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 (TT)

1
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

VŨ HỮU THÍCH

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM CÔNG SUẤT NHỎ
TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN BÙ ĐẶC TÍNH TĨNH
VÀ THÍCH NGHI MODAL

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số:
62 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2016


2
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phạm Tuấn Thành
2. PGS.TS. Đào Hoa Việt

Phản biện 1: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
Phản biện 2: PGS.TS. Trần Đức Thuận

Phản biện 3: PGS.TS. Lê Tòng

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện
theo quyết định số 2081/QĐ-HV ngày 15 tháng 6 năm 2016 của
Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật
Quân sự vào hồi…..giờ….ngày….tháng….năm….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia


3
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành, Trần Văn Cấp (2015), Nâng cao chất
lượng hệ truyền động bám động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ
bằng phương pháp điều khiển thích nghi modal kết hợp thuật toán điều khiển bù
các đặc tính tĩnh, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự số 39,
Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.
2. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành (2015), Nâng cao chất lượng hệ truyền
động bám động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ bằng thuật toán
điều khiển bù các đặc tính tĩnh, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 170, Học viện
Kỹ thuật Quân sự.
3. Phạm Tuấn Thành, Nguyễn Ngọc Tuấn, Vũ Hữu Thích (2015), Xây dựng
bộ điều khiển mờ cho các thiết bị di động không người lái , Tạp chí Khoa học
và Kỹ thuật, số 170, Học viện Kỹ thuật Quân sự.
4. Vũ Hữu Thích (2015), Điều khiển thích nghi modal các hệ truyền động bám
động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ, Tạp chí Khoa học và Công
nghệ, số 30, Đại học Công nghiệp Hà Nội.
5. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành, Nguyễn Đình Tuyên (2015), Xây dựng

mô hình và mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu bằng
phương pháp điều khiển bù các đặc tính tĩnh, Tạp chí Khoa học và Công nghệ,
số 29, Đại học Công nghiệp Hà Nội.
6. Hieu To Nguyen, Shogo Odomari, Tomohiro Yoshida, Tomonobu Senjyu,
Atsushi Yona, Vu Huu Thich (2014), Digital Position Control Strategy of
Traveling-wave Ultrasonic Motors, AUTOMATIKA 55 (2014) 3, 246–255, Journan
for control, measurement, electronics, computing and communications.
7. Vũ Hữu Thích (2012), Nâng cao độ chính xác của hệ truyền động bám động cơ một chiều không chổi than bằng mạch phản hồi dương tốc độ, Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, số 12, Đại học Công nghiệp Hà Nội.
8. Phạm Tuấn Thành, Hoàng Tiến Dũng, Vũ Hữu Thích (2011), Nghiên cứu
xây dựng hệ truyền động nhiều động cơ chứa các liên kết động học chéo, Tạp
chí Khoa học và Công nghệ, số 07, Đại học Công nghiệp Hà Nội.
9. Vũ Hữu Thích, Lê Thị Phi Nga (2010), Tổng hợp các mạch vòng kiểu nối
cấp hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, số 01, Đại học Công nghiệp Hà Nội.
10. Phạm Tuấn Thành, Vũ Hữu Thích (2009), Tổng hợp thuật toán điều khiển
hệ thống khuếch đại xung công suất động cơ một chiều không tiếp xúc 3 pha,
Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 129, Học viện Kỹ thuật Quân sự.
11. Phạm Tuấn Thành, Vũ Hữu Thích (2009), Xây dựng cơ sở phân tích và
tổng hợp thuật toán điều khiển hệ thống khuếch đại xung công suất – động cơ
chấp hành, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học các Nhà nghiên cứu trẻ,
Học viện Kỹ thuật Quân sự, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân.


4
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu: Hệ truyền động bám
(HTĐB) công suất nhỏ từ vài W đến vài chục W có một vai trò đặc
biệt quan trọng trong rất nhiều tổ hợp thiết bị máy móc trong công
nghiệp và quân sự. Vì thế, chất lượng của các hệ thống này cần phải

được quan tâm thường xuyên để theo kịp với thực tế đòi hỏi.
Ứng dụng động cơ van (ĐCV) làm cơ cấu chấp hành trong các
HTĐB công suất nhỏ đã làm thay đổi đáng kể chất lượng của hệ
thống [17], [19], [22]. Tuy nhiên, có một thực tế là phần lớn các
phương án điều khiển ĐCV chưa đảm bảo được độ trơn về mô men
và độ chính xác điều khiển, dạng dòng điện chưa được hình sin. Điều
đó đã làm tăng các tổn hao, làm xấu đi các chỉ tiêu năng lượng và các
đặc tính tĩnh. Chính vì vậy mà rất cần có một phương pháp điều
khiển phù hợp để bù lại các ảnh hưởng này [36]. Mặt khác, các yếu tố
phi tuyến từ cấu trúc phức tạp của phần cơ như: mô men đàn hồi, khe
hở bánh răng, mô men ma sát thường có ảnh hưởng lớn đến độ chính
xác bám [50] nên rất cần những giải pháp điều khiển hợp lí. Điều
khiển thích nghi modal trong trường hợp này là một sự lựa chọn phù
hợp hơn cả. Sự phù hợp thể hiện ở chỗ: vừa đảm bảo chất lượng điều
khiển, vừa đảm bảo tính đơn giản cho cấu trúc hệ thống.
2. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu nâng cao chất lượng của
HTĐB góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các
đối tượng 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
đòi hỏi hệ thống có chất lượng tốt nhưng cấu trúc đơn giản, độ tin
cậy và hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, trên cơ sở áp dụng:
Điều khiển bù đặc tính tĩnh (BĐTT): Để cải thiện đặc tính
năng lượng, hiệu suất và các đặc tính tĩnh của động cơ truyền động.
Điều khiển thích nghi modal (TNMD): Để giảm sai số bám do
tính phi tuyến của cấu trúc phần cơ gây ra nhưng vẫn đảm bảo được
tính đơn giản trong cấu trúc của hệ thống.
3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
mô phỏng và thực nghiệm:
Lý thuyết điều khiển véc tơ động cơ xoay chiều ba pha;

