Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều bằng 89C51

Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................ 5
CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................6
1.1. Động cơ điện một chiều..................................................................................................6
1.1.1. Khái niệm..................................................................................................................................6
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.....................................................................6
1.1.3. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ....................................................................................9
1.1.4. Đo tốc độ động cơ điện một chiều.........................................................................................13

1.2. Bộ biến đổi xung áp một chiều.......................................................................................14
1.2.1. Các phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện một chiều.................................14
1.2.2. Phương pháp PWM................................................................................................................14
1.2.3. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều...................................................................................................17

1.3. Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kich từ động lập bằng nam châm vĩnh cửu
...............................................................................................................................................21
1.3.1. Xây dựng mô tả toán học cho động cơ dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết...........................21
1.3.2. Xây dựng mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm..............................23

1.4. Hệ thống điều khiển PI số..............................................................................................25
1.4.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động............................................................................25
1.4.2. Luật điều khiển PID................................................................................................................26
1.4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển PI số.........................................................................................27
1.4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển..................................................................................................28

1.5. Khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động......................................30
1.5.1. Tính ổn định của hệ thống......................................................................................................30
1.5.2. Đánh giá chất lượng hệ thống................................................................................................31

1.5.3. Biện luận tính ổn định của hệ thống với các trạng thái khác nhau của đối tượng điều khiển
...........................................................................................................................................................32
1.5.4. Một số lưu ý khi thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số.................................................33

CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI..........................36
2.1. Vi điều khiển AT89C51.................................................................................................36

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 3


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
2.1.1. Tổng quan về vi điều khiển AT89C51....................................................................................36
2.1.2. Chức năng các chân của 89C51.............................................................................................37
2.1.3. Tổ chức bộ nhớ.......................................................................................................................39
2.1.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt và các vector ngắt............................................................42

2.2. LCD1602........................................................................................................................44
2.2.1. Sơ đồ chân và chức năng các chân của LCD1602.................................................................44
2.2.2. Hiển thị LCD..........................................................................................................................45

CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM............................................46
3.1. Sơ đồ khối......................................................................................................................46
3.2. Khối nguồn.....................................................................................................................47
3.2.1. Khối nguồn I...........................................................................................................................47
3.2.2. Khối nguồn II..........................................................................................................................48

3.3. Đối tượng điều khiển......................................................................................................49
3.4. Bộ biến đổi.....................................................................................................................50
3.5. Khối giao tiếp, điều khiển và hiển thị............................................................................52
3.6. Khối tải ảo..................................................................................................................................65

3.7. Thiết kế mạch in.............................................................................................................66
3.7.1. Khối nguồn..............................................................................................................................66
3.7.2. Bộ biến đổi..............................................................................................................................67
3.7.3. Khối giao tiếp, điều khiển và hiển thị....................................................................................68
3.7.4. Khối tải giả..............................................................................................................................69

CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................70
4.1. Kết luận............................................................................................................................70
4.2. Phương hướng phát triển của đề tài.....................................................................................71

Lời cảm ơn !................................................................................................................. 72
Tài liệu tham khảo.......................................................................................................73

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 4


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh . Một trong những thay đổi đáng kể là Việt
Nam đã gia nhập WTO, một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, để chúng ta - con

người Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh
vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng .
Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớm lạc
hậu và nhanh chóng thụt lùi . Nhìn ra được điều đó trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Hưng Yên” đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao . Để
tăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và khoa Điện - Điện Tử nói
riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các Đồ Án Môn Học nhằm tạo nên tảng vững chắc
cho sinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm .
Ngày nay lĩnh vực vi điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm
phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti
vi ... nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn .
Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đáp
ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người . Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng những
yêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế, nhưng
không quá xa lạ đối với mọi người, đó là : “Thiết kế hệ thống điều khiển và ổn định tốc
độ động cơ một chiều” .
Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công hệ thống điều khiển và ổn
định tốc độ động cơ một chiều đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài .
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết và
khó khăn trong việc thi công sản phẩm . Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự giải đáp
và hướng dẫn kịp thời của thấy "Nguyễn Viết Ngư", sự góp ý kiến của các bạn sinh viên
trong lớp . Được như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được
nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo và bạn trong các đồ án sau này .
Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thể tránh khỏi
sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đóng góp ý kiến để
chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa .
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 5


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Động cơ điện một chiều
1.1.1. Khái niệm
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện - từ quay,
làm việc theo nguyên lý điện - từ . Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng
điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng lực từ vào dây dẫn (dòng điện) và làm
dây dẫn chuyển động . Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng .
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ .

I

Hình 1.1.2.a – Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều
Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ . Vì vậy
khi cho dòng điện một chiều đi vào ở chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn
sẽ chịu tác dụng của lực từ . Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới
cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên
các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 6

Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch
kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động
cơ kích từ độc lập .
Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt làm dây cuốn kích từ sinh ra từ
thông Φ . Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φmax
tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể . Cũng cần đảm bảo
không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0 dẫn tới M = KΦI = 0, động cơ sẽ
không quay được, do đó Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất
lớn làm cháy động cơ . Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M >
Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n . Do sự xuất
hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn .
* Cấu tạo chung :
Phần động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:
+ Phần tĩnh : Stato .
+ Phần quay : Roto .
* Stato :
Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy . Gắn
với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ . Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau:
cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác .

Hình 1.1.2.b - Cấu tạo stato
a. Cực từ chính
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt
cực từ . Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép carbon dày 0.5
đến 1 mm ép lại và tán chặt .
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc
cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ . Các

cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 7


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
b. Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện quá trình đổi chiều . Lõi
thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn,
mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính . Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các
bulông .
c .Gông từ
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy .
d . Các bộ phận khác
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như : Nắp máy, cơ cấu chổi than .
-Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an
toàn cho người khỏi chạm phải điện .
-Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài . Cơ cấu chổi than gồm có
chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp . Hộp chổi than
được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó . Giá chổi có thể quay được để đưa
vị trí chổi than đúng chỗ .
*Roto :
Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn
phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác .

Hình 1.1.2.c - Cấu tạo roto
a. Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ . Thường làm bằng những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày
0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy
gây nên .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 8


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
b. Dây quấn phần ứng
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua . Dây quấn phần ứng thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện . Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilowatt)
thường dùng dây có tiết diện tròn . Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện
chữ nhật . Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép .
Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai
chặt dây quấn . Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit .
c. Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều
thành một chiều . Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp
mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn . Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp
hình chữ V ép chặt lại . Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần
tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng .
d. Các bộ phận khác
Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ . Động cơ điện một chiều thường được
chế tạo theo kiểu bảo vệ . Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió . Cánh quạt lắp trên trục
động cơ . Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ . Gió đi qua vành
góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ .
Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi . Trục động cơ thường

được làm bằng thép carbon tốt .
1.1.3. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ
a. Mở máy động cơ điện một chiều .
Phương trình cân bằng điện áp :
Suy ra :
Khi mở máy, tốc độ :
Suy ra :
Suy ra :
Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư lên tới khoảng 20 đến 25 lần
Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện .
Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp :



Dùng biến trở mở máy RMở



Giảm điện áp đặt vào phần ứng
* Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều .
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau:
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 9


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
với

Hay :
Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào Φ (từ thông), Rư
(điện trở phần ứng), Uư (điện áp phần ứng) . Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ
điện một chiều ta có ba phương án .
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch
phần ứng
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư
Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào
phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có
độ cứng không đổi và bằng với độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên (đặc tính cơ tự nhiên có
độ cứng là lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị hao tổn .
Vì vậy trong đồ án này em chỉ giới thiệu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng .
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1.1.3.a – Sơ đồ khối
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức . Tuy nhiên do
cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp
phần ứng Uư . Khi Uư giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là không đổi nên tốc độ n giảm . Vì vậy
thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức . Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều
chỉnh trong phạm vi rất nhỏ .
Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì
từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi :
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có
thể đến 1:25 . Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không
đổi, bằng với độ cứng đặc tính cơ tự nhiên .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 10


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nói
phương pháp này điều khiển là triệt để .
Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện
áp định mức và từ thông định mức . Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi
yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động . Khi mômen tải là định mức thì các giá trị
lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen
ngắn mạch là :
Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen .Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song
nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết :

Với xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị
của độ cứng β . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các
thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần
ứng động cơ . Do đó có thể tính sơ bộ được :
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen
không đổi .
Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm
việc ở chế độ kích từ độc lập .
Điều chỉnh động cơ điện một chiều chính là sử dụng phương pháp này .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 11


