ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

317
ỨNG DỤNG THIẾT BỊ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
APPLICATION OF THE DIGITAL SIGNAL PROCESSOR TO THE CONTROL OF
ELECTRIC DRIVE SYSTEM USING SEPARATELY EXCITED DC MOTOR

Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xử lý tín hiệu số (DSP) đã và
đang trở thành một công nghệ tiên tiến. Vì vậy, DSP được ứng dụng mạnh mẽ và rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật xử lý
tín hiệu số trong việc điều khiển tốc độ (có đảo chiề
u) động cơ 1 chiều. Cụ thể là xây dựng bộ
điều khiển PID số trên phần mềm Matlab Simulink, kết nối với hệ dSPACE DS1104, tạo giao
diện điều khiển bằng phần mềm ControlDesk để xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng analog
thông qua cổng DAC của hệ dSPACE DS1104. Qua đó điều khiển hệ thống truyền động điện
thực sử dụ
ng động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
ABSTRACT
Nowadays, together with the development of science, digital signal processing (DSP)
has become an advanced technology. Hence, it has been extensively applied in a wide range of
fields. This article deals with some results of research and application of the DSP technology in
the DC motor speed control (reversible). The final part of this study is concerned with a design
of a digital PID controller on Matlab-Simulink, connecting with dSPACE DS1104, creating the
control interface by the ControlDesk software to generate control signal in analog via the DAC
connector of dSPACE DS1104. Thereby, we can control a real electric drive system using a

separately excited DC motor.

1. Đặt vấn đề
Ngày nay, động cơ điện một chiều vẫn được ứng dụng khá phổ biến trong các
lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật để thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác cao,
yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Bên cạnh đó, thiết bị xử lý tín hiệu số dSPACE có khả năng xử lý tính toán thời
gian thực rất nhanh, nhờ sự tích hợp bộ xử lý tốc độ cao, các giao diện phần cứng phục
vụ cho việc giao tiếp giữa hệ thống chương trình điều khiển mềm với đối tượng điều
khiển bên ngoài. Hệ dSPACE còn hỗ trợ liên kết lập trình với các ngôn ngữ bậc cao vì
vậy người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và có thể chỉ tập trung vào phát triển thuật
toán điều khiển. Ví dụ như sử dụng Matlab để lập trình thì sẽ có rất nhiều lợi thế bởi lẽ
các thư viện của Matlab rất đồ sộ, không mất nhiều thời gian để lập trình cũng bài toán
đó so với các hệ vi điều khiển khác. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng hệ dSPACE
nói chung và dSPACE DS1104 nói riêng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

318
đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có
nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn.
2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1. Thiết kế và chế tạo phần động lực
2.1.1. Cơ sở lý thuyết:
Hệ truyền động điện T-Đ (Thyristor-Động cơ) cho phép thực hiện các yêu cầu
kỹ thuật của hệ truyền động điện 1 chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng
rãi. Tác giả sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều
chỉnh. Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi đấu song song ngược với nhau. Xung điều khiển cùng 1
lúc được đưa vào cả 2 bộ, trong đó có 1 bộ được điều khiển với góc α < π/2, làm việc ở
chế độ chỉnh lưu, còn bộ thứ 2 được điều khiển với góc α > π/2, ở chế độ chờ. Sự phối
hợp giá trị giữa α

1
và α
2
(góc mở của 2 bộ biến đổi) được thực hiện theo quan hệ α
1
+ α
2

= 180
o
. Sự phối hợp này gọi là phối hợp tuyến tính

Hình 1. Bộ chỉnh lưu đảo chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh
2.1.2. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển:
Từ lý thuyết về bộ chỉnh lưu 3 pha có đảo chiều, tác giả đã thiết kế mạch trên
phần mềm Orcad, kết quả thiết kế như sau













+12V

R121
4.7k
R122
10k
12
43
ISO23
PC521
+12V_4
1N4007
R123
200
Q50
B772
GND_3
+
-
~
~
D37
DIODE BRI DGE
+12V_3
1
2
12VAC 1000uf1
104pf1
Q51
SCR
1
2

3
J45
AC PW R
Q52
SCR
Out1
GND_1L1
GND_4
GND_3GND_3L3
GND_2L2
+
-
~
~
D38
DIODE BRI DGE
+12V_4
1
2
12VAC 1000uf2
104pf2
Q53
SCR
GND_1
Thy _1Thy _1
L1
Out1
+12V
R46
4.7k

R124
10 2W
12
43
ISO24
PC521
1N4007
+12V_1
R125
200
Q54
B772
R126
4.7k
Q55
SCR
R127
10k
Q56
SCR
GND_5
Thy _8
Q57
SCR
+
-
~
~
D40
DIODE BRI DGE

