Điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
------- F G -------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Điều khiển số, tốc độ động cơ điện một chiều
dùng vi xử lý

Ngành:
M số:

đo lờng và hệ thống điều khiển

Vũ hồng phong

Ngời hớng dẫn khoa học:.TS Nguyễn Cảnh Quang

Hà Nội - 2009


Mục lục
Trang
Chơng 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các
phơng pháp điều khiển tốc độ

1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ điện một chiều..........12
1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC.17
1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng..17
1.2.2 Phơng pháp điều khiển từ thông động cơ..18
1.2.3 Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông động

cơ..19
1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng 20
Chơng 2: điều khiển vị trí tốc độ và các thuật toán
điều khiển

2.1

Điều khiển vị trí tốc độ... ...................22
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ....22
2.1.2 Mạch điều khiển động cơ DC.....24

2.2

Các thuật toán điều khiển....25

2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P..26
2.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I..26
2.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D28
2.2.4 Thuật toán điều khiển PID..28
2.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển30
2.3.1 Phơng pháp lý thuyết Reinisch..31
2.3.2 Phơng pháp xác định thông số bộ điều khiển theo thực
nghiệm. .........32
2.3.2.1 phơng pháp Ziegies Nicholsg ........32
2.3.2.2 Phơng pháp Jassen và Offerein..........32
Chơng 3: Cảm biến

3.1 Giới thiệu chung...34
3.2 Cảm biến vị trí- tốc độ..34
3.2.1 Encoder quang tơng đối35

3.2.2 Encoder tuyệt đối....37
Chơng 4: Tổng hợp hệ thống và kiểm nghiệm bằng phần mềm
Matlab

4.1 Mô tả toán học các phần tử trong hệ truyền động39
4.1.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập.39
4.1.2 Sơ đồ khối động cơ điện một chiều kích từ độc lập với tử thông là
định mức ..40
4.1.3. Mô tả toán học bộ tạo xung PWM.41
4.1.4 Mô tả toán học bộ PID số .....42
4.2 Tổng hợp hệ thống và xét ổn định của hệ thống số.43
4.2.1 Tổng hợp hệ thống..43
4.2.2 Xét ổn định của hệ thống số46
4.3 Mô phỏng hệ và kiểm nghiệm hệ thống bằng phần mềm Matlab47
4.3.1 Mô phỏng mạch vòng tốc độ.........48
4.3.2 Mô phỏng mạch vòng vị trí51
Chơng 5: xây dựng và thực hiện hệ thống dùng vi xử lý

5.1 Mạch động lực. 54
5.2 Mạch điều khiển...55
5. 3 Phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM..59
3.3.1 Tạo xung bằng phần cứng...61
3.3.2 Tạo xung bằng phần mềm...61
5.4 Lu đồ giải thuật chơng trình điều khiển vị trí tốc độ bằng
PID rời rac..63
5.5 Mô tả hệ thống thử nghiệm và kết quả thử nghiệm.65
Kết luận.67
Tài liệu tham khảo..68

Phụ lục: Chơng trình điều khiển Atmega8 bằng ngôn ngữ C.....69


2

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Lời nói đầu
Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nớc. Tự động hoá là
yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động
hoá thì vi xử lý là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu trong
nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt truyền động, đo lờng và
điều khiển. Việc ứng dụng vi xử lý vào trong các hệ thống truyền động điều
khiển tốc độ và vị trí ngày càng phổ biến. Ví dụ nh trong các dây truyền lắp
ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dáng
kich thớc đã định trớc, cơ cấu truyền động cho tay máy, ngời máy, cơ
cấu ăn dao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ bám
tuỳ động,
Do tính u việt của công nghệ số so với phơng pháp điều khiển tơng tự
truyền thống nh:
- Mềm dẻo trong việc thây đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động
- Độ chính xác cao.
- Có khả năng chống nhiễu tốt.
- Dễ dàng tự động hoá
Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay đổi tham số
cấu trúc bằng phần mềm, các hệ thống vi điều khiển đợc thiết kế chế tạo tin
cậy sẽ tạo ra các bộ điều khiển linh hoạt, phù hợp với từng đặc điểm của hệ
điều khiển tự động .
Tuy nhiên ở nớc ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ điện một
chiều chất lợng cao thờng phải nhập nhập từ nớc ngoài. Nhng thực ra

