Nâng cao chất lượng các hệ truyền động bám công suất nhỏ trên cơ sở điều khiển bù đặc tính tĩnh và thích nghi modal

1

MỞ ĐẦU
Hệ truyền động điện bám góc sử dụng động cơ truyền động công suất nhỏ từ
vài W đến vài chục W có vai trò đặc biệt quan trọng trong rất nhiều tổ hợp
thiết bị kĩ thuật thuộc các lĩnh vực công nghiệp và quân sự [dưới đây gọi tắt
là hệ truyền động bám (HTĐB) công suất nhỏ]. Thời gian gần đây, với sự ra
đời và phát triển của nhiều ngành kĩ thuật mới nhƣ kĩ thuật điện tử công suất,
kĩ thuật vi điều khiển, đã làm cho chất lƣợng của các HTĐB có những tiến bộ
vƣợt bậc. Tuy nhiên với những đòi hỏi ngày càng cao của ngành công nghiệp
và nền quốc phòng hiện đại, nếu không đƣợc quan tâm thƣờng xuyên liên tục,
chất lƣợng của các hệ thống này rất có thể sẽ lại trở nên lạc hậu.
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Việc sử dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại cùng các thuật toán
điều khiển thích hợp để nâng cao chất lƣợng cho các HTĐB công suất nhỏ
luôn đi kèm với việc lựa chọn cơ cấu chấp hành mới sao cho phù hợp. Một
trong những cơ cấu chấp hành đƣợc đánh giá là có triển vọng và thu hút đƣợc
sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực truyền động điện tự động
hiện nay là bộ cơ điện tử, trong đó phần cơ điện là động cơ đồng bộ kích thích
vĩnh cửu (PMSM). Để đơn giản và ngắn gọn trong cách gọi tên, luận án sử
dụng khái niệm động cơ van (viết tắt là ĐCV) để gọi tên cho bộ cơ điện tử
nói trên (thuật ngữ “động cơ van” được dùng nhất quán trong toàn bộ các
chương của luận án này, xem mục 1.3 chương 1). Việc sử dụng ĐCV làm cơ
cấu chấp hành trong các HTĐB công suất nhỏ đã làm thay đổi đáng kể cấu
trúc và chất lƣợng của hệ thống. Chúng có khả năng chịu quá tải tốt, tính linh
hoạt và dễ lập trình trong điều khiển, lĩnh vực ứng dụng rộng rãi, chịu đƣợc
các điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt, có độ bền cơ học cao và nhiều ƣu điểm
khác [17], [19], [22].
Theo kết quả khảo sát của luận án, động cơ chấp hành trong các HTĐB

2

có công suất nhỏ đang tồn tại hiện nay phần lớn vẫn là loại động cơ một chiều
có chổi than (ĐCMC) và động cơ không đồng bộ (KĐB) hai pha [1], [31],
[40], [44]. Mỗi loại đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Không thể
phủ nhận vai trò của hai loại động cơ trên trong các hệ bám chất lƣợng cao
trong một thời gian dài. Tuy nhiên, có một thực tế là tại thời điểm hiện nay,
việc đƣa những công nghệ hoặc giải pháp mới vào điều khiển hệ truyền động
hai loại động cơ trên là tƣơng đối khó khăn [24], [34]. Mặt khác, nếu làm việc
trong môi trƣờng khắc nghiệt nhƣ: nhiễu điện từ, bụi bẩn, mƣa nắng, nóng
ẩm.. thì ĐCMC là kém phù hợp.
Những ý tƣởng sử dụng ĐCV để thay thế cho hai loại động cơ trên trong
các hệ bám chất lƣợng cao đã có từ những năm 30 của thế kỷ trƣớc. Nhƣng do
những hạn chế nhất định về mặt công nghệ và kĩ thuật nên chỉ đến thời điểm
gần đây, khi mà lĩnh vực vi xử lí, vi điều khiển, điện tử công suất phát triển
mạnh, những ý tƣởng trên mới đƣợc thực thi [37]. Hệ truyền động ĐCV đƣợc
xây dựng dựa trên các phƣơng pháp điều khiển khác nhau nhƣ: điều khiển rời
rạc [17] , [22], [24], [26], [27], [28], [29]; điều khiển liên tục [31]; điều khiển
tần số dòng điện [16], [31]; điều khiển véc tơ (ĐKVT) [2], [3], [18], [20],
[38], [51], [56] và điều khiển không dùng cảm biến [8], [21], [60]. Phần lớn
các hệ thống này trong các công trình nghiên cứu đều có công suất trung bình
và nhỏ, đa phần chƣa đảm bảo đƣợc độ trơn về mô men và độ chính xác điều
khiển chƣa cao, dạng dòng điện đƣa đến khối cơ điện chƣa đƣợc hình sin.
Điều đó dẫn đến làm tăng các tổn hao, làm xấu đi các chỉ tiêu năng lƣợng và
đặc tính tĩnh nói chung, vì vậy rất cần có một phƣơng pháp điều khiển phù
hợp để khắc phục các tồn tại nói trên [36].
Trong số các phƣơng pháp điều khiển ĐCV kể trên tính đến nay, cho
chất lƣợng tốt hơn cả là phƣơng pháp ĐKVT [36], [60]. ĐKVT đƣợc đề cập
một cách khá đầy đủ và chi tiết ở các công trình [2], [3], [38], [51] và nhiều
tài liệu khác. ĐKVT thuộc nhóm các phƣơng pháp điều khiển liên tục. Ngay

3

từ khi ra đời, ĐKVT đã tỏ ra rất phù hợp với các hệ công suất lớn có điều
chỉnh mô men nhƣng yêu cầu đối với hệ thống điều khiển là phải có tốc độ
tính toán cao. Tuy vậy, bên cạnh các ƣu điểm, vẫn có thể kể ra một số nhƣợc
điểm của nó nhƣ sau:
 Phải đo dòng điện các pha của động cơ để làm tín hiệu phản hồi;
 Các bộ vi điều khiển phải làm việc với cƣờng độ tính toán lớn;
 Cấu trúc hệ thống phức tạp;
 Giá thành hệ thống ĐKVT cao.
Vì vậy ĐKVT ít đƣợc ứng dụng trong các hệ truyền động có công suất nhỏ.
Điều khiển bù các đặc tính tĩnh (BĐTT) có thể khắc phục đƣợc những
nhƣợc điểm nêu trên của phƣơng pháp ĐKVT trong các hệ truyền động có
công suất nhỏ. Đề cập đến phƣơng pháp này là các công trình [23], [24], [32],
và [57]. Trong các công trình trên, có thể nói điều khiển BĐTT cũng là một
dạng của ĐKVT nhƣng ở đây, điện áp ud - gọi là điện áp bù, đƣợc tạo ra bằng
cách tính toán từ điện áp điều khiển uq và các tham số của động cơ - thay vì
đƣợc tạo ra từ bộ điều chỉnh dòng điện Rid nhƣ trong ĐKVT kinh điển.
Dạng các đặc tính tĩnh của hệ truyền động khi áp dụng phƣơng pháp điều
khiển BĐTT, về cơ bản phụ thuộc vào thuật toán tính toán để tạo ra điện áp
bù ud - gọi là thuật toán bù. Mỗi thuật toán bù có những nét đặc trƣng riêng:
thuật toán đơn giản dễ triển khai thì cho chất lƣợng không cao, phạm vi ứng
dụng hẹp và ngƣợc lại, thuật toán phức tạp đạt độ chính xác cao lại khó triển
khai thực tế trên vi điều khiển. Vì vậy, việc đi tìm các thuật toán đơn giản
nhƣng đáp ứng thỏa mãn cho từng trƣờng hợp cụ thể là rất cần thiết.
Song song với vấn đề điều khiển BĐTT, khi bàn luận về chất lƣợng của
các HTĐB nói chung, ngƣời ta cho rằng việc lựa chọn các phƣơng pháp điều
khiển hiện đại phù hợp cho các mạch vòng điều chỉnh lệ thuộc có thể sẽ giải

