Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm matlab simulink

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính
của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, điểm hạn chế trong
cấu tạo và trong quá trình làm việc của chúng là:
- Cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì,
bảo dưỡng thường xuyên;
- Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc.
Để khắc phục các nhược điểm trên người ta chế tạo loại động cơ thay thế
chức năng của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán
dẫn (Ví dụ như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí
rôto). Những động cơ này được biết đến như là động cơ một chiều không chổi
than (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này
khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp
thông thường. Chính vì lý do trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền
động điện dùng động cơ một chiều không chổi than đã và đang được nghiên cứu
và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổi
than là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trường roto.
Như vậy khi đã xác được vị trí roto việc xây dựng thuật toán điều khiển dòng
cấp cho cuộn dây Stato và nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab
- Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển này là cần thiết và cũng là hướng
nghiên chính của bản luận án.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động
cơ một chiều không chổi than.
- Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm
Matlab - Simulink.
3. Kết quả dự kiến:
- Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than.
- Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không chổi

than.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một
chiều không chổi than.
4. Phương pháp và phương pháp luận:
- Phương pháp luận:
1
+ Nghiên cứu lý thuyết về động cơ một chiều không chổi than, phân tích
lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán luật điều khiển.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán, mô phỏng, kiểm chứng.
+ Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả
nghiên cứu lý thuyết.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than
Chương 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than
Chương 3: Thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của
chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là
trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu
cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta
chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ
góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như
biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động
cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh

cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC
Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu
hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường. 1.1.1.1.
Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than
Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ
xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh
cửu. Hình 1.1 minh hoạ cấu tạo của một động cơ một chiều không chổi than ba
pha điển hình:
2
Cấu tạo ĐCMCKCT

Sơ đồ khối ĐCMCKCT
Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều
nhiều
pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt
cơ bản
của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng
bộ là nó kết
hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ)
nhằm tạo
ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử như biểu diễn trên hình
1.2. Từ
hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết
hợp của
động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử
chuyển
mạch theo vị trí rotor.
Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu
hết các
ĐC đồng

bộ kích
thích vĩnh
cửu
Cảm biến
vị trí
Chuyển mạch điện tử
3
cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số
động cơ sử
dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có
năng suất
cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha
cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
Như vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3
phần chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị
trí để xác định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của
động cơ.
Stator:
Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều
không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha,
ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha (hình 1.3). Dây quấn ba
pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác .
Stator của ĐCMCKCT được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các
cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator.
Theo truyền thống cấu tạo stator của ĐCMCKCT cũng giống như cấu tạo của
các động cơ cảm ứng khác.
Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo
nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. ĐCMCKCT có 2 dạng sức
phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau
này mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là ĐCMCKCT hình sin và

ĐCMCKCT hình thang. Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng
hình sin và hình thang.
Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn
vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn
nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện
động là lớn hơn.
Rotor:
Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam
châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường
chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng.
Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu. Số lượng đôi cực dao động
từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau.
Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của
động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử. Tức là các
4
cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn
công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự.
Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà
phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều
quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator
tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor được xác
định bằng nhiều cách khác nhau như phương pháp điện từ; phương pháp quang
điện và phương pháp sử dụng cảm biến Hall.
1.1.2. Mô hình toán học và phương trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT
1.1.2.1. Mô hình toán học của ĐCMCKCT
Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục
đích mô tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toán học để
thuận lợi cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế. Đối với động cơ, mô tả toán
học đóng vai trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa
trên mô hình toán học. Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn

đề trong quá trình tính toán thiết kế cho động cơ.
Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT
1/ 0 0 0 0
. 0 1/ 0 . 0 0 .
0 0 1/ 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
i Ls v R i e
s i Ls v R i e
i Ls v R i e
 
           
 
           
= − −
 
           
 
           
           
 
(1-8)
i
a,
i
b,
i
c
: Dòng điện các pha

Ls = L-M : Điện cảm tương đương của mỗi pha
Ra= Rb= Rc = R : Điện trở cuộn dây stator
La = Lb = Lc = L : Điện cảm của các cuộn dây
Lab= Lbc= Lca = M : Hỗ cảm giữa các cuộn dây
Va, Vb, Vc : Điện áp pha
5
Momen điện từ
Momen điện từ của ĐCMCKCT được tính thông qua các công suất cơ và
công suất điện. Do trong ĐCMCKCT ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động cơ
và ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ. Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng là
loại có điện trở suất cao nên có thể giả thiết bỏ qua các tổn hao sắt, tổn hao
đồng… Vì vậy, công suất điện cấp cho động cơ cũng chính bằng công suất cơ
trên đầu trục.
Momen điện từ của ĐCMCKCT được tính theo công thức sau:

a a b b c c
e i e i e i
M
ω
× + × + ×
=
Phương trình động học của ĐCMCKCT :
( )
m c
d
M J J D Mc
dt
ω
ω
= + + × +

