Nghiên cứu hệ thống điều khiển số động cơ điện
một chiều kích từ độc lập
Tóm tắt - Với sự phát triển ngày càng
cao của kỹ thuật vi xử lý và máy tính,
hệ thống điều khiển số dần được ứng
dụng nhiều, thay thế cho điều khiển
tương tự truyền thống vì những ưu
điểm nổi trội như gọn nhẹ, làm việc an
toàn, tin cậy, độ chính xác cao. Hơn
nữa hệ thống số xử lý được nhiều dữ
liệu một cách đồng thời, nhanh chóng.
Các tham số trạng thái hệ thống, tham
số điều chỉnh có thể xem xét được
bằng các bộ hiển thị số và có thể thay
đổi theo yêu cầu công nghệ một cách
dễ dàng. Ngoài ra hệ thống số có thể
ghép nối với máy tính, thuận tiện cho
việc điều khiển và có thể điều khiển
nhiều kênh đồng thời, truyền và giữ
tin được lâu hơn. Mục đích của bài
báo này trình bày về hệ thống điều
khiển số động cơ điện một chiều kích
từ độc lập. Các kết quả được kiểm
nghiệm thông qua phần mềm
Matlab/Simulink.
Từ khóa – động cơ điện một chiều kích
từ độc lập, hệ thống điều khiển số, hệ
thống điều khiển tương tự.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay,
các công nghệ tiên tiến, các dây truyền

tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính
xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động
có các yêu cầu về ổn định và các chỉ tiêu
về chất lượng động là độ quá điều chỉnh,
tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh
và tần số dao động. Ở các hệ điều chỉnh
tự động truyền động điện, cấu trúc mạch
điều khiển, luật điều khiển và tham số
các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn
đến chất lượng của hệ. Vì vậy khi thiết
kế hệ ta phải thực hiện các bài toán về
phân tích và tổng hợp hệ để tìm ra lời
giải hợp lý, sao cho đáp ứng được các
yêu cầu kinh tế kỹ thuật đề ra
Trên thực tế với động cơ một chiều có
nhiều phương pháp điều khiển, một trong
Hội nghị khoa học lần thứ I về Tự động hóa, Công nghệ thông tin và Truyền thông (CAIC-2014)
những phương pháp điều khiển hiện đại
đó là điều khiển số vì hệ thống số xử lý
được nhiều dữ liệu một cách đồng thời,
nhanh chóng. Các tham số trạng thái hệ
thống, tham số điều chỉnh có thể xem xét
được bằng các bộ hiển thị số và có thể
thay đổi theo yêu cầu công nghệ một
cách dễ dàng. Ngoài ra hệ thống số có
thể ghép nối với máy tính, thuận tiện cho
việc điều khiển và có thể điều khiển
nhiều kênh đồng thời, truyền và giữ tin
được lâu hơn.
Mục đích của bài báo này trình bày về

tạp mạch và tăng giá thành.
Một nhược điểm khác là nhạy với
nhiễu. Nhiễu có thể phát sinh do bản
thân linh kiện (nhiễu về nhiệt) hoặc
nhiễu ký sinh do ảnh hưởng cuả môi
trường. Loại nhiễu này đặc biệt quan
trọng vì trong việc điều khiển truyền
động điện các bộ biến đổi là nguồn nhiễu
gây ảnh hưởng đáng kể đến lưới điện.
Việc truyền dẫn tín hiệu tượng tự cũng
gặp khó khăn do sự suy giảm tín hiệu.
Các linh kiện kỹ thuật tượng tự cũng có
tính chất khác nhau về thông số khi được
sản xuất hàng loạt. Người ta có thể loại
trừ được sự sai khác về thông số, bằng
phương pháp xác xuất cũng như chú ý
trong khi thiết kế chế tạo, tuy nhiên hiện
tượng này làm cho các linh kiện kỹ thuật
tương tự kém ổn định và là nguồn gốc
cuả nhiễu.
Việc thực hiện một số chức năng như
nhớ hoặc trễ bằng kỹ thuật tương tự cũng
gặp nhiều trở ngại và do tính phức tạp
của việc thực hiện các bộ điều khiển kinh
điển rất ít chức năng tương tự có thể thực
hiện được bằng mạch tổ hợp và cần đến
nhiều linh kiện rời, việc thực hiện mạch
và hiệu chỉnh chúng tốn nhiều thời gian
và công sức, cần có nhiều tiếp điểm làm
giảm độ tin cậy của các mạch tương tự.