Lý thuyết điều khiển bù các đặc tính tĩnh động cơ van;
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;


5
Công cụ mô phỏng các hệ thống điều khiển Matlab-Simulink;
Xây dựng hệ thống thực nghiệm trên vi điều khiển Atmega 128.
4. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp
điều khiển TNMD kết hợp với điều khiển BĐTT cho các HTĐB góc
công suất nhỏ trên cơ sở có xét đến ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ.
5.Tính mới của luận án:
1. Đã tổng hợp được một thuật toán điều khiển BĐTT trên cơ sở
tốc độ động cơ  và điện áp điều khiển uq ;
2. Đã phân tích đưa ra sự phụ thuộc của đặc tính bù vào các
thông số của động cơ dưới dạng các đồ thị;
3. Phân tích để đưa phương pháp điều khiển TNMD kết hợp
BĐTT trên cơ sở có xét đến các yếu tố phi tuyến của phần cơ, áp
dụng vào việc nâng cao chất lượng HTĐB góc ĐCV công suất nhỏ.
6.Tính thực tiễn và độ tin cậy của các kết quả: Đã kiểm tra
chất lượng của thuật toán điều khiển BĐTTvà khâu TNMD tổng hợp
được bằng mô phỏng trên máy tính, so sánh kết quả với các phương
pháp tin cậy khác, kiểm nghiệm trên mô hình và thực tế sản xuất. Các
kết quả đã được báo cáo và thảo luận tại các buổi hội thảo khoa học.
Các nội dung cơ bản đã được các nhà khoa học phản biện đồng ý cho
đăng tải trên một số tạp chí chuyên ngành.
7.Đóng góp của luận án cho khoa học: Thuật toán điều khiển
BĐTT và phương pháp tổng hợp hệ điều khiển TNMD có xét đến
ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ áp dụng cho hệ truyền động bám
ĐCV là những đóng góp chính của luận án cho khoa học.

8.Kết cấu và dung lượng của luận án: Luận án gồm phần mở
đầu, kết luận, danh mục các công trình khoa học của tác giả, danh
mục tài liệu tham khảo, phần phụ lục và 4 chương chính gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động bám và vấn đề nâng cao
chất lượng của hệ truyền động bám.
Chương 2: Điều khiển BĐTT động cơ van công suất nhỏ trong hệ
truyền động bám.
Chương 3: Điều khiển TNMD kết hợp BĐTT nhằm nâng cao chất
lượng các HTĐB góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ.
Chương 4: Mô phỏng, khảo sát hệ truyền động bám góc sử dụng
ĐCV điều khiển bằng phương pháp TNMD kết hợp BĐTT.
NỘI DUNG LUẬN ÁN
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HTĐB VÀ VẤN ĐỀ
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA HTĐB


6
1.1. Đặt vấn đề
1.2. Tổng quan về vấn đề nâng cao chất lƣợng của HTĐB
Cơ sở tham chiếu để nâng cao chất lượng HTĐB là các tiêu chí
đánh giá chất lượng đã được công bố trên các công trình [1], [9].
1.3. Động cơ chấp hành trong các HTĐB công suất nhỏ
Động cơ chấp hành cũng như phương pháp điều khiển HTĐB có
ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Bên cạnh những
động cơ truyền thống được sử phổ biến trong các hệ bám công suất
nhỏ là động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ 2 pha, sự phát
triển của một số ngành kỹ thuật mới đã tạo ra một lớp các bộ cơ điện
tử có thể sử dụng làm cơ cấu chấp hành trong các hệ thống nói trên.
Luận án sử dụng khái niệm động cơ van để gọi tên cho bộ cơ điện tử
với phần cơ điện là động cơ PMSM (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 ĐCV
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
1.4.2. Các phƣơng pháp điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ
1.5. Phân tích những ảnh hƣởng của cấu trúc phần cơ đến chất
lƣợng của hệ thống truyền động bám
Mô hình phần cơ của các hệ thống bám nói chung không phải
tuyệt đối cứng. Khi đó chất lượng của hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng
lớn từ hệ số đàn hồi, mô men ma sát và khe hở bánh răng [4].
1.6. Phân tích những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan
đến lĩnh vực điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ

Luận án tiếp cận những liên quan đến nghiên cứu với hai vấn đề
chính, đó là: điều khiển ĐCV và điều khiển hệ thống bám ĐCV.
1.6.1. Vấn đề điều khiển ĐCV
Có rất nhiều các công trình nghiên cứu đề cập đến vấn đề điều
khiển ĐCV: điều khiển rời rạc [17], [22], [24], [26], [27], [28], [29];


7
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]; trong đó cho chất lượng tốt hơn cả là
phương pháp ĐKVT [51]. Điều khiển BĐTT cũng là một phương
pháp được nhiều công trình chú ý tới trong những năm gần đây.