J
m
: Momen quán tính J
c
: Momen quán tính của tải
M
c
: Momen tải của ĐC M
f
: Momen ma sát
D : Hệ số nhớt giữa ma sát và tốc độ ω : Tốc độ quay của động cơ
1.2. Hệ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than
1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)
Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực
6
Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator
Hình trên minh hoạ một ĐCMCKCT ba pha đơn giản, động cơ này sử dụng
cảm biến quang học làm bộ phận xác định vị trí rotor. Như biểu diễn trên hình
1.13, cực Bắc của rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi P2 của stator,
phototransistor PT1 được chiếu sáng, do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base)
của transistor Tr1 làm cho Tr1 mở. Ở trạng thái này, cực Nam được tạo thành ở
cực lồi P1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làm
cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên.
Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của
stator, lúc này màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 được chiếu
sáng, Tr2 mở, dòng I2 chảy qua Tr2. Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2
và tạo ra cực Nam trên cực lồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũi
tên đến vị trí đối diện với cực lồi P2. Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và
phototransistor PT3 được chiếu sáng. Lúc này chiều củadòng điện có chiều từ
W2 sang W3. Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại

được kích hoạt và tạo thành cực lồi. Do đó, cực Bắc của rotor di chuyển từ P2
sang P3 mà không dừng lại. Bằng cách lặp lại các chuyển mạch như vậy, rotor
nam châm vĩnh cửu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục.
7
1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)
Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên
stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí
(trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển
mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí
tương ứng của rotor.
Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCT
Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 van
chuyển mạch được bố trí trên hình. Trong đó 6 chuyển mạch là các van công
suất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng
van MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thường
dùng van IGBT. Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn
thì các diode được mắc song song với các van. Để điều khiển các van bán dẫn
của chuyển mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor
để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay
giống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường.
8
1.3. Kết luận
Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồm
cấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cần
thiết khi lựa chọn động cơ và ưu nhược điểm của ĐCMCKCT so với một số loại
động cơ khác. Có thể thấy, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trong
điều khiển, ĐCMCKCT là một loại động cơ phù hợp với rất nhiều yêu cầu đòi hỏi
độ chính xác và yêu cầu momen cao. Nó có thể thỏa mãn các ứng dụng từ dải công
suất thấp cỡ vài W đến công suất lớn cỡ hàng trăm KW. Vì vậy ĐCMCKCT đang
trở nên ngày càng phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp.Động cơ một chiều

thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên nhược điểm lớn
nhất của nó là trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí đó là cổ góp và
chổi than. Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyền
động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp ứng được.
ĐCMCKCT đã khắc phục được nhược điểm này, do đó đã mở ra nhiều hướng ứng
dụng mới cho loại động cơ này.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
2.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT
Một cách tổng quát sơ đồ khối hệ truyền động động cơ MCKCT với 2
mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ sử dụng máy tính với phần mềm
Matlab-Simulink để điều khiển như hình sau:
Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK
BỘ ĐIỀU
KHIỂN
ĐỘNG
CƠ
MCKCT
CARD
GHÉP
NỐI
U
cđ
Vị trí rô to động cơ
n
Phản hồi dòng điện
Phản hồi tốc độ
BBĐ
NĂNG
LƯỢNG

Điện áp 3 pha
U
a
, U
b
, U
c
Máy tính
9
Trong đó:
- Bộ điều khiển: thực hiện tạo tín hiệu điều khiển theo quy luật yêu cầu
- Card ghép nối: thực hiện chức năng trao đổi thông tin qua lại giữa bộ
điều khiển; bộ biến đổi năng lượng và đối tượng điều khiển.
- Bộ biến đổi năng lượng: Cung cấp năng lượng cho động cơ truyền động.
Việc điều khiển dòng năng lượng bằng các chuyển mạch điện tử trên cơ sở tín
hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tín hiệu phản hồi vị trí rô to động cơ
MCKCT.
- Động cơ MCKCT: Đối tượng điều khiển trong hệ truyền động. Các
trạng thái tốc độ, dòng điện và vị trí rô to được xác định từ các cảm biến và các
tín hiệu này sẽ tham ra vào quá trình điều khiển hệ thống.
2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán:
2.2.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển): được thực hiện dựa trên việc tổng
hợp hệ thống truyền động.
Sơ đồ hệ thống điều khiển một pha của ĐCMCKCT được trình bày trong hình 2.2
Sơ đồ cấu trúc một pha ĐCMCKCT
Trong đó:
- U
cđ
: Tín hiệu đặt
- R

