Luận văn Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ DC không chổi quét

HUTECH
B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM







NGUYN THANH HÙNG



IU KHIN PID TI U BN VNG
CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT

LUN VN THC S

THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN
MÃ S: 60 52 50








TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012
HUTECH

B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TPHCM






NGUYN THANH HÙNG

IU KHIN PID TI U BN VNG
CHO NG C DC KHÔNG CHI QUÉT

LUN VN THC S

THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN
MÃ S: 60 52 50



HNG DN KHOA HC
TS. VÕ HOÀNG DUY

TP. H CHÍ MINH, tháng 3 nm 2012

HUTECH

HUTECH

IU KHIN TI U BN VNG
CHO NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT
“PID OPTIMAL AND STABLE CONTROLLER
FOR BRUSHLESS DC MOTOR IS SCANNED


Nguyn Thanh Hùng -Võ Hoàng Duy -Trng i HcăTônăc Thng
Khoa C in t Trng i hc k Thut Công Ngh TP.HCM, Vit Nam


TÓM TT


Mtăphngăpháp hn hp gia H2 và H ∞ đc áp dng rng rãi cho các h thng có thông s và mô
hình đ cóăđc mt b điu khin tiău hoàn ho. (BLDC) đng c mt chiu không chi quét đc
s dng rng rãi cho các ng dng kim soát hiu sut cao. B điu khin PID thông thng ch cung
cp hiu sut thaăđángăcho đim thit lp quyăđnh. Tuy nhiên, vi s hin din nó trong h thng,
thôngăthng PID là không đ đ đtăđc mt b điu khin ti u. Bài báo này trình bày mt cách
tip cn d dàng thit k mt hn hp H2 / H ∞ PID b điu khin đ kim soát tcăđ ca đng c
DC không chi quét và các thut toán di truyn đc s dngăđ gii quyt nhng vnăđ tiăuăhóa.
Kt qu th nghim đc th hin đ chng minh rng hiu sut trong b điu khin này là ttăhnăsoă
vi trong b điu khin PID tiău bng cách s dng phngăphápătip cn LQR.

ABSTRACT


A mixed method between H
2
and H
∞
control are widely applied to systems which has parameter
perturbation and uncertain model to obtain an optimal robust controller. Brushless Direct Current
(BLDC) motors are widely used for high performance control applications. Conventional PID
controller only provides satisfactory performance for set-point regulation. However, with the presence
of nonlinearities, uncertainties and perturbations in the system, conventional PID is not sufficient to
achieve an optimal robust controller. This paper presents an approach to ease designing a Mixed H
2
/H
∞

PID controller for controlling speed of Brushless DC motors and the genetic algorithm is used to solve
the optimized problems. Numerical and experimental results are shown to prove that the performance
in the proposed controller is better than that in the optimal PID controller using LQR approach.



1. GII THIU:

Ngày nay, th giiăđangăchng kin s thayăđi
to ln ca nn sn xut công nghip do vic áp
dng nhng thành tu ca cuc cách mng khoa

hc công ngh.ă Trongă đóă Vit Nam chúng ta
đangă thc hină theoă hng công nghip hóa,
hinăđiăhóaăđtănc vi s thayă đi ca nn
sn xut công nghip, ngành khoa hc công
ngh v t đngăhoáăcngăcóănhngăbc phát
trinăvt bc và tr thƠnhăngƠnhămiănhn ca
th gii nói chung và nn công nghip Vit Nam
nói riêng. Các h thngă điu khin có tính t
đng hoá s dngă đngă că đină thngă đc
thit k vi nhng phn t tngăt tngăđi
cng kn r tin. Nhngă đim yu ca các h
thngătngăt là chúng nhy cm vi s thay
điăđiu kin thi gian, thi tit, nhităđ cngă
HUTECH


nhă tui th ca các thành phn trong điu
khin. Vnăđ là chúng ta phi bităđc nhng
uăvƠăkhuytăđim ca tngăphng phápăđiu
khin, trong đóănghiên cu gii thut di truyn
đ tìm các thông s ca b điu khin PID và
mô phng và thit k b điu khin PID. Nghiên
cuăđiu khin PID ti uăbn vngăchoăđngăcă
mt chiu không chi quét nhmăđtăđc hiu
sut cao và gimăđc tn tht công sut, không
cn boă dngă vƠă lƠmă tngă nhuă cu s dng
đngă că nƠyă trongă nhng ng dng rô bt và
servo công sut ln.ăLƠmăcăs phát minh ra các
thit b công sut hinăđi và ng dng caăđng
că nƠyă trongăcácă truynă đng có yêu cuăđiu

chnh tcăđ.
Xây dng thut toán di truynăđ tìm các thông
s ca b điu khin và ng dng thut toán di
truyn đ thit k b điu khin PID tiă uă
H
2
/H