1
2
3
4
J47
CON4
+12V_5
1
2
12VAC 1000uf3
104pf3
L2
R128
4.7k
12
43
ISO25
PC521
R129
10k
+12V_1
1N4007
R130
200
Q58
B772
Thy _7
GND_1L1
Out4 GND_ 5
+12V

R131
4.7k
R132
10 2W
1
2
3
4
J48
CON4
12
43
ISO26
PC521
+12V_5
1N4007
R133
200
Q59
B772
R134
4.7k
Out2
R135
10k
L3
R136
4.7k
R137
10k

GND_ 5
Thy _9
+12V
Out5
R138
4.7k
R139
10 2W
12
43
ISO27
PC521
+12V_5
1N4007
R140
200
Q60
B772
R141
4.7k
R142
4.7k
R143
10k
R144
10k
Thy _12
Thy _3
GND_ 3
GND_2

+12V
+12V
Out2
R145
4.7k
R146
4.7k
Out5
R147
10 2W
R148
10 2W
+12V_3
GND_2L2
12
43
ISO28
PC521
12
43
ISO29
PC521
+12V_2
1N4007
1N4007
R149
200
R150
200
Q61

B772
Q62
B772
Out3
R151
4.7k
R152
10k
Thy _11
+12V
Out6 GND_ 5
R153
4.7k
Out6
R154
10 2W
Out5
Out4
12
43
ISO30
PC521
1N4007
+12V_5
Thy _10
GND_ 2
R155
200
Out4
+12V

Q63
B772
R156
4.7k
R157
10 2W
R158
4.7k
12
43
ISO31
PC521
R159
10k
1N4007
+12V_2
Thy _8
+12V
GND_ 1
R160
200
Q64
B772
R161
4.7k
GND_3GND_3L3
Out6
R162
10 2W
GND_1

+
-
~
~
D7
DIODE BRI DGE
+12V_1
1
2
12VAC 1000uf4
104pf4
GND_4GND_4GND_4
D48
DIODE 10A
Thy _9
Thy _2Thy _2
R163
4.7k
R164
10k
Thy _6
+12V
Thy _1Thy _1
GND_4
R165
4.7k
Out2
R166
10 2W
12

43
ISO32
PC521
+12V_4
1N4007
R167
200
1
2
J46
CON2
Q65
B772
Thy _ 3Thy _ 3
Thy _10
Q66
SCR
Thy_11
Q67
SCR
Q68
SCR
Q69
SCR
Q70
SCR
Q71
SCR
GND_5
D50

DIODE 10A
Thy _7Thy _7
+12V
Thy _ 4Thy _ 4
Thy _5Thy _5
Thy_12
GND_2
+
-
~
~
D51
DIODE BRI DGE
+12V_2
1
2
12VAC 1000uf11
104pf11
R168
4.7k
Thy _6Thy _6
R169
10k
Thy _5
+12V
Out3 GND_3
R170
4.7k
R171
10 2W

12
43
ISO33
PC521
1N4007
+12V_3
GND_4
Thy _4
R172
200
+12V
Out1
Q72
B772
R173
4.7k
R174
10 2W
R175
4.7k
12
43
ISO34
PC521
R176
10k
1N4007
Thy _2
+12V
+12V_4

GND_4
R177
200
Q73
B772
R178
4.7k
Out3
R179
10 2W
a.
b.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

319








Hình 2. Sơ đồ mạch điều khiển
a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng
2.1.3. Board mạch điều khiển thực tế:

Hình 3. Board mạch thực tế sau khi tiến hành lắp mạch
a: Mạch SCR; b: Mạch TCA; c: Mạch chỉnh hướng
2.1.4. Mô hình phần động lực hoàn chỉnh:
Tác giả đã sử dụng động cơ 1 chiều cho phần động lực với các thông số kỹ thuật
chính như sau :
P
đm
=750; Công suất định mức của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
U
ưđm
=180; Điện áp định mức của động cơ
I
ưđm
=5; Dòng điện định mức của động cơ
U
ktđm
=100; Điện áp kích từ
I
ktđm
=0.3; Dòng kích từ
n
đm
=1800; Tốc độ định mức (vòng/phút)

a.
D5
LED
R13
1k
D6
LED
R14
1k
R15
POT
J54
CON3
1
2
3
+12V
R16
POT
-12V
D7
DIODE
D8 DIODE
D1 DIODE
D2
DIODE
C4
104
J50
CON3

1
2
3
C5
104
+12V
C2
1000u
C1
1000u
+12V
J49
input
1
2
-12V
-
+
U1A
LM324
3
2
1
411
-
+
U1B
LM324
5
6

