1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
1.1. Đặt vấn đề
Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp
luôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theo
công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ .
Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động
bằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động
Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp
với yêu cầu sản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vào
nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động
cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ tương ứng.
Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có hai
phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho
mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản xuất
hiện nay có 4 bộ biến đổi.
- Bộ biến đổi máy điện gồm : động cơ sơ cấp kéo máy phát một
chiều hoặc máy điện khuyếch đại (KĐM)
- Bộ biến đổi điện từ : khuyếch đại từ (KĐT)
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thysistor
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: thysistor hoặc transistor
1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn
cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động
điện:

Độ cứng: β = ∆M/∆n. Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa
là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều
chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của
đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác β càng lớn thì càng tốt.
1.2.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều
chỉnh tốc độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:
γ = n
i
/n
i+1
Trong đó:
- n
i
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
- n
i + 1
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với n
i
và n
i + 1
đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục.
Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều
chỉnh tốc độ vô cấp.
γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
1.2.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất
làm việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆P

- Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở
phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn n
cb
.
- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho
cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng
vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ
khi phụ tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng
thấp thì tổn hao phụ càng tăng.
1.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng:
- Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng
thì điều chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn n
cb
.
- Ưu điểm:
+ Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân
mạch có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng.
+ Thiết bị vận hành đơn giản.
- Nhược điểm:
+ Phương pháp này dùng tiếp điểm để đóng cắt điện trở nên độ tinh chỉnh
không cao, điều chỉnh tốc độ có cấp, phạm vi điều chỉnh: D = ( 2 → 3 )/1.
+ Do tổn thất công suất trong sơ đồ này khá lớn nên phạm vi ứng dụng bị
hạn chế. Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ, thời gian
làm việc ngắn với tốc độ thấp.
1.3.5. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ )
- Ưu điểm:
+ Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng:
D = ( 10 → 30 )/1 bởi vì quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng mạch kích
thích của máy phát và động cơ. Có thể dùng phương pháp biến trở.

phải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và
ưu đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
1.4. Điều khiển ổn định tốc độ bằng máy tính thông qua card DSP 1104
Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số trong các hệ điều khiển chuyển động
mang lại nhiều tính năng vượt trội so với kỹ thuật điều khiển chuyển động
truyền thống như: linh hoạt trong việc thay đổi thông số bộ điều chỉnh khi yêu
cầu công nghệ thay đổi, thay đổi các phương pháp điều khiển tiên tiến; tăng khả
năng chống nhiễu. Tuy nhiên để thực hiện một bộ điều chỉnh số lại mất nhiều
thời gian và gặp nhiều khó khăn.
Trong cả hai công đoạn trên thì mô phỏng thời gian thực là rất cần thiết.
Tốc độ tính toán yêu cầu cho mô phỏng thời gian thực phụ thuộc vào đặc điểm
của mô hình được mô phỏng. Với những mô hình phức tạp, số lượng phép tính
lớn thì thời gian mô phỏng là vấn đề cần được quan tâm.
DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE của Đức sản xuất dựa
trên bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động
(floating-point) thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments
(Mỹ). DS1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biến
tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Nó thường được dùng trong các lĩnh vực
sau:
Hạt nhân của DS1104 là bộ xử lý tín hiệu số dấu phẩy động (floating-
point) thế hệ thứ ba TMS320F240 của hãng Texas Instruments. Bộ xử lý tín hiệu
số được bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong các
hệ thống điều khiển số. Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử
lý tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch
(incremental sensor) làm cho DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lý
tưởng cho một dải rộng các bài toán điều khiển số.
DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm
vào máy tính qua cổng mở rộng ISA. Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng
dSPACE giao tiếp với máy tính, vì vậy tác giả đi theo hướng nghiên cứu, ứng
dụng Card DS1104 để điều khiển tốc độ cho động cơ 1 chiều.

