Thiết kế chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu mras áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục chung tải

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐÀO

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.
Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975.
Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI
TỐN PHÂN CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng

hƣớng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội
dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì
trong nội dung của luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam
đoan của mình.
Thái Ngun, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn
tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài
“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ
HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CÔNG
SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”
đã đƣợc hồn thành.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tơi hồn thành luận văn.

Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và
một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tơi trong suốt q trình
học tập để hồn thành luận văn này.
Cơng ty cổ phần tự động hóa Hồng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất
và giúp đỡ tơi trong q trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân cịn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì
vậy, tơi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014
Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. III
MỤC LỤC ....................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................... VII
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................. X
CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI
CỨNG TRỤC. ................................................................................................... 1
1.1

Bài toán thực tế: .................................................................................... 1

1.1.1 Giải pháp truyền thống ...................................................................... 3
1.1.2 Giải pháp đề xuất .............................................................................. 6
1.2

Mơ hình hệ thống. ................................................................................. 8

1.2.1 Giới thiệu:.......................................................................................... 8
1.2.2 Xây dựng mô hình tốn của hệ thống. .............................................. 9
1.3

Tham số hệ thống. ............................................................................... 13

CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH
MẪU MRAS ................................................................................................ 2-15
2.1

GIỚI THIỆU .................................................................................... 2-15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp ................................. 2-15
2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu ...................... 2-15
2.2

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: ...................... 2-19

2.3

Phƣơng pháp ổn định của Lyapunov. .............................................. 2-29

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN.
......................................................................................................................... 39
3.1

Cấu trúc hệ thống điều khiển. ............................................................. 39

3.2

Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1......................................... 40

3.3

Bộ điều chỉnh dịng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mơ

hình mẫu MRAS.............................................................................................. 45
3.4

Tổng hợp mạch vịng tốc độ................................................................ 54

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM .................................................................... 62
4.1

Giới thiệu:............................................................................................ 62

4.2

Các mạch điện thực hiện. .................................................................... 63

4.3

Thực nghiệm trên mơ hình. ................................................................. 67

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .............................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt

Tên tiếng anh

LFFC

Learning Feed Forward Control

MRAS

Model

Adaptive Hệ thống thích nghi theo

Reference

mơ hình mẫu

System
Proportional

PID

Tên tiếng việt

-

Integral

Derivative

-

Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm
Bộ điều khiển tự chỉnh

STR

Self Tuning Regulator

FEL

Learning Feedback Error

ILC

Interative learning control

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

PWM

Pulse – width modulation

Điều chế độ rộng xung

AD

Analog digital

Bộ biến đổi tƣơng tự -số

MLP

Multilayer perceptron

LC

Learning Control

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Điều khiển học sai lệch
phản hồi
Điều khiển học theo quá
trình lặp

Bộ điều khiển học

/>

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ.............................................................. 1
Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ. .............................................................. 2
Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau. ............................... 3
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. .......................................... 5
Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. ......................................................................... 6
Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. ................................................... 7
Hình 1-7: Mơ hình hệ thống. .................................................................................. 9
Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ..................... 10
Hình 1-9: Mơ hình động cơ một chiều kích từ độc lập. ....................................... 12
Hình 1-10: Mơ hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải................... 13
Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số. ..................................................................... 2-16
Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. ..................................................................... 2-17
Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp ........................................................ 2-18

Hình 2-4: Mơ hình đối tƣợng và mơ hình mẫu ................................................ 2-21
Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. ........... 2-22
Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số bp................... 2-23
Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. ............... 2-23
Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. ....... 2-24
Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mơ hình mẫu theo luật
MIT. .................................................................................................................. 2-24
Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mơ hình mẫu. ........................... 2-25
Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT. .............................................. 2-25
Hình 2-12: Sơ đồ mơ phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb. .......................... 2-27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mơ hình mẫu. .227
Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. ..................................................................... 2-28
Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi. ....................................................... 2-28
Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov. .236
Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tƣợng và mơ hình mẫu. ............ 2-37
Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb. .................................................... 2-37
Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển. ............................................................. 40
Hình 3-2: Tổng hợp mạch vịng dịng điện. ........................................................ 41
Hình 3-3: Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển dịng điện 1. ...................................... 44
Hình 3-4: Đáp ứng dịng điện 1........................................................................... 44
Hình 3-5: Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển dịng thích nghi cho động cơ 2. ........ 51
Hình 3-6: Đáp ứng dịng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dịng điện
mẫu. ...................................................................................................................... 51
Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển. ........................................................... 52
Hình 3-8: Đáp ứng dịng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dịng điện
mẫu khi thơng số phần ứng thay đổi. ................................................................... 53

Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thơng số phần ứng thay đổi. ........ 53
Hình 3-10: Cấu trúc mạch vịng tốc độ. ............................................................... 55
Hình 3-11: Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng tốc độ. .................................................. 57
Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vịng tốc độ. ............................................. 58
Hình 3-13: Tốc độ động cơ dƣới điều kiện định mức. ......................................... 59
Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dịng điện của hai động cơ. ............................... 59
Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển. ............................................................... 60
Hình 4-1: Mơ hình đối tƣợng. .............................................................................. 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 4-2: Tổng thể hệ thống. ............................................................................... 63
Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực hiện..................................................... 64
Hình 4-4: Mặt trƣớc tủ điều khiển. ...................................................................... 65
Hình 4-5: 06 Thyristor của mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha......................................... 65
Hình 4-5: Mạch khuếch đại và truyền xung. ........................................................ 65
Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung................................................................... 66
Hình 4-5: Mạch điều khiển. ................................................................................. 66
Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm. ....................................................................... 67
Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cƣa. ............................................... 68
Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cƣa............................................. 68
Hình 4-12: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu so sánh. ......................................... 69
Hình 4-13: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu sửa xung. ....................................... 69
Hình 4-14: Xung chùm. ........................................................................................ 70
Hình 4-15: Nhân xung chùm. ............................................................................... 70
Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor. .................................................................... 71
Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ. ............................................................. 71
Hình 4-17: Dịng điện 2 động cơ.......................................................................... 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI NĨI ĐẦU
Trong thời đại cơng nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay,
việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển,
từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã
tƣ cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp....đƣợc đặc
biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ
thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng
hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ
thuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt cơng
nghệ mới tốt. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang đƣợc sử dụng lại
yêu cầu ngƣời cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến cơng nghệ
cho các hệ thống đó.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với
nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ
nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng tự nhƣ đã đặt vấn
đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng
rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tƣơng
xứng.
Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN
CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC,
CHUNG TẢI”, tác giả đƣa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên
khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ cơng suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ đƣợc chọn yêu
cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ƣu điểm của
giải pháp là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ biến
đổi đi kèm có cơng suất nhỏ hơn.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mơ hình tốn hệ hai động cơ một chiều
nối cứng trục
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS áp
dụng cho bài toán chia tải hai động cơ.
- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm
Matlab/Simulink.
- Thiết kế chế tạo mơ hình và bộ điều khiển bằng mạch điện tử sử dụng
khuếch đại thuật toán.
Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chƣơng, nội dung tóm tắt của các chƣơng nhƣ sau:
Chương 1: Bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục.
Vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục đƣợc xem xét. Đồng
thời xây dựng mơ hình tốn cho hệ truyền động gồm 2 động cơ nối cứng trục.
Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu - Model
Reference Adaptive Systems – MRAS.
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mơ hình
mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp đƣợc giới thiệu trong chƣơng này.
Lý thuyết ổn định Lyapunov đƣợc áp dụng để tìm ra cơng thức hiệu chỉnh thơng
số của đổi tƣợng điều theo thơng số của mơ hình mẫu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Chương 3: Thiết kế và mơ phỏng thuật tốn điều khiển.
Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS đƣợc
trình bày ở Chƣơng 2 cho việc thiết kế hệ thống điều khiển nhƣ đã đề xuất tại
Chƣơng 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vịng, mạch vịng tốc độ
bên ngồi, mạch vịng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dịng
điện của động cơ thứ nhất đƣợc tính tốn trƣớc với các thơng số bộ điều khiển là
cố định. Dịng phần ứng của động cơ thứ nhất đƣợc xem là dịng điện mẫu. Bộ
điều khiển PID thích nghi mạch vịng dịng điện động cơ thứ 2 sau đó đƣợc thiết
kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dịng điện phần ứng động cơ thứ
2 ln bám sát dịng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1. Kết quả thiết kế, tính
tốn đƣợc đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Chương 4: Thực nghiệm.
Dựa trên các kết quả đạt đƣợc ở Chƣơng 3, tác giả đi tiến hành xây dựng
mạch điện tử thực hiện chức năng của hệ thống điều khiển và triển khai trên thiết
bị thực. Kết quả chạy thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của thuật tốn
điều khiển đề xuất.
Thái Nguyên, ngày

tháng

.năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI
CỨNG TRỤC.

1.1 Bài toán thực tế:
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động
cơ một chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn KW (Hình 1-1). Thiết bị
cán Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụng
cơng suất vào khoảng 5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lị,
trạm nén khí, trạm bơm,…là các hệ thống điển hình mà ở đó thƣờng u cầu sử
dụng động cơ cơng suất lớn.