nếu nếu áp dụng tôt các nguyên lý về điều khiển số và vi xử lý, ta hoàn toàn
có thể chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tơng đơng.
Vì vậy em lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: Điều khiển số, vị trí
động cơ điện một chiều dùng vi xử lý Với mục đích ứng dụng thành tựu
công nghệ và kỹ thuật vi xử lý để điều khiển nghiên cứu thiết kế và thi công
cho một hệ thống cụ thể.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

3

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi
những sai sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong
nhận đợc những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các
đồng nghiệp.
Em xin chân thành cám ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật
đo và Tin học công nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt
là TS. Nguyễn Cảnh Quang đã cho những chỉ dẫn quý báu và tạo mọi điều
kiện để tác giả hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Hà Nội, tháng 11 năm 2009
Tác giả
Vũ Hồng Phong

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

7

Danh mục Các từ viết tắt, kí hiệu
ACV: Nguồn xoay chiều.
DCV: Nguồn một chiều.
A/D: Chuyển đổi tơng tự số.
D/A: Chuyển đổi số tơng tự.
DC: Động cơ điện một chiều.
: Độ lệch pha giữa hai tín hiệu.
P: Bộ điều chỉnh tỉ lệ.
I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân.
KP. :Hằng số tỉ lệ
KI. Hằng số tích phân
KD. : Hằng số vi phân
TI: Bằng số thời gian bộ điều khiển tích phân.
TD: Hằng số thời gian bộ điều khiển vi phân.
Tdmax: Thời gian lớn nhất của bộ điều khiển khâu vi phân.
Tth: Chu kỳ giao động tới hạn.
KPth: Hệ số tỉ lệ tới hạn của khâu tỉ lệ.
PWM: (Pulse Width Modulator) phơng pháp điều biến độ rộng xung.
Pđc: Công suất động cơ
U : Điện áp phần ứng
L : Điện cảm phần ứng
R : Điện trở phần ứng.
Kđc: Hệ số khuếch đại động cơ.
J : Mô men quán tính của rôto
B : Mô men tổn hao theo tốc độ

Km : Hằng số mô men
T : Hằng số thời gian điện từ
Tc . Hằng số thời gian điện cơ

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

8

. tốc độ động cơ
Const: Hằng số
Ikt: dòng điện cuộn kích từ
Kkt: Hệ số cuộn kích từ
Ckt : Cuộn kích từ
Ukt : Điện áp cuộn kích từ

: Từ thông động cơ
đm : Tốc độ định mức của động cơ
X(p) : Là vị trí đặt miền ảnh laplas
E2(p): Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí) miền ảnh laplas
GC2(p): Bộ điều khiển vị trí miền ảnh laplas
X1(p) : Tín hiệu đặt tốc độ miền ảnh laplas
E1(p) : Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ) miền ảnh laplas
GC1(p): Bộ điều khiển tốc độ miền ảnh laplas
Gp1(p): Hàm truyền đạt của bộ điều biến đổi và động cơ miền ảnh laplas
Y1(p) : Tốc độ miền ảnh laplas
Gp2(p) : Miền ảnh laplas
Y(p) : Đáp ứng vị trí miền ảnh laplas

