Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi điều khiển stm32f4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN STM32F4
:

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Hoàng Võ Tùng Lâm
Sinh viên thực hiện

: Hoàng Anh Tú

MSSV

: 135D5202160066

Lớp

: 54K2 - KTĐK&TĐH

Nghệ An, 07-2018

1

MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ....................................................................................................3
Chương 1: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ MỘT CHIỀU ..................4
1.1. Động cơ điện một chiều ....................................................................................4
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều................................................................................ 4
1.1.2. Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều .................................................... 7
1.2. Mơ hình hóa động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu ..........................9
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ..................................................14
1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm

Rp

- điện trở phụ............................................ 14

1.3.2. Điều chỉnh từ thông .................................................................................................. 14
1.3.3. Điều khiển điện áp phần ứng................................................................................... 14
1.4. Bộ điều khiển PID và PID số ..........................................................................15
1.4.1. Bộ điều khiển PID .................................................................................................... 15
1.4.2. Bộ điều khiển PID số ............................................................................................... 24
Chương 2: TÌM HIỂU CHUNG VỀ STM32F4, CÁC LINH KIỆN VÀ MỘT
SỐ VÍ DỤ .................................................................................................................26
2.1. Giới thiệu vi điều khiển ARM Stm32f4..........................................................26
2.2. Mạch cầu L298 ................................................................................................29
2.3. Động cơ Encoder 334 xung............................................................................30
2.4. USB to com PL2303 V2 ( truyền tín hiệu giữa mạch với máy tính) ..............31
2.5. Một vài ví dụ cụ thể trên STM32F4 ................................................................32
2.5.1. Điều khiển bật LED ............................................................................................. 34
2.5.2. Điều khiển tắt/bật LED bằng nút ấn............................................................... 37

Chương 3: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU, KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC ........40
3.1. Yêu cầu............................................................................................................40
3.2. Điều khiển tốc độ động cơ dùng PID số .........................................................40
KẾT LUẬN ..............................................................................................................46
1. Các kết quả của đồ án ........................................................................................46
2. Hạn chế của đồ án và kiến nghị .........................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................47
2


DANH MỤC HÌNH, BẢNG
Trang
Hình 1.1. Cực từ chính ................................................................................................5
Hình 1.2. Lõi sắt phần ứng ..........................................................................................6
Hình 1.3. Sơ đồ ngun lí cấu tạo động cơ điện 1 chiều ............................................7
Hình 1.4. Nguyên lí hoạt động của động cơ một chiều...............................................9
Hình 1.5. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập .....................................................9
Hình 1.6. Mơ hình (a), cửa sổ cài đặt các thơng số mô phỏng (b) và kết quả mô
phỏng (c) động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu ................................11
Hình 1.7. Mơ hình động cơ điện một chiều với kích từ khơng đổi ...........................12
Hình 1.8. Cửa sổ cài đặt (a) và các kết quả mô phỏng (b) động cơ điện một chiều
với sự điều khiển theo mạch phần ứng và kích từ ....................................................13
Hình 1.9. Mơ hình nhận các đặc tính cơ (a) và các kết quả mơ phỏng (b) ...............13
Hình 1.10. Điều khiển vịng hở .................................................................................15
Hình 1.11. Điều khiển vịng kín ................................................................................15
Hình 1.12. Ví dụ về điều khiển vịng kín ..................................................................15
Hình 1.13. Bộ điều khiển PID ...................................................................................16
Hình 1.14: Xác định tham số của đặc tính ................................................................18
Hình 1.15: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ......................................................18
Hình 1.16: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ........................................................19

Hình 1.17: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick ....20
Hình 1.18. Mơ hình nhận dạng động cơ ....................................................................22
Hình 1.19. Hàm truyền ..............................................................................................23
Hình 1.20. Sơ đồ khối khi có PID .............................................................................24
Hình 1.21. Hiệu chỉnh thơng số PID .........................................................................24
Hình 2.1. Vi điều khiển STM32 F4. .........................................................................26
Hình 2.2. Kit vi điều khiển STM32F4 Discovery. ....................................................27
Hình 2.3: Module điều khiển động cơ L298 .............................................................29
Hình 2.4: Động cơ encoder 334 xung .......................................................................31
Hình 2.5: USB to com PL2303 V2 ...........................................................................31
Hình 2.6. Kết quả điều khiển nháy led ......................................................................36