quyết đƣợc các vấn đề nhƣ tăng độ chính xác bám, giảm thời gian quá độ và
độ quá điều chỉnh… Trong số các phƣơng pháp đƣợc sử dụng để điều khiển


4

các mạch vòng lệ thuộc trong các HTĐB hiện nay, bên cạnh việc làm sao để
hệ có tín hiệu ra bám sát theo tín hiệu vào, ngƣời ta còn lƣu tâm tới nhiều vấn
đề khác nữa nhƣ: vấn đề ổn định tốc độ của cơ cấu chấp hành; vấn đề giảm
thiểu tối đa các dao động sinh ra do mô men đàn hồi; giảm thiểu sự ảnh
hƣởng của các xung mô men trên trục truyền động ở quá trình quá độ, sự ảnh
hƣởng của tiếng ồn, va đập sinh ra từ các khe hở bánh răng; vấn đề chất lƣợng
bám không bị ảnh hƣởng bởi mô men ma sát, mô men cản trong hệ. Những
vấn đề kể trên mang tính cấp thiết của thực tế ứng dụng vì nó có liên quan
trực tiếp đến độ bền cơ học của hệ thống, giảm ô nhiễm cho môi trƣờng và
ngƣời vận hành do tiếng ồn và các rung động gây ra [10].
Các HTĐB công suất nhỏ trên thực tế hầu hết có cấu trúc phần cơ tƣơng
đối phức tạp, các yếu tố phi tuyến nhƣ tính đàn hồi, khe hở bánh răng và hệ số
ma sát có khả năng ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng bám. Để giải quyết vấn đề
nêu trên, cách tốt nhất là sử dụng các giải pháp về điều khiển thích nghi. Tuy
nhiên, hệ thống điều khiển thích nghi nói chung thƣờng có cấu trúc và thực
hiện tƣơng đối phức tạp, trong khi với với các hệ thống công suất nhỏ, tính
đơn giản trong cấu trúc điều khiển là hết sức quan trọng. Giải pháp điều khiển
thích nghi modal trong trƣờng hợp này có lẽ là một trong số những sự lựa
chọn phù hợp hơn cả. Sự phù hợp thể hiện ở chỗ: vừa đảm bảo chất lƣợng
điều khiển tốt, vừa đảm bảo tính đơn giản cho hệ thống.
Các phân tích cơ bản trên đã nói lên đƣợc tính cấp thiết của luận án:
“Nâng cao cao chất lượng các hệ truyền động bám công suất nhỏ trên cơ
sở điều khiển bù các đặc tính tĩnh và thích nghi modal” .
2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ truyền động bám

ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tƣợng bao gồm: truyền
động khớp robot có không gian lắp đặt hạn chế, truyền động trên các thiết bị
di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn chế, trong những thiết bị công
nghiệp và khí tài quân sự mà ở đó đòi hỏi hệ thống có chất lƣợng tốt nhƣng


5

cấu trúc đơn giản, độ tin cậy và hiệu suất cao, tiết kiệm năng lƣợng, trên cơ sở
áp dụng:
1. Điều khiển bù các đặc tính tĩnh để cải thiện đặc tính năng lƣợng,
hiệu suất và các đặc tính của động cơ truyền động trong chế độ tĩnh, đơn giản
hóa cấu trúc điều khiển bằng cách không sử dụng các bộ điều chỉnh dòng
điện, hạn chế tối đa các khâu chuyển hệ trục tọa độ, giảm cƣờng độ và khối
lƣợng tính toán cho vi điều khiển, hạn chế thiết bị phần cứng, từ đó góp phần
làm giảm giá thành hệ thống.
2. Điều khiển thích nghi modal để đảm bảo tốt độ chính xác bám trong
trƣờng hợp hệ thống chịu ảnh hƣởng từ các yếu tố phi tuyến do cấu trúc phần
cơ và nhiễu gây ra nhƣ: khe hở bánh răng, tính đàn hồi, mô men ma sát, mô
men quán tính tải nhƣng vẫn giữ đƣợc tính đơn giản cho cấu trúc điều khiển.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của hệ truyền động bám ĐCV công suất
nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tƣợng nêu trên, đƣợc thực hiện dựa trên
việc nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng.
Các cơ sở lý thuyết và công cụ sử dụng trong nghiên cứu gồm:
 Lý thuyết điều khiển véc tơ động cơ xoay chiều ba pha;
 Lý thuyết điều khiển bù các đặc tính tĩnh;
 Lý thuyết điều khiển thích nghi các hệ thống cơ điện đàn hồi;
 Lý thuyết điều khiển các hệ thống điện tử công suất hiện đại;
 Lý thuyết và thực nghiệm trên chip vi điều khiển Atmega 128;

 Công cụ mô phỏng các hệ thống điều khiển Matlab-Simulink;
 Công cụ xử lý số liệu trên Microsoft Office Excel.
4. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp điều khiển thích nghi modal kết hợp
điều khiển bù các đặc tính tĩnh cho các hệ truyền động bám sử dụng ĐCV