M1 (p): Hàm truyền của cảm biến tốc độ miền ảnh laplas
M2(p) : Hàm truyền của cảm biến vị trí miền ảnh laplas
Y1m(p) : Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ) ảnh laplas
Ym(p) : Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi) miền ảnh laplas
K1, K2, K3, K4: là các khoá bán dẫn.
Hz : là tần số
Uđk. Là điện áp điều khiển.
X(t) : Tín hiệu kích thích miền thời gian tơng tự.
Y(t): Đáp ứng trong miền hời gian tơng tự.
Gcp(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ miền rời rạc
GcI(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tích phân miền rời rạc
GcD(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh vi phân miền rời rạc
GcPID(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân miền rời rạc

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

9

X(z) : Tín hiệu kích thích miền rời rạc.
Y(z): Đáp ứng miền rời rạc
Kbx: Hệ số khuếch đại bộ biến đổi.
T: Tần số bộ biến đổi.
Ts: Tần số lấy mẫu.
Gbx: Hàm truyền đạt của bộ biến đổi miền laplas.
tqđ : Thời gian quá độ.
N(z): Phơng trình đặc tính của hệ thống số.
a0,a1,an là các hệ số của phơng trình đặc tính.

Ck : Là các giá trị của định thức của tổng hai ma trận Ak,Bk.
Dk: Là các giá trị của định thức của hiệu hai ma trận Ak,Bk
Ak,Bk: Là các ma trận k.
Xm: Quãng đờng dịch chuyển của trục encoder.
NT:Số xung đếm đợc của encoder.
NR: Tổng số xung trên một độ phân giải của encoder.
dm: Đờng kính trục bánh xe của encoder.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

10

Danh mục Các hình vẽ
Hình 1.1 Các loại động cơ một chiều thông dụng ....13
(a) Kích từc độc lập
(b) Kích từ song song
(c) Kích từ nối tiếp
(d) Kích từ hỗn hợp
Hình 1.2: Mạch tơng đơng chế độ tĩnh của động cơ DC...13
Hình 1.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DC.15
Hình 1.4: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ .18
(a) Động cơ kích từ độc lập
(b) Động cơ kích từ nối
Hình 1.5: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần
ứng và từ thông.......20
Hình 1.6: Đặc tính động cơ DC khi thêm điện trở phụ vào phần ứng.....20
(a Động cơ kích từ độc lập

(b) Động cơ kích từ nối tiếp
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí tốc độ động cơ DC......23
Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý...24
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc khâu điều khiển tỉ lệ P...26
Hình 2.4: Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I.......27
Hình 2.5 : Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D.....28
Hình 2.6:Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID28
Hình 2.7: Đồ thi đặc tính của bộ điều khiển PID......29
Hình 2.8: Đờng đặc tuyến tốc độ động cơ ..31
Hình 3.1 Sơ đồ khối của cảm biến.....34
Hình 3.2: : Biểu đồ xung của encoder tăng dần.36
Hình 3.3: Encoder tăng dần đo lờng dịch vị thẳng......37
Hình 3.4: Encoder tuyệt đối 7 bit...38

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

11

Hình : 4.1 Sơ đồ khối mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ
độc lập..39
Hình: 4.2 Sơ đồ khối động cơ điện một chiều khi kích từ là định mức.40
Hình: 4.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số..42
Hình 4.4: Sơ đồ khối của hệ thống biểu diễn ở hệ thống số......43
Hình 4.5: Biến đổi sơ đồ khối của hệ thống dùng lý thuyết điều khiển tự
động...44
Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng tốc độ động cơ DC bằng
Simulik .48

Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=1, KI=0, KD= 0...49
Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0, KI=1, KD= 0...49
Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0, KI=0, KD= 1...50
Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0.5, KI=0.2, KD= 0.350
Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng vị trí động cơ DC
bằng Simulik...51
Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=1, KI=0, KD= 051
Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0, KI=1, KD= 0...........52
Hình 4.14: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0, KI=0, KD= 1...52
Hình 4.15: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0.5 ,KI=0.2,KD= 0.3...53
Hình 5.1: Mạch động lực...54
Hình 5.2: Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega8..57
Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega8... 57
Hình 5.4:Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển dùng vi xử lý Atmega858
Hình 5.5: Biểu đồ xung PWM..60
Hình 5.6: Lu đồ thuật toán điều khiển vị trí, tốc độ bằng PID rời rạc.64
Hình 5.7: Sơ đồ bó trí thiết bị mô hình .65