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

Hình 1.1.3.b - Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp
Kết luận : Trong đồ án này em sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ vì nó thu được đặc tính
cơ có độ cứng không đổi (và là đặc tính cơ có độ cứng lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng
phẳng và không bị hao tổn .
* Lưu ý : So với động cơ điện xoay chiều thì động cơ điện một chiều có ưu thế tuyệt đối
trong việc điều chỉnh tốc độ . Sự tỉ lệ giữa điện áp phần ứng và tốc độ của động cơ điện
một chiều mang tính tuyến tính cao còn trong động cơ điện xoay chiều thì tốc độ không
chỉ phụ thuộc điện áp mà còn phụ thuộc vào tần số và sự phụ thuộc đó gần như hoàn toàn
là phi tuyến, hơn nữa nếu muốn điều khiển hoàn toàn động cơ điện xoay chiều cần có bộ
biến tần đi kèm (tăng điện áp phần ứng không làm cho tốc độ vượt qua tốc độ không tải
lý tưởng). Vì thế trong những hệ thống yêu cầu tính chính xác cao người ta thường dùng
động cơ điện một chiều .
1.1.4. Đo tốc độ động cơ điện một chiều
Để đo tốc độ động cơ nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng người ta thường sử
dụng Encoder .
Khái niệm:
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 12

Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Encoder dùng để quản lý vị trí góc và tốc độ quay của một đĩa quay . Đĩa quay có thể là
bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
Nguyên lý hoạt động :
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục động cơ . Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa . Khi đĩa quay, chỗ
không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ
chiếu xuyên qua . Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các
tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu
qua lỗ hay không . Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con
mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng .
Ta có công thức tính vận tốc:
Với :
 v : Tốc độ động cơ
 n : Số xung đo được
 no : Độ phân giải (32 xung/vòng)
 T : Khoảng thời gian đếm xung (0.375 s)
Phân loại :
Có 2 loại Encoder là :
 Encoder tuyệt đối
 Encoder tương đối
Về cơ bản thì Encoder tuyệt đối và tương đối có nguyên tắc hoạt động là giống nhau; mặc
dù Encoder tuyệt đối đưa ra tín hiệu chuẩn xác hơn nhưngcó cấu tạo phức tạp hơp và giá
thành cao hơn . Vì vậy trong phạm vi đề tài này chúng em sử dụng Encoder tương đối .
Encoder tương đối (incremental encoder)
Có 2 kiểu Encoder tương đối là kiểu quay và kiểu thẳng . Tuy nhiển kiều thẳng thì tốn
kém và bất tiện hơn kiểu quay nên trong phạm vi đề tài này em sử dụng Encoder tương
đối kiểu quay .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 13


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

1.2. Bộ biến đổi xung áp một chiều
1.2.1. Các phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện một chiều
Đề điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều chúng ta có thể sử dụng
bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc phương pháp PWM . Tuy nhiên với các hệ thống chỉ yêu
cầu công suất vừa và nhỏ thì việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển khó khăn và tốn
kém hơn phương pháp PWM mà không mang lại hiệu quả cao hơn . Vì vậy trong phạm vi
đề tài này chúng em sử dụng phương pháp PWM đề điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng
động cơ điện một chiều .
1.2.2. Phương pháp PWM
* Giới thiệu về phương pháp PWM
Phương pháp điều chế PWM (viết đầy đủ là Pulse Width Modulation) là phương pháp
điều chỉnh điện áp ra tải hay nói chính xác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi
độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra .
Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng
để điều khiển ổn định tốc độ động cơ . Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì
PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu một pha
và ba pha . . . Trên thực tế phương pháp PWM còn được ứng dụng trong nhiều mạch điều
khiển khác . Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công
suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn nguồn một chiều cố định .
Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của xung
dương hoặc là xung âm .

Hình 1.2.2.a - Dạng xung PWM
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 14


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Trong sơ đồ trên, trong một chu kỳ thì những xung PWM khác nhau có thời gian đạt
trạng thái “1” (xung dương) khác nhau, độ rộng xung PWM được tính theo tỉ lệ phần
trăm giữa thời gian xung dương và thời gian của một chu kỳ . Độ rộng xung PWM được
tính như sau :
Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn . Nhìn
trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :
+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = 25%Umax (V)
+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = 50%Umax (V)
+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = 75%Umax (V)
Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào .
Bây giờ ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm khi sử dụng PWM để điều khiển động cơ
điện một chiều .
a. Ưu điểm
- Van công suất ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được
mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra .
- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính .
- Tốc độ mô tơ cao hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một
điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM .
b. Nhược điểm
- Cần các

mạch điện tử bổ trợ .
- Giá thành cao .
- Các xung kích lên Umax có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng
ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ .
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ .
* Nguyên lý của phương pháp PWM
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách
có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt . Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong
mạch các van bán dẫn .
Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn . Dùng van đóng cắt bằng Mosfet (hoặc có
thể sử dụng IGBT hay các van bán dẫn khác) .
Nguyên lý hoạt động :
Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn U được đưa ra
tải . Còn trong khoảng thời gian từ t 0 đến T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 15


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn
toàn điện áp cung cấp cho tải .