ĐCV
Với điều khiển BĐTT

Hình 1.20. Sơ đồ cấu
trúc ĐCV với phương
pháp điều khiển BĐTT

ua

u dk
dq/abc
KBT



ud

d dt

ub

KÐCS

uc


CBVT

PMSM

1.6.2. Vấn đề điều khiển hệ thống bám
Vấn đề này cũng rất đa dạng như: điều khiển PI [6]; BĐK thích
nghi [97]; điều khiển backstepping [7]; điều khiển thích nghi bền
vững [10], [14], [99]; điều khiển trượt thích nghi [15] và rất nhiều
các công trình khác.
1.7. Một số phƣơng pháp điều khiển hệ truyền động bám trên cơ
sở có xét đến ảnh hƣởng của cấu trúc phần cơ
Điều khiển các HTĐB có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố phi
tuyền từ cấu trúc phần cơ nhìn chung là một bài toán động lực học rất
phức tạp. Độ chính xác bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mô men
cản, mô men ma sát, khe hở bánh răng, mô men đàn hồi giữa các
khâu. Các phương pháp phổ biến thường dùng để điều khiển hệ thống
này là: điều khiển với mô hình xấp xỉ tuyến tính bằng bộ điều khiển

PI [52], [58]; điều khiển PI phản hồi trạng thái [59]; điều khiển thích
nghi bù khe hở bằng mạng nơ ron và hệ mờ [55], [61], 65], [81]; điều
khiển theo mô hình dự báo [65].
1.8. Xây dựng bài toán nghiên cứu
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động bám ĐCV công
suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tượng trên cơ sở áp dụng:
I. Điều khiển BĐTT: Để cải thiện chất lượng các đặc tính tĩnh, đơn
giản cấu trúc điều khiển, nâng cao hiệu suất động cơ truyền động.
II. Điều khiển TNMD: Để giảm sai số bám do tính phi tuyến của cấu
trúc phần cơ gây ra nhưng vẫn giữ tính đơn giản của hệ thống.


8
Kết luận của chƣơng 1
Chương 1 đã phân tích một số vấn đề cơ bản gồm: Tổng quan
và các tiêu chí đánh giá chất lượng HTĐB, cơ sở khoa học của việc
chọn ĐCV cho nghiên cứu, các công trình liên quan đến nội dung
nghiên cứu, ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ trong HTĐB, các
phương pháp điều khiển hệ bám có xét đến ảng hưởng của phần cơ.
Trên cơ sở đó xác lập bài toán, mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu.
Chƣơng 2 - ĐIỀU KHIỂN BÙ CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH ĐCV
CÔNG SUẤT NHỎ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM
2.1. Điều khiển ĐCV trong hệ trục tọa độ dq
2.2. Phƣơng pháp điều khiển BĐTT ĐCV
Do dòng điện và điện áp đưa đến khối cơ điện chưa đạt được
dạng hình sin nên đã làm xấu đi những đặc tính tĩnh và chỉ tiêu năng
lượng chung của hệ thống, vì vậy cần có phương pháp điều khiển để
bù lại tác hại từ các ảnh hưởng này. Điều khiển cho dòng id  0 đối
với những động cơ có thành phần Ld  Lq là một giải pháp.
2.2.1. Bản chất của phƣơng pháp BĐTT

Dưới tác động của điện cảm, dòng điện pha sẽ lệch pha tương
đối so với điện áp, mô men vì thế mô men sẽ không đạt giá trị cực
đại. Khi thực hiện điều khiển BĐTT, độ lệch pha giữa dòng điện và
điện áp sẽ được bù lại bằng cách làm cho dòng điện ngược pha với
đảo của sức phản điện động như trên hình 2.3. [23], [24].

Hình 2.3. Điện áp và dòng điện trong chế độ điều khiển bù

u  arctg  u d u q 

(2.10)

u d  T p  1  u q ωT  Ce ω T
2

Biểu thức dòng điện: i d 

2
2
R  T p  1   ωT  



(2.13)

Mong muốn ở đây là dòng điện id  0 trong toàn vùng tốc độ, trên cơ
sở phương trình (2.13), tại [42] có đưa ra biểu thức tính ud như sau:


9

u d  T  Ce   u q 

(2.14)

Quan hệ u  F (,uq  const) thể hiện trong các biểu thức (2.10)
và (2.14) được đưa ra trên hình 2.4.