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


12

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Chơng I
Tổng quan về Động cơ một chiều và các phơng pháp
điều khiển tốc độ
Động cơ điện một chiều (DC) thờng đợc sử dụng rộng rãi trong các
hệ truyền động cần thay đổi tốc độ khởi động, hãm và đảo chiều. Một số ứng

dụng của động cơ một chiều nh chuyển động cho xe điện, máy công cụ,
máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền .
1.1. Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều
Hình 1.1 giới thiệu các loại động cơ DC thông dụng, bao gồm động cơ
DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ tổng hợp.
Với động cơ DC kích từ độc lập, dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điều
khiển độc lập với nhau. Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộn
kích từ đợc đấu với nguồn cung cấp. Vì vậy, với loại động cơ này, dòng
phần ứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể điều khiển độc lập bằng cách thay đổi
điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ. Tuy nhiên, đây là cách
điều khiển có hiệu suất thấp. Với động cơ kích từ nối tiếp, dòng phần ứng
cũng là dòng kích từ, và do đó, từ thông động cơ là một hàm của dòng phản
ứng. Với động cơ kích từ tổng hợp, cần đấu nối sao cho sức từ động của cuộn
nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song.
Iu

Iu

Ikt

Ik

U

DC

Ckt

(a) Kớch tửứ ủoọc laọp

Ukt

Ckt

U

DC

(b) Kớch tửứ song song

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


13

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Iu

Ikt

Ckt
I

U

Ckt

U

DC

DC

(c) Kích từ nối tiếp

(d) Kích từ hỗn hợp

Hình 1.1 Các loại động cơ một chiều thông dụng
Mạch tơng đơng ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều đợc trình bày
ở hình 1.2, điện trở R biểu thị điện trở phần ứng. Đối với động cơ một chiều
kích từ độc lập hoặc động cơ kích từ hỗn hợp, R là tổng điện trở của cuộn
phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp.
Iu

RU

U

DC

E = K

Hình 1.2: Mạch tơng đơng chế độ tĩnh của động cơ DC
Phơng trình cơ bản của động cơ một chiều là:
E = K

(1-1)

U = E + R I

(1-2)

J = KI

(1-3)

Trong đó:
- : từ thông trên mỗi cực (Wb)
- I: dòng phần ứng (A)

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


14

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
- U: điện áp phần ứng (V)

- R: Điện trở phần ứng (W)
- : tốc độ động cơ (rad/s)
- J: momen do động cơ sinh ra (Nm)
- K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
Từ công thức (1-1) (1-3), ta có:
=

Uu
R
u Iu
K
K

=

Uu
Ru

M
K (K )2

Hoặc: (1-4)

(1-5)
công thức (1-1) đến
(1-5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một
chiều đã kể ở trên.
Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ đợc duy trì
không đổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi momen động
cơ thay đổi.
Khi đó ta có:

K = const

(1-6)

Nh vậy theo (1-5), đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
là một đờng thẳng, nh vẽ trên hình 1-3. Tốc độ không tải của động cơ
xác định bởi điện áp cung cấp V và từ thông kích từ K. Tốc độ động cơ
suy giảm khi momen tải tăng và ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần
ứng R. Trong thực tế, do phản ứng phần ứng, từ thông động cơ giảm khi
momen tăng, dẫn đến tốc độ động cơ suy giảm ít hơn là tính toán theo công

thức (1-5). Với momen lớn, từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc
tính cơ trở nên dơng, dẫn đến hoạt động không ổn định. Vì vậy, cuộn bù
thờng hay đợc sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần
ứng.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


15

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi
không tải khoảng 50%.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông là một hàm của dòng
phần ứng. Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc
tính từ hoá, có thể xem là từ thông tỷ lệ bậc nhất với dòng phần ứng nghĩa là:
= K kt I u

(1-7)

Thay (1-7) vào (1-1),(1-4) và (1-5), ta đợc:
J = KK kt I u2

(1-8)

=

Uu
R

u
KK kt I u KK kt

(1-9)

=

Uu
R
1
u
KK kt J KK kt

(1-

10)
R lúc này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở cuộn kích từ.