6

công suất nhỏ trên cơ sở có xét đến ảnh hƣởng của các yếu tố phi tuyến do
cấu trúc phần cơ gây ra, ứng dụng cho một lớp các đối tƣợng bao gồm: truyền
động khớp robot có không gian lắp đặt hạn chế, truyền động trên các thiết bị
di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn chế, trong những thiết bị công
nghiệp và khí tài quân sự mà ở đó đòi hỏi hệ thống có chất lƣợng tốt nhƣng
cấu trúc đơn giản, độ tin cậy và hiệu suất cao, tiết kiệm năng lƣợng.
5. Tính mới của luận án
1. Từ hệ phƣơng trình vi phân và các phƣơng trình mô tả ĐCV trong
không gian véc tơ, luận án đã tổng hợp đƣợc một thuật toán điều khiển bù các
đặc tính tĩnh trên cơ sở tốc độ động cơ  và điện áp điều khiển uq. Ƣu điểm
của thuật toán là đơn giản, tin cậy và dễ triển khai trên vi điều khiển. Điều này
đã đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm cả trên mô hình thực
nghiệm và trong thực tế sản xuất.
2. Từ thuật toán tổng hợp đƣợc, luận án đã tiến hành phân tích đƣa ra sự
phụ thuộc của đặc tính bù vào các thông số của động cơ dƣới dạng các đồ thị
để lƣờng trƣớc một số vấn đề có thể sẽ xảy ra khi áp dụng thuật toán. Đƣa ra
cấu trúc HTĐB trong đó ĐCV đƣợc điều khiển bằng phƣơng pháp BĐTT.
Cấu trúc đƣa ra khắc phục đƣợc những bất cập so với khi áp dụng phƣơng
pháp ĐKVT kinh điển cho các hệ công suất nhỏ, đó là: đơn giản bằng cách
không sử dụng các bộ điều chỉnh dòng điện Rid , Riq nên không cần sử dụng
các cảm biến dòng điện để phản hồi, chỉ có duy nhất một bộ chuyển đổi hệ

trục tọa độ. Từ đó giúp làm giảm khối lƣợng tính toán cho vi điều khiển nên
chỉ cần sử dụng các vi điều khiển tầm trung, góp phần giảm giá thành và kích
thƣớc của hệ thống;
3. Phân tích để đƣa phƣơng pháp điều khiển thích nghi modal kết hợp
với BĐTT trên cơ sở có xét đến các yếu tố phi tuyến phức tạp của phần cơ, áp
dụng vào việc nâng cao chất lƣợng HTĐB công suất nhỏ. Kết quả thể hiện
bằng việc đã tổng hợp đƣợc cấu trúc và tham số cho một bộ điều khiển thích


7

nghi modal cho mạch vòng tốc độ với chất lƣợng tốt.
6. Tính thực tiễn và độ tin cậy của các kết quả
Tính thực tiễn và độ tin cậy của các kết quả trong luận án đƣợc thể hiện:
1. Đã triển khai mô phỏng trên máy tính hệ thống truyền động bám ĐCV
với các thuật toán đã tổng hợp, kết quả mô phỏng đạt đƣợc là rất khả quan.
2. Đã phân tích sự ảnh hƣởng của việc thay đổi các tham số động cơ
dƣới tác động của môi trƣờng làm việc lên hình dạng đặc tính bù và sai số
trong quá trình điều khiển bù;
3. Đã so sánh chất lƣợng giữa phƣơng pháp ĐKVT kinh điển với điều
khiển BĐTT thông qua kết quả mô phỏng là các đặc tính trong chế độ tĩnh;
4. Đã tiến hành so sánh và khẳng định chất lƣợng của hệ thống sử dụng
phƣơng pháp điều khiển thích nghi modal kết hợp BĐTT có xét đến cấu trúc
phức tạp của phần cơ với hệ thống sử dụng các bộ điều khiển PID truyền
thống thông qua sai số bám, độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ với bốn
dạng tín hiệu vào đặc trƣng nhất của hệ bám, đó là: Hàm bƣớc nhảy (step),
hàm điều hòa (sin), hàm vận tốc (ramp) và hàm gia tốc (at2).
5. Đã tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn, tính thực tiễn và chất lƣợng
của thuật toán điều khiển BĐTT ở cả phòng thí nghiệm và thực tế sản xuất.
6. Các kết quả chính của luận án đã đƣợc báo cáo và thảo luận tại các

buổi hội thảo khoa học. Nội dung cơ bản của luận án đã đƣợc các nhà khoa
học phản biện đồng ý cho công bố trên một số tạp chí khoa học kỹ thuật
chuyên ngành.
7. Đóng góp của luận án cho khoa học
Thuật toán điều khiển bù các đặc tính tĩnh và phƣơng pháp tổng hợp hệ
thích nghi modal kết hợp BĐTT có xét đến cấu trúc phức tạp của phần cơ áp
dụng cho hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ là những đóng góp chính
của luận án cho khoa học. Kết quả nghiên cứu có thể triển khai trên các hệ
thống thực, dùng để tham khảo cho giảng dạy bộ môn truyền động điện tại


8

các trƣờng đại học kỹ thuật hoặc làm đối chứng cho các nghiên cứu khác có
cùng mục đích.
8. Kết cấu và dung lượng của luận án
Luận án gồm lời mở đầu, 4 chƣơng chính, kết luận, danh mục các tài liệu
tham khảo. Phần phụ lục gồm các chƣơng trình mô phỏng, thiết kế phần cứng
mô hình thực nghiệm và code điều khiển.
9. Tóm tắt nội dung luận án
 Phần mở đầu: trình bày về tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, mục
tiêu nhiệm vụ, phƣơng pháp nghiên cứu, tính mới trong khoa học, tính thực
tiễn và độ tin cậy của các kết quả của luận án, kết cấu và dung lƣợng của luận
án và các đóng góp của luận án cho khoa học.
 Chƣơng 1: Trình bày một cách ngắn gọn các vấn đề: khái quát về hệ
truyền động bám và các tiêu chí đánh giá chất lƣợng hệ bám. Các tiêu chí này
có tính xuyên suốt luận án, một số tiêu chí cơ bản trong đó đƣợc sử dụng làm
cơ sở tham chiếu cho việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của hệ bám trong
chƣơng 2 và chƣơng 3. Từ việc phân tích vai trò của động cơ chấp hành và
các phƣơng pháp điều khiển một hệ bám điển hình công suất nhỏ, phân tích

những ảnh hƣởng đến chất lƣợng của các yếu tố phi tuyến do cấu trúc phức
tạp của phần cơ gây ra, phân tích tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài
nƣớc có liên quan đến nội dung của luận án, chƣơng 1 đã tiến hành xác lập
bài toán nghiên cứu gồm: mục tiêu nghiên cứu, đối tƣợng áp dụng, lựa chọn
cơ cấu chấp hành, tiêu chí nâng cao chất lƣợng, phƣơng pháp thực hiện và
những nhiệm vụ cần phải giải quyết để đạt đƣợc mục tiêu đề ra.
 Chƣơng 2: Phân tích một cách ngắn gọn các phƣơng pháp điều khiển
ĐCV. Qua đó khẳng định ĐKVT là phƣơng pháp có chất lƣợng tốt nhất trong
số các phƣơng pháp điều khiển hiện nay. Trình bày một cách ngắn gọn về
công cụ toán học của phƣơng pháp ĐKVT. Phân tích đƣa ra các điểm không
phù hợp khi áp dụng ĐKVT cho hệ truyền động bám công suất nhỏ. Trình


