Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển vi bước (Micro stepping) ứng dụng bơm dịch đối lưu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM


HỌC VIÊN : VÕ CƢỜNG
Đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
VI BƢỚC ( MICRO STEPPING ) ỨNG DỤNG
BƠM DỊCH ĐỐI LƢU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2014





BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM


HỌC VIÊN : VÕ CƢỜNG
Đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

VI BƢỚC ( MICRO STEPPING )
ỨNG DỤNG BƠM DỊCH ĐỐI LƢU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh


TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2014




CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh





Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 1 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
1
TS. Ngô Cao Cƣờng
Chủ tịch
2
PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến
Phản biện 1
3
TS. Nguyễn Quốc Hƣng
Phản biện 2
4
TS. Võ Hoàng Duy
Ủy viên
5
TS. Nguyễn Hùng
Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Võ Cƣờng Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/11/1966. Nơi sinh: Tp. HCM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840002

I- Tên đề tài:
Nghiên Cứu, Thiết Kế và Điều Khiển Vi Bƣớc ( Micro stepping) Ứng Dụng Bơm
Dịch Đối Lƣu
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ:
- Thực hiện luận văn đã chọn và đƣợc sự đồng ý chấp thuận giao nhiệm vụ thực hiện từ
trƣờng và phòng quản lý sau đại học
Nội dung:
- Thực hiện nghiên cứu cơ sở lý thuyết của luận văn, giải thuật cần áp dụng
- Thi công mô hình
III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2013
V- Cán bộ hƣớng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Duy Anh


CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

i



LỜI CAM ĐOAN




Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả, mô hình thực nghiệm nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn




Võ Cƣờng
ii



LỜI CÁM ƠN

Trong suốt thời gian tham gia học chƣơng trình cao học và thực hiện luận văn thạc
sĩ, tôi đã nhận đƣợc sự giảng dạy, giúp đỡ, hƣớng dẫn, góp ý rất nhiều của quý Thầy Cô
bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ điện tử Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM cùng quí Thầy
Cô Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp HCM.
Trƣớc tiên, tôi chân thành cám ơn các quý Thầy đã tham gia giảng dạy chƣơng
trình cao học ngành Cơ điện tử, đã giúp chúng tôi tích lũy thêm những kiến thức sâu rộng
về chuyên môn, đã cung cấp cho tôi những biện pháp nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển.
Tôi chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Duy Anh, ngƣời
Thầy đã giảng dạy, hƣớng dẫn và góp ý giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ.


Tp.HCM, ngày 17 tháng 11 năm 2013
Học viên


Võ Cƣờng









iii

TÓM TẮT


Thiết bị bơm dịch đối lƣu là thiết bị Y tế nên cần đƣợc thiết kế hoạt động với độ ổn định
cao, thiết bị này sử dụng động cơ DC không chổi quét (Brushless DC Motor) dùng bơm
dịch đối lƣu cần lƣu lƣợng bơm ổn định trong điều kiện áp lực và tải hệ thống phản hồi
về luôn thay đổi.
Từ nhu cầu điều khiển đối tƣợng có tham số phản hồi luôn bị thay đổi thì bộ điều khiển
PID kinh điển không thể đảm bảo chất lƣợng đáp ứng tại mọi điểm làm việc. Vì vậy, việc
thay đổi các thông số của bộ điều khiển PID để thích nghi với sự thay đổi của hệ thống
theo thời gian là đặc biệt quan trọng. Với lý do đó, luận văn sẽ đƣa ra một phƣơng án
thiết kế bộ điều khiển Self-Tuning PID, với các giá trị K
p
, K
d
, K
i
đƣợc tính toán dựa trên
nền tảng lý thuyết Fuzzy Logic, ứng dụng trong việc điều khiển động cơ DC không chổi
quét (BLDC MOTOR).
Mặt khác thiết bị bơm dịch đối lƣu còn đƣợc thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống vận
hành nhƣ: theo dõi áp suất trên đƣờng bơm dịch lúc điều trị, áp suất ngƣỡng báo động có
thể thiết lập đƣợc bởi ngƣời sử dụng, điều khiển hệ thống van thủy lực đóng mở theo yêu
cầu sử dụng, điều khiển ngƣỡng an toàn và báo động khi sự cố.