U
đm
(V)
I
đm
(A)
n
đm
(v/ph)
η
đm
(%)
R
ư
(Ω)
L
ư
(H)
GD
2
(KGM
3
)
75 220 381 1500 0,795
0,025
3
0,002
2
7
Hệ số khuếch đại của động cơ được tính:

Pha 2: Rotor tiếp tục
quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ
đổi cực sao cho từ trường giữa
stator và rotor cùng dấu, trở lại
pha 1
Hình 2.2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều
2.1.2. Xây dựng mô hình toán học dưới dạng hàm truyền của động cơ
Ở phần trên ta đã chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ
một chiều kích từ động lập có phương trình vi phân:
u=I
d
R
u
+L
u
E
dt
dI
d
+
(2.2)
u - E =R
u






2
1

dt
nd
kTT
dt
dn
em
+
(2.6)

1
u
u
L
T
R
=
: hằng số thời gian điện từ mạch roto (s)
2
375
u
m
e m
GD R
T
K K
=
: hằng số thời gian động cơ hệ thống

2
1
)(
)(
++
=
sTsTT
K
U
N
mm
s
s
(2.7)
Với
1
e
K
K
=
Vậy ta có :
( )
( )
1
2
0 0022
0 087
0 0253
220 381 0 0253
0 1402

π π
= = =
−
−
= = = =
= = =
= = =
= = =
Vậy động cơ có hàm truyền là:
( )
2 2
7 131 7 131
0 087 0 0251 0 0251 1 0 00218 0 0251 1
, ,
W s
, . , s , s ,. s , s
= =
+ + + +
(2.8)
Khi xét đến sự thay đổi của tải ta cần tách hàm truyền (2.7) thành 2 phần
hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập:
( )
mD
W s
=
0 0253 0 0253
0 1402 0 0251 0 00352
u
e m
R , ,

8 Hình 2.2: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ
2.2.2. Xây dựng hàm truyền hệ thống
2.2.2.1. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi
Trong chỉnh lưu dùng Tiristor nếu bỏ qua thời gian chuyển đổi của các
Tiristor (các Tiristor mở tức thời) thì mạch động lực mô tả bằng khâu tỷ lệ, còn
mạch tạo xung do thời điểm xuất hiện xung phải đồng bộ với điện áp anốt. Vì
vậy khi tín hiệu điều khiển thay đổi để điện áp ra thay đổi được phải mất một
khoảng thời gian để chờ đổng hồ do đó được mô tả khâu trễ với thời gian trễ nhỏ
nhất bằng không.
Thời gian trễ gần đúng trung bình được xác định: τ =
1
2mf
(2.10)
Với n là số đỉnh nhọn của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn. Sơ
đồ chỉnh lưu là sơ đồ hình tia ba pha ⇒ m = 3.Tần số điện áp nguồn
f = 50(Hz). Hằng số thời gian của bộ biến đổi là:
⇒ τ =
1
2.3.50
= 0,33.10
-2
(s) (2.11)
Hàm truyền bộ biến đổi là:
W

Với tín hiệu điều khiển
( )
220
dk
U V=
và điện áp ra
( )
10
d
U V=
Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi
22
T
K =
⇒ W
T
(s) =
10033,0
22
1 +
=
+ sst
K
T
T
(2.14)
2.2.2.2. Xây dựng hàm truyền cảm biến
Bộ điều
khiển
Bộ biến

đm
πT32/1Y4
230 0,5 1000 7,34 0,115
Vì động cơ máy phát tốc không cùng tốc độ nên ta phải sử dụng bộ truyền động
cơ khí với tỷ số truyền như sau:
i =
1500
1 5
1000
dc
FT
n
,
n
= =
(2.15)
Điện áp đầu vào của IC mạch khuếch đại trung gian là lý tưởng.
Ta có:
V
U
=0 Vậy
0
V cd
U .n U .n
γ γ
− = − =

cd max
dm
U

10
0 067
150
,
β
= =
(2.17)
R
I
R
ω
W
T
W
ID
W
mD
β
(-
)
γ
n
đ
n
(-
)
(-
)
M
c




++==⇒






++=
∫
sT
sT
1
1K
sK
sU
sW
dt
tde
Tdtte
T
1
teKtu
D
I
PDKD
I
P

y(t)
x(t)
e(t)
u(t)
(-)
Plant
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
u(t)
e(t)
Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)
W
đk
(s)
y(t)
u(t)
(-)
W
đt
(s)
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển
11
Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t).
Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:
( )
( ) ( )
( ) ( )
1
sW.sW1
sW.sW
sW