w
,R
i
: Bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện
- K
b,
b
τ
: Hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của bộ biến đổi
e
C
1
n
R
w
R
i
1
+
s
K
b
b
τ
1
1
+
sT
e
R

d
U
cđ
E
b
I
∆
β
(-)
(-)
γ
β
E
Đ
(-)
sT
R
m
d
I
d
(-)
I
c
10
- R
d
: Tổng trở bao gồm điện trở của bộ biến đổi và cuộn dây phần ứng
động cơ
- T

e
, T
m
: Hằng số thời gian điện từ mạch điện rotor và hằng số thời gian
điện cơ hệ thống truyền động điện
- C
e
: Hệ số sức điện động của động cơ
- E
b
, E
Đ
: Sức điện động của bộ biến đổi và của động cơ
-
γβ
,
: Hệ số phản hồi dòng điện và tốc độ
Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển tốc độ R
w
và
bộ điều khiển dòng điện R
i
sao cho trong quá trình làm việc tốc độ thực của
động cơ luôn bám theo một lượng đặt cho trước. Hai bộ điều khiển R
w
và R
i
được tổng hợp theo cấu trúc nối cấp, tín hiệu ra của bộ điều khiển tốc độ là là tín
hiệu đầu vào của bộ điều khiển dòng điện. Hai bộ điều khiển này quyết định đến
chất lượng động và tĩnh của hệ truyền động điện. Qui luật điều khiển của R

w
và
R
i
được thực hiện theo phương pháp modul tối ưu.
Các tham số của động cơ một chiều không chổi than:
Điện trở một pha: R
ư
= 0.445 (Ω)
Điện cảm một pha: L
ư
= 0.00585 (H)
Tốc độ định mức: n
đm
= 2800 (v/ph)
Dòng định mức: I
đm
= 11.8 (A)
Momen định mức: T
đm
= 249.11 (N.m)
Momen quán tính: J
m
= 0.117 (kg.m
2
)
Hệ số momen: C
t
= 2.94 (N.m/A)
Hệ số sức điện động: C

e
= 2.38 (V/rad/s)
Điện áp định mức:V
đm
= 48 (V)
Công suất định mức: P = 500 (W)
Hằng số thời gian điện từ:
T
e
= L
ư
/ T
ư
= 0.00585/0.445 = 0.0131 (s)
Hằng số thời gian điện cơ:
T
m
=
38.2*94.2
445.0*117.0
=
et
um
CC
RJ
= 0.0074 (s)
2.2.1.1. Hàm truyền của bộ biến đổi:
W
bbd
=

).1)(.1(
0
υ
TsTs
K
dk
b
++
Trong đó
T
dk
: Hằng số thời gian mạch điều khiển
T
ν0
: Hằng số thời gian chuyển mạch nghịch lưu của van bán dẫn.
11
Sau khi thay các thông số và biến đổi lược bỏ các thành phần vi phân bậc
cao ta được:
W
bbd
=
9.6
1 1 0.0008
b
b
K
s s
τ
=
+ +

2.2.1.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Cấu trúc mạch vòng dòng điện:
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Từ sơ đồ mạch vòng dòng điện, sau khi biến đổi, tổng hợp và thay các
thông số động cơ ta được:
( 1)
28.97
0.3795
2 2 2
d e d e d
i
b b b
R T s R T R
R
K s K K s s
β τ β τ β τ
+
= = + = +

