CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC
TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1. Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều
Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm
có stato và rôto.
Hình 1.1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều
Stato: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung
trên các cực từ stato. Các cực từ stato 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.
Rôto: 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 qấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào
các rãnh trên lõi thép rôto. Các phần tử dây quấn rôto đượ nối tiếp nhau thông
qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên
trục rôto.
Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng.
1
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 cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều
kích thích vĩnh cửu.
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.

Φ
trong
động cơ. Phần ứng được đặt vào nguồn cung cấp một chiều có điện áp U
A
,
_
+
u
A
i
A
ω
e
A
3
trong dây quấn phần ứng có dòng điện I
A
. Tương tác điện từ giữa dòng điện
phần ứng và từ thông kích thích tạo ra mômen quay làm quay trục động cơ.
Giá trị của mômen điện từ được xác định:
AMAm
IkI
a
pN
M Φ=Φ=
π
2
(1.1)
trong đó:
a

IREU +=
(1.3)
trong đó: R
A
– điện trở mạch phần ứng động cơ.
Trong chế độ xác lập, tốc độ góc của rô to có thể được xác định thông qua
phương trình cân bằng điện áp phần ứng (1.3):
Φ
−
=
M
AAA
k
IRU
ω
(1.4)
1.2.2. Động cơ điện một chiều trong chế độ quá độ:
Khi từ thông kích thích là không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích
bằng châm vĩnh cửu, dựa vào sơ đồ thay thế động cơ trên hình 1.3, ta rút ra
được các phương trình sau:
4
Điện áp phần ứng:
dt
di
LiReu
A
AAAAA
++=
trong đó: L
A

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập
sT
R
A
A
+
1
/1
Js
1
u
A
e
A
_
k
M
Φ
m
M
m
T
_
ω
i
A
k
M
Φ
5

chỉnh lưu điều khiển – động cơ…Tuy nhiên tốc độ của động cơ thay đổi mạnh
theo phụ tải, do đó không có khả năng ổn định tốc độ tại điểm tốc độ chọn.
Để ổn định được tốc độ động cơ cần thiết lập các mạch vòng điều khiển, tín
hiệu vào cho các bộ điều khiển chính là các tín hiệu phản hồi dòng điện, tốc
độ của hệ thống.
8
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG PID
2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển truyền động điện được chia thành
hai phần: mạch động lực và mạch điều khiển.
Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền động điện
Mạch động lực gồm động cơ truyền động và bộ biến đổi làm nhiệm vụ
cung cấp nguồn cho động cơ làm việc. Bộ biến đổi sẽ nhận nguồn không đổi
từ lưới, đầu ra của nó là nguồn đã thay đổi về dòng điện, điện áp, tần số theo
yêu cầu của điều khiển. Trên thực tế, các bộ biến đổi tương đối đa dạng, có
thể là các máy phát điện, bộ biến đổi điện từ, bộ biến đổi điện tử công suất.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện bán dẫn, các
van bán dẫn có dòng áp cao, chuyển mạch nhanh, hiệu suất và độ tin cậy cao
đã được sử dụng để chế tạo các bộ biến đổi, làm cho trong hầu hết các hệ
thống truyền động sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất.
Mạch điều khiển gồm có các bộ điều khiển và các bộ cảm biến. Các bộ
điều khiển làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đặt ở đầu vào và các tín hiệu phản hồi
từ các bộ cảm biến, tạo ra tín hiệu điều khiển cho các bộ biến đổi để duy trì
các giá trị dòng điện, tốc độ, mô men quay cho động cơ theo yêu cầu điều
khiển. Các bộ cảm biến làm nhiệm vụ thu thập các thông số trạng thái của hệ
9
thống như dòng điện, tốc độ, vị trí làm tín hiệu vào cho các bộ điều khiển.
Các bộ cảm biến dòng điện có thể dùng máy biến dòng; cảm biến tốc độ dùng
máy phát tốc, bộ chuyển mạch quang và đĩa mã hóa; cảm biến vị trí dùng

(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
Hình 2.3 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:
]
)(
)(
1
)([)(
0
dt
tde
Tde
T
tektu
D
t
I
p
++=
∫
ττ
(2.1)
trong đó: e(t) – tín hiệu đầu vào;
u(t) – tín hiệu đầu ra;
k
p
– hệ số khuếch đại;
T
I
– hằng số tích phân;

Phương pháp Ziegler-Nicols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ
điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự vào đáp ứng quá độ của đối tượng
điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nicols đưa ra
hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:
Phương pháp Ziegler-Nicols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đối
tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.4)
như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ…
Hình 2.4 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nicols thứ nhất
Thông số
BĐK
k
p
T
I
T
D
P T
2
/(k.T
1
) - -
PI 0,9T
2
/(k.T
1
) T
1
/0,3 -

p
T
I
T
D
P 0,5k
th
- -
PI 0,45k
th
0,85T
th
-
PID 0,6k
th
0,5T
th
0,125T
th
2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick
Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín
hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.7) nhưng có thêm điều kiện:
3>
a
b
(2.3)
Hình 2.7 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-
Reswick
Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số
bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

P 7b/10ak - -
PI 7b/10ak 23a/10 -
PID 6b/5ak 2a 21a/50
- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều
chỉnh:
Bảng 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3
Thông số
BĐK
k
p
T
I
T
D
P 3b/10ak - -
PI 7b/20ak 6b/5 -
PID 3b/5ak b a/2
- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h
không vượt quá 20% so với
)(lim thh
t ∞→
∞
=
:
Bảng 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4
Thông số
BĐK
k
p
T