.
ơyălƠă mtăphngăphápă hnăhp gia
H2 và H ∞ đc ápădngărngă rƣi choă cácăhă
thng bă điuă khin tiă u. (BLDC) đngă c
đc să dngă rngă rƣi choă cácă ngă dng hiuă
sută cao. Băđiuă khin PID thông thng chă
cungăcp hiu sut thaăđángăcho đimăthitălp
quy đnh.

2. NG C BLDC

ngăcă mtă chiuă(CMC)ă thôngă thngă cóă
hiuă sută caoă vƠă cácă đcă tínhă caăchúngă thíchă
hpăviăcácătruynăđngăservo.ăTuyănhiên,ăhnă
chăduyănhtălƠătrongăcuătoăcaăchúngăcnăcóă
că gópă vƠă chiă quét,ă nhngăthă dă bă mònăvƠă
yêu cuă boă trì,ăboă dngă thngă xuyên.ă ă
khcăphcănhcăđimănƠyăngiătaăchătoăloiă
đngăcăkhôngăcnăboădngăbngăcáchăthayă
thăchcănngăcaăcăgópăvƠăchiăquét biăcácă
chuynă mchă sădngă thităbă bánădnă (chngă
hnă nhă bină tnă să dngă transitoră côngă sută

chuynămchătheoăvătríărotor).ăNhngăđngăcă
nƠyăđcăbităđnănhălƠăđngăcăđngăbăkíchă
thíchăbngănamăchơmăvnhăcuă hayăcònă giălƠă
đngă că mtă chiuă khôngă chiă quét BLDC
(BrushlessăDCăMotor).ăDoăkhôngăcóăcăgópăvƠă
chiăquét nênăđngăcănƠyăkhcăphcăđcăhuă
htăcácănhcăđimăcaăđngăcămtăchiuăcóă
vƠnhăgópăthôngăthng.
Huă htă cácă đngă că BLDCă cóă baă cună dơyă
startoră dngă hìnhă sao,ă miă cună dơyă startoră cóă
nhiuăbiădơyănh,ăcácăbiădơyănhănƠyăđcăđtă
trongăcácărnhă vƠă đcă ktă viă nhauă toăthƠnhă
cunădơyăstartor.ăCóăhaiăloiăstartorălƠăloaiătoăraă
cácăphaăsóngădngăsinăvƠăsóngăhìnhăthang.
3. IU KHIN TI U BN VNG
NG C DC KHỌNG CHI QUÉT.
Cho h thngă điu khină nhă hìnhă điă tng
P
0
(s). ngăcăDCăkhôngăchi quét có các thông
s nhăsau:

Bng 4.2: Thông s caăđngăcăBLDC
Thông s
Giá tr
R
21.2 
K
b
0.1433 V s/rad

D
1x10
-4
kg-m s/rad
L
0.052H
K
t

0.1433 kg-m/A
J
1x10
-5
kg-m s
2
/rad

Hàm truynă đt caă đngă că DCă khôngă chi
quét:
5.435677.417
36.275577
)(
2


ss
sP

HUTECH

Sai lch mô hình 
0
(s), b chnănhăsau:
101.0
1.0
)(
2
0


ss
s

Vi ngõ vào là hàm nc, thì
ipd
ksksks
ss
se
36.275577)36.2755775.43567()36.2755777.417(
5.435677.417
)(
23
2



Ràng buc năđnh bn vng:
1
)(

)(
max
),0[






Trong ví d này ta có m = 3, vì vy phim hàm
H
2
ca h thng là J
3
:
)(2
)2(
213030
32
2
03020
2
110
2
2
3
aaaaaa
aabaabbbaab
J





Thut toán di truyn btăđu bng vic to ngu
nhiên mt qun th bao gm 200 nhim sc th,
sau 15 th h,ătìmăđc b điu khin PID thích
hp vi các thông s nhăsau,ăk
p
= 180.1755,
k
i
= 4.6997, k
d
= 0.0353.
ápăng nc ca h thng:
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Time (s)
Speed (rpm)