3


Hình 2.7. Kết quả điều khiển bằng nút ấn .................................................................39
Hình 3.1. Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển ...............................................................40
Hình 3.2a, b, c, d. Sơ đồ khối trên Simulink .............................................................42
Hình 3.3a, b, c. Cài đặt thơng số trong Simulink ......................................................44
Hình 3.4. Hình ảnh kết nối matlab và mạch điều khiển ............................................44
Hình 3.5. Kết quả thu được gần đúng với tốc độ đặt 1.000 vòng/phút .....................45
Bảng 1. 1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1 ...................................18
Bảng 1.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .....................19
Bảng 1. 3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 ..............20
Bảng 1. 4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 ..............20
Bảng 1. 5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 ..............21
Bảng 1. 6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 ..............21
Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối điều khiển động cơ một chiều ............................................41

4

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã mang
lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành điện có nhiều tiêm năng
lớn trong lĩnh vực của cuộc sống. Ngành điện mang lại nhiều lợi ích cho con người
như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt là trong môi trường lao động
độc hại. Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, phân xưởng đều có sự góp mặt của
ngành điện. Trong các dây truyền sản suất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng
xung áp một chiều rất nhiều bởi vì sử dụng hệ thống này có độ an tồn cao.
Trong q trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến
thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm
giảm năng suất của máy sản xuất. Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là
một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất. Như ta biết rằng hầu hết
các máy sản xuất đều địi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều
kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau. Muốn có được các tốc độ khác
nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay
đổi tốc độ của động cơ truyền động chính. Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc
độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Động cơ điện một
chiều khơng những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng.
Chính vì những lí do trên nên em lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: “Điều
khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi điều khiển STM32F4”. Được trình bày
trình bày trong ba nội dung :
Chương 1: Hệ thống truyền động điện động cơ một chiều.
Chương 2: Tìm hiểu chung về STM32F4, các linh kiện và một số ví dụ
Chương 3 : Mơ hình động cơ một chiều và kết quả đo được
Do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như thực nghiệm nên đồ án
khơng tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý

của các thầy để đồ án hoàn thiện và sát thực tế hơn.

1


Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Kỹ thuật và Công nghệ đã cung cấp
cho em những kiến thức cơ bản trong suốt quá trình học tập để em có thể thực hiện
đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn giảng viên Th.S Hoàng Võ Tùng Lâm đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện

Hoàng Anh Tú

2


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này trình bày hệ thống truyền động động cơ một chiều, giới thiệu vi
điều khiển STM32F4 và xây dựng phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một
chiều sử dụng vi điều khiển STM32F4.
Phần mềm Matlab/SIMULINK được sử dụng mô phỏng, kiểm chứng kết
quả. Các phần mềm hỗ trợ Keil uVision5, STM32CubeMX, SetupSTM32CubeMX4.14.0.
Đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Hệ thống truyền động điện động cơ một chiều.
Chương 2: Tìm hiểu chung về STM32F4, các linh kiện và một số ví dụ
Chương 3 : Mơ hình động cơ một chiều, kết quả đo được.

ABSTRACT
This project presents a DC motor drive, introduces the STM32F4

microcontroller and develops a DC motor speed control method using the STM32F4
microcontroller.
Matlab / SIMULINK software is used to simulate, verify results. The
software supports Keil uVision5, STM32CubeMX, SetupSTM32CubeMX-4.14.0.
Pottery project 3 chapters:
Chapter 1: Electric Motor Drive.
Chapter 2: The Basics of DC Motor Controls Using Microcontrollers.
Chapter 3: Direct current motor model and the measured result.

3


Chương 1:
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là
động cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất). DC
motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.
Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều
sang năng lượng cơ. Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là
máy phát điện.
Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:
- Kích từ độc lập.
- Kích từ song song.
- Kích từ nối tiếp.
- Kích từ hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Với mỗi 1 loại động cơ điện 1 chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau.
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Cấu tạo động cơ một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh (stator) và phần
quay (rotor).

a. Phần tĩnh
- Cực từ chính:
Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây. Lõi sắt cự
từ được làm từ các lá thép kỹ huật hoặc thép cacbon dầy: 0,541mm được ép lại với
nhau và tán chặt thành một khối các cực được gắn với vỏ máy bằng các bu lông. Một
cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam- bắc đặt đối xứng nhau qua trực động cơ, tùy
theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3,... các máy điện nhỏ cực từ được làm bằng
thép khối. Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện trịn hoặc hình chữ nhật
được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn. Các cuộn dây được mắc nối tiếp
với nhau. Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận trước khi đặt vào các cực từ.