Hình 2.4. Góc bù ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
2.2.2 Các thuật toán điều khiển bù đặc tĩnh tĩnh ĐCV
Điều khiển ĐCV thông thường thực hiện theo sơ đồ ĐKVT kinh
điển. Với ĐCV công suất nhỏ, sơ đồ đó là tương đối phức tạp. Theo
phương pháp điều khiển BĐTT, điện áp (bù) ud được tính toán từ
điện áp trên trục q và các tham số động cơ. Các thuật toán bù đã được
một số tài liệu [42], [43], [44] và [72] công bố trong đó hầu hết chỉ phụ
thuộc vào hằng số thời gian điện tử Te của động cơ.
2.3. Xây dựng thuật toán BĐTT
2.3.1. Xây dựng thuật toán
Từ hệ phương trình vi phân mô tả ĐCV [42], [43], [44], [72] và [88],
với điều kiện id  0 ta tìm được luật điều khiển bù:
ud 

 Ce  sin u

1
 u q sin  

cos   k e cos e


(2.30)

  0  e  u ; e  arctg( Te ); u  arctg( Tu )

e  arctg(Te ) và u  arctg(Tu )
2.3.2. Phân tích ảnh hƣởng của các thông số đến đặc tính bù
2.3.2.1. Ảnh hƣởng của điện áp nguồn
40

20

goc bu (do dien)

0

-20

-40

-60

dac tinh bu khi U=12V
dac tinh bu khi U=10.8V
dac tinh bu khi U=13.2V
sai so goc bu khi U=10.8V
sai so goc bu khi U=13.2V

-80

-100

-8000

-6000

-4000

-2000
0
2000
tan so quay omega (rad/s)

4000

6000

8000

Hình 2.6. Đặc tính bù khi điện áp nguồn U  12V  10%
Nhận xét: Ở ngoài vùng tốc độ thấp, sai số bù khoảng 10 %.


10
2.3.2.2. Ảnh hƣởng của điện cảm pha stato
40

20

goc bu (do dien)

0

-20

-40

-60

dac tinh bu khi L=0.8 mH
dac tinh bu khi L=0.76 mH
dac tinh bu khi L=0.842 mH
sai so goc bu khi L giam 5%
sai so goc bu khi L tang 5%

-80

-100
-8000

-6000

-4000

-2000
0
2000
tan so quay omega (rad/s)

4000

6000

8000

Hình 2.7. Đặc tính bù khi điện cảm của động cơ L  0,8 mH  5%
Nhận xét:Sai lệch điện cảm L ảnh hưởng không nhiều tới sai số bù.
2.3.2.3. Ảnh hƣởng của điện trở pha stato
40

20

goc bu (do dien)

0

-20

-40

-60
dac tinh bu khi R=5 Om (+20 doC)
dac tinh bu khi R=5.66 Om (+80 doC)
dac tinh bu khi R=4.45 Om (-40 doC)
sai so goc bu o nhiet do -40 doC
dai so goc bu o nhiet do +80 doC

-80

-100
-8000

-6000

-4000

-2000
0
2000
tan so quay omega (rad/s)

4000

6000

8000

Hình 2.8. Đặc tính bù ở các giá trị thay đổi của điện trở
pha động cơ ở dải nhiệt độ từ -40oC đến +80oC
Nhận xét: Khi hệ thống làm việc ở dải nhiệt độ rộng, cần phải có biện
pháp khắc phục ảnh hưởng của sự biến đổi điện trở đến sai số bù.
2.3.2.4. Ảnh hƣởng của hệ số sức phản điện động
40

20

goc bu (do dien)

0

-20

-40

-60

dac tinh bu khi gia tri
dac tinh bu khi gia tri
dac tinh bu khi gia tri
sai so goc bu khi gia
sai so goc bu khi gia

-80

-100
-8000

-6000

-4000

Ce danh dinh
Ce tang 5%
Ce giam 5%
tri Ce giam 5%
tri Ce tang 5%

-2000
0
2000
tan so quay omega (rad/s)

4000

6000

8000

Hình 2.9. Đặc tính bù ở các giá trị khác nhau của
hệ số sức phản điện động của động cơ
Nhận xét: Hệ số sức phản điện động động cơ có ảnh hưởng không
nhiều tới sai số bù.




*



R



*



ĐCV

uq

R


KBT



ua

ud

ub

dq/abc

KÐCS

uc

(pt 2.30)


d dt


CB
VT

PMSM

Hình 2.10. Cấu trúc hệ truyền động bám ĐCV trên cơ sở BĐTT


11
2.4. Xây dựng sơ đồ điều khiển hệ truyền động bám ĐCV trên cơ
sở thuật toán bù các đặc tính tĩnh
Cấu trúc BĐTT đề xuất (hình 2.10) có các ưu điểm: không tồn
tại các BĐC dòng điện; không phải đo dòng điện các pha; chỉ cần
một bộ chuyển đổi hệ trục tọa độ.
Kết luận của chƣơng 2
Chương 2 đã phân tích và trình bày các vấn đề cơ bản như sau:
1. Các phương pháp điều khiển ĐCV trong đó có ĐKVT, các điểm
không phù hợp khi áp dụng ĐKVT cho các hệ công suất nhỏ;
2. Trình bày bản chất của phương pháp điều khiển BĐTT;
3. Tổng hợp một thuật toán BĐTT từ uqvà  ;
4. Phân tích ảnh hưởng của các tham số động cơ đến đặc tính bù;
5. Đề xuất sơ đồ HTĐB ĐCV sử dụng phương pháp BĐTT.
Chƣơng 3 - ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MODAL KẾT HỢP
BÙ CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH NHẰM NÂNG CAO CHẤT
LƢỢNG CÁC HTĐB GÓC SỬ DỤNG ĐCV CÔNG SUẤT NHỎ
3.1. Đặt bài toán nghiên cứu
Với mục tiêu xuyên suốt của luận án là nghiên cứu nâng cao
chất lượng hệ truyền động bám công suất nhỏ, ở chương 2 áp dụng
phương pháp điều khiển BĐTT thay cho ĐKVT kinh điển trong các
hệ thống này. Việc sử dụng thuật toán bù (2.30) đã đóng góp một
phần cho quá trình hoàn thành mục tiêu luận án. Tuy nhiên, như đã
phân tích, các hệ truyền động bám công suất nhỏ trong thực tế luôn đi
kèm hộp số cũng như có cấu trúc phần cơ tương đối phức tạp, điều đó
dẫn đến việc làm tăng đáng kể sai số bám. Để khắc phục vấn đề này
một cách tốt nhất mà vẫn đảm bảo giữ cho hệ thống tính đơn giản