Hình 1: áp ng vn tc ca h thng vi b

điu khin PID vi các thông s
(k
p
=30, k
i
=15, k
d
=0.001)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
0
200
400
600
800
1000
1200
Time (s)
Speed (rpm)

Hình 2: áp ng vn tc ca h thng vi b
điu khin PID ti u H
2
/H


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
0
200
400
600

800
1000
1200
Time (s)
Speed (rpm)

Hình 3: áp ng vn tc ca h thng vi b
điu khin PID ti u H
2
/H


khi có sai s mô
hình
4. THIT K MCH IU KHIN:
4.1 S đ điu khin vn tc ca đng c DC
không chi quét
PWM
Commutation
Sequence
3-Phase
Inverter
Bridge
BLDC
Motor
E
PID
+
Speed
Reference

r(t)
Speed
Feedback
Hall Sensors
6
3
Speed
Error
e(t)
PIC18F4431
u(t)
Encoder
y(t)

Hình 4: Mch điu khin

HUTECH


4.2 S đ khi tng quát ca h thng

Hình 5: S đ khi tng quát ca h thng
4.3 S đ mch điu khin ca h thng
5V
R16
33R
PGD
SW4
NHAN 1
D4

LED
C15
33 pF
5V
DC-
IMOTOR
HALLB
DC+
SDA
C12
104
J13
HEADER 5
1
2
3
4
5
J6
CON6
1
2
3
4
5
6
PWM5
D9
LED
C4

3.3 uF
D7
SCL
PWM1
SW1
PWM4
HALLC
FAULTA
5V
5V
R14
33R
Y1
CRY STAL
R45
300
R19
R
R8 300
SW2
R50
0.1R
SW2
RESET
R11
33R
J17
CON2
1
2

J7
CON6
1
2
3
4
5
6
INDX
R22
R
-
+
U8A
LM324
3
2
1
411
J2
CON2
1
2
DC+
12V
PWM2
R5
300
J11
HEADER 3

1
2
3
Vpp
R30
1OK
C16
47 uF
5V
M3
R51
1k
C3
3.3 UF
5V
Q5
IRF540N /TO
12V
PGC
D6
SW5
NHAN 2
D14
LED
C7
CAP NP
HALLB
5V
J22
CON3

1
2
3
R28
10k
Q6
IRF540N /TO
DC+
PWM1
R36
1K
Q2
IRF540N /TO
5V
C11
104
D12
LED
5V
R43
2k4
R15
33R
C14
47 uF
PWM0
12V
C8
0.1uf
R1

R
R10 300
D7
LED
J10
CON3
1
2
3
HALLC
PIC18F4431
9
18
19
20
29
30
31
401
2
3
4
5
6
7
8
21
22
23
24

25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17
39
38
37
36
35
34
33
32
RE1/AN7
RC3/T0CLK/ INT0
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD6/PW M6
RD7/PW M7
VSS
RB7/PGDMCLR/VPP
RA0/AN0
RA1/AN1

RA2/AN2/ INDX
RA3/AN3/ QEA
RA4/AN4/ QEB
RA5/AN5
RE0/AN6
RD2/PSP2/ SDA
RD3/PSP3/ SCL
RC4/I NT1
RC5/I NT2
RC6/TX/CK
RC7/R X/DT
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RE2/AN8
VDD
VSS
OSC1/CLKI N
OSC2/CLKOU T
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/ CCP2
RC2/C CP1
RB6/PGC
RB5/PWM4
RB4/PWM5
RB3/PWM3
RB2/PWM2
RB1/PWM1
RB0/PWM0
VDD
QEB

QEA
12V
D8
LED
12V
PWM2
J3
HEADER 2
1
2
HALLA
SW1
D1
DIODE
PGD
PWM4
5V
DC+
Q4
IRF540N /TO
R38
1K
R4
10k
R53
10k
R20
R
D11
LED

R33
10K
C10
0.1uF
R52
1k
R21
R
U5
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC
HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB
5V
5V
-
+

U9A
LM339
5
4
2
312
J4
HEADER 3
1
2
3
5V
U6
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC
HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB

M3
R17
R
U4
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC
HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB
R34
10K
R6
300
PWM3
INDX
Vpp
12V
R9 300