9

bày bản chất của phƣơng pháp điều khiển bù các đặc tính tĩnh ĐCV. Hệ
truyền động công suất nhỏ khi áp dụng phƣơng pháp này sẽ khắc phục đƣợc
những điểm không phù hợp của ĐKVT. Phân tích ƣu khuyết điểm của các
thuật toán điều khiển BĐTT của các công trình đã công bố. Trên cơ sở đó, từ
hệ phƣơng trình vi phân và các phƣơng trình mô tả ĐCV trong không gian
véc tơ, đã tổng hợp đƣợc một thuật toán điều khiển bù đặc tính tĩnh từ tín hiệu
điều khiển uq và tốc độ động cơ đo đƣợc  . Phân tích đƣa ra ảnh hƣởng của
các tham số động cơ đến đặc tính bù dƣới dạng các đồ thị. Từ đó đề xuất
phạm vi sử dụng cho thuật toán trong hệ thống có nguồn cấp ổn định và ĐCV
đã đƣợc xem xét tới việc hạn chế biến đổi điện trở do nhiệt. Đề xuất sơ đồ hệ
truyền động bám ĐCV sử dụng thuật toán bù đã tổng hợp đƣợc. Sơ đồ chỉ sử
dụng hai bộ điều chỉnh: bộ điều chỉnh vị trí và bộ điều chỉnh tốc độ với duy
nhất một phép chuyển đổi hệ trục tọa độ. Điều này giúp làm đơn giản cấu trúc
hệ thống đi hai bộ điều chỉnh dòng điện, một chuyển đổi hệ trục tọa độ, bớt đi
hai cảm biến dòng điện so với ĐKVT kinh điển. Vì vậy, cấu trúc đề xuất sẽ

rất phù hợp với các hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho
một lớp các đối tƣợng đã nêu ra gồm: truyền động khớp robot có không gian
lắp đặt hạn chế, trên các thiết bị di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn chế,
trong những thiết bị công nghiệp và khí tài quân sự mà ở đó đòi hỏi hệ thống
có chất lƣợng tốt nhƣng cấu trúc đơn giản, độ tin cậy và hiệu suất cao, tiết
kiệm năng lƣợng.
 Chƣơng 3: Với cách đặt vấn đề cho bài toán nghiên cứu nâng cao chất
lƣợng hệ truyền động bám là: cấu trúc phần cơ của hệ thống có chứa các yếu
tố phi tuyến gây ảnh hƣởng lớn đến sai số bám, chƣơng 3 đã tiến hành phân
tích cơ sở lí thuyết và ứng dụng điều khiển thích nghi modal cho hệ thống, đề
xuất áp dụng và tiến hành tổng hợp cấu trúc khâu thích nghi modal áp dụng ở
mạch vòng tốc độ với bộ quan sát thích nghi không đủ bậc. Tổng hợp tham số
bộ điều khiển thích nghi modal, bộ quan sát thích nghi và của toàn hệ thống.
Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí bằng phƣơng pháp hàm chuẩn toàn phần trên cơ
sở đã giải quyết đƣợc mạch vòng tốc độ bằng phƣơng pháp thích nghi modal
kết hợp BĐTT có xét đến cấu trúc phức tạp của phần cơ.


10

 Chƣơng 4: Mô phỏng đánh giá độ tin cậy của thuật toán điều khiển bù
các đặc tính tĩnh đã tổng hợp đƣợc ở chƣơng 2 trên cơ sở so sánh chất lƣợng
của đặc tính tĩnh với phƣơng pháp ĐKVT kinh điển nhƣ: độ tuyến tính của
đặc tính cơ, đặc tính hiệu suất, đặc tính dòng điện, đặc tính công suất và các
đặc tính tĩnh khác. Mô phỏng đánh giá chất lƣợng của toàn hệ thống bám trên
cơ sở phƣơng pháp thích nghi modal mạch vòng tốc độ kết hợp với điều khiển
bù các đặc tính tĩnh có xét đến cấu trúc phức tạp của phần cơ. So sánh kết quả
với trƣờng hợp hệ thống bám trong điều kiện tƣơng tự nhƣng sử dụng bộ điều
khiển PID truyền thống. Kết quả đánh giá thông qua: sai số bám, độ quá điều
chỉnh, và thời gian quá độ với đầy đủ bốn tín hiệu vào đặc trƣng của hệ thống

bám. Mô phỏng đƣợc thực hiện trong các trƣờng hợp: thay đổi độ rộng của
khe hở bánh răng, hệ số ma sát, hệ số đàn hồi và mô men quán tính của tải.
Thực nghiệm để kiểm chứng tính thực tiễn, độ tin cậy của thuật toán điều
khiển bù các đặc tính tĩnh ĐCV, so sánh một số đặc tính thực nghiệm với
đặc tính mô phỏng lý thuyết.


11

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM VÀ VẤN ĐỀ
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM
1.1. Đặt vấn đề
Hệ truyền động bám (HTĐB) là một bộ phận của hệ thống bám nói
chung có sơ đồ chức năng chung nhất đƣợc trình bày trên hình 1.1, trong đó
phần tử đo lƣờng so sánh góc quay của cơ cấu phát φv với góc quay của đối
tƣợng điều chỉnh φr [1]. Có rất nhiều các định nghĩa về hệ bám, chẳng hạn
nhƣ ở [4]: “Hệ thống truyền động bám là hệ thống kín, trong đó lượng vào
thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên, lượng ra của hệ thống được điều
khiển bám (lặp lại) theo lượng vào với độ chính xác cho trước”. Ở [7]: “Hệ
truyền động bám là hệ thống mà tín hiệu cần điều khiển truyền động theo
lượng đặt trước biến thiên tùy ý”.
v

Đo lƣờng

K.đại
(sơ bộ)

K.đại
công suất

P.tử
Chấp hành

P.tử
biến đổi

r

H. chỉnh
song song

Hình 1.1. Sơ đồ chức năng hệ truyền động bám
HTĐB có vai trò đặc biệt quan trọng trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật nhƣ:
kĩ thuật hàng không vũ trụ, kĩ thuật robot, các thiết bị khí tài quân sự và nhiều
máy móc công nghiệp khác. Hiện nay, với sự phát triển rất mạnh mẽ của
nhiều ngành kĩ thuật mới nhƣ: vi điều khiển, điện tử công suất cũng nhƣ
những đòi hỏi ngày càng khắt khe của thực tế sản xuất công nghiệp và của
nền quốc phòng hiện đại, đã làm cho các HTĐB đã và đang tồn tại cần phải
đƣợc quan tâm và đáp ứng hơn nữa về mặt chất lƣợng điều khiển, kích thƣớc,
hiệu suất… Với quan điểm đó, việc nâng cao chất lƣợng của các HTĐB trở
nên cấp thiết hơn bao giờ hết.