Như vậy luật điều khiển của bộ điều khiển dòng điện được thực hiện theo
công thức trên.
2.2.1.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Sau khi tổng hợp xong mạch vòng dòng điện, sơ đồ cấu trúc của hệ có
dạng như sau:
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
Từ sơ đồ mạch vòng tốc độ, sau khi biến đổi, tổng hợp và thay các thông
số động cơ ta được:

e
C

1
n
R
i
1
+
s
K
b
b
τ
1
1
+
sT
e
R
d
U
Rw bh
E
b
I
∆
β
(-)
β
E
Đ
(-)

sT
R
m
d
I
d
γ
1
122
1
2
2
++
ss
bb
ττ
n
(-)
R
w
U
cđ
d
e m
R
C T s
γ
β
12
( )

w
1 0.0074*2.38*1
0.0396
4 2 1
1*0.445
2 1
m e
b b
d
d
e m b
T C
R
s s
R
R
C T s s
β
τ τ
γ
γ
β τ
= = = =
+
×
+
Như vậy luật điều khiển của bộ điều khiển tốc độ được thực hiện theo
công thức trên.
2.2.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển):
Có nhiều phương pháp để thực hiện luật điều khiển dòng điện và tốc độ

như đã xác định ở trên như sử dụng mạch tương tự hoặc sử dụng mạch số. Trong
mạch số có thể dùng vi xử lý hoặc máy tính để thực hiện luật điều khiển.
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi
công ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm
số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện than thiện với
người dùng, liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ
lập trình khác và truyền thông kết nối thiết bị thực. Đặc biệt với bộ công cụ
Simulink và các thư viện, MATLAB cho phép mô phỏng quá trình điều khiển
nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật. Matlab có thể đóng vai trò là trung tâm
điều khiển trong hệ thống điều khiển số. Trong luận văn, tác giả sử dụng máy
tính với phần mềm MATLAB-SIMULINK để thực hiện các luật điều khiển
trong hệ điều tốc ĐCMCKCT.
Như vậy máy tính với phần mềm Matlab – Simulink trong cấu trúc trên sẽ
thực hiện các chức năng sau:
- Tạo tín hiệu chủ đạo (hay tín hiệu đặt tốc độ)
- Tổng hợp và tạo tín hiệu điều khiển theo luật điều khiển dòng điện và
tốc độ
- Hiển thị kết quả
2.3 Card ghép nối:
Thực hiện nhiệm vụ gửi tín hiệu điều khiển từ máy tính qua phần mềm
MatLab-Simulink tới bộ biến đổi năng lượng, hoặc thông tin phản hồi của hệ
quay trở về tham gia vào quá trình điều khiển, trong luận văn sử dụng card ghép
nối ArduinoDue do Arduino sản xuất, và kèm theo thư viện ArduinoIO do
MathWorks cung cấp.
Arduino là một hệ thống sản xuất các bo mạch mã nguồn mở được hình
thành và phát triển từ năm 2005. Do các bo mạch là mã nguồn mở nên đến nay
hệ thống này đã phát triển rất mạnh mẽ và có thư viện hỗ trợ cho người sử dụng
rất đa dạng, phong phú. Là một thiết bị phần cứng, Arduino có thể hoạt động
độc lập với chức năng thực hiện các luật điều khiển, kết nối với máy tính, hoặc
13

một thiết bị Arduino khác, các thiết bị điện tử khác Trong luận văn chỉ sử
dụng Card Arduino với vai trò là thiết bị kết nối.
Bo mạch ArduinoDue sử dụng vi điều khiển 32bit do hãng Atmel sản
xuất. Sơ đồ kết nối với máy tính như hình sau:
VCC
1
D-
2
D+
3
ID
4
GND
5
USB1
USB_M
Reset(PC1/DW)
24
XTAL2(PC0)
2
XTAL1
1
AVCC
32
VCC
4
GND
3
UCAP
27

UVCC
31
D-
30
D+
29
UGND
28
PAD
33
(PCINT7/OC0A/OC1C)PB7
21
(PCINT6)PB6
20
(PCINT5)PB5
19
(T1/PCINT4)PB4
18
(PD0/MISO/PCINT3)PB3
17
(PDI/MOSI/PCINT2)PB2
16
(SCLK/PCINT1)PB1
15
(SS/PCINT0)PB0
14
(INT4/ICP1/CLK0)PC7
22
(OC1A/PCINT8)PC6
23

(PCINT9/OC1B)PC5
25
(PCINT10)PC4
26
(AIN2/PCINT11)PC2
5
(CTS/HWB/TO/INT7)PD7
13
(RTS/AIN5/INT6)PD6
12
(XCK/AIN4/PCINT12)PD5
11
(INT5/AIN3)PD4
10
(TXD1/INT3)PD3
9
(RXD1/AIN1/INT2)PD2
8
(AIN0/INT1)PD1
7
(OC0B/INT0)PD0
6
*2
ATMEGA16U2-MU
1 2
3 4
5 6
P3
Header 3X2
1 2