iv



ABSTRACT


The pump solution in use for medical equipment should be designed to operate with high
reliability, this device used a brush DC motor (Brushless DC Motor) solution pump flow
convection should stabilize under conditions of pressure and load feedback system is
always changing.
From demand control subjects with feedback parameters are altered, the classic PID
controller can not meet the quality assurance work at any point. So, changing the
parameters of the PID controller to adapt to the change of the system over time is
particularly important. For this reason, the thesis launched a design project of the Self-
Tuning PID controllers, the value of Kp, Kd, Ki is calculated based on Fuzzy Logic
Theory and application of control brush DC motors (BLDC MOTOR).
Other side pumping equipment services are also designed to save the controller operating
system such as monitoring pressure on the pump at the treatment, pressure alarm
thresholds can be set by the user, the hydraulic control valve system open request to use,
control and alarm threshold when safety incidents.

v



MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ix
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 1
1.1. Tổng quan về nội dung nghiên cứu 1
1.2. Mục tiêu luận văn 5
1.3. Tóm tắt luận văn 6
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUẬT ĐIỀU KHIỂN 7
2.1. Lý thuyết bộ điều khiển PID 7
2.2. Lý thuyết luật điều khiển Fuzzy 9
2.3. Phƣơng thức điều khiển BLDC motor 10

2.4. Mô hình hoá Brushless DC motor 15
CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN BLDC MOTOR VỚI LUẬT ĐIỀU KHIỂN FUZZY
SELF-TUNING PID 21
3.1. Bộ điều khiển Fuzzy Self-Tuning PID ( FST PID) cho BLDCM 21
3.2. Mô hình Fuzzy self-tuning PID trong Simulink 26
3.3. Kết quả mô phỏng 30
vi



CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 33
4.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống 33
4.2. Thiết lập chu trình hoạt động của thiết bị 33
4.3. Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển 36
4.4. Mô hình hoàn thiện 40
CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 41
5.1. Lƣu lƣợng thực nghiệm 41
5.2. Đánh giá sai số 42
5.3. Dạng sóng : áp, xung kích nhóm fet trên, nhóm fet dƣới, dòng phase A 42
CHƢƠNG 6. ĐÁNH GIÁ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 46
6.1. Kết luận, đánh giá 46
6.2. Hƣớng phát triển đề tài 46
6.3. Các mặt hạn chế 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHỤ LỤC 48




vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên
Giải thích nghĩa
HD
HDF
BLDC M
PWM
TNT
FLC
HemoDialysic
Hemodiafiltration
Brushless Direct Curent Motor
Pulse Width Modulation
Thận Nhân Tạo
Fuzzy Logic Controller









viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa chất trong dịch lọc thận nhân tạo 1
Bảng 1.2 Đƣờng kính dây bơm, lƣu lƣợng và sai số 6
Bảng 2.1 Tín hiệu Hall Sensors điều khiển BLDC 6 step quay thuận 14
Bảng 2.2 Tín hiệu Hall Sensors điều khiển BLDC 6 step quay nghịch 14
Bảng 2.3 Mô hình hóa sức phản điện động theo góc quay rotor 18
Bảng 2.4 Mô hình hóa Hall sensor theo góc quay rotor 19
Bảng 2.5 Dòng điện tham chiếu quay thuận và hãm ngƣợc 19
Bảng 3.1 Luật chỉnh định du 23
Bảng 3.2 Luật chỉnh định kp 23
Bảng 3.3 Luật chỉnh định ki 24
Bảng 3.4 Luật chỉnh định kd 24
Bảng 5.1 Kết quả thực nghiệm lƣu lƣợng trên mô hình 41





ix



DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Máy TNT SURDIAL chức năng HD của hãng NIPRO 2
Hình 1.2 Máy TNT MODEL NCU18 chức năng HDF của hãng NIPRO 3
Hình 1.3.a Máy TNT SURDIAL 5