( )
sT1Ts
K
sW
dt
dt
∑
+
=
(2.28)
Tương tự như ở tối ưu modul để sai lệch tĩnh → 0. Khi tín hiệu đặt u(t) =
1(t) ta chọn luật điều khiển PI (Theo lý thuyết điều khiển tự động).
Tham số cần thiết kế là K
P
và T
I
: Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến
tính thì để thoả mãn
( )
1jW
k
=ω
⇒ T
I
= aT
∑
với a
≥
4:
2.3.2.4 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được

707.0=
ξ
trị số này tương ứng với độ quá điều chỉnh 5% và được
xem như tối ưu trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng công nghiệp.
+ Với
`5.0=
ξ
thì độ tác động nhanh tốt nhưng độ quá điều chỉnh lớn và
thường dùng trong các hệ truyền động.
+ Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát
chất lượng của hệ khi
ξ
thay đổi bằng Sumulink ta có kết luận:
ξ
càng nhỏ độ
quá điều chỉnh càng tăng lên
Ta có :
2
1
0 2
a
4
a a
ξ =
(2.31)
Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ bậc cao:
12
+ Đối tượng :

2.3.2.5 Xác định các thông số của bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn phẳng

k sk
1
W s 1 T s
Tis
nd ns
T T k
=
= +
=


= ∀

∏

Tuy trường hợp có nhiều hằng số thời gian bé, thì hằng số thời gian bé
tương đương được tính:
nb
b bj
j=1
T = T
∑

Sau khi đã bù đủ, hệ hở có dạng:

( )
nb
h
j 1
i bj

+ +
∏
(2.46)

( ) ( )
nb nb
i
bj i bj b
j=1 j=1
T
-2 1+T =0 T =2k 1+T =2kT
k
⇒
∑ ∑
Hàm truyền của h ệ kín sau khi đã chọn bộ điều chỉnh có dạng:

( )
∗
=
+ +
k
2 2
b b
1
W s
1 2T s 2T s
(2.47)
So với hàm bậc 2 chuẩn:
707,0
2

b b
h t = 1- e cos t/2T - sin t/2T
 
 
(2.49)
Với T
b
= 1 t
m
= 4,71 T
b
thời gian đắpngs tác động nhanh, độ quá điều chỉnh
không phụ thuộc vào hằng số thời gian bé, nếu đối tượng có quá nhiều hằng số
thời gian bé, độ tác động nhanh kém.
2.3.2.6 Thiết kế bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng
Để có tác động nhanh đối với nhiễu, cần có hệ số khuếch đại lớn khi tần số
bé, có thể chọn hằng số tf của bộ điều chỉnh như sau:

d1 d2 dn d
T =T = =T =T
Bộ điều chỉnh có dạng:

( )
( )
nd
d
®c
i
1 T s
W s

k=1
k 1+T s
W s =
Ts 1+T s p T
∏
Cũng như tiêu chuẩn phẳng, điều kiện trước tiên là: ns = nd
Đặt :
( )
( )
nd
d
0
nd
k
k=1
nd
0 d
h
i B d
kT
k =
T
k 1+T s
W s =
Ts 1+t s sT
 
 ÷
 
∏
(2.54)

(-)
i(s)U
i
(s)
14
Ta sẽ có:

( )
sW
01
=
( )
sW
T
.
( )
sW
ID
.
β
=
s0033.01
22
+
.
s087.01
5,39
+
.0.067


= 0.087 và
i
T
= 2.K.
b
T
=
2.58,223.0,0033=0.384(s)

( )
1dk
W s
=
ss
s
sT
sT
i
n
384,0
1
22,0
384,0
087,01
1
+=
+
=
+
Vậy

W
=
)1)(1(
1
++ sTsT
K
b
và máy điều chỉnh
dk
W
= ( PI) =
sKT
sT
b
n
2
1+
Khi đó hàm truyền hở của mạch vòng trong là :

( )
h
W s
=
( )
sW
dc
.
( )
sW
01

)1(2
1
1
)1(2
1
1
1
sTsT
sTsT
b
b
+
+
+
=
122
1
2
++ sTsT
b
b
Thay số vào ta có :

( )
sW
K
=
( )
10033,0.20033.02
1

=






+10066,0
1
s
.
1
0 067,
.
s003352,0
0253,0
.0,0067
=
ss 00352,0).10066,0(
00253,0
+
=
ss ).10066,0(
718,0
+
Do bộ điều khiển được xác định là khâu PI

( )
sW
dc

.
1.
+
+
- Hàm truyền kín của hệ thống là

( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
sssT
sTK
sSsT
sTK
sW
sW
sW
I
I
I
I
h
h
K
10066,0
718,0
.