4


Hình 1.1. Cực từ chính
- Cực từ phụ:
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều.
Cực từ phụ đưuọc làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn. Dây quấn cực từ
phụ tương tự như dây quấn cực từ chính.
- Gơng từ:
Gông từ là phần nối tiếp các cực từ. Đồng thời gơng từ làm vỏ máy, từ thơng
móc vịng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ. Trong máy điện lớn
gông từ làm bằng thép đúc, trong máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá được uốn
lại thành hình trụ trịn rồi hàn.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: dùng để bảo vệ các chi tiết của máy khơng cho các vật bên ngồi
rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ... Đồng thời nắp máy đê cách li
người sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện. Ngồi ra
nắp máy cịn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ.
+ Cơ cấu chổi than: Cơ cấu chổi than để đưa dịng điện từ ngồi vào máy nếu

là động cơ và đưa dòng điện ra nếu máy là phát điện. Cơ cấu chổi than gồm có 2 chổi
than làm từ than cacbon thường là hình chữ nhật. Hai chổi than được đựng trong hộp
chổi than và ln tỳ lên hai vành góp nhờ 2 lị xo. Hộp chổi than có thể thay đổi được
vị trí sao cho phù hợp.

5


b. Phần quay
- Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silie dầy 0,5mm
có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy fuco
gây lên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây
phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ trịn và được ép cứng vào với trục tạo thành một
khối đồng nhất.
Trong các máy điện trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi ép
lại tạo thành các lỗ thơng gió làm mát cuộn dây và mạch từ.

Hình 1.2. Lõi sắt phần ứng
- Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua. Trong
máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện trịn, với động cơ có cơng suất vừa và
lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh rotor ta phải
dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt cạnh
các cuộn daayquaans để tránh cho dây khơng bị văng ra ngồi khi dây chịu lực điện
từ tác động.
- Cố góp:
Cố góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm
nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ trịn sau đó được ép chặt vào trục.
Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mica đặt ở giữa. Đi các phiến

góp nhơ cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một
đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.

6


- Các bộ phận khác:
+ Cánh quạt: dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ,
khi động cơ làm việc gió từ ngồi vào qua các khe hở trên nắp máy, làm nguội dây
quấn, mạch từ.
+ Trục máy: được làm từ loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi
thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được nối lên 2 vịng bi ở nắp máy.
1.1.2. Ngun lí làm việc của động cơ điện một chiều
Từ trường của cuộn dây được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dịng điện một
chiều chạy qua. Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được quấn
quanh các cực từ 4. Trên hình vẽ động cơ điện một chiều, stator 6 của động cơ có đặt
các cuộn cảm nên stator gọi là phần cảm. Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng
một lực từ vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dịng điện
chạy qua. Cuộn dây này gọi là cuộn ứng. Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi
than 2 và cổ góp 1. Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lí cấu tạo động cơ điện 1 chiều
Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng nửa trên cuả rotor có dịng điện hướng
vào, cịn các dây dẫn ở nửa dưới có dịng điện hướng ra. Lực F tác dụng vào các dây
dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra momen làm quiay rotor
ngược chiều kim đồng hồ. Động cơ trên có 2 cực từ hay 1 cặp cực .

7

Trong thời gian động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ thông  d dọc trục cực
từ và phân bố đối xứng cới cực từ. Mặt phẳng OO trên đó có đăth chổi than, vừa là
mặt phẳng trung tính vật lý. Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ
trường riêng  n hướng ngang trục cực từ. Từ trường tổng cộng trong động cơ mất
tính đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc  (ngược
chiều quay của rotor) so với mặt trung tính hình học.
Khi mà dịng điện trung tính ngày càng mạnh thì  n càng mạnh và goc quay
 càng lớn. Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng ngày càng mạnh.

Phản ứng phần ứng là một trong nhứng nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữ
chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổ góp. Ta có thể hạn chế nhờ
xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý, tức là theo góc  ; hoặc thêm
cực từ phụ.
Cực từ phụ được đặt giữ các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ
trường ngang so với từ trường chính và ngược chiều với  n của cuộn ứng để khử từ
trường  n . Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong
động cơ sẽ tốt hơn.
Bởi vì từ trường  n gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phâng ứng
I u nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Do vậy khi

dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ trường phụ
mạnh hơn để khử từ trương  n .