3 4
P1
Header 2X2
12Mhz
C9
100pF
C12
100pF
GND
C13
104
C14
104
GND GND
GND
GND
RD+
RD-
USBVCCU2
VUCAP
+5V
R7
1k
R9
1k
F1
F1A
GND
L3
150mH

C10
104
GND
USBVCCU2
GND
VCC
R3
1k
D1
CD1206-S01575
8 P B 4
8 P B 5
8 P B 6
8 P B 7
MISO2
SCK2
RESET2
X V C C
BD-
BD+
SCK2
MOSI2
MISO2
R8
1k
R10
1k
R11
1k
R13

1k
MASTER-RESETRESET_CMD
USBVCC
GND
R12
1k
LED
LED
TXL-U2
RXL-U2
+5
A D J / G
1
OUT
2
IN
3 Tab
4
IC2
LM1117
C15
100uF/35V
C16
100uF/35V
C17
100uF/35V
C18
104
C19
104

C20
104
A D J / G
1
OUT
2
IN
3 Tab
4
IC1
LM1117
D2
1N4007
+DC
-DC
1
2
3
JDC1
Jac DC
+5V 3V3
1
1k
LED3
LED
GND
Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính
Các thông số của bo mạch:
Vi điều khiển AT91SAM3X8E
Một lõi 32-bit, cho phép hoạt động trên 4 byte dữ liệu rộng trong một

xung nhịp CPU duy nhất.
Điện áp hoạt động 3.3V
Nguồn cấp 7-12V
Số đầu vào/ra số 54 (trong đó có 12 cung cấp đầu ra PWM)
Đầu vào tương tự 12
Đầu ra tương tự 2 (DAC)
Dòng điện vào/ra số 130 mA
Bộ nhơ chương trình (Flash) 512 KB
SRAM 96 KB
Tần số xung hoạt động 84 MHz
14
Thư viện ArduinoIO:
Thư viện ArduinoIO là một thư viện trong bộ công cụ Simulink hỗ trợ các
bo mạch Arduino làm việc với Matlab-Simulink.Thư viện này gồm các khối
chức năng để cài đặt và sử dụng các tính năng của ArduinoDue.
2.4. Bộ biến đổi năng lượng
Để điều khiển ĐCMCKCT hiện nay với công nghệ vật liệu ngày càng phát
triển nên các nhà sản xuất IC đã tích hợp nhiều chức năng trên một IC bán dẫn
vì vậy việc nghiên cứu, điều khiển các loại động cơ gặp nhiều thuận lợi hơn
trước. Có rất nhiều loại IC khác nhau của nhiều hãng khác nhau sản xuất
nhưng mỗi loại lại có sự khác nhau về cấu trúc vào ra và chức năng của các chân.
Trong điều khiển ĐCMCKCT dùng phương pháp chuyển mạch hai
cực tính để cấp điện cho các cuộn dây của động cơ vì vậy có thể thực hiện
điều khiển tốc độ động cơ thông qua việc điều chế độ rộng xung trong khoảng
thời gian các van dẫn để thay đổi điện áp đặt lên động cơ.
Nhà sản xuất Semiconductor Components Industries đã chế tạo ra loại vi
xử lý chuyên hỗ trợ cho việc điều khiển các loại động cơ như động cơ không
đồng bộ, động cơ một chiều, động cơ từ trở hay động cơ không chổi than. Vì
vậy trong luận văn sử dụng IC tích hợp chuyên dụng MC33035 trong điều khiển
ĐCMCKCT.

IC tích hợp MC33035 là IC chuyên dụng điều khiển ĐCMCKCT theo vị
trí roto, vị trí này được xác định nhờ cảm biến Hall. IC MC33035 có thể sử dụng
cho cả động cơ công suất nhỏ và lớn. Với động cơ công suất nhỏ thì MC33035
có thể cấp điện trực tiếp cho các cuộn dây động cơ thông qua 6 MOSFET có sẵn
trong IC. Với động cơ công suất vừa và lớn, MC33035 cấp xung điều khiển cho
các van của bộ biến đổi thông qua các mạch đệm, các van này sẽ cấp điện cho
động cơ cần điều khiển.
2.4.2 Thiết kế mạch tạo xung điều khiển
Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển sử dụng IC MC33035 như hình sau:
15
R13
2.2k
Fault
R11
5.1k
C3
0.01uF
Speed
10K
GND
Enable R12
4.7k
GND
Brake
1
2
3
4
5
P1

Header 5
Brake
Brake
OE
Select
OE
VM
F/R
F/R
VR1
10K
FB
4
VIN
1
ON/OFF
5
GND
3
OUT
2
U1
LM2576T-Adj
L1
100uH
D5
1N5822
C6
1000uF/16V
C5