%đm

b
c

a
100

M(%Mđm)
100

Hình 1.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DC

a. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập
b. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp
c. Là đờng đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp
Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp đợc vẽ trên đờng (b)
hình 1.3 Có thể thấy rằng tốc độ động cơ suy giảm nhiều theo momen tải.
Tuy nhiên trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thờng đợc thiết kế làm
việc trên một phần của đặc tính từ hoá khi mang tải định mức. Với tải trên

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

16

định mức, mạch từ động cơ bão hoà, khi đó từ thông không thay đổi nhiều
theo dòng tải I dẫn đến đặc tính cơ tiệm cận với đờng thẳng.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi
momen khởi động cao và có thể quá tải. Với momen tải tăng, từ thông động
cơ cũng tăng theo. Nh vậy với cùnh một lợng gia tăng của momen nh
nhau, dòng phần ứng I của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn
so với động cơ kích từ độc lập. Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá
tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động
cơ kích từ độc lập.
Theo công thức (1.10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với
căn bậc hai của momen. Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên
rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ d của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc
độ định mức. Điều này là không cho phép với máy điện thờng chỉ cho
phép hoạt động gấp 2 lần tốc độ định mức. Do đó, động cơ kích từ nối tiếp
không đợc dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thể nhỏ đến mức

làm tốc độ động cơ vợt quá mức giới hạn cho phép. Đặc tính của động cơ
một chiều kích từ hỗn hợp có dạng nh biểu diễn trên đờng (c) hình 1.3.
Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song
song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song
song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song
song và cuộn nối tiếp.
Động cơ kích từ hỗn hợp đợc sử dụng trong những ứng dụng cần có
đặc tính cơ tơng tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ
không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp. Cũng cần lu ý các đặc tính cơ đề
cập trên hình 1.3 là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nghĩa là các đặc tính

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

17

này nhận đợc khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thông định
mức, và không có điện trở phụ nào trong mạch phần ứng hoặc kích từ.
1.2. Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC:
Từ công thức (1-5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ- Momen động cơ,có
thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể đợc điều khiển bằng ba phơng pháp cơ
bản sau:
*. Điều khiển điện áp phần ứng
*. Điều khiển từ thông
*. Điều khiển điện trở phần ứng
1.2.1. Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng
Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích tờ độc lập và kích từ nối tiếp khi
điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ đợc vẽ trên hình 1.4(a)

và (b). Các đặc tính này suy ra từ công thức (1-5) với điện áp U thay đổi.
Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất
kì tốc độ, momen nào nằm giữa đờng đặc tính cơ tự nhiên và trục momen.
Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dới định mức, phơng pháp này
chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên. Tính chất quan trọng của phơng pháp này là độ cứng đặc tính
cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ đợc điều chỉnh. Điều này khiến hệ có
khả năng đáp ứng với tải có momen hằng số vì dòng phần ứng cực đại cho
phép Imax- tơng ứng với nó là momen tải cực đại cho phép của động cơ
không đổi với mọi tốc độ

