i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ NGỌC OANH
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của
nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các
giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai
Hƣơng, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong
quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hƣng đã tạo điều
kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể
luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ
các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa
ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
NGƢỜI THỰC HIỆN Lê Thị Ngọc Oanh
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu MỤC LỤC
Trang phụ bìa
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ vii
MỞ ĐẦU 1

2.2.1 Khái niệm 24
2.2.2 Dạng sai phân 29
2.2.3 Dạng rời rạc 29
2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 30
2.4 Các quy luật điều chỉnh 31
2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 32
2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 33
2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 35
2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 35
2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 36
2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 36
2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phƣơng pháp thực nghiệm 37
2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 37
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU 42
3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -
TMS320F28069. 43
3.2 Các luật điều khiển số. 44
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 44
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 44
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 45
3.2.4 Luật điều khiển PID số 46
3.3 Phần mềm CCS v5 46
3.4 Giới thiệu TMS320F28069 47
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 56
4.1 Mô phỏng 57
vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 28
Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 32
Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 33
Hình 2.4 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 34
Hình 2.5 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 34
Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 35
Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 36
Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 39
Hình 2.9 Lƣu đồ tự chỉnh các tham số PID 40
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 43
Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 44
Hình 3.3 Cấu trúc luật I số 45
Hình 3.4 Cấu trúc luật D số 45
viii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 46
Hình 3.6 Code Composer Studio v5 47
Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 48
Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 49
Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 53
Hình 3.10 Các khối ngoại vi 54
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều 57
Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 63
Hình 4.3 Đặc tính tốc độ đầu ra 64
Hình 4.4 Đặc tính dòng điện 65
Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 66
Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 67
Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 68

hoàn thiện. Nhƣợc điểm cơ bản của kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào độ trôi
thông số của các phần tử trong hệ thống làm cho tính ổn định của hệ thống nhiều
khi không đƣợc đảm bảo theo thời gian và khó đáp ứng với các điều kiện làm
việc khác nhau.
Các hệ truyền động động cơ một chiều thƣờng sử dụng hai mạch vòng điều
chỉnh. Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là
mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn
vào quán tính cơ của động cơ và của tải. Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ
điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn. Để có đƣợc
các thông số tối ƣu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có các
thông số chính xác của động cơ. Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tƣơng tự của
mạch vòng dòng điện đƣợc điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp đƣợc bằng
cách thay đổi giá trị của các biến trở, biến dung hoặc hệ số khuyếch đại của các
bộ khuyếch đại thuật toán. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của
động cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trở
phần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo
tải ), bản thân các linh kiện tƣơng tự cũng nhƣ các bộ khuyếch đại thuật toán nói
trên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lƣợng của các bộ điều
khiển theo kỹ thuật tƣơng tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ làm
việc khác nhau.
Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục các
nhƣợc điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tƣơng tự mà còn mở ra khả
năng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điều
khiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tƣơng tác
với con ngƣời, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trên

(có phần mềm nhận dạng tự động tham số của động cơ).
- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lƣợng thực của hệ thống
nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài.
Nội dung nghiên cứu
Chƣơng 1 Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng thyristor
điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chƣơng 2 Mô hình động cơ một chiều và nghiên cứu thiết kế tự chỉnh
Chƣơng 3 Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều
Chƣơng 4 Mô phỏng và thực nghiệm
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu CHƢƠNG 1
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC
HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG
THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU


truyền động công suất nhỏ chế tạo rất khó khăn, giá thành cao.
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Ƣu điểm: Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt
thích hợp cho những truyền động làm việc bình thƣờng có quá tải lớn và yêu cầu
mômen khởi động lớn nhƣ máy nâng vận chuyển, máy cán thép …
Nhƣợc điểm: có đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết
diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi. [11]
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ƣu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1
trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn, điều chỉnh vô cấp,
độ cứng tốt, quá trình khởi động êm, moomen khởi động lớn, thời gian khởi động
nhỏ, từ thông chính không phụ thuộc vào tải
Nhƣợc điểm: Khi sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập phải có
bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tƣ, gặp khó khăn trong vận hành,
sửa chữa và bảo dƣỡng
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
Ƣu điểm: Vì là động cơ gồm 2 cuộn dây kích từ mắc song song và nối
tiếp nên tận dụng đƣợc các ƣu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
và kích từ độc lập.
Nhƣợc điểm: Có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít đƣợc sử dụng
Kết luận: Từ những phân tích đánh giá ở trên ta thấy động cơ một chiều
kích từ độc lập có nhiều ƣu điểm và có khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu công
nghệ của tải cần truyền động. Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập
làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ đƣợc cấp điện từ
một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ.

- Đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh đƣợc mô men
dùng các phƣơng pháp cƣỡng bức nhƣ đƣa thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng.
1.2 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Từ phƣơng trình đặc tính cơ:
2
()

uf
eM
M r r
U
n
Ce C C

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ta thấy có 3 phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ [1]
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào
mạch phần ứng.
Tốc độ không tải lý tƣởng:
0
U
K
dm
dm



Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
u
x
R
K

Đặc tính của động cơ thay đổi nhƣ sau:

Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với
Φ2< ΦM1 < Φđm
Ƣu điểm:
- Khi giảm từ thông thì độ cứng β giảm nhanh (β tỉ lệ thuận với 2)
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế
- Khả năng tự động hoá cao.
Nhƣợc điểm :
- Dải điều chỉnh tốc độ khi thay đổi từ thông hẹp .
- Điều chỉnh từ thông không phù hợp với tải Mc = const.Vì vậy ta loại bỏ
phƣơng pháp này.
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Ở chế độ xác lập có thể viết đƣợc phƣơng trình đặc tính của hệ thống nhƣ
sau:
Eb – Eƣ = Iƣ ( Rb + Rƣ)

0
m
M
c

U
đm

U
1
U
2
U
3

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Ƣu điểm: nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh
hoạt, khả năng qúa tải lớn. Do vậy thƣờng sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các
máy khai thác trong hầm mỏ.
Nhƣợc điểm: quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay
trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít
nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có
từ dƣ, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lƣu xung áp một chiều
Ƣu điểm : Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ,,
mạch điều khiển đơn giản, chất lƣợng điện áp tốt hơn so với bộ biến đổi liên tục,
kích thƣớc gọn nhẹ, độ cứng đặc tính cơ cao
Nhƣợc điểm: Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều
gây ra, tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển, còn tồn
tại những vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ
Ƣu điểm: Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thƣớc trọng lƣợng
nhỏ, nền móng không phức tạp, phạm vi điều chỉnh D rộng.
Nhƣợc điểm: Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao,
khả năng quá tải về dòng và áp kém, giá thành cao, hệ số công suất thấp
Nhận xét
Qua sự phân tích các bộ biến đổi cấp điện áp cho động cơ ,ta thấy mỗi loại
có những ƣu nhƣợc điểm nhất định vì vậy tuỳ thuộc vào tình hình kinh tế, yêu
cầu công nghệ chọn phƣơng án thích hợp. Với yêu cầu thiết kế của đề tài và khi
xét tổng quan xu hƣớng phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng tạo ra các linh
kịên bán dẫn khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên thì em quyết định chọn bộ
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu biến đổi chỉnh lƣu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biến

§C
U®k

Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ
. Ta có phƣơng trình :
M
K
RR
K
U
đm
CLu
đm
u
2
)(

Mà
0
os
ud
U U c
thay vào phƣơng trình trên ta đƣợc:
M
K
RR
K
U
đm
CLu

phụ thuộc vào góc mở
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lƣu
Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ
chỉnh lƣu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC. Do cầu
3 pha đƣợc sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lƣu
này.
1.4.1 Chỉnh lƣu cầu 3 pha
Chỉnh lƣu cầu 3 pha là loại đƣợc sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có
nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với chỉnh lƣu cầu một pha. Nó cho phép đấu thẳng vào
lƣới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%). Nếu có dùng biến áp thì gây méo lƣới
điện ít hơn các loại trên đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ bằng
công suất tải, công suất mạch chỉnh lƣu có thể rất lớn lên tới hàng trăm KW.
Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung giới thiệu về các bộ chỉnh
lƣu cầu 3 pha. [6]
Cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng dòng xoay chiều thành năng
lƣợng dòng một chiều. Chỉnh lƣu là thiết bị điện tử công suất đƣợc sử dụng rộng
rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thƣờng gặp của mạch chỉnh lƣu trên hình
1.1. 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu
1.4.2 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển
1.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK

đấu Anốt chung nên:
+ D
2
dẫn khi u
c
âm nhất;
+ D
4
dẫn khi u
a
âm nhất;
+ D
6
dẫn khi u
b
âm nhất;
- Trong khoảng thời gian v1: u
c
dƣơng nhất và u
b
âm nhất nên D
5
và D
6
đang dẫn
dòng:
I
D1
= I
D2