Hình 1.3.b Thiết bị bơm dịch đối lƣu 5
Hình 2.1 Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e 8
Hình 2.2 Xấp xỉ tích phân của biến sai số e 8
Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của 1 bộ điều khiển Fuzzy 10
Hình 2.4 Cấu trúc BLDCM đấu sao 10
Hình 2.5 Giản đồ xung vuông điện áp cấp cho Brushless DC motors 11
Hình 2.6 Tầng công suất cấp nguồn cho 3 pha BLDC 11
Hình 2.7 Giản đồ xung đóng ngắt tầng công suất kiểu độc lập 12
Hình 2.8 Giản đồ xung đóng ngắt tầng công suất kiểu bổ trợ 12
Hình 2.9 Giản đồ vector 3 pha ABC – Hall Sensors output 13
Hình 2.10 Giản đồ 3 pha pha ABC – Hall Sensors điều khiển 3 phase 13
Hình 2.11 Mạch điện tƣơng đƣơng BLDC M 15
Hình 3.1 Sơ đồ khối Bộ điều khiển Self-Tuning PID ( FST PID) 21
Hình 3.2 Biến ngôn ngữ vào ra và hàm thành viên 22
Hình 3.3 Hệ luật Sugeno - Fuzzy 25
Hình 3.4 Biểu diễn luật chỉnh định trong không gian 25
Hình 3.5 Mô phỏng khối kp 26
Hình 3.6 Mô phỏng khối ki 26
Hình 3.7 Mô phỏng khối kd 26
Hình 3.8 Mô phỏng khối PMW inverter 27
Hình 3.9 Mô phỏng khối current generator 27
Hình 3.10 Mô phỏng khối speed generator 28
Hình 3.11 Mô phỏng khối Emf generation 28
x



Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Fuzzy Self-tuning PID 29
Hình 3.13 Mô phỏng Fuzzy Self-tuning PID cho BLDC motor trên Simulink 29
Hình 3.14 Dòng điện trên 3 cuộn a, b, c 30

Hình 3.15 Sức phản điện động EMF trên ba cuộn a, b, c 30
Hình 3.16 Vị trí rotor 31
Hình 3.17 Tốc độ BLDC motor 31
Hình 3.18 Tốc độ BLDC motor so với giá trị cài đặt 32
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thủy lực của thiết bị 34
Hình 4.2 Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển phím, áp lực, valve 36
Hình 4.3 Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển hiển thị lên LCD 37
Hình 4.4 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình đọc giá trị VR, đọc và hiển thị tốc độ 38
Hình 4.5 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình điều khiển BLDCM 39
Hình 4.6 Mô hình hoàn thiện 40
Hình 5.1. Biểu đồ khảo sát phần trăm sai số lƣu lƣợng thực nghiệm 41
Hình 5.2 Dạng sóng khảo sát đo ở tốc độ thiết lập 10ml/phút 43
Hình 5.3 Dạng sóng khảo sát đo ở tốc độ thiết lập 100ml/phút 43
Hình 5.4 Dạng sóng khảo sát đo ở tốc độ thiết lập 250ml/phút 44
Hình 5.5 Dạng sóng khảo sát đo ở tốc độ thiết lập 300ml/phút 44
Hình 5.6 Dạng sóng khảo sát đo ở tốc độ thiết lập 350ml/phút 45






1



CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. Tổng quan về nội dung nghiên cứu
1.1.1. Tổng quan về dịch lọc dùng trong kỹ thuật thận nhân tạo (TNT)
Dịch chạy thận nhân tạo bao gồm nƣớc tinh khiết và các chất điện giải đƣợc hòa tan

với nhau. Các chất hòa tan trong dịch chạy Thận nhân tạo là tất cả các chất điện giải
(ion). nồng độ của chúng (ngoài kali và chất đệm) gần giống với nồng độ của chất
điện phân xảy ra tự nhiên trong máu. Dịch chạy thận nhân tạo có chức năng điều
chỉnh điện giải, cân bằng acid-base của bệnh nhân lọc máu và loại bỏ chất thải, thông
qua quá trình khuuếch tán và siêu lọc. Trong quá trình siêu lọc, máu của bệnh nhân sẽ
tiếp xúc với dịch lọc tại màng lọc máu còn gọi là Dialyzer. Dịch dùng trong kỹ thuật
TNT thƣờng có thành phần nhƣ ở bảng thống kê sau.
Bảng 1.1 Thành phần hóa chất trong dịch lọc thận nhân tạo
Tên dịch lọc
Thành phần gốc cho 1000ml thành phẩm
Nồng độ sau pha loãng
Kydheamo
2A
Natri clorid 210,7g
Kali clorid 5,222g
Calci clorid.2H
2
O 9g
Magnesi clorid.6H
2
O 3,558g
Acid acetic 6,310g
Dextrose monohydrate 38,5g
Nƣớc cất pha tiêm vừa đủ 1000ml
(1 : 1,225 : 32,775)
Na
+
138mmol/L
K
+