7
411
-
+
U1C
LM324
10
9
8
411
-
+
U1D
LM324
12
13
14
411
-12V
+12V
D3
DIODE
D4
DIODE
R9
10k
R10
10k
R11
10k

R12
10k
J51
output
1
2
+12V
2.2k
UdkUdk
R27 4k7
~select
out1
100k5
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsy nc

5
I
6
QZ
7
Vref
8
L
13
V11
11
C12
12
C10
10
U8
TCA 785
1N5
0.47uf5
0.1uf5
47nf5150pf5
22k
out4
2.2uf5
R28 10k
Vsync 1
out2
C3
CAP NP
selectselect

out3
out4
1
2
J51
CON2
~select
out5
+12V
2.2k
UdkUdk
R29 4k7
~selec t
C4
CAP NP
100k6
out6
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU

3
Q1
4
Vsync
5
I
6
QZ
7
Vref
8
L
13
V11
11
C12
12
C10
10
U9
TCA 785
1N6
0.47uf6
0.1uf6
47nf6150pf6
22k
out5
2.2uf6
R30 10k
Vsyn c2

+12V
2.2k
UdkUdk
R31 4k7
~selec t
100k7
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsync
5
I
6
QZ
7
Vref
8

L
13
V11
11
C12
12
C10
10
U10
TCA 785
1N7
0.47uf7
0.1uf7
47nf7150pf7
22k
1
2
3
J50
CON3
out6
2.2uf7
R33 10k
Vsy nc3
+12V
+12V
Vsync 2
+12V
2.2k
UdkUdk

R23 4k7
1
2
18VAC
select
100k1
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsync
5
I
6
QZ
7
Vref
8

L
13
V11
11
C12
12
C10
10
U3
TCA 785
1N1
0.47uf1
47nf1
0.1uf1
22k
150pf1
out2
2.2uf1
R24 10k
IN
1
OUT
3
GND
2
U7
7805
Vsy nc3
+12V
2.2k

UdkUdk
R25 4k7
1
2
18VAC
select
22k
100k3
UdkUdk
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsync
5
I
6
QZ

7
Vref
8
L
13
V11
11
C12
12
C10
10
U4
TCA 785
1N3
0.47uf3
0.1uf3
47nf3150pf3
22k
out3
2.2uf3
C1
1000u
R26 10k
C2
1000u
22k
1
U10.15
HOLE
1

U10.16
HOLE
1
U10.1
HOLE
1
U10.2
HOLE
1
2
J49
CON2
+12V
+12V
2.2k
1
2
3
J26
SW
UdkUdk
R22 4k7
1
2
18VAC
-+
D54
DIODE BR IDGE
+12V
1B

1
2B
2
3B
3
4B
4
5B
5
6B
6
7B
7
1C
16
2C
15
3C
14
4C
13
5C
12
6C
11
7C
10
COM
9
U11

ULN2003A
select
100k
Q1
14
Q2
15
Vs
16
R9
9
GND
1
Q2
2
QU
3
Q1
4
Vsync
5
I
6
QZ
7
Vref
8
L
13
V11

11
C12
12
C10
10
U2
TCA 785
1N4007
0.47uf
0.1uf
47nf150pf
22k
out1
2.2uf
10k
R20 10k
Vsync 1
1
2
3
4
J52
CON4
1
2
3
4
J53
CON4
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

320
Tác giả đã kết nối mạch điều khiển với động cơ, từ đó có được mô hình phần
động lực hoàn chỉnh sau đây :








Hình 4. Mô hình phần động lực
2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID số trên Matlab-Simulink
2.2.1. Cơ sở lý thuyết:
Trong phạm vi bài báo, tác giả chỉ sử dụng hệ thống truyền động một vòng kín
(mạch vòng tốc độ). Vì T
ư
<< Tc nên tích số T
u
.T
c
rất bé nên có thể bỏ qua thành phần
này trong hàm truyền của động cơ, ta có :
1p
c
T
2
p
c

T
u
T
dc
K
(p)
dc
W
++
=
⇒
()
1p
c
T
dc
K
p
dc
W
+
≈

tức là ta xem động cơ là khâu quán tính bậc 1
Ta có hàm truyền của đối tượng như sau :
()
()
()
1pT1p
c