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

18

Giảm, U=const
đặc tính tự nhiên
Giảm U, =const

(a) Động cơ kích từ độc lập

Giảm,
U=const
Giảm
U,=const

(b) Động cơ kích từ nối tiếp

Hình 1.4: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ

Để điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng
động cơ ta có thể sử dụng các phơng pháp sau:
- Máy phát DC (Hệ Máy phát - Động cơ)
- Bộ chỉnh lu có điều khiển (AC DC)
- Bộ biến đổi xung áp (DC DC)
1.2.2. Phơng pháp điều khiển từ thông động cơ
Điều khiển từ thông đợc sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của
động cơ cao hơn tốc độ định mức. Có thể thấy điều đó qua công thức (1-5).
Đặc tính tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều khiển
từ thông đợc biểu diễn lần lợt trên hình1.4 (a) và (b) bằng các đờng nét
đứt. Lu ý là độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh khi giảm từ thông.
Tốc độ cao của động cơ (đạt đợc khi giảm từ thông) bị hạn chế bởi:
- Sự không ổn định của động cơ, gây ra bởi ảnh hởng của phản ứng
phần ứng
- Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ: các động cơ thông thờng cho
phép tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức. Một số động cơ chế tạo đặc
biệt cho phép tốc độ cao nhất đạt tới 6 lần định mức.
Đối với động cơ DC kích từ độc lập và song song, công suất cực đại cho
phép của động cơ gần nh không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông
(hình 1.5). Có thể thấy điều này nếu giả thiết là dòng cực đại cho phép(I của

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

19

động cơ) không thay đổi khi điều chỉnh từ thông và điện áp cung cấp cho
phần ứng, V là định mức. Khi đó, sức điện động của động cơ, E = U RI
là hằng số. Vì vậy công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ là EI sẽ
là hằng số, và Momen cực đại cho phép của động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ
nghịch với tốc độ. Trong thực tế, giả thiết dòng phần ứng cực đại cho phép
I không thay đổi khi giảm từ thông chỉ là gần đúng.
Tác động của phản ứng phần ứng càng lớn khi từ thông càng giảm, do
đó, dòng phần ứng cực đại cho phép cần giảm xuống để không sinh ra tia
lửa điện quá mức trên cổ góp. Điều này dẫn đến việc giá trị thực tế của I sẽ
giảm xuống khi tốc độ tăng cao.
Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ đợc thực
hiện bằng cách thay đổi điện áp kích từ với bộ chỉnh lu có điều khiển hoặc
bộ chopper, tuỳ theo nguồn cung cấp đợc sử dụng là AC hoặc DC. Với
động cơ công suất nhỏ, cũng có thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để
điều khiển từ thông.
Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông đợc thực
hiện bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ. Một số động
cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ
thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ.
1.2.3. Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông
động cơ.
Phơng pháp này đợc sử dụng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ động
cơ trong một dải rộng trên và dới tốc độ định mức. Tốc độ dới tốc độ
định mức đợc điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi
giữ kích từ ở giá trị định mức.
Tốc độ trên định mức đợc điều khiển bằng cách thay đổi điện áp
kích từ. Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện
áp phần ứng và từ thông kích từ đợc vẽ trên hình 1.5.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


20

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
đk điện
áp p/

đk điện
áp p/

M

I

M

đm

Mmax

Hình 1.5: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp
điện áp phần ứng và từ thông

1.2.4. Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng
Hình 1.6 biểu diễn đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối
tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào phần ứng.
Khuyết điểm chính của phơng pháp này là có hiệu suất của hệ thống
rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là khi hoạt động ở tốc độ thấp. Do

đó, phơng pháp này hiện nay ít đợc sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ,
trừ các trờng hợp:
- Khởi động động cơ
- Thay đổi tốc độ động cơ trong một thời gian ngắn trong chế độ ngắn
hạn hoặc chế độ ngắn hạn lặp lại.

