i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại học Giao Thông Vận Tải-Cơ Sở 2

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Bộ môn : Kĩ Thuật Máy
Khoa: Cơ Khí
Sinh viên: Lê Sĩ Toàn lớp Cơ Điện Tử - K47
Liên hệ: 0909045179 | Email:
Tóm tắt yêu cầu, nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển
động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW.
Số liệu cần thiết chủ yếu để thiết kế: Nội dung của bản thuyết minh, yêu cầu giải thích tính toán của thiết kế tốt nghiệp:
1. Tìm hiểu động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,
2. Xác định các thông số của động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,
3. Tìm hiểu, nghiên cứu phần mềm mô phỏng LabVIEW ,
4. Thiết lập và chế tạo bộ điều khiển PID nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ
và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định.
5. Kết luận.

ii
LỜI CẢM ƠN
Sau gần 6 tháng thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều

đó tác giả sẽ mô hình hóa động cơ và sẽ thiết kế Bộ điều khiển PID Số (mô phỏng và
giao tiếp máy tính) để điều khiển động cơ điện một chiều nhằm đạt được các chỉ tiêu
về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất
định.
Tuy nhiên do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể
tránh khỏi những sai xót, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của
các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để đồ án được thêm hoàn thiện. iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN II
TÓM TẮT III
MỤC LỤC IV
DANH SÁCH BẢNG BIỂU VI
DANH SÁCH HÌNH VẼ VII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: 1
1.2 Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 1
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 10
2.1 LabVIEW là gì?: 10
2.2 Lập trình với LabVIEW Error! Bookmark not defined.
2.3 Một số khối (hàm thức) của LabVIEW……………………………………… 18
2.4 LabVIEW trong các ứng dụng mô phỏng 3D Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PIDERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
3.1 Khái niệm 22
3.2 Khâu tỷ lệ P (Proportional) 22
3.3 Khâu tích phân I(Integral): 24
3.4 Khâu vi phân D (Derivative) 25
3.5 Khâu tích phân-tỷ lệ PI (Proportional – Integral) 26
vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình trong chương 1:
Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều 1
Hình 1.2: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều. 2
Hình 1.3: Cấu tạo của cổ góp điện 3
Hình 1.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 4
Hình1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC 5
Hình1.6: Băm áp một chiều nối tiếp; a. Sơ đồ nguyên lí; b. Đường cong điện áp 6
Hình1.7: Sơ đồ hoạt động với tải điện cảm; a. Sơ đồ nguyên lí; b. Đường cong điện áp,

Hình 3.3: Khâu tích phân (I)………………………………………………… …… 24
Hình 3.4: Khâu vi phân (D).…………………………………………………… ……25
Hình 3.5: Khâu PI…………………………………………………………………… 26
Hình 3.6: Khâu PD. ………………………………………………………………… 27
Hình 3.7: Khâu PID………………………………………………………………… 28
Hình trong chương 4:
Hình 4.1: Nguyên lý động cơ điện một chiều……………………………………… 30
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển DC motor………………………………33
Hình 4.3: cổng đầu vào……………………………………………………………… 34
Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc hàm truyền của hệ thống……………………………….… 35
Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi có khâu PID……….………………….….36
Hình 4.6: Thuật toán mô phỏng được viết bởi phần mềm LabVIEW…………… ….37
Hình 4.7: Kết quả khảo sát và chọn bộ thông số………………………………….… 38
Hình 4.8: Động cơ nhãn hiệu DB036GA229 xuất xứ từ Nhật Bản……………… …39
Hình 4.9: Card giao tiếp USB 9001 của Hocdelam Group……………………… ….39
Hình 4.10: Sơ đồ chân của card USB 9001……………………………………….… 40
Hình 4.11: Mạch động lực 3A-DCS HIPO của Hocdelam Group……………………45

ix
Hình 4.12: Cảm biến Encoder của SHARP……………………………………….… 46
Hình 4.13: Dây cabple kết nối giao tiếp giữa USB 9001 và máy tính PC………… 46
Hình 4.14: Mô hình giao tiếp máy tính PC điều khiển DC Motor……………………47
Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối mạch giao tiếp máy tính PC điều khiển DC motor………. 47
Hình 4.16: Chương trình điều khiển vị trí động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán
PID…………………………………………………………………………………….49
Hình 4.17: Thuật toán của bộ điều khiển PID……………………………… ……….49
Hình 4.18: Giao diện người dùng điều khiển vị trí DC MOTOR) ………….……… 50
Hình 4.19: Thông số cho bộ điều khiển PID………………………………………….51
Hình 4.20: Chương trình điều khiển tốc độ động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán
PID…………….………………………………………………………………………52

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và
an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có
tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Nắp máy thường làm bằng gang.
Cấu tạo bên trong:

Hình 1.2: Cấu tạo bên trong của động cơ điện một chiều.
Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ
máy.
Cực động cơ (cực chính): là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ
thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong động cơ điện
nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông . Dây
quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và
3
Cực từ phụ: được đặt bên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép
của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn
mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ
những bulông.
Cuộn bù: có tác dụng khử méo dạng từ thông phân bố trên bề mặt Roto do ảnh
hưởng của cuộn dây phần ứng.
Cổ góp điện:

Hình 1.3: Cấu tạo của cổ góp điện
Là cụm chi tiết phức tạp nhất của máy điện một chiều vì trong kết cấu của nó có
rất nhiều lá đồng (được gọi là lam đồng) xếp xen kẽ với các tấm mi ca cứng tạo thành
vành tròn (được gọi là vành góp). Các chi tiết của cổ góp có hình dạng rất phức tạp,
ghép lại với nhau bằng mặt côn được chế tạo với các yêu cầu nghiêm ngặt về bề mặt
gia công cùng các kích thước có cấp chính xác cao.