trong cấu trúc, luận án tiếp tục sử dụng giải pháp điều khiển TNMD
mạch vòng tốc độ. Sau khi tối ưu hóa vòng tốc độ, việc tổng hợp cấu
trúc bộ điều chỉnh vị trí được thực hiện bằng các phương pháp hàm
chuẩn để đảm bảo độ chính xác bám cho cả hệ thống [53].
Khâu TNMD

*

*
 BĐK u 



vị trí

BĐK
TN

u q ĐCV với điều 1
khiển BĐTT


Các tín hiệu phản
hồi trạng thái,
thích nghi

Bộ quan sát
trạng thái

Hộp

số

2

M dh

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc HTĐB góc điều khiển TNMD
kết hợp với BĐTT sử dụng động cơ van công suất nhỏ


12
3.2. Điều khiển TNMD hệ truyền động bám góc sử dụng ĐCV
công suất nhỏ
Điều khiển modal đã được triển khai rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển tự động TĐĐ do có cấu trúc đơn giản, độ chính xác
điều khiển cao và đã được trình bày chi tiết tại các tài liệu [11], [12].
ĐKTNMD được xây dựng dựa trên cơ sở mở rộng phương pháp điều
khiển modal.Trong phương pháp ĐKTNMD, khi các tham số của đối
tượng (phi tuyến) thay đổi trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển
modal sẽ được cập nhật lại các tham số bằng một luật điều khiển
thích nghi. Luật điều khiển thích nghi được thành lập từ điều kiện
đảm bảo tính ổn định và điều kiện bám của hệ thống kín [83].
3.2.1. Hàm truyền đạt và sơ đồ cấu trúc của ĐCV
Để đơn giản trong thiết kế khâu thích nghi modal mà vẫn đảm
bảo tính chính xác, trước hết cần thiết lập sơ đồ cấu trúc ĐCV dạng
hàm truyền.
M c (p)

u dk (p)

iq (p)

k dk

ki

Wdk (p)



Cm

W (p)



a)

1

(p)

M(p) j p

Ce

M c (p)

u dk (p)
b)

ke
Te p  1



1 R iq (p)
Cm
Tu p  1



1

(p)

M(p) j p

Ce

Hình 3.2.a) Sơ đồ cấu trúc ĐCV dạng tổng quát
b) Sơ đồ cấu trúc ĐCV khi tốc độ quay nhỏ
3.2.2. Mô hình toán học ĐCV và máy công tác khi tính đến liên
kết đàn hồi, khe hở và ma sát
Từ hệ phương trình vi phân của động cơ và của cấu trúc phần cơ,
hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống đưa ra trên (3.21) trong đó:
i 2 M dm ; k  b1dm
J
J 
k e , các

c
Tc1  1 1dm ; Tc2  22 1dm ; Tc 
i 2 Mdm ; k  Ce
c1dm
Mdm
i M dm
thành phần đánh giá sai số liên quan đến ma sát (viết cho gọn) là:
F2 (2 , t)  F2 (); F1 (1 , t)  F1 () ;
Các hàm số: F2 (2 , t); Fdh (M21 , t); F1 (1 , t) phụ thuộc vào các
thành phần bất định biến đổi theo thời gian.


13
 d2
 dt   2 ;

2
(3.21)
 d 2  i M dm M  F ( , t)  M ;
21
2
2
c
 dt
J 21dm


 dM 21   c1dm  2  c1dm 1  Fdh (M 21 , t);
 dt
i 2 M dm

i 2 M dm

 d1   M dm M 21  1 J11dm 1  k e 1 M dm u dk  F1 (1 , t);

J11dm
R M dm
Ce R J11dm
 dt
Cấu trúc
ĐCV

 

o o

F1 ()


kc

M 21

1R
Tu p  1



Cấu trúc phần cơ có
xét đến đàn hồi, khe
hở và ma sát

1
Tc1p  1

1



1
o
o
 p 

1
Tc

Mc




M 21



Ce
Mf 2

k
Te p  1

1 2 1
p
Tc2 p

2

F2 ()

u dk

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của động cơ và cơ cấu công tác.
3.2.3. Phân tích và tổng hợp hệ truyền động bám ĐCV công suất
nhỏ ĐKTNMD kết hợp BĐTT có xét đến cấu trúc phần cơ
3.2.3.1. Mô hình toán học của hệ thống trong không gian trạng thái
Đặt các biến: u  u y  uq ;y  x1  2 ;x 2  2 ;x3  M21;x 4  1;
F2 (2 ,t)  22 (2 ,t); F1 (1,t)  21 (1,t);Fdh (M21,t)  2M21 (M21,t);
 2 ,  2 là tốc độ và góc quay của cơ cấu công tác, M21 là mô men đàn

hồi, udk là điện áp điều khiển; 2 (2 , t); 2M (M 21 , t); 2 (1 , t) là các
2

21

1

thành phần trong véc tơ đánh giá sai số của mô hình khi tuyến tính
hóa, khi đó hệ phương trình trạng thái như sau:
 x 1  0
 x  0