AC

BBĐ

Động cơ

Tải

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử
dụng cũng nhƣ việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp khơng ít trở ngại vì yếu
tố trọng lƣợng và kích thƣớc. Vận hành động cơ cơng suất lớn đồng nghĩa với

việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động
cơ một chiều, bộ nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng
tự nhƣ đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ cơng suất lớn, có thể
khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công
suất lớn tƣơng xứng.

Động cơ 1

Động cơ 2

Tải

Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ.
Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ
cơng suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay
nhiều hơn 02 động cơ có tổng cơng suất bằng công suất của động cơ cần thay
thế, các động cơ đƣợc chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và cơng suất định
mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

Ƣu điểm: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ
biến đổi đi kèm có cơng suất nhỏ hơn; q trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ
dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây
của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hƣởng của thành
phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lƣới điện.
1.1.1 Giải pháp truyền thống
AC
BBĐ

Động cơ 1

Động cơ 2
Tải

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau.
Trƣớc hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất là thay thế 01 động cơ một
chiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng cơng suất bằng công suất
động cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức. Yêu cầu đặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ra là trong quá trình vận hành hai động cơ trên ln đóng góp phần cơng suất của
mình cho phụ tải chung là nhƣ nhau. Yêu cầu khắt khe này khơng thực hiện đƣợc
nếu khơng có sự can thiệp của điều khiển bởi lẽ trong thực tế ta không thể tìm
đƣợc hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Một giải pháp giúp hai động cơ trên ln có các dịng kích từ bằng nhau,
các dịng phần ứng nhƣ nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc
nối tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3). Khi đó sự đóng góp của hai động cơ
là hồn tồn giống nhau. Giải pháp tƣởng nhƣ đơn giản tuy nhiên không thể thực
hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu
cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi
yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở
đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là khơng khả thi trong
thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải
dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu khơng có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự
đóng góp cơng suất nhƣ nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu

02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái
nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải;
Trƣờng hợp xấu hơn nữa một động cơ ngồi việc kéo tồn bộ tải cịn phải kéo cả
động cơ cịn lại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

AC

AC

Driver 2

Driver 1

Động cơ 2

Động cơ 1

Tải

Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ.
Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch
vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngồi, mạch vịng dịng điện kép
bên trong, tín hiệu ra của mạch vịng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vịng
dịng điện (Hình 1-5). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ đƣợc hiệu chỉnh
bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện
một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của sản xuất. Tuy

nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận
hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tƣơng đối lớn về
dòng điện của các động cơ (đơi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với
quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ
điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhƣợc
điểm cơ bản của thiết kế đã nêu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Tốc độ đặt
(-)
BĐK
Tốc Độ

(-)

(+)

(+)

BĐK Dòng
Điện 1

BĐK Dòng
Điện 1

BBĐ1

BBĐ 2

I1
UA
UB
UC

(-)

I2
UA
UB
UC

Động cơ 2
Động cơ 1

Tải
Máy phát tốc

Hình 1-5: Giải pháp truyền thống.
1.1.2 Giải pháp đề xuất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Tốc độ

(-)

đặt
BĐK
Tốc Độ

I1

 I2

(-)
I1

(-)

e2

βI2

e1
Luật TN

SVF1

SVF2
βI
(-)

(-)
I1

BĐK

Dòng Điện
2

BĐK
Dòng Điện
1

controlle

controlle

UA
UB
UC



2

I2

BBĐ2

BBĐ1

UA
UB
UC

Động cơ

Động cơ
1

2
Tả
i

Máy phát tốc

Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Giải pháp đề xuất trong luận văn này đƣợc phát triển dựa theo giải pháp
vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai
mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung
cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dịng điện động cơ 1 với
thơng số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thơng số bộ
điều khiển dịng của động cơ thứ hai đƣợc hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dịng
điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của
động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế dựa trên mơ hình mẫu
đƣợc tạo bởi bộ điều khiển dịng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của
động cơ đó. Với cấu trúc này trong q trình vận hành, dòng điện động cơ thứ
nhất đƣợc xem là dòng mẫu, dịng động cơ thứ 2 ln bám dịng động cơ 1 với
sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dịng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau –
điều mà chúng ta mong đợi.