100uF/35V
GND
VM 15V
B_Top
1
A_Top
2
Fwd/Rev
3
Sensor A
4
Sensor B
5
Sensor C
6
Output Enable
7
Reference Output
8
Current Sense Noninverting Input
9
Oscillator
10
Error Amp Noninverting Input
11
Error Amp Inverting Input
12
Error Amp Out/PWM Input
13
Fault Output

14
Current Sense Inverting Input
15
Gnd
16
Power Supply Voltage Vdc
17
Bottom Drive Supply Voltage Vbc
18
C_Bottom
19
B_Bottom
20
A_Bottom
21
60/120Select
22
Brake
23
C_Top
24
IC1
MC33035 BLDC
Hall_A
Hall_B
Hall_C
VCC
VCC
F/R
VM15V

VCC
OS
OS
Cur_sen
AT
BT CT
AB
BB
CB
Fault
AT
BT
Mạch tạo xung điều dùng MC33035
Trong trường hợp động cơ công suất trung bình và lớn ta phải thiết kế
mạch đệm. Ngoài ra trong sơ đồ cũng thiết kế và khâu lấy tín hiệu dòng điện cho
mạch bảo vệ quá dòng (đưa vào chân 9 của MC33035) sơ đồ nguyên lý như hình
sau:
N
N
S
S
*1
motor BLCD
G
1
2
3
S
D
Q4

G
1
2
3
S
D
Q5
G
1
2
3
S
D
Q6
G
D
S
Q1
G
D
S
Q2
G
D
S
Q3
R7
R8
R9
R4

R5
R6
R1
1k
R2
1k
R3
1k
VM
C1
C2
R15
0.05/1W
R14
100
R16
33
C4
0.1uF
1
2
3
4
5
P2
Header 5
Hall_A
Hall_B
Hall_C
Cur_sen

G1
G2 G3
G4 G5 G6
G1
G2
G3
G4
G5
G6
VM
D1 D2 D3
VCC
Phase A
Phase A
Phase A
BT
CT
AT
AB
BB
CB
Sơ đồ nguyên lý mạch đệm
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi và động cơ như hình sau:
16
N
N
S
S
DC1
BLCD

G
1
2
3
S
D
Q4
G
1
2
3
S
D
Q5
G
1
2
3
S
D
Q6
G
D
S
Q1
G
D
S
Q2
G

D
S
Q3
R7
R8
R9
R4
R5
R6
R1
1k
R2
1k
R3
1k
VM
C1
C2
R13
2.2k
Fault
R11
5.1k
C3
0.01uF
Speed
10K
GND
Enable R12
4.7k

GND
R15
0.05/1W
R14
100
R16
33
C4
0.1uF
Brake
1
2
3
4
5
P2
Header 5
Hall_A
Hall_B
Hall_C
1
2
3
4
5
P1
Header 5
Brake
Brake
OE

Select
Cur_sen
G1
G2 G3
G4 G5 G6
G1
G2
G3
G4
G5
G6
OE
VM
VM
F/R
F/R
VR1
10K
FB
4
VIN
1
ON/OFF
5
GND
3
OUT
2
U1
LM2576T-Adj

L1
100uH
D5
1N5822
C6
1000uF/16V
C5
100uF/35V
GND
VM 15V
B_Top
1
A_Top
2
Fwd/Rev
3
Sensor A
4
Sensor B
5
Sensor C
6
Output Enable
7
Reference Output
8
Current Sense Noninverting Input
9
Oscillator
10

Error Amp Noninverting Input
11
Error Amp Inverting Input
12
Error Amp Out/PWM Input
13
Fault Output
14
Current Sense Inverting Input
15
Gnd
16
Power Supply Voltage Vdc
17
Bottom Drive Supply Voltage Vbc
18
C_Bottom
19
B_Bottom
20
A_Bottom
21
60/120Select
22
Brake
23
C_Top
24
IC1
MC33035 BLDC

Hall_A
Hall_B
Hall_C
VCC
VCC
F/R
D1 D2 D3
VM15V
VCC
OS
OS
Cur_sen
VCC
AT
BT CT
AB
BB
CB
Fault
Phase A
Phase A
Phase A
AT
BT
BT
CT
AT
AB
BB
CB