12

1.2. Tổng quan về vấn đề nâng cao chất lƣợng của HTĐB
Mong muốn tạo ra các HTĐB có chất lƣợng tốt đáp ứng kịp các yêu cầu
thực tế luôn là mục tiêu mà nhiều nghiên cứu hƣớng đến. Có thể kể ra các tiêu
chí để đánh giá chất lƣợng của một HTĐB nhƣ sau [1], [9]:

1. Đảm bảo cho đối tƣợng điều chỉnh chuyển động với tốc độ và gia tốc
cần thiết. Để giảm thời gian khử góc sai lệch ban đầu thì hệ thống phải
chuyển động với tốc độ vƣợt. Thông thƣờng tốc độ vƣợt v  (1,2 1,6) max với
max là tốc độ di chuyển cực đại của đối tƣợng điều chỉnh;

2. Tính ổn định của hệ thống: Tính ổn định có thể là cục bộ hay tổng thể,
ngoài ra miền ổn định và sự hội tụ về miền ổn định là vấn đề cần quan tâm;
3. Tính bền vững: có thể hiểu là sự nhạy cảm của hệ thống đối với những
tham số không biết trƣớc, nhiễu và các yếu tố phi tuyến không thể hoặc rất
khó để mô hình hóa. Đối với hệ thống có tính bền vững cao, các yếu tố trên
khó có thể phá hỏng chất lƣợng của hệ thống đã đƣợc tổng hợp;
4. Đảm bảo dải điều chỉnh D  max min khi mô men cản Mc  const ;
5. Đảm bảo khả năng quá tải về mô men   Mmax Mdm với Mmax và Mđm
là mô men cực đại và mô men định mức của động cơ;
6. Đảm bảo tốt đặc tính động và đặc tính tĩnh;
7. Đảm bảo tính chính xác bám và tốc độ bám: đƣợc hiểu là quỹ đạo
chuyển động thực của hệ thống phải bám sát quỹ đạo chuyển động mong
muốn và thời gian quá độ để thực hiện quá trình bám là nhỏ nhất;
8. Đảm bảo tuổi thọ của hệ thống phải cao;
9. Mức tiêu tốn năng lƣợng là ít nhất;
10. Kích thƣớc, trọng lƣợng nhỏ, tốn ít không gian lắp đặt;
11. Thuận tiện đơn giản trong sử dụng với số ngƣời phục vụ ít nhất;
12. Đảm bảo đƣợc tính lắp lẫn đối với các phụ kiện thay thế, đơn giản
trong kết cấu lắp đặt;


13

13. Làm việc tốt trong điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt về độ ẩm, nhiệt
độ, môi trƣờng có tính xâm thực.

Việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng cho hệ thống cần tập trung vào
những tiêu chí nào là phụ thuộc vào yêu cầu của từng trƣờng hợp cụ thể, có
thể là giảm sai số bám, cải thiện đặc tính động hoặc tĩnh, nhƣng đôi khi đơn
giản hơn chỉ là giảm kích thƣớc, tiết kiệm năng lƣợng hoặc để hệ thống hoạt
động tốt trong một môi trƣờng nào đó. Nhìn chung giữa các tiêu chí đánh giá
chất lƣợng có liên quan mật thiết với nhau, vì vậy để làm cho tiêu chí này tốt
hơn rất có thể sẽ làm xấu đi tiêu chí khác.
Nâng cao chất lƣợng của HTĐB có thể đƣợc thực hiện bằng nhiều biện
pháp khác nhau nhƣ: thay đổi cấu trúc hệ thống, phƣơng pháp điều khiển, cơ
cấu chấp hành, thay đổi thuật toán điều khiển hoặc đơn giản hóa cấu trúc hệ
thống, tăng hiệu suất truyền động mà vẫn đảm bảo chất lƣợng yêu cầu. (Luận
án sẽ sử dụng một số tiêu chí cơ bản trong số các tiêu chí kể trên làm khung
tham chiếu khi đánh giá việc hoàn thành mục tiêu nghiên cứu – xem mục 4.4)
1.3. Động cơ chấp hành trong các HTĐB công suất nhỏ
Loại động cơ chấp hành trong HTĐB cũng nhƣ phƣơng pháp điều khiển
nó có ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng chung của hệ thống. Quan trọng nhất
đối với động cơ điện sử dụng trong điều khiển tự động là phải đảm bảo công
suất, phạm vi điều chỉnh, độ tuyến tính của các đặc tính tĩnh, tính ổn định của
các tham số, tính tác động nhanh, kích thƣớc, trọng lƣợng nhỏ, tiêu tốn ít
năng lƣợng [1], [29]. Điều này đặc biệt quan trọng với một lớp các hệ bám
trong các thiết di động nhƣ ngành hàng không vũ trụ, các robot công nghiệp,
robot bƣớc mà ở đó, ngoài vấn đề độ chính xác bám, tốc độ bám, tiêu chí về
tiêu thụ năng lƣợng và không gian lắp đặt luôn đƣợc coi trọng.
 Động cơ điện một chiều Từ quan điểm nêu trên thấy rằng phổ biến nhất
trong các hệ truyền động bám hiện nay vẫn là động cơ một chiều truyền thống
(ĐCMC). Ƣu điểm của loại này là có đặc tính tuyến tính, thông số ít biến đổi


14

khi làm việc, nhƣng do sự có mặt của cổ góp chổi than nên có thể gây nhiễu
do phóng điện, phần ứng của loại động cơ này dẫn nhiệt kém, tuổi thọ và độ
bền thấp (khoảng 1000 giờ). Do các nhƣợc điểm kể trên, theo ghi nhận nó ít
dùng đƣợc cho các hệ bám trên tàu biển, ở ngành hàng không vũ trụ, ở các
thiết bị y sinh và một số lĩnh vực khác [1], [20].
 Động cơ điện xoay chiều Trong các HTĐB, động cơ điện xoay chiều
thƣờng sử dụng là loại không đồng bộ hai pha. Tuy không có cơ cấu cổ góp
chổi than, dòng khởi động và công suất điều khiển nhỏ nhƣng các đặc tính lại
phi tuyến và khó ổn định các thông số làm việc [1], [22], [45].
 Động cơ van Sự phát triển của ngành điện tử công suất và kĩ thuật vi điều
khiển đã tạo ra một lớp các bộ biến đổi cơ điện tử. Một trong những bộ cơ
điện tử có triển vọng nhất hiện nay là sự kết hợp giữa bộ chuyển mạch điện tử
(còn gọi là khâu biến đổi khuếch đại hoặc khuếch đại công suất) với phần cơ
điện là động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM). Kết hợp trong bộ cơ
điện tử này là ƣu điểm của loại máy điện có và không có cổ góp [4], [43].
Để thống nhất và đơn giản trong cách viết, từ đây về sau luận án sử
dụng khái niệm động cơ van (ĐCV), được hiểu là một bộ cơ - điện tử với
phần cơ điện là động cơ đồng bộ PMSM.(thuật ngữ “động cơ van” được
dùng nhất quán trong toàn bộ luận án này - xem hình 1.2)