+++
+
Tử số có dạng bậc một như vậy ta được các thông số
0
0 718
'
I
K
a ,
T
=

1
0 718
'
a , K=
0
0 718
I
K
a ,
T
=

1
0 718a , K=

2
1a =


α
→ = = =

1
0
89 1
52 4
1 7
'
,
,
,
ω
ω
α
= = =
Tính
1 2 1
1 89 1 89 1a a . . , ,
ω
= = =

0 1 0
89 1 52 4 4668 84a a . , . , ,
ω
= = =
Vậy
1,1241,89718,0
1
=⇒== KKa

'
, . ,
ω
α α
ω
= + −
0
0
0
1
52 4
1
52 6
0 019
'
'
'
,
a
,
,
a
ω
ω
=
= = =
Từ đó ta suy ra
1 55,
α
=

63 125
26 3
2 4
'
,
,
,
ω
ω
α
= = =
Tính
1 2 1
1 63 125 63 125a a . . , ,
ω
= = =

0 1 0
63 125 26 3 1660 18a a . , . , ,
ω
= = =
Vậy
1
0 718 63 125 70 9a , K , K ,= = ⇒ =
Và
0 038
I
T ,=
Bộ điều khiển PI được thiết kế là: W


= + −
0
0
0
1
26 3
1
26 3
0 038
'
'
'
,
a
,
,
a
ω
ω
=
= = =
Từ đó ta suy ra
2 4,
α
=
Kiểm tra độ quá điều chỉnh
( )
4 8 2lg % , .
δ α
= −

80
100
120
140
160
t(s)
i(A)
Dap ung dong dien cua dong co (vong trong)
idat
ithuc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Dap ung toc do dong co
t(s)
n(v/ph)
ndat
nthuc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-200
-100
0

600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Dap ung toc do dong co
t(s)
n(v/ph)
ndat
nthuc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-200
0
200
400
600
800
1000
Dap ung dong dien dong co
t(s)
i(A)
19 - Kết quả mô phỏng dòng điện động cơ có tải tại thời điểm 0,4s sau đó cắt
tải tại 0,6s.
3.1.3. Nhận xét kết quả
Từ kết quả mô phỏng ở trên cho thấy chất lượng điều khiển ổn định tốc độ

Incremental Encoder:
•2 đầu vào số, TTL hoặc RS422
•Kênh encoder có độ phân dải 24 bit
•Tần số xung max đầu vào là 1.65MHz. gấp 4 lần xung đếm tới 6.6MHz
•Nguồn sensor 5V/0.5A
Vào/ra số:
•Vào/ra số 20 bit
•Dòng ra 5mA
Giao tiếp:
•RS232, RS485 và RS422
Hệ con DSP tớ:
•Texas Instruments’ DSP TMS320F240
•4 kWord of dual-port RAM
•3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM
•14 bit vào/ra số
Đặc điểm vật lý:
•Nguồn nuôi 5 V, 2.5 A / -12 V, 0.2 A /12 V, 0.3 A
•Yêu cầu cần có khe PCI 32 bit
3.2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface)
3.2.3. Các thành phần chủ yếu của DS1104
Hình 3.12: Các khối của DS1104 Master PPC
Hình 3.39: Máy tính hiển thị bằng phần mềm controldesk thông qua card DSP1104
21
- Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240
- Hệ con AD (Analog to Digital)
- Hệ con Vào/Ra số (Digital I/O)
- Hệ con bộ mã hoá so lệch (Incremental encoder subsystem)
- Thanh ghi điều khiển vào ra IOCTL (IO ConTroL):
3.2.4. Phần mềm dSPACE
3.2.4.1. Cài đặt dSPACE

V/rpm
P
(KW)
U
đm
(V)
I
đm
(A)
n
đm
(v/ph)
η
đm
(%)
R
ư
(Ω
)
L
ư
(mH)
GD
2
(KGM
3
)
0,57 0,06
1,5 220 13,8 1500 0,495 1,1 20
2,8x10