Đồ Án Môn Học: Hệ Thống Điều Khiển
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT VINH

Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Họ và tên:
Lớp
:
Khoa
: Điện

Hệ đào tạo: Đại học
Ngành:

1. Tên đề tài:
"Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập"
2. Các thông số thiết kế:
- Pđm = 11 KW
- Uđm = 220 V
- Iđm = 59.5 A
- nđm = 1500 v/p
- Rư = 0.197 Ω
- Lư = 0,014 H
- J = 0.56 kg.m2

Hiện nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động c điện
1 chiều vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những
nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi
rộng. Vì động cơ điện 1 chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc
độ(phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0) và đặc biệt là khả năng quá tải.
Động cơ điện 1 chiều được phân loại theo cách kích thích từ, thành các độngcơ điện
kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp. Trên thực tế, đặc
tính của động cơ điện kích từ độc lập và động cơ điện kích từ song song hầu như giống
nhau, nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập
để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn. Và hôm nay,em
được giao đồ án: "Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập”.
Đồ án gồm 4 phần.
Phần I: Tổng quan về đối tượng điều khiển động cơ điện một
chiều. Phần II: Mô tả toán hoc cho đối tượng điều khiển.
Phần III: Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng điều khiển.
Phần IV: Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm matlab-simulink.
Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần bổ sung hoàn thiện. Em rất
mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được
hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Ngọc Xuân cung toàn
thể các thầy cô trong bộ môn đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này em
xin chân thành cảm ơn!

GVHD: Nguyễn Thị Ngọc Xuân

2

SVTH: Bùi Minh Tuấn


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

TP. Vinh, ngày ….. tháng ….. năm 2019
Giảng viên Phản biện
(ký và ghi rõ họ tên)

GVHD: Nguyễn Thị Ngọc Xuân

4

SVTH: Bùi Minh Tuấn


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1

1. Bộ điều khiển PID................................................................................................... 26
1.1. Khâu tỷ lệ P.................................................................................................................. 26
1.2. Khâu tích phân I........................................................................................................... 26
GVHD: Nguyễn Thị Ngọc Xuân

5

SVTH: Bùi Minh Tuấn


1.3. Khâu vi phân D............................................................................................................ 26
1.4. Luật điều khiển PID..................................................................................................... 27
2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID......................................................... 28
2.1. Phương pháp tối ưu modul................................................................................... 28
2.1.1. Đối với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất................................... 28
2.1.2. Đối với đối tượng khâu bậc hai.......................................................................... 29
2.1.3 Đối tượng điều khiển bậc ba............................................................................... 29
2.2. Phương pháp tối ưu đối xứng............................................................................... 30
2.2.1. Đối với đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc nhất...................30
2.2.2. Đối với đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc hai.....................30
3. Thiết kế bộ điều khiển.............................................................................................. 31
3.1. Thiết kế vòng trong(thiết kế bộ điều khiển

)..................................................... 31

3.2. Thiết kế vòng ngoài(thiết kế bộ điều khiển

)................................................... 32

PHẦN IV...................................................................................................................... 34

từ lòng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay
thép cacbon dày 0,5÷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 mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một


khối , tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt
trên các cực từ này nối tiếp với nhau.
+) 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 nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác.
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và
an toàn cho người tránh chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có
tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi
than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá, giá chổi than có thể quay
được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít
cố định lại.
b) Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau. Trên
mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhất
định, mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến
đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện
với trục gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng graphit và được ghép sát vào thành cổ
góp nhờ lò xo.

song với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp
với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng
1.2. Nguyên lý hoạt đông của đông cơ điện một chiều.
Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điện 1 chiều chạy
qua. Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được quấn quanh các cực
từ 4. Trên hình vẽ động cơ điện 1 chiều, stator 6 của động cơ có dặt các cuộn cảm nên
stator còn gọi là phần cảm. Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng 1 lực vào các
dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện đi qua. Cuộn dây này
gọi là cuộn ứng. Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than 2 và cổ góp 1. Rotor
mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ.


- Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng của nửa trên rotor cos dòng điện hướng vào, còn
các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ. Từ lực F tác
dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen
làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ, động cơ trên có 2 cực từ hay một đôi cực (1
cặp cực, P=1).

- Trong thời gian động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường

dọc trục cực từ và

phân bố đối xứng với cực từ. Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng
chung tính vật lý. Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng

n



- Đây là nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều.
1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch
điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ
điện một chiều kích từ độc lập


U•

E

I

Rf

Ckt

Rkt

Ikt
Ukt

_

+

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có : Phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư


k. .Iu

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và thép thì momen ở trục động cơ M bằng Mđt:
=

-

.M

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Nếu φ=const thì đặc tính cơ của động cơ có dạng như sau:


0
dm
M®m

M

Hình 2.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Độ cứng của đặc tính cơ:
dM ( k .∅ dm )
β=
=
dω
Ru + R f

2



.M

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở
-

thì tốc độ sẽ thay đổi theo.

Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc Rf vào mạch
điện phần ứng như sau:

Hình 2.6: Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi giá trị điện
trở phụ.
Ta có:
Trong đó:

=

-

M=

-

– là tốc độ không tải.
– là độ sụt tốc độ.

-

Theo đường đặc tính ta có

.


=

=

=
=
Vậy

>

>

.

Nhận xét:
-

Nếu ở cùng một giá trị mô men cản Mc thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn nếu điện trở
của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng thời
làm cho độ cứng đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc. Dựa vào
đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc ω2, ω3 ở các đường đặc tính điều chỉnh nhỏ
hơn tốc độ ωdm trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Vậy tốc độ truyền động chỉ
được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhở hơn tốc độ định
mức.

-



=

.