5
Miếng nam châm tạo từ trường;
Bộ phận cung cấp dòng một chiều;
1.2.2b Nguyên lý hoạt động của DCVC:
(

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC
Khi động cơ được cấp điện, dòng điện đi vào cuộn dây (như 1 khung dây) của
Rotor thông qua cơ cấu chổi than - cổ góp. Theo nguyên tắc bàn tay trái sẽ có 1 ngẫu
lực điện từ đặt lên khung dây và làm cho khung dây quay tức rotor quay, động cơ hoạt
động. Theo hình bên, cuộn dây quấn trên rotor được mô tả như khung dây ABCD. Đặt
bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến
ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90˚ chỉ chiều của
lực điện từ tác dụng lên dây dẫn. Trục của rotor theo hình trên sẽ quay theo chiều
ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ ngoài vào trong).
1.2.2c Điều khiển DCVC
Phương trình điện áp của động cơ điện một chiều



















 







Φ


ơịậố


6





đệáầứ






















àầốđóắ
Nếu coi γ=




thì:


γ








Trong đó:
i – dòng điện tải;
R
d
– điện trở tải;
L
d
– điện cảm tải;
I
bd
– dòng điện ban đầu của chu kì đang xét (mở hay đóng khóa K);
8
I
XL
– dòng điện xác lập của chu kì đang xét;
Độ nhấp nhô dòng điện được tính:
 

  





cao. Do đó bộ điều khiển băm áp một chiều nối tiếp thường được thiết kế với tần số
cao hàng chục kHz.

 Băm áp một chiều song song:
Nguyên lý băm áp một chiều song song:

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt băm áp song song; a. Sơ đồ nguyên lí;
b. Đường cong điện áp, dòng điện.
0÷ t
1
: Khóa K đóng;
t
1
÷ T
CK
: Khóa K hở;
Dòng điện và điện áp được tính tương ứng khi khóa K đóng:










Và khi khóa K hở:






 


 













 





 




10
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW
2.1 Giới thiệu về phần mềm LabVIEW
 LabVIEW là gì?
LabVIEW là một công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp trong việc phát triển
các hệ thống thiết kế, điều khiển và kiểm tra. Kể từ khi ra đời năm 1986, các kĩ sư và
nhà khoa học trên toàn thế giới đã tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày càng
cao, hiệu quả sản xuất lớn hơn.
Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của LabVIEW hấp dẫn các kĩ sư và nhà khoa học trên
toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hóa các hệ thống
đo lường và điều khiển. Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao
diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho LabVIEW trở thành một sự
lựa chọn lí tưởng cho kĩ sư và nhà khoa học.
 Tên gọi LabVIEW?
LabVIEW là viết tắt của : Laboratory Virtural Instrumentation Engineering
Workbench (công cụ trong kĩ thuật- các thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm)
 Lịch sử:
LabVIEW được thành lập vào năm: 1976 bởi công ty National Instruments (NI)
khi đó chủ yếu ứng dụng trong điều khiển, đo lường.
Năm 1986 LabVIEW cho ra đời phiên bản Labview 6.1 …
Và bây giờ phiên bản mới nhất là LabVIEW 2009.

 Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,
Matlab …

13

Hình 2.3: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW.
Như trên hình ta thấy dùng Card LabVIEW ta có thể giao tiếp với : motor,
webcam, các cảm biến… Chúng ta có thể kết nối các thiết bị này thông qua các card
gắn với cổng USB, PCI. Ta cũng có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp các thiết bị này với
máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232, RS485… Như trên hình vẽ ta thấy 1 một
loạt các ứng dụng, 1 ví dụ là chúng ta có thể sử dụng card LabVIEW để giao tiếp với
webcam, từ đó có thể điều được các thiết bị từ xa (ô tô chẳng hạn).
2.2 Lập trình với LabVIEW
Để làm việc với phần mềm LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và
Block Diagram. Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta khởi động phần mềm
LabVIEW.
14

Hình 2.4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW,
a- cửa sổ Front Panel, b- cửa sổ Block Diagram.
Cửa sổ Front Panel hay còn gọi là giao diện người dùng. Của sổ này dùng để
khởi tạo các Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là trên cửa sổ này ta có thể
thiết lập các thông số đầu vào của một ứng dụng nào đó và có thể thấy được kết quả
khảo sát hay tính toán của ứng dụng đó.
Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng để người lập trình khởi tạo, viết các thuật
toán cho ứng dụng của mình. Đó bao gồm các hàm toán học (cộng, trừ, nhân, chia, đạo
hàm, tích phân, ma trận…), các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ… Nghĩa là trên
cửa sổ Block Diagram chứa những thuật toán giải quyết các bài toán ứng dụng mà
người lập trình khởi tạo và có thể điều khiển và hiển thị kết quả trên cửa sổ Front
Panel.