N
N
S
S
DC1
BLCD
G
1
2
3
S
D
Q4
G
1
2
3
S
D
Q5
G
1
2
3
S
D
Q6
G
D
S

Q1
G
D
S
Q2
G
D
S
Q3
R7
R8
R9
R4
R5
R6
R1
1k
R2
1k
R3
1k
VM
C1
C2
R13
2.2k
Fault
R11
5.1k
C3

0.01uF
Speed
10K
GND
Enable R12
4.7k
GND
R15
0.05/1W
R14
100
R16
33
C4
0.1uF
Brake
1
2
3
4
5
P2
Header 5
Hall_A
Hall_B
Hall_C
1
2
3
4

5
P1
Header 5
Brake
Brake
OE
Select
Cur_sen
G1
G2 G3
G4 G5 G6
G1
G2
G3
G4
G5
G6
OE
VM
VM
F/R
F/R
VR1
10K
FB
4
VIN
1
ON/OFF
5

GND
3
OUT
2
U1
LM2576T-Adj
L1
100uH
D5
1N5822
C6
1000uF/16V
C5
100uF/35V
GND
VM 15V
B_Top
1
A_Top
2
Fwd/Rev
3
Sensor A
4
Sensor B
5
Sensor C
6
Output Enable
7

Reference Output
8
Current Sense Noninverting Input
9
Oscillator
10
Error Amp Noninverting Input
11
Error Amp Inverting Input
12
Error Amp Out/PWM Input
13
Fault Output
14
Current Sense Inverting Input
15
Gnd
16
Power Supply Voltage Vdc
17
Bottom Drive Supply Voltage Vbc
18
C_Bottom
19
B_Bottom
20
A_Bottom
21
60/120Select
22

Brake
23
C_Top
24
IC1
MC33035 BLDC
Hall_A
Hall_B
Hall_C
VCC
VCC
F/R
D1 D2 D3
VM15V
VCC
OS
OS
Cur_sen
VCC
AT
BT CT
AB
BB
CB
Fault
Phase A
Phase A
Phase A
AT
BT

BT
CT
AT
AB
BB
CB
Sơ đồ nguyên lý BBĐ và ĐCMCKCT
2.5 Mạch đo tín hiệu phản hồi
2.5.1 Đo tín hiệu dòng điện
Sử dụng IC đo dòng ACS712 loại 30A do hãng Allegro sản xuất. ACS712
là loại cảm biến đổi dòng điện ra điện áp chuẩn 0-5V, sơ đồ khối ACS712 như
hình sau:
17
Sơ đồ mạch đo dòng: Đặc tính vào ra của ACS712:
2.5.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ
Do ĐCMCKCT có các tín hiệu cảm biến Hall nên ta sử dụng luôn tín hiệu
đó để xác định tín hiệu tốc độ động cơ, phương pháp đo tốc độ này giống như
việc đo tốc độ bằng phương pháp mã xung (encoder). Các tín hiệu Hall được
cách ly bằng cách ly quang, đưa vào Card ghép nối để tính ra tốc độ quay và
chuyển lên bộ khuếch đại tổng hợp. Mạch lấy tín hiệu tốc độ như hình sau:
2.6 Kết luận
Chương 2 đã trình bày việc thiết kế hệ thống truyền động sử dụng động
cơ MCKCT. Trong cấu trúc 2 mạch vòng phản hồi tốc độ và dòng điện, luật
điều khiển (*) và (**) được xác định theo phương pháp Modul tối ưu. Để ghép
nối các thiết bị ngoại vi với máy tính sử dụng Card Arduino, đây là card có
nhiều tính năng nhưng luận văn chỉ sử dụng tính năng giao tiếp. Mạch tạo xung
điều khiển bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ sử dụng MC33035, qui luật đóng
cắt các van được thực hiện thông qua vị trí roto và được xác định bằng cảm biến
Hall. Để thực hiện luật điều khiển (*) và (**) dùng thiết bị điều khiển số đó là
máy tính với phần mềm Matlab-Simulink. Ngoài chứng năng điều khiển máy

tính còn làm các nhiệm vụ khác như tạo tín hiệu chủ đạo, tổng hợp các tín hiệu
và hiển thị kết quả.
18
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM
3.1. Các thiết bị thực nghiệm
3.1.1. Động cơ MCKCT
Động cơ sử dụng có mã hiệu BM 1418ZXF với các thông số sau:
Điện trở một pha: R
ư
= 0.445 (Ω)
Điện cảm một pha: L
ư
= 0.00585 (H)
Tốc độ định mức: n
đm
= 2800 (v/ph)
Dòng định mức: I
đm
= 11.8 (A)
Momen định mức: T
đm
= 249.11 (N.m)
Momen quán tính: J
m
= 0.117 (kg.m
2
)
Hệ số momen: C
t
= 2.94 (N.m/A)