8


Hình 1.4. Ngun lí hoạt động của động cơ một chiều
Trong đồ án này em tập trung tìm hiểu động cơ một chiều kích từ nam châm
vĩnh cửu.
1.2. Mơ hình hóa động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu

Trên hình 1.1 trình bày sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Các q trình điện từ và cơ điện được mô tả bởi các phương trình có dạng sau:

Hình 1.5. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trong các phương trình trên các biến và các tham số được đánh dấu bởi chỉ
số f tương ứng với cuộn dây kích từ, cịn các biến và tham số được đánh dấu bởi chỉ
số a tương ứng với phần ứng, các hệ số k , ke , km là các hằng số kết cấu máy điện.
Đưa các phương trình trên về dạng khơng thứ ngun, tiếp nhận giá trị định
mức các biến của động cơ ở dạng đơn vị cơ sở:

9


U f . NOM , U a. NOM ,  NOM =

U a. NOM
U
, M L , NOM = km  NOM a . NOM
ke  NOM
ra

(1.1)


di f
+if
U f = T f
dt



di a
+ i a +  m
U a = Ta
dt

 d m
Tm
= i a − M L
dt

 = k ' i f



(1.2)

Trong đó:
uf =

uf
U f . NOM

;ua =

ua
U a. NOM

;i f =

ia ra

U a. NOM

; =


 NOM

; m =

m

0. NOM

;M L =

ML
M L.HOM

là các biến tương ứng của trạng thái động cơ.
Và T f =

Lf
rf

, Ta =

U f . NOM
La
J 0. NOM '
, Tm =

, k = k
là các tham số của động cơ.
ra
M L. NOM
rf  NOM

Phương trình (1.2) có thể đưa về dạng:
u f = ( sT f + 1).i f

u a = ( sTa + 1).i a +  m

 sTm  m = i a − M L

'
 = k i f

(1.3)

Mà mơ hình phù hợp với nó được đưa ra trên hình 1.6 a. Mơ hình có hai
cổng điều khiển: (Ua)-điều khiển theo mạch phần ứng, (Uf)-điều khiển theo mạch
kích từ và một đầu theo nhiễu, ML -đại lượng nhiễu theo mô men tải. Khối (Transfer
Fcn) mơ phỏng mạch kích từ (hằng số thời gian của mạch Tf =0,5s) Khối (Transfer
Fcn1) mô phỏng mạch phần ứng (hằng số thời gian Ta = 0.02s).
Các khối (Product, Product1) thực hiện phép nhân tương ứng với phương
trình 2 và 3 của hệ thống (1.7). Các khối (Sum1, Gain, Integrator) thực hiện phương
trình thứ ba của hệ thống (1.7). Trên hình 1.6 b cho thấy cửa sổ cài đặt các thơng số
mơ phỏng, cịn trên hình 1.6 c trình bày kết quả mơ phỏng động cơ mà được điều
khiển theo mạch phần ứng. Sự điều khiển theo mạch kích từ đạt được sớm hơn
nhiều vì tại thời điểm tác động điều khiển và tác động nhiễu thì trong máy cũng đã

10


có từ thơng. Theo hình 1.6 b,c tất cả thời gian mơ phỏng nhận giá trị bằng 10s, tín
hiệu điều khiển bắt đầu sau một đoạn là 2s tính từ thời điểm bắt đầu mơ phỏng, cịn
đại lượng nhiễu – sau 5s từ thời điểm bắt đầu mô phỏng. Trên hình 1.6 c mơ tả q
trình q độ theo tốc độ và mơ men.

Hình 1.6. Mơ hình (a), cửa sổ cài đặt các thông số mô phỏng (b) và kết quả mơ
phỏng (c) động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu
Từ thơng trong động cơ với kích từ độc lập có thể coi là khơng đổi. Trong
trường hợp này mơ hình động cơ trở nên đơn giản hơn, mơ hình này được giới thiệu
trên hình 1.7. Tiếp theo đó mơ hình này được dùng để tổng hợp thiết bị truyền động
điện khi điều khiển theo mạch phần ứng.