Điều khiển

XỬ LÝ
TÍN HIỆU



KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT

PMSM

Cảm biến
vị trí rôto
ĐỘNG CƠ VAN

Hình 1.2. Sơ đồ khối động cơ van


15

Với cách nhìn nhận nhƣ trên, ta có thể quan niệm: đầu vào của ĐCV là
điện áp một chiều và điện áp điều khiển, đầu ra là mô men, tốc độ hoặc góc
quay của trục cơ. Các đặc tính động học cũng nhƣ hằng số thời gian của động
cơ phụ thuộc vào đặc tính và hằng số thời gian của các khâu cấu thành nên
động cơ cũng nhƣ phƣơng pháp điều khiển chúng [43].
Tổ hợp ĐCV (hình 1.2) gồm: khối cơ điện PMSM, khối cảm biến vị trí
rô to, khối xử lý và biến đổi tín hiệu và khối khuếch đại công suất (KĐCS).
Khối cơ điện của ĐCV dùng trong các hệ truyền động bám chủ yếu là loại có
công suất vừa và nhỏ. Điểm nổi bật của nó là từ trƣờng kích từ bất động so
với rô to và quay cùng với nó. Khối KĐCS tạo ra và cấp cho các cuộn dây 3
pha stato động cơ các điện áp ua, ub, uc sao cho véc tơ không gian điện áp tổng

u s luôn lệch pha so với từ trƣờng rô to một góc  không đổi. Trong trƣờng
hợp này, véc tơ không gian dòng điện i s cũng sẽ tạo với véc tơ từ thông rô to
một góc và tạo ra mô men quay trên trục động cơ [4].
Ở thời điểm hiện nay, ĐCV công suất nhỏ đƣợc sử dụng nhiều ở các hệ
thống có yêu cầu cao về độ bền và thời hạn sử dụng, ví dụ nhƣ ở các hệ bám

trên tàu biển mà ở đó cần dải điều chỉnh tốc độ rộng, tần suất khởi động lớn, ở
các hệ truyền động thuộc ngành hàng không vũ trụ, các hệ truyền động trên ô
tô, các thiết bị y sinh, máy cắt gọt kim loại, các máy in công nghiệp, trong chế
tạo robot, thậm chí cả ở các đồ dùng gia đình. Sở dĩ có ứng dụng rộng rãi nhƣ
vậy là do: các đặc tính điều khiển lý tƣởng, tính đa dạng trong kết cấu và sơ
đồ điều khiển, tính không tiếp xúc và khả năng làm việc trong những điều
kiện khắc nghiệt, độ bền và tuổi thọ cao. Nhờ có kích thích vĩnh cửu nên hiệu
suất khá lớn. Nhƣợc điểm của loại này là giá thành cao so với loại động cơ
khác [41], [45].
ĐCV, khi đóng vai trò là phần tử chấp hành cũng đƣợc coi là một khâu
của hệ thống. Trong hầu hết các trƣờng hợp, chúng quyết định cấu trúc của


16

toàn hệ thống cũng nhƣ quyết định việc lựa chọn các phần tử khuếch đại,
phần tử biến đổi, các cảm biến và các phần tử chấp hành khác. Có nghĩa là
chúng quyết định cả tới việc xác định các thông số động học, các chỉ tiêu
năng lƣợng, kinh tế kĩ thuật của cả hệ thống để phù hợp với yêu cầu đặt ra. Vì
vậy, việc lựa chọn các phần tử chấp hành như ĐCV là một trong những
bài toán có tính mới, thích hợp để giải quyết khi thiết kế hệ truyền động bám.
Nguyên lý điều khiển khối cơ điện trong ĐCV đƣợc giải thích ngắn gọn
trên hình 1.3 dƣới đây [4], [19], [34].
j

b
jq

d


ub

N

ua
a

S



1200

uc
c

Hình 1.3. Sơ đồ dây quấn và các hệ trục tọa độ
Đối với ĐCV, ngƣời ta thƣờng phân biệt hai loại mô hình toán học là:
Mô hình trên hệ tọa độ cố định stato (  ) và mô hình trên hệ tọa độ quay
(dq) [50], Mô hình trên hệ tọa độ cố định stato (  ) mô tả một cách đầy đủ
và chính xác các đặc tính động học của loại “động cơ điện tử” này. Mô hình
này thích hợp cho việc khảo sát và phân tích các quá trình vật lý xảy ra trong
hệ truyền động, tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là tƣơng đối cồng kềnh và chứa
nhiều tham số là các hàm phi tuyến của góc quay rô to, vì vậy đôi khi nó gây
khó khăn cho việc thiết lập các biến trạng thái không cho phép đo trực tiếp.


17

Mô hình trên hệ tọa độ quay (dq) có ƣu điểm là: các tham số của mô hình
không đổi và mô hình có nhiều nét giống với mô hình của ĐCMC. Điều đó
giúp cho việc xây dựng các bộ quan sát khi cần triển khai các luật điều khiển
trong các hệ truyền động bám đƣợc dễ dàng hơn. Chính vì vậy mà ngƣời ta
thƣờng sử dụng loại mô hình toán học này trong thiết kế hệ truyền động
ĐCV. Cơ sở để xây dựng mô hình này dựa trên các phƣơng trình đã đƣợc
trình bày tại các tài liệu [2], [3], [42], [43] và nhiều tài liệu khác.
Theo [42], [43], mối liên hệ giữa các thành phần dòng điện và điện áp
stato trên các trục d và q là id, iq, ud, uq của động cơ đồng bộ đƣợc xác định
bằng các phƣơng trình sau:

u d  (Ld p  R)i d   L qi q

(1.1)

u q  E  (Lq p  R)i q   L di d

(1.2)

trong đó: E là sức phản điện động của động cơ; Ld và Lq tƣơng ứng là các
thành thành phần của điện cảm L của cuộn dây stato trên các trục d và q; R là
điện trở pha.
ud


1
Ld p  R

id

Ld



Lq

uq



E

1
Lq p  R

iq

Hình 1.4. Biến đổi một đoạn trong sơ đồ cấu trúc trong máy điện đồng bộ
Mô men điện từ của động cơ đƣợc xác định bằng biểu thức [3]:


18

3
M  pn f iq  idiq (Ld  Lq ) 
2

(1.3)

và phƣơng trình động học có dạng:

M đt  M c  J

d
dt

(1.4)

trong đó pn là số đôi cực từ của động cơ;  f là từ thông của nam châm vĩnh
cửu; Mc và J là mô men cản và mô men quán tính của động cơ.
Sơ đồ cấu trúc của ĐCV đƣợc đƣa ra trên hình 1.5. trong đó có kể đến
hằng số thời gian điện tử Te của khâu KĐCS trong động cơ [42], [43].