R42
1M
5V
R24
R
D10
LED
D5
HALLA
PWM5
PWM0
R27
2k
12V
DC-
C9
1000uf
R41
1k
R23
R
R29
10k
R13
33R
R31
10K
J12
HEADER 5
1

2
3
4
5
DC-
D3
DIODE
QEA
M1
M2
R18
R
R7
300
R35
10K
D2
DIODE
PWM3
Q3
IRF540N /TO
D6
LED
R39
1K
R32
10K
R12
33R
M2

R25
R
R40
300
C5
3.3 uF
IMOTOR
J14
CON2
1
2
J9
ICPS
1
2
3
4
5
R2 100
D4
FAULTA
J8
CON3
1
2
3
C6
CAP NP
5V
5V

DC-
C1
1000uf
D5
LED
12V
PGC
Q1
IRF540N /TO
M1
QEB
SW2
R44
5k

Hình 6: Mch điu khin ca h thng


4.4 S đ mch driver vƠ đng lc
R10 300
DC+
12V
D1
DIODE
PWM4
Q4
IRF540N /TO
DC+
PWM0
M3

U5
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC
HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB
M1
U6
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC

HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB
U4
IR2101
1
2
3
4
5
6
7
8
VCC
HIN
LIN
COM
LO
VS
HO
VB
R6
300
12V
R9 300
PWM5

J3
HEADER 2
1
2
12V
PWM3
M2
R13
33R
D3
DIODE
R7
300
D2
DIODE
R12
33R
DC-
C5
3.3 uF
PWM2
M1
12V
Q1
IRF540N /TO
R16
33R
M3
Q3
IRF540N /TO

DC-
C4
3.3 uF
DC-
R14
33R
R11
33R
R8 300
DC+
PWM1
12V
R5
300
J11
HEADER 3
1
2
3
C3
3.3 UF
Q5
IRF540N /TO
Q6
IRF540N /TO
Q2
IRF540N /TO
DC+
R15
33R

M2
12V

Hình 7: Mch driver và đng lc
Linh kin chính ca mch gmăICăđiu
khin IR2101 và Mosfet IRF 540. IC IR 2101 có
nhngăđtăđim chính sau: ngun cp t 10ăđn
20ăVDC,ăđuă vƠoătngăthíchăvi 3.3, 5 và 15
VDC,ăkhóaăđin áp thp, kt hp trì hoãn truyn
ca c haiăkênh,ăcácăđu vào caăIR2101ăđc
ni tiă6ăkênhăđiu rng xung ca PIC18F4431
t PWM0ăđn PWM5 theo tng cp mt.PWM0
và PWM1, PWM2 và PWM3, PWM4 và PWM5
đuăraăthiăđc ni vi chân G ca IRF540. IRF
540 có kh nngă đóngă ngt nhanh và tn hao
đóngăngt thp có th s dngăđinăápăđn 100V
và dòng 20A. Nhim v chính ca mch này
nhă lƠă mt b nghchă luă đ to t dòngăđin
DCăraădòngăđin vi 3 pha khác nhau, lch nhau
120ăđ đ điu khinăđng căBLDC.ăKhiătngă
tn s điu rng xung IR2101 s kích vào m
các IRF540 thích hp nhiuăhn,ădòngăđin qua
đngăcălnăhnădoăđóăchyănhanhăhn.ăNgc
li khi tn s điu rng xung gim IRF540 m ít
hnădòngăquaăđngăcănh hnădoăđóăchy chm
hn.
4 4.5 Mô hình thc t:

Hình 8: Mô hình thc t

5. KT LUN
Trong bài báo này, H
2
/H
∞
hn hp PID đƣ đc
áp dng đ kim soát tc đ ca đngăcăBLDC.
Hiu sut ca PID ti u đc phân tích và so
sánh vi PID thôngăthng.
Mt mô hình đƣ đc xem là th hin s vng
mnh ca b điu khin PID tiăuăbn vng.

6. TÀI LIU THAM KHO
[1]. NEWTON G.C., GOULD L.A, KAISER
J.F., (1957), Analytic Design of Linear
HUTECH


Feedback Controls, New York, John Wiley &
Sons.
[2]. CHEN B S., CHENG Y M., LEE C H.,
(1995), A Genetic Approach to Mixed H
2
/H


Optimal PID Control, IEEE Control System, 15,
51-60.
[3]. Microchip Technology Inc (2003)
Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals

[4]. K.ASTROM, T.HAGGLUND, PID
Controller: Theory, Design, and Tuning, 2
ND

Edition.
[5]. CHIN. TENG. LIN, CS GEORGE LEE,
(1996) Neural Fuzzy Systems, Prentice-Hall
International Edition.
[6].ă NGUYNă ÌNHă THÚC,ă ÀOă TRNGă

VN,ă TRNă Tă HNG,ă HOÀNGă Că
HI,ă(2001)ăLp Trình Tin Hóa, NhƠăxutăbnă
giáoădc.
[7].ăHOÀNGăKIM,ăLểăHOÀNGăTHỄI,ă(2001)ă
Thut Gii Di Truyn Cách Gii T Nhiên Các
Bài Toán Trên Máy Tính, NhƠă xută bnă giáoă
dc.