=
−


(2.4)
Gọi A là diện tích bao bởi đường cong h(t) và
)(lim thk
t ∞→
=
(hình 2.8). Giữa
diện tích A và các hằng số thời gian
t
i
T
,
m
j
T
, T có mối quan hệ(lý thuyết điều
khiển tuyến tính):
)(
11
TTTkkTA
m
i
t
i
n
j
m

2T
∑

/3 0,167T
∑
16
2.2.2.4. Phương pháp tối ưu độ lớn
Phương pháp tối ưu độ lớn 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 2.9. Bộ điều khiển R(s) điều
khiển cho đối tượng S(s).
Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín.
Phương pháp tối ưu độ lớn được áp dụng để chọn tham số bộ điều khiển
PID điều khiển các đối tượng S(s) có bản chất quán tính.
Đối với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất:
Ts
k
sS
+
=
1
)(
(2.6)
Phương pháp tối ưu độ lớn đưa ra bộ điều khiển là khâu tích phân:
sT
k
sR
I
p

=
17
với T
1
, T
2
, …, T
n
rất nhỏ, dùng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ để
chuyển mô hình về dạng xấp xỉ khâu quán tính bậc nhất. Bộ điều khiển tối ưu
độ lớn sẽ là khâu tích phân với tham số:
∑
=
==
n
i
i
P
I
R
Tk
k
T
T
1
2
(2.9)
Đối với đối tượng điều là khâu quán tính bậc hai:
)1)(1(
)(









+= ;
)1(
)1(
1
1)(
(2.11)
Với các tham số T
I
= T
1
;
2
1
2kT
T
k
P
=
Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng:
)1) (1)(1(
)(
21

i
i
TT
2
Bộ điều khiển tối ưu độ lớn sẽ là bộ điều khiển PI có các tham số:
- T
I
= T
1
-
∑
=
=
n
i
i
P
Tk
T
k
2
1
2
Đối với đối tượng khiển là khâu quán tính bậc ba:
18
)1)(1)(1(
)(
321
sTsTsT
k


++= ;
)1)(1(1
1)(
(2.14)
Với các tham số:
- T
I
= T
1
+ T
2
-
21
21
TT
TT
T
D
+
=
-
3
21
2kT
TT
k
P
+
=

(2.15)
trong đó
∑
=
=
n
i
i
TT
3
Bộ điều khiển tối ưu độ lớn sẽ là bộ điều khiển PID có các tham số:
- T
I
= T
1
+T
2
-
21
21
TT
TT
T
D
+
=
-
∑
=
+

)
1
1()( s
T
ksR
I
p
+=
(2.17)
Bộ PI này có các tham số xác định như sau :
- Xác đinh a từ độ quá điều chỉnh ∆h cần có của hệ kín theo:
)(ln
)(ln4
1
exp
22
2
2
h
h
a
D
D
h
∆+
∆
=⇒




Hàm truyền đạt của đối tượng:
Bộ điều khiển tối ưu đối xứng sẽ là bộ điều khiển PID:
20
sT
sTsTk
sTs
T
ksR
I
BAp
D
I
p
)1)(1(
)
1
1()(
++
=++=
(2.20)
Với: - T
A
+ T
B
= T
I
- T
A
T
B

BA
D
T
TT
T =
- Tính
akT
k
p
2
1
~
=
rồi suy ra
B
Ip
p
T
Tk
k
~
=
2.2.3. Tổng hợp vòng điều chỉnh dòng điện
Trong hệ thống truyền động một chiều, mạch vòng dòng điện là mạch
vòng cơ bản, nó có nhiệm vụ xác định mômen của động cơ, ngoài ra còn có
chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc [3]
Ta coi hệ thống có hằng số thời gian cơ học lớn hơn hằng số thời gian điện
từ của mạch phần ứng. Vậy, trong trường hợp này có thể bỏ qua ảnh hưởng
của sức điện động phần ứng. Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng của động cơ
được xây dựng như hình 2.10.

i
Với: k
i
, T
i
là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của khâu cảm biến dòng.
Từ sơ đồ cấu trúc trên hình 2.10, ta xác định được hàm truyền của đối tượng
điều khiển:
)1)(1)(1(
/1
)(
+++
=
sTsTsT
kkR
sS
irA
irA
I
(2.21)
Trong đó các hằng số thời gian T
r
và T
i
rất nhỏ so với T
A
, nên dùng phương
pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ để chuyển mô hình về dạng xấp xỉ(2.12):
)1)(1(
/1

ω
i
A
k
M
Φ
sT
k
r
r
+
1
RI
sT
R
A
A
+
1
/1
i*
A
sT
k
i
i
+
1
_
Js

1
1
2
1
1)(
11
1
(2.23)
Với các tham số:
- T
I1
= T
A
= L
A
/R
A
-
1
1
1
2
.
1
2
Tkk
L
Tkk
R
T

u
A
e
A
_
k
M
Φ
m
M
m
T
_
ω
i
A
k
M
Φ
sT
k
r
r
+
1
sT
R
A
A
+

sTk
sG
i
I
1
21
11
)(
+
=
Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ :
1
)(
+
=
sT
k
sW
ω
ω
ω
Với k
ω
, T
ω
là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của cảm biến tốc độ.
Cũng với giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động phần ứng, hàm
truyền của đối tượng điều khiển trong mạch vòng điều chỉnh tốc độ sẽ là:
)1(
/

1
1()(
2
2
s
T
ksR
I
p
+=
ω
Bộ PI này có các tham số:
- TI
2
= aT
2
-
akT
k
p
2
2
1
=
với
Jk
kk
k
i
M