bộ hiệu chỉnh tự thích nghi, hệ
thống có mô hình chuẩn, chế độ
trượt và hiện nay là điều khiển mờ,
điều khiển nơ ron.
 Trong tư vấn bảo trì và phát hiện sự
cố.
 Trong trợ giúp tự động hoá quá
trình.
• Đơn giản hoá thiết bị, tiêu chuẩn hoá
và thích hợp hoá
Vì các chức năng điều khiển được
thực hiện chủ yếu bằng phần mềm, cho
nên với cùng một thiết bị phần cứng (1
bộ vi xử lý và các dao diện) được sử
dụng cho mọi ứng dụng. Điều này dẫn
đến giảm các chi tiết dự phòng, do đó
làm giảm giá thành. Mặt khác điều khiển
máy điện luôn ở trong khung cảnh tự
động hoá toàn bộ hệ thống, ngày nay lại
được thực hiện bằng máy tính. Với cùng
một công nghệ (số và các bộ vi xử lý) có
thể thực hiện mức phân cấp tự động hoá
khác nhau, làm dễ dàng các tích hợp và
đồng bộ hoá mọi phần tử. Các tính chất
này không dễ dàng nhận được tổ hợp bao
gồm một máy tính trung tâm, các áp tô
mát lập trình và các bộ điều chỉnh tương
tự.
2) Cấu trúc hệ thống điều khiển số
Do các đặc điểm đã nêu ở trên trong

khiển số
• Xây dựng mô hình điều khiển.
• Xây dựng mô hình toán cho hệ truyền
động điện.
• Xác định thông số của các mạch vòng
điều khiển số.
CAIC - 2014
Hội nghị khoa học lần thứ I về Tự động hóa, Công nghệ thông tin và Truyền thông (CAIC-2014)
4) Rời rạc hoá hệ thống liên tục Hàm truyền của các bộ điều chỉnh
trong bộ điều khiển tương tự là một hàm
truyền liên tục (hình 2).
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số
Để rời rạc hoá hệ thống, ta cần phải
rời rạc hoá các bộ điều chỉnh này. Có hai
phương pháp rời rạc hoá hệ thống liên
tục là rời rạc hoá trong miền thời gian và
rời rạc hoá trong miền biến đổi z. Điều
kiện để rời rạc hoá trong miền thời gian
là hệ thống phải tuyến tính và bất định.
Khi đó ứng với một đơn vị thời gian ∆t =
T (T là chu kỳ cắt mẫu) sẽ có một giá trị
U(∆t), tập hợp các giá trị của U
i
(∆t) khi
cho ∆t tiến tới 0 sẽ có hàm truyền của bộ
điều chỉnh tương tự (có thể dùng phương
pháp nội suy để tìm lại được hàm truyền
PID).
Hình 2. Tín hiệu rời rạc và liên tục
Sai lệch trong hệ thống tương tự là

Nếu gọi Y
m
là giá trị cực đại của đại
lượng liên tục y(t) thì đơn vị của việc số
hoá (lượng tử hoá) đại lượng y(t) được
xác định là:
m
ym
Y
y
N
∆ =

Sai số của phép chuyển đổi được tính
như sau:
1
m ym
y
Y N
∆
=

CAIC - 2014
Hội nghị khoa học lần thứ I về Tự động hóa, Công nghệ thông tin và Truyền thông (CAIC-2014)
6) Chọn chu kỳ trích mẫu
Việc chọn thời gian cắt mẫu rất quan
trọng, nó quyết định tính chất của mạch
điều khiển số. Nếu thời gian cắt mẫu quá
lớn sẽ mất chính xác, thông tin của đối
tượng giữa hai lần cắt mẫu không được

1
0
1 ( )
(t) ( ) ( )
T
D
de t
U K e t e t dt T
T dt
 
= + +
 
 
∫

Trong đó:
K - là hệ số khuyếch đại
T
I
- là hằng số thời gian tích phân
T
D
- là hằng số thời gian đạo hàm
τ
n
– là hằng số thời gian thay thế của
mạch vòng
Nếu có điều kiện τ
n
≥ 2T thoả mãn thì

= − = − + −
∑

U
d
(h) là thành phần đạo hàm
[ ]
(h) (h) e(h 1)
D
d
T
U K e
T
= − −

Phương trình trên biểu diễn luật điều
chỉnh dưới dạng của các số hạng thành
phần và có lợi thế đổi chỗ là có thể cài
đặt chỉnh định riêng rẽ hệ số của các số
hạng thành phần một cách độc lập nhau.
Luật này không yêu cầu đặt các hệ số
thật chính xác và cho phép sử dạng phép
nhân rút gọn. Như vậy ta được luật điều
chỉnh như sau:
1 2
(k) (h 1) q (k) q (k 1) q (k 2)U U e e e= − + + − + −

Phương trình này tương ứng với hàm
truyền của bộ điều chỉnh trong không
gian toán tử z

= + +
 ÷
 

1
2
1
2
D
I
T
T
q K
T T
 
= − − +
 ÷
 

0
D
T
q K
T
= −

Khi ta cho T
D
= 0 ta có biểu diễn gián
đoạn của luật điều chỉnh kiểu PI. Khi đó

 

III. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT
QUẢ
Xét động cơ điện một chiều kích từ
độc lập có các thông số sau:
P = 420W; U = 50V; I = 7,5A; n =
4000v/p = 418,9 rad/s; R
ư
= 1,4Ω; KΦ =
50 1.4 7.5
0.094
418.9
u
U IR
n
−
− ×
= =
L
ư
=
0,07H ⇒ T
ư
= 0,05 s; J = 0,00126 ⇒ T
C
= 0,2 s
A. Bộ điều chỉnh số dòng điện
Theo tính toán trên ta có hệ điều chỉnh
dòng điện là PI. Với thời gian lấy mẫu

 ÷
−
 
 
1
0.0002
1 3.048 1 3.0476
2 2 0.05
I
T
q K
T
 
 
= − − = − = −
 ÷
 ÷
−
 
 
Vậy ta có:
1
0 1
1
0.9997
(z) 3.0483
1
RI
q q z
z

T
q K
T
 
 
= + = + =
 ÷
 ÷
×
 
 
1
0.0002
1 1.89 1 1.884
2 2 0.0347
I
T
q K
T
 
 
= − − = − = −
 ÷
 ÷
×
 
 
Vậy ta có:
1
0 1

5 5 5
(1 0,0033 ) 1 0,9412
5( 0,9412) 5 ( 1)
( 1)( 0,9412)
1
1
Tp
z
z
p p z z
z z z
z
z z
z
z e
z
−
= = −
+ − −
− − −
⇔ =
− −
−

⇔ = − =


( ) ( ) ( )
( ) ( )
2 2

vẫn dùng khối động cơ với số liệu đã
tính toán ở trên.
Nhận xét
Từ hình 4, chúng ta thấy khi chưa có
bộ lọc thì độ quá điều chỉnh vào khoảng
23% và thời gian quá độ là vào khoảng
0,35 s là chấp nhận được. Vì ở đây ta
dùng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng mà
trong tiêu chuẩn này theo lý thuyết thì độ
quá điều chỉnh khi chưa có bộ lọc cho
phép là 43,4%.
Khi có bộ lọc là một khâu quán tính
(hình 5) thì độ quá điều chỉnh sẽ giảm
xuống còn khoảng 8,2%, đúng như lý
CAIC - 2014
Hội nghị khoa học lần thứ I về Tự động hóa, Công nghệ thông tin và Truyền thông (CAIC-2014)
thuyết của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Vì vậy bộ điều chỉnh đã tổng hợp được đáp
ứng chất lượng của hệ thống.
Hình 3. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển số
Hình 4. Dạng quá độ của tốc độ khi chưa
có bộ lọc
Hình 5. Dạng quá độ của tốc độ khi có
bộ lọc
Hình 6. Dạng quá độ của tốc độ khi chưa
có tải
Hình 7. Dạng quá độ của tốc độ khi có
tải
CAIC - 2014
Hội nghị khoa học lần thứ I về Tự động hóa, Công nghệ thông tin và Truyền thông (CAIC-2014)
Hình 8. Dạng quá độ của dòng điện khi

4A. Sau khi đã tổng hợp các bộ điều
chỉnh số động cơ điện một chiều bằng
các tiêu chuẩn tối ưu cũng như chuyển
các bộ điều chỉnh này sang số và mô
phỏng bằng SIMULINK trong môi
trường MATLAB chúng ta thấy các kết
quả mô phỏng này đều rất phù hợp với lý
thuyết. Do đó chứng tỏ kết quả mô
phỏng là xác thực và các bộ điều chỉnh
đảm bảo được chất lượng yêu cầu của hệ
thống.
IV. KẾT LUẬN
Phương pháp điều khiển số chỉ có hai
mức cao và thấp (tức là mức 0 và mức 1)
nên không ảnh hưởng của sự trôi thông
số. Các cấu trúc số có thể được bảo vệ
chống nhiễu bằng các kỹ thuật áp dụng
cho các kỹ thuật tương tự như màn chắn
kim loại, ngoài ra còn thường dùng kỹ
thuật lọc số cho phép loại bỏ các điểm
bất thường mà không hạn chế dải thông
của mạch. Truyền dẫn tín hiệu số ở phạm
vi hợp lý không ảnh hưởng của sự suy
giảm tín hiệu. Các chức năng như trễ,
nhớ có thể thực hiện rất đơn giản bằng
kỹ thuật số. Với mức độ phức tạp mà
mạch tương tự trở nên bất hợp lý thì đối
với mạch số vấn đề trở nên rất đơn giản.
Việc mô hình hoá hệ thống theo quan
điểm điều khiển số hiện nay là rất phổ