o

đặc tính cơ tự nhiên
đặc tính cơ tự nhiên
Tăng điện trở phụ

M
M

(a) Động cơ kích từ độc lập

(b) Động cơ kích từ nối tiếp

Hình 1.6: Đặc tính động cơ DC khi thêm điện trở phụ vào phần ứng

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

21

* Kết luận:
Từ các nguyên tắc điều chỉnh trình bày trên ta thấy rằng có thể điều

chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều dùng các phơng pháp sau:
- Điều chỉnh điện trở phụ đặt vào phần ứng động cơ : Giảm độ cứng
của đặc tính cơ, gây tổn hao trên điện trở phụ làm hiệu suất biến đổi của
động cở điện giảm, giải điều chỉnh hẹp.
- Thay đổi từ thông động cơ: Độ cứng của đặc tính cơ cũng
giảm,mômen giảm, làm tăng quá trình quá độ, điều kiện chuyển mạch của
cổ góp cũng bị xấu đi hiệu suất biến đổi giảm.
- Thay đổi điện áp phần ứng: Mômen tải là hằng số trong toàn dải điều
chỉnh, độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi, dải điều chỉnh rộng không
gây tổn hao thêm trong động cơ điện,hiệu suất biến đổi cao.
Từ đó ta thấy rằng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện để
điều chỉnh tốc độ đông cơ tỏ ra hiệu quả hơn cả và sẽ đợc sử dụng trong
luận văn này.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


22

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Chơng II:
Các phơng pháp và thuật toán điều khiển
2.1.

điều khiển vị trí và tốc độ

Hệ thống truyền động điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống đợc sử
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Khi yêu cầu một đối tợng
chuyển động từ vị trí này đến vị trí khác với thời gian ngắn nhất, hoặc điều

khiển tốc độ động cơ ở một giá trị xác định, khi muốn một đối tợng này
bám theo một đối tợng khác đang chuyển động theo một quy luật nhất
định, thì ta cần phải điều khiển vị trí.
Trong công nghiệp điều khiển vị trí đợc sử dụng rộng rãi nh trong
cơ cấu truyền động cho tay máy, Robot tự động, quay kính viễn vọng, cơ cấu
ăn dao cắt gọt kim loại, giấy, vải,
Việc ứng dụng vi xử lý vào trong hệ thống truyền động điều khiển vị
trí ngày càng phổ biến hơn do một số tính năng u việt của nó. Đặc biệt là
trong các dây chuyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao.
Trong đề tài luận văn này, nghiên cứu và phát triển chủ yếu tập trung
vào các phơng pháp điều khiển tốc độ, vị trí động cơ DC.
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ.
Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ động cơ điện một chiều đợc
biểu diễn trên hình vẽ 2.1 dới đây:

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


23

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
X(p)

E2(p)

GC2(p)

X1(p)

Ym(p)

E1(p)

Gp1(p)

GC1(p)

Y1(p)

Gp2(p)

Y(p)

Y1m(p)

M1 (p)

M2(p)

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí- tốc độ động cơ DC
Trong đó:

X(p) Là vị trí đặt
E2(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí)
GC2(p) Bộ điều khiển vị trí
X1(p) Tín hiệu đặt tốc độ
E1(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ)
GC1(p) Bộ điều khiển tốc độ
Gp1(p) Hàm truyền đạt của bộ biến đổi và động cơ
Y1(p) Tốc độ

Gp2(p)
Y(p) Đáp ứng vị trí
M1 (p) Hàm truyền của cảm biến tốc độ
M2(p) Hàm truyền của cảm biến vị trí
Y1m(p) Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ)
Ym(p) Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi vị trí)