Te


k

E

id

1
Te p  1

ud

u dk

Ld

Te

1
Te p  1



Lq

r


1
Ld p  R



1
Lq p  R

uq

Ld  Lq



iq



3p n
2

f

M dc


pn
Jp



1 
p

Mc

Hình 1.5. Mô hình động cơ van trên hệ tọa độ quay dq
Trong sơ đồ hình 1.5. udk là điện áp điều khiển động cơ, k  k k e với k 
và k e lần lƣợt là hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí rô to và bộ KĐCS trong
động cơ;  là góc quay của trục động cơ. Với mô hình trên, ta có thể quan


19

niệm đầu vào động cơ van là điện áp điều khiển udk và mô men tải Mc , đầu ra
là góc quay (hoặc tốc độ) trục cơ.

Hình 1.6. Họ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của ĐCV
Đối với ĐCV, đặc tính tĩnh phụ thuộc vào tính chất của các khâu nằm
trong thành phần của động cơ và phƣơng pháp điều khiển chúng [19], [22].
Quan sát đƣờng đặc tính cơ và đặc tính cơ điện thấy rằng: ở vùng mô
men nhỏ, tốc độ tăng, đặc tính cơ tƣơng tự ĐCMC kích từ nối tiếp.

Hình 1.7. Quan hệ giữa mô men với các thành phần dòng điện id và iq
1.4. Phân tích đặc điểm và các phƣơng pháp điều khiển hệ bám ĐCV
công suất nhỏ
1.4.1. Đặc điểm của hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ


20

Phân tích các công trình đã công bố [31], [42], [43] rút ra những điểm
đặc biệt của các hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ nhƣ sau:
1. Khả năng chịu quá tải lớn, thích hợp với những hệ thống có mô men
phụ tải thay đổi liên tục;
2. Hệ thống có tính mềm dẻo và đa năng, có khả năng chuyển đổi linh
hoạt giữa các chế độ làm việc nhờ chƣơng trình điều khiển. Có khả năng thay
đổi các đặc tính của hệ thống bằng việc chuyển đổi sơ đồ đấu dây phần ứng
của khối cơ điện ( ,Y,YY.. ) thông qua các van bán dẫn công suất, nhờ đó dễ
thay đổi hình dạng và biên độ của điện áp pha;
3. Nhờ có tính tuyến tính của các đặc tính tĩnh và các hằng số thời gian
trong hệ thống có giá trị nhỏ nên có thể xây dựng đƣợc các hệ thống có chất
lƣợng cao với dải điều chỉnh tốc độ rộng và khả năng tác động nhanh;
4. Có khả năng làm việc trong các điều kiện đặc biệt;
5. Đơn giản trong chế tạo và lắp ráp;
6. Dễ sử dụng trong trƣờng hợp hệ thống dùng nhiều động cơ;
7. Vì đƣợc ứng dụng chủ yếu ở những nơi rất hạn chế về không gian

nhƣ: khớp robot, trong các thiết bị di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn
chế, trong những khí tài quân sự có tính công nghệ cao nên các hệ bám ĐCV
đòi hỏi phải có cấu trúc đơn giản, hoạt động chắc chắn, tiết kiệm năng lƣợng.
Một ví dụ minh chứng cho việc ứng dụng rộng rãi ĐCV cho các hệ
bám và những những đặc điểm của hệ bám kể trên, đó là các hệ bám trong
robot bƣớc. Vào tháng 11 năm 2000, hãng Honda đã cho ra đời phiên bản
robot dạng ngƣời Asimo cao 120 cm, nặng 42 kg dùng trong một số công việc
hàng ngày [57], [77], [101]. Đây là robot 2 chân đầu tiên có thể di chuyển
trong không gian qua các vật cản, leo cầu thang mà không xảy ra vấp ngã.
Phiên bản cạnh tranh với Asimo là robot 2 chân SDR-4X của Sony [101]
có trang bị 2 camera, 7 microphone, có khả năng di chuyển trên mặt không
phẳng, tự tránh vật cản, tự chỉnh trạng thái cân bằng, nhận biết đƣợc màu sắc


21

và thực hiện đƣợc một loạt lệnh theo tiếng nói. SDR-4X có thể thực hiện một
số đoạn hội thoại không quá phức tạp [89].

Hình 1.8a

Hình 1.8b

Hình 1.8. Hình ảnh robot APHЭ-01 (a) và robot APHЭ-02 (b)
Đầu năm 2000, hãng Thế Kỷ Mới ở Petecbua đã chế tạo robot hai chân
tƣơng tự nhƣ con ngƣời APHЭ-01, cao 123 cm nặng 54 kg. APHЭ-01 với 36
bậc tự do trên cơ sở động cơ một chiều (ĐCMC). Phiên bản sau đó là robot
APHЭ-02 với 26 hệ truyền động, trong đó có 6 hệ truyền động động cơ một
chiều siêu nhỏ do FaulHaber chế tạo dùng cho các thao tác cầm nắm, chuyển
động của đầu. Các khớp chuyển động khác đều dùng ĐCV (hình 1.8). APHЭ02 có tất cả 16 bộ vi xử lý, mỗi bộ điều khiển 3 ĐCMC hoặc 2 ĐCV ba pha

và đƣợc kiên kết thành mạng. Ngoài bốn cảm biến xúc giác của hãng
FlexiForce đặt ở vòng bi cổ chân, ba cảm biến gia tốc ADXL202, ba cảm biến
tốc độ góc ENV-05F-03, APHЭ-02 còn đƣợc trang bị TV camera, loa và bộ
xử lý giọng nói.


22

1.4.2. Các phƣơng pháp điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ
Sơ đồ cấu trúc dạng hàm truyền của một hệ truyền động bám ĐCV đƣợc
nêu ra trên hình 1.9 trong đó: WDC(p) là hàm truyền đạt của ĐCV; W (p) là
hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh tốc độ;

W (p)

là hàm truyền đạt của bộ điều

chỉnh vị trí; k  , k  là hệ số truyền của cảm biến tốc độ và cảm biến vị trí; i
là tỉ số truyền của hộp số. Tùy theo từng trƣờng hợp và yêu cầu cụ thể đối với
mỗi hệ thống mà ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp điều khiển cũng nhƣ các
loại bộ điều chỉnh khác nhau.
U*

U 

W  p 

U

U*

U 

W  p 

Uy

WDC  p 



1/p



1/i

i

U

K

K

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám ĐCV
Cũng nhƣ những loại động cơ xoay chiều khác, có thể điều khiển ĐCV
bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: điều khiển rời rạc [17], [22], [24],
[26], [27], [28], [29], điều khiển liên tục: [31], điều khiển tần số dòng điện
[16], [31], điều khiển véc tơ [2], [3], [18], [20], [39], [51], [56], điều khiển

không dùng cảm biến [8], [21], [60]. Ở các mạch vòng điều chỉnh lệ thuộc
trong các hệ truyền động dùng ĐCV, các bộ điều khiển cũng rất đa dạng nhƣ:
các bộ điều khiển (BĐK) kiểu PID, PI, P [6]; BĐK thích nghi [97]; BĐK
thích nghi dựa trên phƣơng pháp backstepping [7]; BĐK thích nghi bền vững
cho chuyển động có khớp nối mềm [14]; BĐK thích nghi trên cơ sở kết hợp
các phƣơng pháp điều khiển thích nghi bền vững cho truyền động có khe hở
bánh răng trong bộ truyền [10]; BĐK bền vững - thích nghi [99] và rất nhiều
các công trình khác.