 2  
 x 3  0
  
 x 4  0

1

0

0

1
Tc2

Tc1

0

0

1
Tc1

0
x  


0

 1 

  ( , t) 

0
0
 x2  

 u   22 2


1




0

(M
,
t)


x
Tc
 3 
 2M21 21 


1

1

1  x
 21 (1 , t) 
R 1Tc1
  4   kR Tc1 
0

(3.24)


14
x   x 1

x 2

x 3

1
0

0
0
A0  
1
0 Tc
0
0


x 4  ;
T

0
1
Tc2

0
Tc11

0



0



  ( , t) 


0
0


 ; (x, t)   22 2
;B0  

1





0

(M
,
t)
Tc

 2M21 21 
 1 1 
 21 (1 , t) 
 kR Tc1 
R 1Tc11 
0

trong đó các ma trận :
A11  0; A12  1 0 0; A21  0 0 0

A 22

 0

  Tc1

 0

1
Tc2

0

1
Tc1

;




0



;
0

Tc1  B1  0; B2  
 1 1 
1 1 
 kR Tc1 
R Tc1 

0

được tách ra từ ma trận A0 và B0 ;
 2 ( 2 , t) 
2


1  0; 2 (x, t)   2M 21 (M 21 , t)  được tách ra từ ma trận (x, t) ;



 21 (1 , t) 
w   x 2 x3 x 4  ; và x1  y;
T

Khi đó ta có:
T
y  1 0 0x 2 x3 x 4   0.u
1

 2 (2 , t) 
Tc2
0  x   0 
 x 2   0
2
 2



 x    T 1
1    
0
T
x

0
u


(M

,
t)




3
c
c
3
dk
2M
21
  
21
  



1
1   x 4 
1
 x 4   0
  kR 1Tc1
Tc1
R 1Tc1
 21 (1, t) 




(3.27)
(3.28)

3.2.3.2. Xây dựng bộ quan sát trạng thái
Xây dựng bộ quan sát giảm bậc, các đại lượng cần quan sát
gồm: mô men đàn hồi, tốc độ động cơ và tốc độ của cơ cấu công tác.
Ngoài ra, bộ quan sát còn phải tạo tín hiệu thích nghi theo thuật toán
được chọn lựa. Hệ phương trình của bộ quan sát tìm được có dạng
(3.44) trong đó v  R r là véc tơ trạng thái của bộ quan sát, ma trận
quan sát N (r x p) chọn theo quá trình động học của bộ quan sát.


15
 xˆ 2  v1  n1x1
 xˆ  v  n x
2
2 1
 3
 xˆ 4  v3  n 3 x1

i 2 M dm

xˆ 3  hh1 sgn(x 2  xˆ 2 );
(3.44)
 v1  n1xˆ 2 
J 2 1dm


 v 2  (n 2  Tc1 )xˆ 2  c1dm xˆ 4  hh 2 sgn(x 2  xˆ 2 );


i 2 M dm

 v  n xˆ  M dm xˆ  1 M dm xˆ  k e M dm u  hh sgn(x  xˆ );
3 2
3
4
3
2
2
 3
J11dm
R J11dm
RCe J11dm

3.2.3.3. Lựa chọn luật điều khiển
Trên cơ sở đã sở đã đạt được mục tiêu quan sát, ta tìm được luật
điều khiển thích nghi modal có dạng :
ˆ  B2
u  MBg  M1y  M2 w

(3.45)

trong đó M1, M2 là các khối có kích thước tương ứng là (m x p) và (m
x r) của ma phận modal M ; MB là ma trận hằng số (m x m);
B2 là khối phải của ma trận B0  (B0T B0 ) 1 B0T có kích thước (m  r);
 là tín hiệu thích nghi .
3.2.3.4. Tính toán các tham số cho khâu thích nghi modal
Do sử dụng bộ quan sát giảm bậc, lúc này phương trình trạng thái
mô tả đối tượng điều khiển theo (3.43) có các tham số như sau:

1
 0

Tc2
0

 0
0



  

1

1
 ;B0  
A0   Tc
0
Tc
0
0


 1 1   b 

1

1


1
 0
Tc1 R Tc1 
 kR Tc1   3 



(3.53)

I. Lựa chọn mô hình mẫu
Lựa chọn mô hình mẫu với đa thức đặc trưng mong muốn có
dạng như sau [2]:
(3.54)
mm ()  3  10 2  202  30
II. Tính ma trận modal M
Ma trận modal M sẽ được tính từ điều kiện:
(3.55)
 mm ()  det[ I A 0  B0B0TM]
Giải phương trình (3.55) với A0 và B0 từ (3.53) tìm được m1, m2
và m3 như sau:


16

30   Tc1Tc21 
m1 

0 1  R 1Tc11

 kR

Tc11 

1

Tc1Tc21  kR 1Tc11 
m3 

2

; m2 

2

0 1  R 1Tc11

 kR

Tc11 

1

2

02  2  Tc1  Tc21  Tc11 
Tc1  kR 1Tc11 

;

2

;

(3.57)