2mmol/L
Ca
++
1,75mmol/L
Mg
++
0,5mmol/L
Cl
-
109,43mmol/L
HCO
3
-
35mmol/L
CH
3
COO
-
3mmol/L
Glucose 1g/L
Kydheamo
1B
Natri bicarbonate 84g
Nƣớc cất pha tiêm vừa đủ 1000ml
BB A
Natri clorid 172g
Kali clorid 5,5g
Calci
clorid.2H
2

O 9,5g
Magnesi
clorid.6H
2
O 3,8g
Glacial Acid
acetic 9,2g
Nƣớc cất pha tiêm vừa đủ 1000ml
(1 : 1,83 : 34)
Na
+
138,83mmol/L
K
+
2mmol/L
Ca
++
1,75mmol/L
Mg
++
0,5mmol/L
Cl
-
106,32mmol/L
Acetate ion 4,18mmol/L
HCO
3
-
34,86mmol/L

BB B
Natri bicarbonate 66g
Natri Clorid 23,5g
Nƣớc cất pha tiêm vừa đủ 1000ml

2



1.1.2. Tổng quan về bệnh nhân suy thận mãn và máy TNT
- Bệnh nhân suy thận mãn là bệnh nhân là bệnh nhân bệnh thận có hệ số thanh thải
creatinin huyết thanh < 10ml/phút ở bệnh nhân không có tiểu đƣờng và < 15
ml/phút ở bệnh nhân có tiểu đƣờng. Ngoài ra bệnh nhân đƣợc chỉ định cần sử
dụng máy TNT trong các trƣờng hợp ngộ độc và cấp cứu.
- Máy TNT là thiết bị hoạt động với các chức năng tƣơng đƣơng quả thận ở ngƣời
đó là : cân bằng điện giải, ổn định huyết áp, thẩm tách nƣớc và chất thải từ ngƣời
bệnh nhân. Hiện có rất nhiều hãng sản xuất máy TNT có chức năng HD, dƣới đây
là hình minh họa máy TNT của công ty NIPRO Nhật Bản.

Hình 1.1 Máy TNT SURDIAL chức năng HD của hãng NIPRO

Hoạt động máy TNT dùng điều trị cho bệnh nhân suy thận mãn là hòa dịch lọc và
nƣớc tinh khiết RO theo tỉ lệ xác định, dịch lọc này sau khi pha có các thành phần
điện giải tƣơng đƣơng máu ngƣời nhƣ nồng độ Na, K,Ca, Cl….
Thiết bị đƣợc thiết kế 1 bơm máu ngoài có nhiệm vụ hút máu ra khỏi ngƣời bệnh
nhân sau đó cho dịch lọc này hòa vào máu bệnh nhân tại quả lọc, tại đây hiện
3

tƣợng khuyếch tán và siêu lọc đƣợc thực hiện, sự chênh lệch áp lực tại quả lọc
(dialyzer) sẽ tách chất thải khỏi máu bệnh nhân theo tỉ lệ chỉnh định của bác sỹ,
hay nói cách khác máy TNT thay thế quả thận con ngƣời.
Để nâng cao chất lƣợng điều trị ngƣời ta thấy rằng việc lấy máu ra lọc và trả về
thƣờng không đạt hoàn toàn sự trao đổi cân bằng các chất ion cũng nhƣ PH, HCO
3
giữa máu và dịch lọc, nếu dùng thêm 1 bơm nữa hòa trƣớc vào máu một lƣợng
dịch lọc xác định rồi sau đó tiến hành thẩm tách, khuyếch tán và siêu lọc thì hiệu
quả trao đổi chất và lọc máu tăng cho nên máy thẩm tách siêu lọc HDF ra đời với
2 bơm ngoài.
1.1.3. Tổng quan máy HDF
Thực tế các nhà chế tạo thiết bị Y sinh đã sản xuất ra máy HDF để đáp ứng yêu
cầu nâng cao chất lƣợng điều trị nhƣ máy ONLINE HDF tăng hiệu quả thanh thải
các chất có khối lƣợng phân tử chất tan thấp nhƣ phosphate, urê và creatinin.
Máy HDF có cấu trúc trên cơ sở hoàn toàn giống máy HD, chỉ cấu trúc thêm hệ
thống bơm dịch vào máu. Dƣới đây là hình minh họa máy HDF của công ty
NIPRO Nhật Bản.

Hình 1.2 Máy TNT MODEL NCU18 chức năng HDF của hãng NIPRO

4



1.1.4. Tổng quan nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của đề tài là thiết kế hệ thống bơm dịch đối lƣu, hệ thống này
khi họat động phối hợp với máy HD đã có, với mong muốn kết quả điều trị tƣơng
đƣơng máy HDF, nói cách khác là thêm hệ thống bơm dịch đối lƣu cho máy HD để
trở thành máy điều trị tƣơng đƣơng chức năng máy HDF.
Hệ thống thiết kế bao gồm :

- Mạch điều khiển động cơ DC không chổi quét (Brushless DC motor) họat động
với Luật điều khiển Seft – tuning Fuzzy PID
- Mạch kiểm soát áp lực, mạch điều khiển hệ thống valve, mạch hiển thị LCD và led
7 đoạn.
Lý do chọn BLDC M là động cơ loại này có thể điều khiển theo step thuận lợi cho bộ
điều khiển số, từ cấu trúc trục lăn ngoài của BLDCM nên muốn có lƣu lƣợng ổn định
thì cần tốc độ ổn định hay nói cách khác điều khiển tốc độ không điều khiển vị trí,
mặt khác BLDCM có thiết kế 3 hall sensor cho 3 phase thuận lợi cho việc điều khiển
có hồi tiếp nhƣ 1 Servo motor, đồng thời trên cơ sở tham khảo máy NCU 18 có chức
năng HDF của hãng NIPRO đã sử dụng BLDCM cho chức năng bơm máu và bơm
dịch đối lƣu.
1.1.5. Ý nghĩa luận văn
Tại Việt Nam từ những năm cuối thập kỷ 90 kỹ thuật chạy thận nhân tạo (HD :
HemoDialysic) điều trị bệnh cho những bệnh nhân suy thận mãn bắt đầu đƣợc áp
dụng, đầu tiên kỹ thuật này đƣợc áp dụng tại các bệnh viện lớn hoặc đầu ngành nhƣ
bệnh viện : Bạch Mai (Hà nội), Thống nhất (TP.HCM), Chợ rẫy… cho đến nay kỹ
thuật này đƣợc áp dụng hầu hết tại các bệnh viện tuyến quận trở lên tại TP.HCM,
điều này dẫn đến tổng số máy chạy thận nhân tạo HD hiện nay khá lớn, nếu làm đƣợc
thiết bị bơm dịch đối lƣu để phối hợp sử dụng máy TNT có chức năng HD hiện có
5



thành máy TNT có chức năng HDF sẽ đem lại lợi ích cho thực tiễn điều trị bệnh tại
các trung tâm TNT.




Hình 1.3.a Máy TNT SURDIAL

Hình 1.3.b Thiết bị bơm dịch đối lƣu
1.2. Mục tiêu luận văn
Bằng giải thuật điều khiển Self-Tuning PID, với các giá trị K
p
, K
d
, K
i
đƣợc tính toán
dựa trên nền tảng lý thuyết Fuzzy Logic áp dụng điều khiển vi bƣớc cho động cơ
bƣớc 3 pha, 6 step ( Brushless DC motor) tạo vòng xoay ổn định và chính xác trên cơ
sở kiểm soát và điều khiển theo pha làm trục lăn xoay với tốc độ ổn định theo giá trị
cài đặt mong muốn của ngƣời sử dụng, nhằm cung cấp lƣợng dịch đối lƣu chính xác
trên phút và áp lực dịch nằm trong ngƣỡng an toàn theo yêu cầu điều trị HDF cho
bệnh nhân suy thận mãn trên cơ sở máy điều trị HD đã có.
6



Lƣu lƣợng dịch đối lƣu của BLDCM bơm đạt theo yêu cầu thiết kế chuẩn tham khảo
từ máy TNT SURDIAL của hãng NIPRO dùng BLDCM và dây truyền cùng loại.
Bảng 1.2 Đƣờng kính dây bơm, lƣu lƣợng và sai số

Specifications
Condition
Blood pump
type
Three roller type
Manual gap adjustment
(range: 2.5 to 3.5 mm from housing

inside)
No
Flow rate
range
When large sized tube is used :
30 to 500 mL/min (factory set)

Large sized tube:
8.0012.00  0.15 mm
Length :  210 mm
Accuracy of
flow rate
Set flow rate  10 %
Min. inlet pressure :
-200 mmHg
Max. outlet pressure :
+500 mmHg
1.3. Tóm tắt luận văn
Tổng quan của vấn đề nghiên cứu, cũng nhƣ mục tiêu và ý nghĩa của luận văn
đƣợc trình bày trong nội dung của chƣơng 1.
Phần chƣơng 2 tiếp theo là nội dung lý thuyết điều khiển cơ sở bộ điều khiển PID,
phƣơng thức điều khiển BLDCM, mô hình hóa BLDCM.
Chƣơng 3, thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Self-tuning PID cho BLDCM, mô phỏng
Simulink trên Matlab và kết quả mô phỏng .
Chƣơng 4, trình bày mô hình thực nghiệm với nguyên lý hoạt động hệ thống thủy
lực, thiết kế sơ đồ mạch điện, lƣu đồ giải thuật cho chƣơng trình vi điều khiển, mô hình
hoàn thiện.
Chƣơng 5, là kết quả thực nghiệm từ mô hình
Đánh giá những vấn đề đã thực hiện đƣợc và hƣớng phát triển của luận văn cũng
nhƣ kết luận đƣợc trình bày ở chƣơng 6.

7



CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUẬT ĐIỀU KHIỂN
2.1. Lý thuyết bộ điều khiển PID
PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative
(đạo hàm).
Tùy vào mục đích và đối tƣợng điều khiển mà bộ điều khiển có thể có thể đƣợc xây dựng
từ các thành phần chỉ bao gồm P, PI, PD hoặc đầy đủ PID
Bộ điều khiển chỉ có thành phần P


 

*e (2.1.1)


: hằng số tỉ lệ
e : sai số
Bộ điều khiển PD


 

   



(2.1.2)



: hằng số vi phân
Bộ điều khiển PID


 

   



  



(2.1.3)


: hằng số tích phân
Mô hình toán của bộ điều khiển PID trong miền thời gian


 

   



  




(2.1.4)


 

  





  



} (2.1.5)


=







=






Hàm truyền của bộ điều khiển PID trong miền tần số
G
PID
= K
P
+



+ K
D
*S (2.1.6)
Điều khiển PID số
8



Phép xấp xỉ thời gian lấy mẫu



=







(2.1.7)
e(k) : giá trị hiện tại của e
e(k-1) : giá trị của e trong lần lấy mẫu trƣớc đó
h : khoảng thời gian lấy mẫu

Hình 2.1 Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e
Thành phần tích phân đƣợc xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi hàm đƣờng biểu diễn
của e và trục thời gian. Do việc tính toán tích phân không cần quá chính xác, ta có thể
dùng phƣơng pháp xấp xỉ đơn giản nhất là xấp xỉ hình chữ nhật (sai số của phƣơng pháp
này cũng lớn nhất)


Hình 2.2 Xấp xỉ tích phân của biến sai số e
9



Tích phân của biến e đƣợc tính bằng tổng diện tích các hình chữ nhật tại mỗi thời điểm
đang xét. Mỗi hình chữ nhật có chiều rộng bằng thời gian lấy mẫu h và chiều cao là giá
trị sai số e tại thời điểm đang xét. Tổng quát:





=






 


(2.1.8)

Tổng hợp các xấp xỉ, công thức của bộ điều khiển PID số đƣợc trình bày nhƣ sau
U
PID
= 

 






+





 



(2.1.9)

Trong đó U
PID
là đại lƣợng output từ bộ điều khiển. Để đơn giản hóa việc tính thành phần
tích phân, ta dùng phƣơng pháp “cộng dồn” (hay đệ quy):
I(k) = I(k-1) + e(k) *h (2.1.10)
I(k) : là thành phần tích phân hiện tại
I(k-1) : là thành phần tích phân trƣớc đó
2.2. Lý thuyết luật điều khiển Fuzzy
Khái niệm về Fuzzy Logic Controller (FLC) đƣợc giáo sƣ L.A Zadeh đƣa ra lần đầu
tiên 1965, tại trƣờng Đại học Berkeley, bang California – Mỹ. Từ đó, nó đƣợc
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Năm 1970, tại trƣờng Mary Queen, London – Anh, Mamdani dùng FLC để điều
khiển một máy hơi nƣớc mà ông không thể điều khiển bằng các kỹ thuật cổ điển.
Cũng vào thời điểm đó, tại Đức, Zimmermann sử dụng FLC cho các hệ luật ra quyết
định.
Tại Nhật, vào các năm 1983 và 1987, FLC lần lƣợt đƣợc ứng dụng vào nhà máy xử
lý nƣớc của Fuji Electronics và hệ thống xe điện ngầm của Hitachi….
Trong ba thập kỷ qua, FLC đã phát triển nhƣ là một sự thay thế hoặc bổ sung cho các
bộ điều khiển kinh điển trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Lý thuyết FLC cung
cấp cho bộ điều khiển phi tuyến khả năng thực hiện các đáp ứng phức tạp, ngay cả
với hệ phi tuyến không chắc chắn. Khác với điều khiển thông thƣờng, thiết kế FLC
không đòi hỏi mô hình toán học cụ thể và chính xác của hệ thống, mà thay vào đó sẽ
sử dụng sai lệch (Error) của tín hiệu đầu ra so với tín hiệu mong muốn và đạo hàm
10



của sai lệch (Derivative Error) giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến

động liên tục của đối tƣợng.
Cấu trúc tổng quát của 1 bộ điều khiển Fuzzy cơ bản gồm 3 thành phần chính đó là
- Khối mờ hóa
- Khối luật hợp thành
- Khối giải mờ




Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của 1 bộ điều khiển Fuzzy
2.3. Phƣơng thức điều khiển BLDC motor
2.3.1. Điều khiển số hoá Brushless DC motor
Brushless DC motors là động cơ bƣớc dạng 3 pha sử dụng nguồn điện DC, nó bao gồm 6
bƣớc, tùy theo loại ứng dụng các nhà sản xuất thiết kế số cặp cực, cuộn dây đấu kiểu sao,
cuộn dây đấu kiểu tam giác…
Để tiện việc điều khiển BLDCM thƣờng đƣợc thiết kế ba hall sensor để giám sát pha hiện
hành và vị trí hiện hành của rotor.

Hình 2.4 Cấu trúc BLDCM đấu sao

Mờ hóa

Luật hợp
thành

Giải mờ
e
de
U
PID

11



Do cấu trúc nhƣ một động cơ bƣớc dạng 3 pha nên BLDCM có thể đƣợc điều khiển bằng
phƣơng pháp số hóa và kỹ thuật điều rộng xung (PMW) làm motor vận hành theo micro
steping.
Brushless DC motors có thể đƣợc điều khiển bởi xung điện áp vuông góc ứng với từng
góc pha tạo thành một chu kỳ chuyển động một vòng 360
0
, đƣợc biễu diễn nhƣ giản đồ
sau.

Hình 2.5 Giản đồ xung vuông điện áp cấp cho Brushless DC motors

Hình 2.6 Tầng công suất cấp nguồn cho 3 pha BLDC
PWM_Q1 PWM_Q3
PWM_Q4
Q3
IRF540
HI
PWM_Q5
PHASE A
UDCB
Q4
IRF540
PHASE B
Q1
IRF540

PHASE C
Q5
IRF540
Q2
IRF540
PWM_Q6
Q6
IRF540
PWM_Q2
C