HUTECH
IU KHIN PID TI U BN VNG CHO
NG C MT CHIU KHÔNG CHI QUÉT
Hc 
Hng dn khoa hc
TS. VÕ HOÀNG DUY
1
 TÀI
HUTECH
2
Ngành khoa hc công ngh v t đng hoá có
nhng bc phát trin vt bc và tr thành
ngành mi nhn ca th gii nói chung và nn
công nghip Vit Nam nói riêng
Các h thng điu khin có tính t đng hoá
s dng đng c đin thng đc thit k vi
nhng phn t tng t tng đi cng kn r
tin
HUTECH
3
Nhng đim yu ca các h thng tng t là chúng

nhy cm vi s thay đi điu kin thi gian, thi
tit, nhit đ cng nh tui th ca các thành phn
trong điu khin. Hn na các h thng điu khin
truyn thng này khó m rng tính nng và khó nâng
cp khi s dng.
HUTECH
Trong đó b điu khin PID là b điu khin đc s
dng rng rãi và ph bin nht hin nay. B điu khin
PID ra đi cách đây đã khá lâu nhng không vì th mà
không còn đc nghiên cu và phát trin. S phát
trin ca khoa hc k thut cùng vi nhng nhu cu
thc t ca xã hi đòi hi cn phi có đc nhng b
điu khin PID( proportional integral derivative) ti u
hn và bn vng
4
HUTECH
T nhng vn đ thit thc trên cho nên tôi tin
hành nghiên cu đ tài :
“iu khin PID ti u
bn vng cho đng c mt chiu không chi
quét ”.
5
HUTECH
6
2.Mc đích đ tài
Tìm hiu các nguyên tc điu khin ca đng c
mt chiu (DC) không chi quét, xây dng các
phng trình điu khin ti u, bn vng. Nghiên
cu gii thut di truyn đ tìm các thông s ca b
điu khin PID và thit k b điu khin PID.

HUTECH
Nghiên cu điu khin PID ti u bn vng cho đng
c mt chiu không chi quét nhm đt đc hiu
sut cao và gim đc tn tht công sut, không cn
bo dng và làm tng nhu cu s dng đng c
này trong nhng ng dng rô bt và servo công sut
ln. Làm c s phát minh ra các thit b công sut
hin đi và ng dng ca đng c này trong các
truyn đng có yêu cu điu chnh tc đ.
7
HUTECH
1. Gii thiu v đng c mt chiu không chi
quét BLDC (Brushless DC Motor)
8
Hình 2.1 : Các thành phn c bn ca
CMCKCQ
HUTECH
Cu to
Rotor là Nam châm vnh cu, startor gm các
cun dây đc qun quay các st t, các pha
A,B,C đc chia làm thành sáu cun dây qun
đi xng nhau, hai cun ca pha A,B,C tng đôi
mt đi xng nhau.
9
HUTECH
Startor ca mt motor BLDC bao gm các ming
thép mõng, cong đc xp chng lên nhau đc đt
trên các rãnh ct quanh trc bên mt trong ca
startor. Hu ht các đng c BLDC có ba cun dây
startor dng hình sao, mi cun dây startor có nhiu

bi dây nh, các bi dây nh này đc đt trong các
rnh và đc kt vi nhau to thành cun dây startor.
Có hai loi startor là loai to ra các pha sóng dng sin
và sóng hình thang.
10
HUTECH
2. S lc v các phng pháp điu khin
đng c mt chiu không chi than
Ngày nay có rt nhiu phng pháp điu khin
đng c không chi than trong đó k đn phng
pháp
 iu khin m;
 Gii thut di truyn;
 iu khin thích nghi;
 iu khin ti u
 iu khin PID (proportional integral derivative).
11
HUTECH
12
H điu khin đng c mt chiu không chi quét
HUTECH
13
HUTECH
14
HUTECH
15
HUTECH
16
HUTECH
17