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

24

2.1.2:Mạch điều khiển động cơ DC:
Hình 2.2 biểu diễn mạch điều khiển động cơ DC

tín hiệu đặt

V+
OPTO

K1

K2

OPTO

Vi xử lý

Encoder
DC

K4

K3

OPTO

Hình 2.2

OPTO

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý

Trong hình trên các van K1, K2, K3, K4 là các khoá bán dẫn, tuỳ theo
công suất của động cơ mà các khoá này có thể là Transistor, Thyristor và
GTO,
- Encoder là cảm biến gắn trên trục của động cơ để đo vị trí và tốc độ.
- Khối cách ly (OPTO): Dùng để cách ly mạch lực và vi điều khiển về điện
- Vi xử lý nhận tín hiệu đặt và phản hồi từ encoder đa ra lệnh điều khiển
các van K1, K2, K3, K4.
Khi tín hiệu xuất ra từ vi xử lý kích mở các van K1, K3 thì động cơ
quay theo chiều thuận, khi K2 và K4 mở động cơ quay theo chiều nghịch.
Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi khoảng dẫn của các van bằng phơng
pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

25

2.2. Các thuật toán điều khiển
Khi tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nói chung,
công việc đầu tiên ta phải xây dựng mô hình toán học cho đối tợng. Công
việc này cung cấp cho ta những hiểu biết về đối tợng, giúp ta thành công
trong việc tổng hợp bộ điều khiển.
Một công việc quan trọng không kém giúp ta giải quyết tốt bài toán là
chọn luật điều khiển cho hệ thống. Tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu
cầu kỹ thuật và mô hình đối tợng mà ta chọn luật điều khiển phù hợp
Hiện nay trong thực tế có rất nhiều phơng pháp thiết kế hệ thống, mỗi
phơng pháp cho ta một kết quả có u điểm riêng.
Nh ta biết bộ điều khiển kinh điển PID có đặc tính mềm dẻo, đợc sử
dụng rất phổ biến và đem lại hiệu quả cao trong hầu hết các hệ thống điều
khiển tự động khống chế nhiệt độ, mức và tốc độ, vị trí mà ngay cả khi lý
thuyết điều khiển hiện đại ra đời cũng cha thể thay thế đợc các u điểm
của bộ điều khiển PID.
Trong những năm gần đây kỹ thuật vi xử lý,vi điều khiển đã có những
bớc phát triển mạnh mẽ. Việc ứng dụng vi xử lý vào tự động hoá là một vấn
đề tất yếu và đã đa tự động hoá có các bớc phát triển mới. Ta thấy rằng bộ
điều khiển PID trớc kia đợc xây dựng bằng các thiết bị điện tử tơng tự và
có một số nhợc điểm nhất định:
- Tốc độ xử lý kém, dễ chịu tác động phá huỷ của môi trờng công
nghiệp.
- Các thông số của bộ điều khiển dễ bị thay đổi do yếu tố nhiệt độ môi
trờng và tuổi thọ thiết bị.
- Khả năng linh hoạt trong thay đổi (thông số, cấu trúc điều khiển)
thấp.

Do khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên nên việc sử dụng các bộ
điều khiển PID số ngày càng rộng rãi(đợc xây dựng trên các phần mềm

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển


26

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

chuyên dụng hoặc bằng các ngôn ngữ lập trình phổ thông kết hợp với vi xử
lý, vi điều khiển).
Để thực hiện thuật toán điều khiển PID số ta tiến hành xấp xỉ liên tục
các bộ điều khiển PID liên tục. Sau đây chúng ta sẽ xem xét các thành phần
( P,I,D )của một bộ điều khiển PID và cách biểu diễn chúng dới dạng số rời
rạc.
2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P
Kp
X(t)

y(t)

Hình 2.3 :Sơ đồ cấu trúc khâu điều khiển tỉ lệ P
.

y(t) = KpX(t)

.

y(kT)= KpX(kT)

.

GCP(z)=KP

2.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I
y (t ) = K

t

I

x (t )dt
0

y (kT

)=

kt

K

x (kT )dt

I

0

y (kT

)=

( k 1 )T



KI

x (kT )dt + K I

0

y (kT

) = y [(k

1 )T ] + K I

kT

x (kT )dt

( k 1 )T

kT

x (kT )dt

( k 1 )T

Xấp xỉ tích phân
kT

y ( kT ) = K I

x(kT )dt

( k 1)T

Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển