Điều khiển tốc độ cho hai động cơ xoay chiều làm việc đồng thời kéo vải cho hệ thống nhuộm

 TNU Journal of Science and Technology 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 81 
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 
LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI KÉO VẢI CHO HỆ THỐNG NHUỘM 
Lê Hồng Thu*, Nguyễn Thị Thu Hiền, Vũ Thị Oanh, Lê Thị Thu Huyền 
 Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, việc ứng dụng các thành tựu của kỹ thuật 
điều khiển trong đời sống sản xuất ngày càng được quan tâm. Trong thực tế sản xuất cho thấy, các 
hệ thống làm việc cần sử dụng nhiều động cơ điện và các động cơ này có mối liên hệ nhất định với 
nhau trong quá trình làm việc. Bài báo trình bày việc nghiên cứu quá trình điều khiển hai trục lô 
quấn sử dụng hai động cơ không đồng bộ ba pha cho hệ thống nhuộm vải làm việc đồng thời theo 
yêu cầu. Mô tả toán học cho động cơ điện không đồng bộ trên hệ trục tọa độ dq, thiết kế điều khiển 
PID điều khiển tốc độ của hai động cơ dựa vào mối liên hệ giữa tốc độ dài với tốc độ quay để điều 
khiển hệ thống theo yêu cầu đã được triển khai. Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng thông qua 
mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/ Simulink để chứng minh tính đúng đắn của kết quả 
nghiên cứu và làm cơ sở để triển khai hệ thống trên mô hình thực. 
Từ khoá: Kỹ thuật điều khiển; điều khiển tốc độ; động cơ không đồng bộ; làm việc đồng thời; bộ 
điều khiển PID 
Ngày nhận bài: 21/5/2020; Ngày hoàn thiện: 30/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 
DESIGNING CONTROLLER FOR TWO MOTORS 
DOUBLE WORKING FABRIC FOR DYEING SYSTEM 
Le Hong Thu*, Nguyen Thi Thu Hien, Vu Thi Oanh, Le Thi Thu Huyen 
TNU - University of Information and Comumunicaition Technology 
ABSTRACT 
In the era of industrialization and modernization, the application of the achievements of control 
technology in production life is increasingly concerned. In fact, production shows that working 
systems need to use many electric motors and these motors have a certain relationship with each 
other in the working process. This article presents the investigation the process of controlling two 
roller by using two three-phase asynchronous motors for the fabric dyeing system at the same time 
as required. The mathematical description for the asynchronous electric motor on the DQ 
coordinate system, the PID control design for speed control of two motors based on the 
relationship between long speed and rotation speed to control the system as required have been 
implemented. The research results were verified through system simulation on Matlab/ Simulink 
software to prove the accuracy of the research results and serve as a basis for implementing the 
system on real models. 
Keywords: Control technology; speed control; asynchronous motor; work concurrently; PID 
controller 
Received: 21/5/2020; Revised: 30/8/2020; Published: 31/8/2020 
* Corresponding author. Email: hongthuk44kd5@gmail.com 
Lê Hồng Thu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 82 
1. Mở đầu 
Hiện nay các hệ truyền động sử dụng động cơ 
ba pha và các phương pháp điều khiển mới 
ngày càng được quan tâm. Trong các hệ thống 
có thể sử dụng nhiều động cơ cùng làm việc 
đồng thời; dẫn tới những yêu cầu về điều 
khiển các động cơ trong quá trình làm việc để 
đáp ứng các yêu cầu công nghệ. Như trong hệ 
thống kéo lô cuốn vải nhuộm của nhà máy dệt 
cần sử dụng đồng thời hai động cơ để kéo vải 
và cuộn vải sau khi nhuộm mà hai động cơ 
này làm việc không cùng tốc độ để đảm bảo 
số vải kéo ra nhuộm bằng lượng vải thành 
phẩm được cuộn vào. Trong thực tế đã có nhiều 
hệ thống sử dụng hai động cơ điện một chiều 
nhưng nội dung bài báo trình bày việc nghiên 
cứu hệ thống sử dụng hai động cơ điện xoay 
chiều với phương pháp sử dụng mạch vòng điều 
khiển tốc độ để điều khiển tốc độ động cơ hai 
phụ thuộc vào tốc độ của động cơ một dựa vào 
mối liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ quay. 
2. Tổng quan về điều khiển 2 động cơ quấn 
lô vải 
Hệ thống sử dụng hai động cơ ba pha làm 
việc đồng thời với động cơ một sẽ được đặt 
quay với tốc độ cố định 1 và khi lô quấn 
quay thì tốc độ dài của động cơ một sẽ thay 
đổi, để đảm bảo số vải tời ra và số vải cuốn 
vào bằng nhau thì tốc độ dài của động cơ hai 
được đặt bằng tốc độ dài đầu ra của động cơ 
một. Với yêu cầu trên, ta lựa chọn hai động 
động cơ ba pha có cùng thông số với mạch 
vòng điều khiển tốc độ. Ta tiến hành xây 
dựng mối liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ 
quay của hai động cơ, trong đó tốc độ của 
động cơ một được đặt cố định trong quá trình 
làm việc nhờ có hàm tính toán lượng đặt biến 
thiên cho động cơ hai mà tốc độ của động cơ 
hai được đảm bảo với sai số nhỏ nhất sao cho 
lượng vải được động cơ một kéo ra để nhuộm 
sẽ được động cơ hai cuộn đủ sau khi nhuộm. 
3. Mô hình toán học cho động cơ không 
đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay dq 
3.1. Phương trình toán học mô tả động cơ 
trên hệ tọa độ dq 
Phương trình toán học mô tả động cơ trên hệ 
tọa độ dq như sau [1], [2]: 
( )
( )
' '
' '
'
' '
'
' '
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
1 1
1 1
sd
sd s sq rd rq sq
r s r s
sq
s sd sq rd rd sq
s r r s
rd
sd rd s rq
r r
rq
sq s rd rq
r r
di
i i u
dt T T T L
di
i i u
dt T T T L
d
i
dt T T
d
i
dt T T
  
  
    
  
  
    

   

   
 − − −
= − + + + + + 
 − − − = − − + − + + 
= − + − 
= − − −
(1) 
Để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống điều 
khiển ta tuyến tính hóa mô hình động cơ xung 
quanh điểm làm việc, tại trạng thái xác lập ở 
điểm làm việc, ta có tốc độ ωlv, mô-men 
Mlv và dòng điện tải ilv. Giả sử hệ thống có 
dao động rất nhỏ quanh điểm làm việc thì các 
đại lượng như điện áp, dòng điện, mô-men, từ 
thông, tốc độ cũng sẽ có dao động nhỏ tương 
ứng là: 
, , , , , ,sd sq sd sq sd s rU U i i    
Ta viết: 
sdU = sdlvU + ∆ sdU 
sq sqlv sqU U U= + 
sd sdlv sdi i i= + 
sq sqlv sqi i i= + 
sd sdlv sd  = + 
Thay tất cả các đại lượng trên vào hệ phương 
trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq, sau 
phép biến đổi và bỏ qua các giá trị vô cùng bé 
bậc cao ta có hệ phương trình sau: 
1 1 1
1 1 1 1
1
0
sd rd
sd s sqlv slv sq sd
r m s
sq rdlv rd
s sdlv slv sd sq lv sq
m m s
rd m
sd rd
r r
m
sq s rdlv slv rd
r
d i
i i i U
dt T T L L
d i
i i i U
dt T L L L
d L
i
dt T T
L
i
T



 

  
   
  


