- Xác định chu kỳ T
th
của dao động.
13
Hình 7: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=k
th
b) Phương pháp module tối ưu
Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển
PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S.
Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8. Bộ điều khiển R(s) điều khiển
cho đối tượng S(s).
Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín
Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển với
hàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng:
2 2
1
1 2 . 2 .
F
p p
τ τ
=
+ +

14

τ τ
τ τ
+ +
=
 
−
 ÷
+ +
 
Như vậy, bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu có dạng:
1
.2 . .(1 )
R
S p p
τ τ
=
+
Nếu đối tượng điều khiển S có dạng:
1
(1 . ). (1 . )
n
i
i
k
S
T p T p
=
=
+ Π +
Với T

c) Phương pháp module tối ưu đối xứng
Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng có
nhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và
có dạng hình chữ S. Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo nguyên
tắc module tối ưu đối xứng.
Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ là
vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng:
2 2 3 3
1 4 .
1 4 . 8 . 8 .
p
F
p p p
τ
τ τ τ
+
=
+ + +
Ta có hàm kín mong muốn của hệ:
.
1 .
R S
F
R S
=
+
.(1 )
F
R
S F

2 2
1 4 .
.8 . .(1 . )
p
R
S p p
τ
τ τ
+
⇒ =
+
Khi tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng, đáp ứng
của hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh lại lên đến 43%. Vì vậy, để giảm
được độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tín hiệu điều khiển với hàm
truyền:
1
1 4
loc
F
p
τ
=
+
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG
17
Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện.
Trong đó:
R- các bộ điều khiển
BBĐ- bộ biến đổi

Bộ điều khiển P có cấu trúc đơn giản song nó luôn tồn tại sai số ở chế độ xác
lập. Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phân thì sai
số xác lập sẽ là một hằng số.
19
k
X
tee
t
0
)(lim
==
∞→
X
0
– biên độ tín hiệu đầu vào
k – hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệ
thống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh
Từ công thức rút ra kết luận:
Khi hệ điều khiển có hệ số khuếch đại k
P
nhỏ dẫn tới k nhỏ lúc này sai lệch
tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo
sai số nhỏ thì k
P
phải có giá trị lớn. Yêu cầu này mâu thuẫn với điều kiện để đạt
được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ. Vì khi tăng hệ số khuếch đại
k
P
đến một giá trị xác định nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất
ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn.

)(
)(.)( +=
Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh k
P
,T
i
để phù hợp với đối tượng,
đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết sức quan
trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một góc
)0
2
( ÷−
π

chính là phụ thuộc vào tham số này. Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn so
với quy luật tỉ lệ và nhanh hơn so với quy luật tích phân.
Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai số
tĩnh lớn, khi tăng hệ số k
P
lên cao thì sai số giảm nhỏ, dao động trong quá trình quá
độ lại lớn dẫn đến chất lượng của quá trình quá độ lại xấu đi và khi k
P
quá lớn thì
hệ thống mất tác động.
Khi k
P
đat giá trị tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào
thời gian tích phân. Khi T
i
lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị nhỏ, ảnh hưởng

hiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với bộ lọc lớn hơn sẽ làm tăng ảnh
hưởng của nhiễu. Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời gian tăng tốc
và thời gian xác lập. Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sử dụng tổ hợp
điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID). Bộ điều khiển PID kết hợp được những
điểm mạnh của các bộ điều khiển P, PI, PD, nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồng
thời tăng độ chích xác cho hệ thống.
Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng:
sk
s
k
ksT
sT
k
sG
sU
sR
d
i
Pd
i
P
++=
















+=
1
1
1)(

Để tăng khả năng chống nhiễu người ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID có
bộ lọc với hàm truyền:
23












+
++=
1

0
.
Hình 14: Hàm truyền của bộ biến đổi
24
Trong đó:
T
v
: sự không đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor
T
bd
: hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu
k
bd
: hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
2.2.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều ưu
điểm. Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:
Hình 15: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
ĐC: Động cơ điện một chiều
U
ư
: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ
I
ư
: Dòng điện phần ứng
I
kt
: Dòng điện kích từ
kt
φ