Hình 1.2.2.b - Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 1.2.2.c - Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

=
Với :

t0 là thời gian xung dương (khóa đóng)
T là thời gian của cả sườn âm và dương
U là điện áp nguồn cung cấp cho tải
D = t0/T là độ rộng xung PWM và được tính bằng %

* Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 16


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần
mềm . Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC
dao động tạo xung vuông như : NE555, LM555 . . . Trong phần mềm được tạo bằng các
vi điều khiển có thể lập trình được . Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo
bằng phần cứng . Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM .
* Một vài ứng dụng nổi bật của PWM
a. PWM trong điều khiển động cơ
Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điều
khiển động cơ như là nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó . Cái này
được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ nguyên lý của mạch
điều khiển động cơ DC là :

Hình 1.2.1.d - Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC
Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ . Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận
quay ngược thì phải dùng đến cầu H hay muốn ổn định tốc độ thì cần các bộ lọc hỗ trợ .
b. Trong các bộ biến đổi xung áp
Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòng
điện và điện áp ra tải . Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp
và bộ biến đổi xung áp song song .
Ngoài những bộ biến đổi trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC
-AC , hay trong biến tần và nghịch lưu .
1.2.3. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều
* Đặt vấn đề
Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải .
Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 17


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t 0 theo một chu kỳ lặp lại
T . Bằng cách thay đổi độ rộng của t 1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện
áp trung bình ra trên tải . Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một
phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất
nhỏ .
Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cách
mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thành
nối tiếp hay song song . Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ
như bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn

bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào .Tuỳ thuộc
vào dấu điện áp mà người ta chia ra : bộ biến đổi xung áp không đảo chiều hoặc bộ biến
đổi xung áp có đảo chiều .
* Nguyên lý chung của bộ biến đổi xung áp một chiều

Hình 1.2.3.a- Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung
Bộ biến đổi xung áp một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm
là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và tổn
thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ .
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến
đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển . . . thì phương pháp
dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể : điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng,
tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái
sinh của động cơ . Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện
bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ
nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ . Mạch băm xung đặc
biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ .
Nguyên lý hoạt động :

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 18


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Transistor) . Đặc điểm của
sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp . Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung

kháng . Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khi khoá
K ngắt .
+ K đóng: Us được đặt vào đầu của bộ lọc . Lý tưởng thì U tải=Us (nếu bỏ qua sụt áp trên
các van) .
+ K mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện i tải do năng lượng tích luỹ
trong tụ điện C, cuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ura= Utải .
Như vậy, Utải tb

Us . Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp .

Hình 1.2.3.b - Đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu
vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay
đổi .Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển
theo hai cách :
 Thay đổi độ rộng xung .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 19


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
 Thay đổi tần số băm xung .
Nguyên lý :
Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau .

Hình 1.2.2.c - Sơ đồ

Hình 1.2.2.d - Dạng sóng

a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t 1, giữ nguyên T . Giá trị trung bình của điện
áp ra khi thay đổi độ rộng là :
Trong đó đặt : là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ .
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <   1) .
b. Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn tđ không đổi . Khi đó :
Vậy : Ud = U khi và Ud = 0 khi f = 0 .
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên . Nhưng thực tế phương pháp biến
đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến
tần đi kèm .
Kết luận : Trong đồ án này chúng em sử dụng phương pháp thay đổi điện áp đặt lên
phần ứng của động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi xung áp nối tiếp, xung PWM
được tạo bằng vi điều khiển vì phương pháp này đơn giản và các tổn hao khi biến đổi
điện áp rất nhỏ, xung PWM được tạo bằng vi điều khiển có chất lượng tốt và độ chính
xác cao hơn so với sử dụng các IC số hay khuếch đại thuật toán .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 20


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

1.3. Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kich từ động lập bằng nam
châm vĩnh cửu