 
 − 
= − + + + + 
 − −
= − − − − − + 
 = − 
 = − − 
(2) 
3
( )
2
m
M c rd sqlv rdlv sq
r
L
m p i i
L
  = + 
(3) 
3.2. Mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq 
Từ hệ phương trình ta lập được mô hình động 
cơ trên hệ tọa độ dq như trong hình 1. 
Lê Hồng Thu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 83 
Hình 1. Mô hình tuyến tính động cơ trên hệ toạ độ 
quay dq 
Nếu điều chỉnh mô-men động cơ quay theo 
quy luật từ thông không đổi thì có mô hình 
tuyến tính mới có dạng như trong hình 2: 
Hình 2. Mô hình tuyến tính hóa rút gọn động cơ 
trên hệ tọa độ quay dq 
4. Thiết kế hệ thống điều khiển 
4.1. Xây dựng mô hình toán của bộ biến đổi 
độ rộng xung PWM [3] 
Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM 
có hàm truyền: 
WW
1 .
bd
P M
bd
K
T s
=
+
(4) 
Trong đó: Kbd - Hệ số khuếch đại, Tbd - Hằng 
số thời gian mạch nghịch lưu. 
4.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng 
tốc độ động cơ 
Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ 
động cơ như trong hình 3: 
Hình 3. Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ 
Trong đó: 
'
2
'
1
.
. . . . . . 1 .
3. .
2 . .
. . (1 )
.
S
r rdlv b
r rdlv m dlv r rdlv b
rdlv c m C
sdlv m rdlv
m
A
L
T T K
B
T T L i T T s T s
P L K
C
L j s s
i L
D
L

 


 


  

=
= =
+ + +
= =
+ −
=
(5) 
4.3. Mối liên hệ giữa tốc độ quay và tốc độ 
dài [4] 
Giả sử kích thước của lô quấn ứng với động 
cơ một và hai độ dày của mỗi lớp vải, và độ 
dày của mỗi cuộn vải được mô tả như hình 4: 
Hình 4. Mô tả độ dày hai cuộn vải 
r1: Bán kính của lô quấn một ứng với động cơ 
ba pha đồng bộ một (m) 
r2: Bán kính của lô quấn hai ứng với động cơ 
3 pha đồng bộ thứ hai (m) 
D: độ dày của tổng số lớp vải quấn vào lô 
quấn một (m) 
D : là độ dày của mỗi lớp vải (m) 
1 : là tốc độ quay của động cơ một (rad/s) 
1v : là tốc độ dài của động cơ một (m/s) 
2 : là tốc độ quay của động cơ hai (rad/s) 
2v : là tốc độ dài của động cơ hai (m/s) 
Bán kính của lô quấn một (khi cuộn vải chưa 
tời) là: 
1 1 1 .r R D R n D= + = + (6) 
Tốc độ dài ứng với động cơ một và lô quấn 
thứ nhất khi bán kính biến thiên do kéo vải 
được tính như sau: 
( )
1
1 1 1 1 1 11 1
.
. . . . .
2
dt
v r R D Rn D

  
= = − = − 
 (7) 
Tốc độ dài ứng với động cơ hai và lô quấn 
thứ hai khi bán kính biến thiên do cuộn vải 
được tính như sau: 
Lê Hồng Thu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 84 
( )
2
2 2 2 2 2 22 2
.
. . . . .
2
dt
v r R D Rn D

  
= = + = + 
(8) 
Để số vải lô quấn một tời ra được cuộn lại hết 
do lô quấn hai thì tốc độ dài của động cơ và lô 
quấn một phải bằng tốc độ dài của động cơ và 
lô quấn hai. 
1
1 2 1 1 2 2 2 1
2
. . .
r
v v r r
r
   = = = =
(9) 
Có thể biểu diễn bởi công thức sau: 
1
1
2 1
2
2
.
.
2 .
.
.
2
dt
R D
dt
R D

  