T
K
pS
++
=
∑

Sử dụng nguyên lý tối ưu Modul, chọn bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau:
G
c
(p)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
pT
1
1K
I
P

p
I
P
K

K +=

Rời rạc hoá bằng biến đổi z, ta có được bộ điều khiển PI số có hàm truyền như
sau :
G
c
(z)
1z
AzA
10
−
+
=
với
2
TK
KA
I
p
0
+= và
2
TK
KA
I
p
1
+−=
2.2.2. Xây dựng bộ điều khiển PI số trên Matlab-Simulink:
Sau khi đã lắp đặt card dSPACE DS1104 vào phần cứng máy tính, dựa vào cơ

sở lý thuyết về PID số và thư viện của dSPACE DS1104 tác giả đã thiết kế được bộ PI
số trên Matlab-Simulink để chuẩn bị kết nối, điều khiển mô hình hệ T-Đ.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

321

Hình 5. Bộ PI số (có đảo chiều) được xây dựng trên Matlab-Simulink
2.3. Thiết kế giao diện bằng ControlDesk
Chạy biểu tượng dSPACE ControlDesk trên màn hình của máy tính, tiến hành
thiết kế giao diện bằng ControlDesk. Sau khi thiết kế, tác giả có được giao diện điều
khiển như sau :

Hình 6. Giao diện điều khiển trên ControlDesk
2.4. Kết nối mô hình hệ T-Đ với dSPACE DS1104
Mô hình hệ T-Đ kết nối với card dSPACE DS1104 thông qua Expansion Box
(được nối với phần cứng máy tính qua cổng PCI)

Hình 7. Expansion Box
Tín hiệu số sau khi qua bộ điều khiển sẽ có giá trị từ -1 đến 1, sau khi qua xử lý
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

322
sẽ xuất tín hiệu có giá trị từ -10V đến 10V thông qua cổng DAC1 trên Expansion Box.
Từ DAC1, qua dây cáp đồng trục chống nhiễu sẽ đưa thẳng tín hiệu -10V đến 10V (U
điều khiển) vào mạch điều khiển.
0V 10V : Động cơ quay thuận
-10V
→
0V : Động cơ quay ngược
Encoder phản hồi về thông qua cổng

ENC_POS_C1
Tác giả dùng các chân gồm :
Chân 1,9 : VCC (+5V)
Chân 2 : signal A, Chân 4 :signal
Chân 11 : GND
3. Kết quả và đánh giá
Nạp chương trình từ Simulink xuống card DSP bằng cách nhấn Ctrl+B. Sau khi
nạp chương trình xong, mở giao diện điều khiển trên ControlDesk, chuyển sang chế độ
Animation Mode để điều khiển động cơ.
Kết quả điều khiển động cơ cho cả 2 chế độ chạy thuận và chạy ngược như sau :

Hình 9. Động cơ ở chế độ chạy thuận

Hình 10. Động cơ ở chế độ chạy ngược
Kết quả thực nghiệm cho thấy, thông qua bộ PID số, tốc độ động cơ thực tế ở cả
Hình 8. Sơ đồ chân cổng ENC_POS_C1
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

323
2 chế độ thuận, ngược đều đạt giá trị sát với tốc độ đặt và động cơ đạt trạng thái ổn
định nhanh.

4. Kết luận
Dựa vào các kết quả của mô hình thực nghiệm, kết luận được rằng hệ thống
truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập dùng thiết bị xử lý tín hiệu
số dSPACE DS1104 có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng, ổn
định được tốc độ động cơ, đồng thời thời gian quá độ khi điều chỉnh ngắn, động cơ đạt
được trạng thái xác lập rất nhanh. Từ đó cho ta thấy rằng, với sự phát triển của các vi
mạch số, các bộ điều khiển số có thể thay thế được các bộ điều khiển tương tự trong các
hệ thống truyền động điện. Việc kết nối các hệ thống dùng bộ điều khiển số với máy

tính dễ dàng mở rộng khả năng giám sát hệ thống khi làm việc.
Ngoài ra, ta cũng thấy rằng việc xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab-
Simulink phù hợp cho giai đoạn phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế, giảm chi
phí trong quá trình nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển. Việc mô phỏng thời gian thực
giúp cho việc kiểm nghiệm các mô hình đã thiết kế làm việc với thời gian thực để chọn
ra được các thông số tối ưu cho bộ điều khiển khi sản xuất mạch phần cứng.
Mô hình thực nghiệm đã xây dựng cũng tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình
nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho các đối tượng khác nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006),
Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[2] PGS-TS Đoàn Quang Vinh, Giáo trình Điều khiển số, trường Đại học Bách Khoa
Đà Nẵng.
[3] Nguyến Phùng Quang (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và Kỹ
thuật Hà Nội.
[4] dSPACE Systems, First Work Steps , For Release 6.0(6.1), November 2007.
[5] dSPACE Release, Quick Software Installation Guide, For Release 6.1, March
2008.
[6] DS1104 R&D Controller Board, Hardware Installation and Configuration, For
Release 5.2(6.1), December 2006.