III. Tính ma trận quan sát N
Để xác định các phần tử của ma trận quan sát N, ta dựa vào điều
kiện ổn định của ma trận A H  A 22  NA12 . Điều kiện này được lựa
chọn sao cho các cực của bộ quan sát i (AH ) nằm trong vùng thỏa
mãn bất đẳng thức max Re i (AH )  (2  3)0 , khi đó đa thức đặc
trưng của ma trận AH có dạng:
(3.59)
 H ()  3  2(30 ) 2  2(30 )2   (30 )3
Giải phương trình (3.59) ta tìm được:

n1 

 30 

3

 2  30  Tc21Tc1
2  30   Tc1Tc21  Tc1Tc11
;
n

2
k 2 Tc1Tc11
k 2 Tc11
2

n3 

2  30   R 1Tc11

k 2
IV. Tính các tham số của thuật toán thích nghi

(3.62)

Việc xác định các tham số của thuật toán thích nghi (3.37) đồng
nghĩa với việc xác định các phần tử ma trận H  P 1G T . Các phần tử
của ma trận H được xác định trong quá trình tìm cực tiểu của tập  0

ˆ so với véc tơ giá trị
hay từ điều kiện hội tụ của véc tơ trạng thái w
thực w. Để xác định các phần tử của ma trận H, trước hết cần xác
định các phần tử của ma trận P 1 từ phương trình (3.35), trong đó
ma trận mong muốn AH có dạng:

0
1

AH  
0
0

3
 (30 ) 2(30 )2

ma trận đường chéo Q  diag q1 q2





2(30 ) 
0
1

q3 và G  A12 .

(3.63)


17
Hệ thống điều khiển TNMD với bộ quan sát giảm bậc có tính đến bù
đặc tính tĩnh được mô tả bằng phương trình toán học đầy đủ sau:
x2 
y  1 0 0  x 3   0.u
 x 4 
 2 2 ( 2 , t) 
Tc21
0  x2   0 
 x 2   0
 h1 


  
 x    T 1


 h  sgne
1
0
T
x

0
u


(M
,
t)

h
c
2
 2M21 21 
 3 
 3  c

 2
  ( , t) 
 x 4   0


Tc11 R 1Tc11   x 4   kR 1Tc11 
h
3

 
 2 1 1 
ˆ
x
v
n
0
0
x
 2  1  1
  1
 xˆ    v    0 n
 0 
0
(3.67)
2
 3  2 
 
 xˆ 4   v3   0 0 n 3   0 
u  M Bg  M1 y  M 2 wˆ  B2 
    z

3.7. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí cho hệ thống bám ĐCV
Với mục đích điều khiển là triệt tiêu các sai số bám trong chế độ
tĩnh và bù được những hằng số thời gian có giá trị lớn, bộ điều chỉnh
vị trí tìm được là một khâu PI có các hệ số:
kP 

J 2 (1  km3 )5 Tm J 2 (1  km3 )5
J 2 (1  km3 )5


;
k

I
172,1Tm4 k  kc
172,1Tm3 k  kc
172,1Tm4 k  kc
d
dt

x1

u

n3

Tc11

R 1Tc11

k



xˆ 4

m3

k i xˆ i1





R 1Tc11

 



1
p






xˆ 3



1
p

xˆ 2




Tc1

v3

n1

n2




Tc21


v2





1
p

v1

m2
n3
m1

n1

n 2  Tc1



h3


(3.72)

1
p 1

h2

h1



h

Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc khâu thích nghi modal hệ bám ĐCV


18

*





uq

BĐCTN
pt (3.45)

R  (p)
ˆ
M
21

ˆ 1 ˆ 2



ĐCV với
BĐTT

Khâu thích nghi
modal

BĐC vị trí

ua

KBT
pt (2.30)

ud

1

d dt


kc

1



1
o
o
 p 

1
Tc

CB
VT

Cấu trúc phần cơ
có xét đến đàn hồi,
khe hở và ma sát




Mf 2

PMSM

M dc

Mc

 M 21

KÐCS

uc

1

o o

ub

dq/abc

z

BQSTN
pt (3.44)



1 2 1

p
Tc2 p

1

2

M 21
M ms

F2 ()

Hình 3.7. Hệ thống điều khiển thích nghi modal kết hợp điều
khiển bù đặc tính tĩnh có xét đến cấu trúc phần cơ
Kết luận của chƣơng 3
Chương 3 của luận án đã giải quyết được các vấn đề cơ bản sau:
1. Đặt vấn đề cho bài toán nghiên cứu điều khiển thích nghi modal
các hệ cơ điện đàn hồi;
2. Trình bày những nét cơ bản nhất khi thiết kế điều khiển thích nghi
modal cho một hệ thống động học;
3. Để thuận tiện cho thiết kế điều khiển thích nghi modal, đã tiến
hành xây dựng hàm truyền đạt và sơ đồ cấu trúc cho ĐCV;
4. Xây dựng mô hình toán học ĐCV và máy công tác khi tính đến
liên kết đàn hồi, khe hở và ma sát;
5. Tổng hợp cấu trúc và tham số BĐK thích nghi modal;
6. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí.
Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT HTĐ BÁM GÓC
SỬ DỤNG ĐCV ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
TNMD KẾT HỢP BĐTT