23

Để làm rõ ƣu nhƣợc điểm của mỗi phƣơng pháp, ta sẽ phân tích trƣờng
hợp hệ bám trong robot bƣớc, một điển hình của hệ bám công suất nhỏ.
Bài toán điều khiển robot có thể chia thành hai loại: điều khiển bám quỹ
đạo và điều khiển lực. Trong điều khiển bám quỹ đạo, robot phải dịch chuyển
bám theo một quỹ đạo biết trƣớc hoặc chƣa biết trƣớc. Bài toán điều khiển lực
liên quan đến việc robot di chuyển tiếp xúc với môi trƣờng làm việc nhƣ
trƣờng hợp cần lắp ráp một chi tiết vào một thiết bị máy. Nhƣ vậy quá trình
làm việc này yêu cầu điều khiển cả vị trí robot và cả lực mà robot sinh ra.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phƣơng pháp điều khiển khiển
robot, trong đó có thể kể đến các phƣơng pháp điều khiển quỹ đạo chuyển
động cho robot nhƣ là: điều khiển phản hồi tuyến tính hóa, điều khiển PD bù
trọng trƣờng, điều khiển động lực học ngƣợc thích nghi, điều khiển trƣợt.
Dƣới đây sẽ xem xét một cách ngắn gọn về các nguyên lý điều khiển để thấy
đƣợc các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp.
1.4.2.1. Phƣơng pháp điều khiển phản hồi tuyến tính hóa
Nguyên lý cơ bản của phƣơng pháp này là lựa chọn luật điều khiển để
khử đƣợc các thành phần phi tuyến của phƣơng trình động lực học robot và
phân ly đặc tính động lực học cho các thanh nối. Dựa trên phƣơng trình động

lực học giả thiết tất cả các thông số đã biết hoặc đƣợc xác định chính xác,
phƣơng trình mô tả BĐK đƣợc chọn nhƣ sau [5], [6]:
 )+G()
Mdk =H()U+V(,

Luật điều khiển có cấu trúc:

(1.5)
t

 + K ε + K ε + K ε(t)dτ
U= 
d
P
D
I
0

trong đó H(), V(, ), G() là các ma trận; , d là vị trí hiện tại và vị trí kế
tiếp của robot. Từ (1.5) thấy rằng mô men điều khiển phụ thuộc các hàm
H(),V(, ), G(). Giá trị các phần tử này chỉ đƣợc tính đúng khi có đầy đủ
các thông số. Tuy nhiên các thông số động học của robot thay đổi trong quá


24

trình làm việc, để khử các thành phần phi tuyến và phân ly đƣợc hoàn toàn
động lực học của các khớp, cần phải ƣớc lƣợng chính xác các thông số của
robot trong quá trình làm việc. Nếu giá trị các tham số sử dụng trong tính toán
bộ điều khiển khác với giá tri thực của các tham số của robot, tính phi tuyến

và sự ràng buộc của hệ thống động lực học không đƣợc khử hoàn toàn, độ
chính xác điều khiển sẽ giảm. Đây cũng là nhƣợc điểm của BĐK này [5].
1.4.2.2. Phƣơng pháp điều khiển PD bù trọng trƣờng
Phƣơng trình động lực học tổng quát của robot có dạng [5]:
 + C(,
 )
 + G()
M = H()
(1.6)
Bài toán đặt ra là xác định cấu trúc bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định
tuyệt đối xung quanh điểm cân bằng. Luật điều khiển đƣợc xây dựng dựa trên
tiêu chuẩn Lyapunov trực tiếp. Nếu chọn luật điều khiển bù trọng trƣờng có
dạng:

Mdk = G() + K P ε - K D

(1.7)

thì hệ thống điều khiển robot sẽ ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn ổn định của
Lyapunov, vị trí  sẽ tiến đến vị trí  d trong khoảng thời gian t đủ nhỏ, hay
kI
p
d -

𝜀

kP

 d


+

 d
-

𝜀

kD



𝑀𝑑𝑘

+
+
+

tính
H() U  V(,  )  G()

RB



Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa
sai lệch vị trí khớp sẽ tiến tới không. Nhận thấy rằng bộ điều khiển có thành
phần thứ nhất là G() để bù trọng lực của robot. Thành phần thứ hai phụ
thuộc vào sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ của robot mà không phụ thuộc vào
mô hình robot. Nhược điểm của bộ điều khiển PD bù trọng trường là luật

25

điều khiển này không thông minh linh hoạt, thể hiện ở chỗ khi thay đổi khối
lượng tải, giá trị G() thay đổi không biết trước, như vậy sẽ gây ra sai số cho
bộ điều khiển và dẫn tới sai lệch vị trí điều khiển.[5]
_

d

𝜀

Tính

Mdk = G() + k P ε - k D

𝑀𝑑𝑘



RB



Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển PD bù trọng trƣờng
1.4.2.3. Phƣơng pháp điều khiển bền vững
Điều khiển bền vững là phƣơng pháp điều khiển sao cho tính ổn định và
chất lƣợng của hệ thống sẽ bền vững với các sai lệch cho phép giữa mô hình
và đối tƣợng thật. Ngoài ra BĐK bền vững sẽ làm cho hệ thống ổn định bền

vững với các ảnh hƣởng của nhiễu tác động vào hệ. Nhƣ vậy một bộ điều
khiển bền vững sẽ không những thỏa mãn các yêu cầu cho riêng một mô hình
đối tƣợng mà nó còn thỏa mãn các yêu cầu về chất lƣợng điều khiển cho một
lớp các mô hình đối tƣợng.
Từ phƣơng trình động lực học tổng quát của robot thấy rằng robot là một
hệ thống có tính phi tuyến mạnh. Điều khiển bền vững có ưu điểm là không
cần phải biết chính xác thông số của đối tượng. Tuy nhiên việc thực hiện các
BĐK theo phương pháp này chỉ áp dụng cho một lớp đối tượng nằm trong
một giới hạn biên nhất định và có độ chính xác điều chỉnh không cao [5].
1.4.2.4. Phƣơng pháp điều khiển thích nghi
Các phƣơng pháp điều khiển chuyển động trình bày ở trên đƣợc áp dụng
với một mô hình động lực học robot chính xác hay các tham số của robot phải
đƣợc biết chính xác. Tuy nhiên trong thực tế, một số tham số robot khó có thể
đo đƣợc hay xác định chính xác, hoặc một số tham số biến đổi trong quá trình
làm việc nhƣ khối lƣợng tải, mô men quán tính tải, các thành phần ma sát, các