11


Hình 1.7. Mơ hình động cơ điện một chiều với kích từ khơng đổi
Trong truyền động điện một chiều với động cơ kích từ độc lập thường sử
dụng với hai vùng điều chỉnh. Trong trường hợp này động cơ được điều khiển cả
theo mạch phần ứng và mạch kích từ. Theo mạch phần ứng với từ thơng kích từ
khơng đổi thì sự điều khiển được thực hiện khi mơmen trên trục là rất lớn, cịn sự
điều khiển theo mạch kích từ khi mơmen này nhỏ.
Trên hình 1.8b trình bày các kết quả mô phỏng khi điều chỉnh hai vùng của
động cơ, khi giá trị mômen nhỏ cần phải nhận một tốc độ lớn của tốc độ không tải
lý tưởng. Để thực hiện điều này trong các hệ thống thực người ta giảm từ thông của
động cơ. Trong cửa sổ cài đặt của khối (U f, hình 1.8a) thấy rõ rằng sau khi khởi
động 5s từ thông động cơ giảm 2 lần, khi đó vận tốc tăng lên cũng 2 lần. Sự mô
phỏng diễn ra khi mômen tải M L = 0.1M L.NOM Mô phỏng sự làm việc của động cơ

trong chế độ xác lập và nhận được đặc tính cơ được chỉ ra trên hình 1.8 a, b khi có
hiệu ðiện thế phần ứng (ua = 0.8). Trong mơ hình này mơmen tải được tính là tích
phân từ tín hiệu không đổi (các khối Step1, Gain với k = 0.005 và Integrator1 hình
1.8 a). Sử dụng khối XY Graph để quan sát đặc tính cơ. Các kết quả mơ phỏng được
chỉ ra trên hình 1.9 trong đó trục hồnh đặt mơmen, cịn trên trục tung là vận tốc.

12


Hình 1.8. Cửa sổ cài đặt (a) và các kết quả mô phỏng (b) động cơ điện một chiều
với sự điều khiển theo mạch phần ứng và kích từ

Hình 1.9. Mơ hình nhận các đặc tính cơ (a) và các kết quả mô phỏng (b)

13


1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Về điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các
loại động cơ khác, khơng những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng
mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt được chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Từ phương trình tốc độ:
=

U u I u Ru
−
k
k

Suy ra điều chỉnh  có thể:

- Điều chỉnh U u
- Điều chỉnh Ru bằng cách thêm R p vào mạch phần ứng.
- Điều chỉnh từ thông 
1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm R p - điện trở phụ
Mắc nối tiếp R p vào phần ứng, từ (1) suy ra Ru tăng lên, suy ra ω giảm.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng
do thêm R p nên tổn hao tăng.
1.3.2. Điều chỉnh từ thơng
Điều chỉnh từ thơng kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
moment điện từ của động cơ M = k Iu và sức điện động quay của động cơ Eu = k
. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn.
Nhưng theo công thức trên khi từ thơng  thay đổi thì moment dịng điện cũng thay
đổi nên khó tính tốn chính xác dịng điều khiển và moment tải vậy nên phương
pháp này cũng ít dùng.
1.3.3. Điều khiển điện áp phần ứng
Thực tế có hai phương pháp cơ bản điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng điện áp
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Thơng thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng. Khi thay
đổi phần ứng thì tốc độ của động cơ thay đổi theo phương trình sau:

14


=

U u I u Ru
−
k

k

(1.4)

Vì từ thơng của động cơ khơng đổi nên độ dốc của đặc tính động cơ khơng
đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U u
của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để.
1.4. Bộ điều khiển PID và PID số
1.4.1. Bộ điều khiển PID
➢ Điều khiển vịng hở

Hình 1.10. Điều khiển vịng hở
Ta lấy ví dụ sẽ điều khiển tốc độ của động cơ một chiều 300v/phút, áp điện
áp vào động cơ 1 chiều sao cho theo tính tốn tốc độ sẽ 300v/phút và khơng có khâu
đo lường giá trị vận tốc của động cơ.
➢ Điều khiển vòng kín
Khác với điều khiển vịng hở thì điều khiển vịng kín sẽ đo các giá trị đầu ra
và đồng thời sử dụng thơng tin đó so sánh với giá trị đặt để điều khiển phù hợp.

Hình 1.11. Điều khiển vịng kín
Với ví dụ dưới chúng ta sẽ dễ tưởng tượng hơn

Hình 1.12. Ví dụ về điều khiển vịng kín

15


Các hệ trên ta gọi là hệ điều khiển có phản hồi.
❖ Bộ điều hay được dùng nhất là bộ điều khiển PID, có cấu trúc như sau:

Hình 1.13. Bộ điều khiển PID
Trong miền thời gian bộ điều khiển có dạng như sau:


u (t ) = K P  e(t ) +



de(t ) 
1
e( )d + TD

TI 0
dt 
t

(1.5)

Chuyển sang miền ảnh Laplace với điều kiện 0 ban đầu ta có:

GPID ( s) = K P +

KI
+ sK D
s

(1.6)

Trong đó:
KP: Hệ số của khâu tỷ lệ, khuếch đại sai số .

KI: Hệ số của khâu tích phân, tích lũy sai số.
KD: Hệ số của khâu vi phân, tăng theo độ chênh lệch sai số trước và sau.
Thành phần Tỉ lệ (P)
u (t ) = K pe (t )

(1.7)

Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến
tính với sai lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn
theo. Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch e(t) = 0
thì u(t) = 0. Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu.
Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ KP càng
lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trị lớn trong giai đoạn
đầu của q trình q độ.
Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệKP càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển
càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo.
Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại
sai lệch tĩnh.
16


Thành phần Tích phân (I)
t

u (t ) = K I  e( )d

(1.8)

0

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, ln
làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì ln làm giảm tín hiệu điều
khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn. Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt
tiêu e(t) = 0. Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân.
Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian
để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra,
thành phần tích phân đơi khi cịn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm
chí có thể làm mất ổn định.
Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải
thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống. Kèm theo đó là
giảm đi độ vọt lố của hệ thống.
Thành phần Vi phân (D)
u (t ) = K D

de(t )
d (t )

(1.9)

Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín. Do động
học của q trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm
so với sự thay đổi của sai lệch e(t) và đầu ra y(t) của q trình. Thành phần vi phân
đóng vai trị dự đốn đầu ra của q trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên
chiều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ.
Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà
bình thường khơng ổn định được với các bộ P hay PI.
Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị
đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên.
Một số phương pháp lựa chọn tham số PID
a. Phương pháp Ziegler-Nichols 1

Đối tượng áp dụng của phương pháp này là các quá trình có đặc tính qn
tính hoặc qn tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ. Mơ hình động cơ sử
dụng trong báo cáo được xấp xỉ về dạng quán tính bậc nhất.

17


Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hồnh  và độ dốc 
(Hình 3.11), các tham số của bộ điều khiển được xác định theo bảng 3.1.

Hình 1.14: Xác định tham số của đặc tính
Bảng 1. 1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:
Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như
mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá
độ của hệ hở của ñối tượng tăng đến vô cùng. Phương pháp này được thực hiện như
sau:

Hình 1.15: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

18


- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại.
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn
định, tức là h(t) có dạng dao động điều hịa.
- Xác định chu kỳ Tth của dao động.

Hình 1.16: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 1.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick:
Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín
hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.6) nhưng có thêm điều kiện:

19


Hình 1.17: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick
Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số bộ
điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:
Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín khơng có độ q điều chỉnh:
Bảng 1. 3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ q điều chỉnh ∆h không vượt
quá 20% so với lim h(t ) = h .
n →

Bảng 1. 4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

20


- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín khơng có độ q điều chỉnh:
Bảng 1. 5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

- u cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20%
so với lim h(t ) = h .

n →

Bảng 1. 6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

Phương pháp này có một số nhược điểm như sau:
- Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và khơng
áp dụng được cho q trình dao động hoặc q trình khơng ổn định.
- Đối với các q trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận
được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt.
- Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu  và  kém chính xác.
- Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (Hệ số
tắt dần khoảng 0.25).
Theo kinh nghiệm của một số chuyên gia, điều kiện áp dụng phương pháp
này là tỉ số  /  nằm trong phạm vi 0.1-0.6. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0.6, ta cần áp
dụng các phương pháp chỉnh định khác có để ý tới bù thời gian trễ. Ngược lại, với tỉ
lệ nhỏ hơn 0.1 thường ứng với các hệ bậc cao, do đó cần bộ điều khiển bậc cao
tương ứng để cải thiện đặc tính động học.

21