1.2 Mơ hình hệ thống.
1.2.1 Giới thiệu:
Nhằm mục đích kiểm tra khả năng của bộ điều khiển đề xuất trƣớc khi đƣa
vào ứng dụng trong thực tế sản xuất, một mơ hình của hệ thống hai động cơ một
chiều nối cứng trục, chung tải đã đƣợc xây dựng tại Phịng Thí Nghiệm Điện –
Điện tử thuộc Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái
Nguyên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 1-7: Mơ hình hệ thống.
Hệ thống bao gốm 3 động cơ một chiều kích từ độc lập, đƣợc nối cứng
trục với nhau qua hệ thống khớp nối và đai truyền.
Hai động cơ đầu (Master Motor, và Slave Motor) dùng để điều khiển tốc độ
quay, động cơ thứ ba đóng vài trò của một máy phát (Generator), tạo ra phụ tải
cho hệ.
Ngồi ra, trên mơ hinh cịn gắn một máy phát tốc (Tacho) đƣa tín hiệu
phản hồi tốc độ về bộ điều khiển.
1.2.2 Xây dựng mơ hình tốn của hệ thống.
a) Mơ hình động cơ một chiều kích từ độc lập:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

+

Uu

Iu

Ru

Lu

Eu
Ikt

Lkt

Rkt
Ukt

+

-

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ:

uu  eu  Ruiu  Lu

diu
dt

(1.1)

Trong đó:

uu : điện áp phần ứng động cơ (V).
iu : dòng điện mạch phần ứng động cơ (A).
eu : suất điện động phần ứng (V).
Ru : điện trở mạch phần ứng (  ).
Lu : điện cảm mạch phần ứng (H).

Khi từ thơng động cơ khơng đổi thì suất điện động phần ứng:
eu  Cu

(1.2)

Trong đó:
Cu : hằng số động cơ.

 : tốc độ động cơ (rad/s).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Phƣơng trình cân bằng mơ men của động cơ:
M dt  M c  J

d
dt

(1.3)

Trong đó:
M c : moment cản của tải (N.m).

J : mơ men qn tính của hệ qui về trục động cơ ( kgm 2 ).

M dt  Cuia : moment điện từ của động cơ (N.m).

Từ các phƣơng trình (1.1) - (1.3) ta có mơ tả của động cơ một chiều dƣới
dạng không gian trạng thái nhƣ sau:
d Cu
1

 ia  M c

dt
J
J
 di
 a   Ru ia  Cu   1 U u
Lu
Lu
Lu
 dt

Viết

lại

0
d   

dt  ia    Cu
 Lu

dƣới

(1.4)

dạng

Cu 

0

  
J
.

Ru   ia   1

 Lu
Lu 

1
 
J M c 
. 
U
0   u


ma

trận:

(1.5)

Hay:
 x  Ax  Bu

 y  Cx

Trong đó:
 
x    là vector biến trạng thái của hệ.
 iu 
y   : đầu ra tốc độ của động cơ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Cu 


0


0
J
, B  
A
  Cu  Ru 
1

 Lu

 Lu
Lu 
C  1 0

1
 
J

0 


(1.6)

Ta có mơ hình của động cơ một chiều kích từ độc lập nhƣ sau:

1
R u  Lu s

uu

iu

M dt
Cu

(-)

1

J

1
s



Mc (-)

eu

Cu

Hình 1-9: Mơ hình động cơ một chiều kích từ độc lập.
b) Mơ hình hệ thống 02 động cơ nối cứng trục:
Tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp một động cơ, từ (1.1) ta có phƣơng trình cân bằng áp
cho hai động cơ nhƣ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

diu1
dt
di
uu 2  eu 2  Ru 2iu 2  Lu 2 u 2
dt
uu1  eu1  Ru1iu1  Lu1

(1.7)

Nhìn chung, các tham số của hai động cơ là khác nhau, bởi vì nhƣ đã đề cập ở
trên, ta khơng thể chế tạo đƣợc hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Phƣơng trình cân bằng moment của hệ:

M dt1  M dt 2  Mc  J

d
dt

(1.8)

Trong đó:
M dt1  Cu1iu1 : moment điện từ của động cơ 1 (N.m).
Mdt 2  Cu 2iu 2 : moment điện tử của động cơ 2 (N.m).
J : moment quán tính của hệ thống qui về trục động cơ ( kgm 2 ).

Từ đó ta có mơ hình của hệ hai động cơ 1 chiều nối cứng trục, chung tải nhƣ sau:

1.3 Tham số hệ thống.
Động cơ sử dụng trong mơ hình có thơng số:
P  2.2kW ; Udm  220V ; I dm  12 A ; ndm  1430v / p ;  0.85 .

Các tham số của mơ hình đƣợc cho trong bảng sau:
Thông số

Ý nghĩa

Giá trị

Ru

Điện trở mạch phần ứng động cơ

0.5 (  )

Lu

Điện cảm mạch phần ứng

50 (mH)

Cu

Hệ số sức phản điện động

1.37 (V.s/rad)

J

Moment quán tính của hệ thống qui 0.1 ( kg .m 2 )
đổi về trục động cơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>