 − 
= 
+ 
(10) 
Động cơ một sẽ được đặt quay với tốc độ cố 
định 1 và khi lô quấn quay thì tốc độ dài 
của động cơ và lô quấn một sẽ thay đổi (v1), 
để đảm bảo số vải tời ra và số vải cuốn vào 
thì tốc độ dài của động cơ hai được đặt bằng 
tốc độ dài đầu ra của động cơ một. 
5. Mô phỏng và kết quả 
5.1. Xây dựng mô hình hệ thống trên 
Matlab/ Simulink 
Đối tượng điều khiển ở đây là hai động cơ 
không đồng bộ, một động cơ trục lô quấn tời 
vải và một động cơ lô quấn thu vải lại. Do đó 
ta lựa chọn thông số của hai động cơ là như 
nhau. Từ các bước tính toán và thiết kế bộ 
điều khiển mạch vòng tốc độ nêu trên ta tiến 
hành xây dựng mô hình điều khiển tốc độ hai 
động cơ không đồng bộ ba pha trên phần 
mềm Matlab/ Simulink như hình 5, [5]-[7]. 
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm 
Matlab 
Thông số kỹ thuật của động cơ 
Cho thông số động cơ như sau: 
Pđm = 3,7 KW; cos = 0,8; f = 50 Hz; Uđm = 
380 V; jdc= 0,22 kgm2; dm = 148,7 rad/s; Pc = 
2; Lm = 0,1545 H; Lσs = 0,1657 H; Rs = 2Ω; 
Isdlv = 6A. 
Các tham số tính toán cho hệ truyền động sử 
dụng động cơ không đồng bộ ba pha điều 
khiển vectơ như sau: 
Điện cảm mạch stato: 
0,32023s msL HLL= + = 
Điện cảm mạch rôto: 
0,32023rr mL HLL= + = 
Hằng số thời gian stato: 0.16012( )s
s
sT
L
s
R
= = 
Hằng số thời gian rôto: 0.16012( )r
r
rT
L
s
R
= = 
Hệ số tản từ: . 0,927(W )rdlv m sdlvL I b = = 
Hằng số thời gian: 
2
1 1 1
1 0.76723; 10.035m
r s s r
L
L L T T T


 
−
= − = = − =
Thông số mạch nghịch lưu điều biến độ rộng 
xung với điện áp điều khiển Uđk = 17,3 (V) 
điện áp ra U = 380(V) ta có kết quả tính toán 
Kbd = 380/17,3 = 22. 
W
'
22
W
1 . 1 0.001.
1
4.07019
0,061424
1 . 1 0,061424.
12.19
. . (1 )
7,82
.
bd
P M
bd
S
b
b
C
sdlv m rdlv
m
K
T s s
A
L
K
B
T s s
K
C
s s
i L
D
L

  

= =
+ +
= =
= =
+ +
= =
+ −
= =
Trong đó: 
2
.
. .
0.061424
. . .
0.061424
3. 3,4
12,19
2 0,22
r rdlv
b
r rdlv m sdlv
b b
rdlv c m
c
r
T T
K
T T L i
T K
P L
K
L J