Hệ số sức điện động: C
e
= 2.38 (V/rad/s)
Điện áp định mức: V
đm
= 48 (V)
Công suất định mức: P = 500 (W)
Động cơ thực nghiệm
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lượng
Nguồn điện một chiều được chỉnh lưu không điều khiển từ máy biến áp
một pha và các bộ lọc.
Bộ biến đổi năng lượng cấp cho động cơ như hình và có thông số sau:
Điện áp: 48V
Công suất: 500W
Bảo vệ thấp áp: 42V ± 1V
Điện áp điều khiển: 1V → 4.2V
Dòng điện max: 28A ± 1A
19
Góc pha: 120
o
Bộ biến đổi năng lượng cấp cho động cơ MCKCT
3.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển
- Trong phạm vi đề tài, ta sử dụng Matlab Simulink để điều khiển hệ
truyền động sử dụng động cơ MCKCT
Máy tính có cài đặt Matlab Simulink
- Cấu trúc mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện điều khiển hệ
truyền động sử dụng động cơ MCKCT trên Matlab Simulink.
3.1.4. Thiết bị hiển thị
Thiết bị hiển thị là thiết bị cho ta quan sát được các trạng thái, đặc tính
của hệ thống. Để làm được việc đó, có rất nhiều công cụ có thể thực hiện được,

ví dụ như phần mềm Control-desk đi kèm cùng card điều khiển DSP1104. Tuy
nhiên để sử dụng được Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104.
20
Như trên ta đã sử dụng Matlab-Simulink để thực hiện các bộ điều khiển.
Thông qua card ghép nối Arduino máy tính đã nhận được các tín hiệu trạng thái
tốc độ và dòng điện thực của hệ. Do đó, ta sẽ sử dụng các công cụ hiển thị của
Simulink để vẽ các đặc tính thể hiện trạng thái động của hệ thống.
3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue
Card ghép nối giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi như hình au:
3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A
Khâu lấy tín hiệu phản hồi dòng điện như hình sau:
3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ
Từ đầu ra của cảm biến Hall, ta dùng mạch như hình sau để đo tín hiệu
tốc độ của hệ.
21
Khâu lấy tín hiệu tốc độ
3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống
Mô hình thực nghiệm hệ thống
3.2. Thực nghiệm
Tham số bộ điều khiển mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ theo
luật đã xác định
3.2.2.1. Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào bước nhảy
- Các tham số hệ thống: Tốc độ đặt 2800v/ph
- Đáp ứng tốc độ động cơ:
22
Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bước nhảy
- Đáp ứng dòng điện động cơ:
Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bước nhảy
3.2.2.2. Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào biến thiên theo hàm sin
- Cấu trúc hệ điều tốc động cơ MCKCT với đầu vào biến thiên theo hàm

sin:
23
SP_Speed
Speed
1.03
Top Limit
PI(s)
Speed Controller
Speed
Saturation
SP_Speed_Sine
Real-Time Pacer
Speedup = 1
Real-Time Pacer
~= 0
Enable
PI(s)
Current Controller
Current
Enable
CT_Speed
Speed
Current
Card & BLDC
0.97
Bottom Limit
Setup
Arduino1
com7
Arduino IO Setup

Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin
- Các tham số hệ thống: Tín hiệu tốc độ đặt 2300+500sin(2πt/30)
- Đáp ứng tốc độ động cơ:
Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin
- Đáp ứng dòng điện động cơ:
Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin
24
R
w
R
I
3.2.2.3. Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang
- Cấu trúc hệ điều tốc động cơ MCKCT với đầu vào dạng bậc thang:
SP_Speed
Speed
1.03
Top Limit
PI(s)
Speed Controller
Speed
Saturation
SP_Speed_P
Real-Time Pacer
Speedup = 1
Real-Time Pacer
~= 0
Enable
PI(s)
Current Controller
Current

Enable
CT_Speed
Speed
Current
Card & BLDC
0.97
Bottom Limit
Setup
Arduino1
com7
Arduino IO Setup
Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang
- Các tham số hệ thống: Tín hiệu tốc độ đặt lần lượt 2800v/ph, 1500v/ph,
2000v/ph.
- Đáp ứng tốc độ động cơ:
Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang
- Đáp ứng dòng điện động cơ:
Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang
25
R
w
R
I