Do kích từ bằng nam châm vỉnh củu nên từ thông kích từ của động cơ luôn giữ ở giá trị
định mức .
1.3.1. Xây dựng mô tả toán học cho động cơ dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết
* Phương trình mô tả toán học của động cơ điện một chiều
J : mô men quán tính quy đổi về đầu trục động cơ
B : hệ số ma sát ở trục động cơ
Uư : điện áp phần ứng (tín hiệu vào)
: tốc độ quay của trục động cơ (tín hiệu ra)
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng trong chế độ quá độ :
Phương trình cân bằng suất điện động phần ứng của động cơ :
Phương trình cân bằng mô men trên trục động cơ :

Thay vào phương trình cân bằng điện áp phần ứng . Ta có :

Phương trình trên chính là phương trình mô tả toán học của động cơ điện một chiều với :

Trong thực tế ma sát trên trục động cơ rất nhỏ nên nếu bỏ qua thành phần này ta có
phương trình đặc tính cơ như sau :

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 21


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Với :
là thời gian quán tính cơ hay hằng số thời gian điện cơ .
là thời gian quán tính điện hay hằng số thời gian điện từ .

là hằng số khuêch đại của động cơ .
Khi đó ta có : .
* Phương trình trạng thái của động cơ điện một chiều
Đặt :

Ta có :

* Mô tả toán học của động cơ điện một chiều trong miền ảnh Laplace
Chuyển phương trình trạng thái trên sang dạng hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace .
Ta có :
Tuy nhiên việc xác định các tham số a 0, a1, a2 trong thực tế gặp nhiều khó khăn do em
không biết rõ các thông số thiết kế ban đầu của động cơ, nên em sẽ tiến hành xây dựng
mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm .
1.3.2. Xây dựng mô tả toán học cho động cơ bằng phương pháp thực nghiệm
Từ việc xây dựng mô tả toán học dựa vào cơ sở kiến thức lý thuyết ở trên ta thấy rằng
hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một khâu quán tính bậc 2
có dạng :
Ta có đặc tính quá độ :
h(t)
k

B

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 22


Đồ án chuyên ngành I

Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

A
Tư

Tg

Hình 1.3.2.a – Đặc tính quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng trong chế độ xác lập :
Sức điện động phần ứng :
Từ đó ta có phương trình đặc tính cơ – điện của động cơ điện một chiều trong chế độ xác
lập :
Trong trường hợp động cơ không tải thì : Iư rất nhỏ . Khi đó ta có :

Ta xác đinh được hằng số khuếch đại K của hàm truyền đạt :
Nhận xét : Với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 2, đặc tính sẽ có điểm uốn . Kẻ
tiếp tuyến tại đó ta xác định được :
 Tư : Thời gian quá độ
 Tg : Hằng số thời gian
Nếu , thì T1 và T2 được xác đinh như sau :

với giá trị x (0 < x < 1) được tìm theo bảng sau :
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8

0,9
1,0
X
0,012 0,0275 0,0467 0,0707 0,1008 0,1393 0,1904 0,2622 0,3740 0,6113
Nếu , thì ta không xác định được T 1 và T2 theo cách trên do lúc này mà theo điều kiện
ban đầu thì .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 23


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Kết luận : Như vậy ta đã xây dựng được mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu . Bây giờ ta sẽ tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển
dựa trên mô tả toán học vừa xây dựng được .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 24


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

1.4. Hệ thống điều khiển PI số
1.4.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động

* Sơ lược về hệ thống điều khiển :
R(t)

E(t)

Controller

U(t)

Object

Y(t)

Z(t)
Measuring
Device
Hình 1.4.1.a – Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động
Controller

: Thiết bị điều khiển

Object

: Đối tượng điều khiển

Measuring

: Thiết bị đo lường

R(t)

: Tín hiệu đặt

U(t)

: Tín hiệu điều khiển

Y(t)

: Tín hiệu ra

Z(t)

: Tín hiệu phản hổi

E(t)

: Sai lệch điều khiển

* Chất lượng của hệ thống điều khiển :
Chất lượng của hệ thống điều khiển được đánh giá dựa trên 3 tiêu chí cơ bản là :
 Độ quá điều khiển
 Thời gian quá độ
 Số lần dao động
 Sai lệch tĩnh
* Các nguyên tắc điều khiển cơ bản :
Ta có 2 nguyên tắc điều khiển cơ bản là :

 Điều khiển theo sai lệch .
 Điều khiển theo phương pháp bù nhiễu .

Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng phương pháp điều khiển theo sai lệch là
chính (có thể kết hợp cả bù nhiễu) .
* Phân loại hệ thống điều khiển :
Tiến hành phân loại theo tính chất của hệ thống điều khiển, ta có 2 loại hệ thống điều
khiển cơ bản sau :
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 25


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
 Hệ thống điều khiển tuyến tính .
 Hệ thống điều khiển phi tuyến .
Tuy nhiên hệ thống điều khiển phi tuyến thường gặp rất nhiều khó khăn trong khâu tính
toán và mô phỏng hệ thống điều khiển nên trong thực tế ta thường sử dụng hệ thống điều
khiển tuyến tính .
Trong hệ thống điều khiển tuyến tính, tùy vào tính liên tục hay gián đoạn của hệ thống ta
chia ra thành 2 loại sau :
 Hệ thống liên tục (điều khiển tương tự) .
 Hệ thống rời rạc ( điều khiển số) .
Trải qua thời gian dài phát triển, đến nay, cùng với sự bùng nổ của kỷ nguyên số, các hệ
thống điều khiển liên tục (tương tự) đang dần được thay thế bởi các hệ thống rời rạc (hệ
thống số) . Bởi vì cùng với sự “lên đời” của các vi điều khiển và vi xử lý thì hệ thống
điều khiển số ngày càng chiếm ưu thế về tính chính xác, tốc độ và khả năng biến đổi cấu
trúc hệ thống để thích nghi vơi đối tượng điều khiển thay đổi mà mạch điện thì ngày càng
gọn nhẹ so với hệ thống điều khiển tương tự .
1.4.2. Luật điều khiển PID
Luật điều khiển PID được hợp thành bởi 3 luật điều khiển cơ bản sau :

 Quy luật tỷ lệ P
 Quy luật tich phân I
 Quy luật vi phân D
* Quy luật tỷ lệ P :
Hàm truyền đạt :
Đặc tính động học :
Hàm quá độ : khi , ta có :
Hàm trọng lượng :
Tín hiệu ra thể hiện sự khuếch đại của tín hiệu vào với hệ số K p và hai tín hiệu này trùng
pha với nhau . Quy luật tỉ lệ P có ưu điểm là tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp
quy luật này làm việc ổn định với tất cả đối tượng tuy nhiên nó có nhược điểm là không
triệt tiêu được sai lệch tĩnh .
* Quy luật tích phân I :
Ta chỉ xét khâu tích phân lý tưởng .
Hàm truyền đạt :
Hàm quá độ :
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 26


Đồ án chuyên ngành I
Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Hàm trọng lượng :
Quy luật tích phân I có khả năng triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh nhưng phản ứng kém
với các nhiễu cao tần và tín hiệu ra luôn chậm pha hơn tín hiệu vào một góc nên tác
động chậm dẫn tới các hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng khâu tích phân kém ổn định .
* Quy luật vi phân D :
Ta chỉ xét khâu vi phân lý tưởng .

Hàm truyên đạt :
Hàm quá độ :
Hàm trọng lượng :
Quy luật vi phân D có tín hiệu ra nhanh pha hơn tín hiệu vào một góc nên tác động cực
kỳ nhanh và phản ứng tốt với các nhiễu cao tần . Tuy nhiên việc tác động quá nhanh và
nhạy cảm với nhiễu thường dẫn tới hệ thống không ổn định .
Trong thực tế, các quy luật điều khiển trên thường được sử dụng kết hợp với nhau để kết
hợp các ưu điểm và hạn chế nhược điểm nhằm đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của
các quá trình công nghệ, trong đó hoàn hảo nhất là việc kết hợp cả 3 thành phần trên để
tạo thành bộ điều khiển PID có tốc độ tác động nhanh, không có sai lệch tĩnh và phản ứng
tốt với các nhiễu không mong muốn .
Tuy nhiên do kiến thức, kỹ năng và kinh nghiêm của chúng em còn hạn chế nên trong đề
tài này chúng em chỉ thiết kế bộ điều khiển PI có kết hợp quy luật tỷ lệ P và tích phân I
để điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều .
1.4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển PI số
* Cấu trúc hệ thống điều khiển số :
R(kT)

E(kT)

Digital
Controller

Y(kT)

U(kT)

U(t)
D/A

A/D

Y(t)
Object

Sensor

Hình 1.4.3.a – Cấu trúc một hệ thống điều khiển số điển hình
Digital Controller

: Thiết bị điều khiển số

Object

: Đối tượng điều khiển

Sensor

: Cảm biến (để trích mẫu giá trị Y(t))

A/D và D/A

: Các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số và ngược lại

R(kT)

: Tín hiệu đặt trên miền gián đoạn

U(kT)

: Tín hiệu điều khiển trên miền gián đoạn

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường

Trang 27