= =
+
= =
= = =
5.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID 
điều chỉnh tốc độ 
Tốc độ đặt cho động cơ một là 90 rad/s, với 
bộ điều khiển PID được tính toán theo 
Lê Hồng Thu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 85 
phương pháp Ziegler - Nichols thứ nhất, ta có 
kết quả mô phỏng như sau: 
Tốc độ của động cơ một như trong hình 6. 
Hình 6. Kết quả mô phỏng đường đặc tính đáp 
ứng tốc độ của động cơ 01 
Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt 
vào động cơ một như trong hình 7. 
Hình 7. Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp 
đặt vào động cơ một; tốc độ của động cơ hai 
Tốc độ của động cơ hai như trong hình 8. 
Hình 8. Kết quả mô phỏng đường đặc tính đáp 
ứng tốc độ của động cơ 02 
Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt 
vào động cơ hai như trong hình 9. 
Hình 9. Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp 
đặt vào động cơ 02 
Nhận xét: Khi hệ thống làm việc ổn định tốc 
độ động cơ luôn bám theo giá trị đặt, như vậy 
sai lệch tĩnh của hệ thống gần như bằng 
không. Tốc độ đặt cho động cơ một là 90 
rad/s, ta thấy là tốc độ thực của động cơ một 
với bộ điều khiển PID được tính toán theo 
phương pháp thực nghiệm bám với tốc độ đặt 
với độ quá điều chỉnh là 7 rad/s, thời gian thiết 
lập là 2s và không có sai lệch tĩnh. Nhờ có hàm 
tính toán lượng đặt biến thiên cho động cơ hai 
và bộ điều khiển PID được tính toán theo 
phương pháp thực nghiệm mà tốc độ thực tế 
của động cơ hai bám với tốc độ đặt được tính 
toán và gần như không có sai lệch tĩnh. 
6. Kết luận 
Như vậy, dựa vào kết quả mô phỏng chế độ 
làm việc của hai động cơ không đồng bộ ba 
pha làm việc đồng thời với mạch vòng điều 
khiển tốc độ và hàm tính toán lượng đặt biến 
thiên cho động cơ hai, gắn với yêu cầu thực tế 
là điều khiển hai trục lô quấn sử dụng hai 
động cơ không đồng bộ có cùng thông số. Do 
tính chất không đồng dạng của hai lô quấn 
dẫn đến tốc độ đặt của lô quấn thứ hai phụ 
thuộc vào tốc độ dài của lô quấn thứ nhất và 
tốc độ dài đầu ra của lô quấn thứ hai. 
Kết quả mô phỏng chỉ ra là khi độ dày của lớp 
vải kéo ra khỏi lô quấn một thì tốc độ đặt cho 
động cơ hai cần thay đổi theo biểu thức liên 
hệ giữa tốc độ dài của lô quấn hai tương đối 
với tốc độ của lô quấn một cả hai động cơ đều 
có tốc độ thực bám sát với tốc độ đặt với sai 
lệch tĩnh gần bằng không. 
Từ kết quả mô phỏng trên đã chứng minh 
được những ưu thế của việc sử dụng hai động 
cơ xoay chiều ba pha làm việc đồng thời 
thông qua mối liên hệ giữa tốc độ dài và tốc 
độ quay. Giúp loại bỏ tình trạng hai động cơ 
làm việc độc lập không đảm bảo yêu cầu về 
công nghệ. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 
[1]. G. H. Vu, K. H. Tran, T. T. Phan, and V. S. 
Nguyen, Electric machines. Science and 
technology Publishing house, Hanoi, 2005. 
Lê Hồng Thu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 
 Email: jst@tnu.edu.vn 86 
[2]. P. Q. Nguyen, and J. -A. Dittrich, Vector 
Control of Three-Phase AC Machines, 
Springer, 2013. 
[3]. D. P. Nguyen, Advanced control theory. 
Science and technology Publishing house, 
Hanoi, 2007. 
[4]. X. M. Tran, and N. H. Nguyen, Synthesis of 
electro- mechanical systems. Vietnam 
Education Publishing House, Hanoi, 2011. 
[5]. D. C. Nguyen, and H. Puta, Design of MRAS 
Based Control Systems for Load Sharing of 
Two DC Motors with a Common Stiff Shaft, 
ICCAIS, 2013. 
[6]. W. Y. Yang, W. Cao, T. S. Chung, and J. 
Morris, Applied Numerical Methods Using 
MATLAB. John Wiley & Sons, Inc., ISBN, 0-
471-69833-4, 2005. 
[7]. H. T. Le, T. O. Vu, and T. T. H. Nguyen 
“Designing controller for two motors 
connected by one shaft,” TNU Journal of 
Science and Technology, vol. 204, no. 11, pp. 
59-64, 2019.