= const

, vậy khi điều chỉnh theo phương pháp này sẽ không kinh tế, do

đó tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Vì vậy nên
phương pháp này trong thực tế ít sử dụng.
2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ.
Giả thiết U =
đổi dòng điện kích từ

= const và

. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
=

Trong đó:

= const. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay
-

- là tốc độ không tải,
– là độ sụt tốc độ,

M=


). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên.
Nhận xét:
-

Đặc tính điều chỉnh theo từ thông Ф có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta
càng giảm từ thông , tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt
còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho động
cơ làm việc kém ổn định.

-

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù
hợp với những tải có mômen là hằng số

= const). Vì

=

.Ф.I = const.

Do vậy khi Ф giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ.
-

Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của
động cơ , khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực
li tâm lớn.

2.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp
phần ứng.


Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song nằm
về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ
giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định.
Nhận xét:
-

Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi tức là

-

chỉnh được ổn định tương đối.
Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.

-

Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn.

-

Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực và có
thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc trưng cơ.

-

Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các đường đặc
tính do không có tổn hao trên điện trở.

= const nên tốc độ điều




+

=

+ ... +

+

n

-bậc vi phân cao nhất của lượng ra.

m

-bậc vi phân cao nhất của lượng vào(m ≤ n).
,

-là các hệ số.

Để tìm nghiệm y(t) = f[u(t)] ta phải giải phương trình vi phân trên. Nhận thấy đây
là phương trình vi phân không thuần nhất, nghiệm tổng quát của nó có dạng:
y(t) =

(t) + y *(t)

Với: y*(t) :Là nghiệm riêng của phương trình vi phân trên.
(t) : Là nghiệm tổng quát của phương trình vi phân thuần nhất.
=0



y(t) =

=

i(t) = C

Thay vào phương trình đầu ta được: RC

+ y(t) = u(t)

1.2. Mô tả hệ điều khiển tự động bằng hàm truyền đạt.
1.2.1. Khái niệm.
Hàm số truyền của phần tử tự động hay hệ thống (hay còn gọi là hàm truyền đạt)
là tỷ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace với điều
kiện đầu triệt tiêu.
u(t)

U(p) = L[u(t)]

y(t)

Y(p) = L[y(t)]

Khi đó: Hàm truyền được ký hiệu W (p).


W(p) =

1.2.2. Phép biến đổi laplace


L[y(t)] = pX(p)
Y(t) =

Y(p)= L[y(t)] =

(Với các điều kiện đầu bằng 0)

- Tính chất 6 (ảnh của khâu tích phân ):
X(p) = L[x(t)] Y(t) =

Y(p) = L[y(t)]

=
Y(t) =

Y(p) = L[y(t)] =

- Định lý về giới hạn thứ nhất: X(p) = L[x(t)] và tồn tại

thì:

=
- Định lý về giới hạn thứ hai: X(p) = L[x(t)] và tồn tại
=

thì

(Với các điều kiện đầu bằng 0)



(Với T =RC )

1.3. Mô tả hệ điều khiển tự động bằng hệ phương trình trạng thái.
1.3.1. Khái niệm hệ phương trình trạng thái.
Trạng thái của hệ thống được đặc trưng như là lượng thông tin tối thiểu về hệ ,
cần thiết để xác định hành vi của hệ trong tương lai khi biết tác động vào(nói cách
khác, trạng thái của hệ được xác bởi tổ hợp các tọa độ mở rộng đặc trưng của hệ.
Hệ ĐK Tự Động TTLT Bậc n

hệ phương trình trạng thái


x=

vector các biến trạng thái

u=

vector tín hiệu vào

y=

vector tín hiệu ra

Ma trận:
Ma trận A gọi là ma trận trạng thái (n n)
Ma trận B goi là ma trận đầu vào (n

r)

Đặt n biền trạng thái ghép chung lại thành vecto
;

;

Chú ý:
p

=

;

có ảnh Laplace:


p
p
Mặt khác:

Suy ra:

Mặt khác:
Y(p) =
Laplace ngược hai vế ta có:
Y=
dxn
y = ( b0 − a0bn ) x1 + ( b1 − a1bn )
Thế dt từ pt trên ta có:
y = ( b0 − a0bn ) x1 + ( b1 − a1bn ) x2 + ... + ( bn −1 − an −1bn ) xn + bnu
y = ( b0 − a0bn ; b1 − a1bn ;...bn −1 − an −1bn ) x + bnu

Phương trình điện áp phần ứng:
= i.R + L. +
Trong đó:
=

: suất điện động phàn ứng

R,L : là điện trở tổng và điện kháng của mạch stator
Phương trình momen động cơ:

M m = M t + b.ω + j.

dω
dt

là momen trên trục động cơ.
Với:

=

là momen tải của động cơ.(là nhiễu do ta chưa biết tải)

J là momen quán tính của phụ tải .
b la hệ số ma sát của động cơ (do ta xét ở điều kiện lý tưởng => b = 0)
Do đó phương trình cân bằng momen.
=

j.

Ta có hệ phương trình:


Đây chính là sơ đồ mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào( ) và tín hiệu ra( ) cần tìm
Trong đó các phần tử:
Uư : Là điện áp phần ứng động cơ.
Iư : Là dòng điện phần ứng.
Rư : Điện trở phần ứng.
Lư : Điện cảm phần ứng.
Thông số động cơ như sau:
-Công suất động cơ : P = 11 KW
-Điện áp định mức :

= 220 V

-Dòng điện định mức :
- Điện trở phần ứng :

Tốc độ định mức :
= 0,197

-Điện cảm phần ứng :
- Momen động cơ : J = 0,56 kg.
tốc góc của động cơ:

= 59,5 A

= 0,014 H
Vận

= 1500 v/p