19
4.1. Mô phỏng đánh giá độ tin cậy thuật toán điều khiển BĐTT
Mô phỏng ĐKVT: Có BĐK Rid và không có BĐK Rid (ud = 0)
Mô phỏng BĐTT: Có bộ bù KBT và không có bộ bù (ud = 0)
4.1.1. Các sơ đồ mô phỏng trên Simulink
4.1.2. Các kết quả mô phỏng và nhận xét đánh giá
4

dong dien iq
dong dien id

dong dien iq
dong dien id

3

3

2

2

dong dien (A)

dong dien(A)

4

1

1

0

0

-1

-1

-2

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

-2

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

2

Hình 4.3a.
Hình 4.3b.
Hình 4.3. Dạng dòng điện id và iq trong chế độ ĐKVT (a) và BĐTT

Trước 0,5 giây: khởi động đến tốc độ không tải; Tại 0,5 giây: đóng
tải (nhảy bậc); Tại 1,0 giây: nối BĐC Rid (a) hoặc KBT (b)
250

khong co bo dieu chinh Rid
co bo dieu chinh Rid

200

200

150

150

toc do (rad/s)

toc do (rad/s)

250

100

100

50

0

co bu

khong bu

50

0

0.01

0.02

0.03
0.04
0.05
mo men (N.m)

0.06

0.07

0

0.08

0

0.01

0.02

Hình 4.4a.

0.03
0.04
0.05
mo men (N.m)

0.06

0.07

0.08

Hình 4.4b.

Hình 4.4. Đặc tính cơ trong chế độ ĐKVT (a) và BĐTT (b)
100

80

70

70

60

60

50
40

50
40

30

30

20

20
10

10
0

khong bu
co bu

90

80

hieu suat(%)

hieu suat(%)

100

co bo dieu chinh Rid
khong co bo dieu chinh Rid

90

0

0

0.01

0.02

0.03
0.04
0.05
mo men (N.m)

0.06

0.07

0.08

0

0.01

0.02

0.03
0.04

0.05
mo men (N.m)

0.06

0.07

Hình 4.5a.
Hình 4.5b.
Hình 4.5. Đặc tính hiệu suất trong chế độ ĐKVT(a) và BĐTT(b)

0.08


20
18

18
16

14

14

12

12

cong suat (W)

cong suat (W)

cong suat co khi DKVT
16

10
8

10
8

6

6

4

4

2
0

cong suat co khi DKBT

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

0

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2

thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

2

Hình 4.6a.
Hình 4.6b.
Hình 4.6. Đặc tính công suất trong chế độ ĐKVT(a) và BĐTT(b)
10
dong dien pha

(dao) spdd
8

dien ap, spdd (V), dong dien (A)

6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10

0.27

0.28

0.29

0.3
thoi gian (s)

0.31

0.32

0.33

Hình 4.7b. Phóng to dạng điện áp, đảo của sức phản điện
động và dòng điện pha ĐCV trong chế độ điều khiển BĐTT
Trước 0,3 giây hệ thống không có bộ bù KBT, đảo của sức phản
điện động và dòng điện không ngược pha 1800. Sau 0,3 giây nối bộ
bù KBT, đảo của sức phản điện động và dòng điện ngược pha 1800
4.2. Mô phỏng đánh giá chất lƣợng hệ truyền động bám ĐCV
4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống bám
1. Trƣờng hợp thứ nhất: Đáp ứng góc quay trên cơ cấu công tác khi
khe hở   0,005 rad (0,2870) với các tín hiệu vào khác nhau.
15

15

10

10

5

goc quay (rad)

Goc quay (rad)

5

0

-5

goc bam
goc dat
sai so

-10

-15

0

-5

goc bam
goc dat
sai so

-10

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (s)

Hình 4.12a.

2

2.5

-15

0

0.5

1

1.5

2

2.5

thoi gian (s)

Hình 4.12b.

Hình 4.12. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,005 rad, tín hiệu vào là hàm bước nhảy


21
15

15

goc bam
goc dat
sai so

10

5

Goc quay (rad)

Goc quay (rad)

5

0

0

-5

-5

-10

-10

-15

goc bam
goc dat
sai so

10

-15

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

0

0.5

Hình 4.13a.

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.13b.

Hình 4.13. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,005 rad, tín hiệu vào hình sin
30

30

25

goc bam
goc dat

sai so

25

goc bam
goc dat
sai so

20

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

20

15

10

5

15

10

5

0

0

-5

-5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

thoi gian (s)

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.14a.
Hình 4.14b.
Hình 4.14. Đáp ứng góc quay với BĐK PID(a) và BĐK TNMD(b)
với khe hở bánh răng   0,005 rad, tín hiệu vào là hàm vận tốc
30

30

25

goc bam
goc dat
sai so

25

goc bam
goc dat
sai so

20

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

20

15

10

5

15

10

5

0

0

-5

-5

0

0.5

1

1.5
thoi gian (s)

Hình 4.15a.

2

2.5

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.15b.

Hình 4.15. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,005 rad, tín hiệu vào là hàm gia tốc
3. Trƣờng hợp thứ ba:
Đáp ứng góc quay trên cơ cấu công tác khi khe hở bánh răng
  0,15 rad (8,590) với các tín hiệu vào khác nhau.


22
14

15

12
10

10
8

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

5

6
goc bam
goc quay
sai so

4
2

0

-5

0

goc bam

goc dat
sai so

-2
-10

-4
-6

0

0.5

1

1.5

2

-15

2.5

0

0.5

1

1.5

Thoi gian (s)

thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.20a.
Hình 4.20b.
Hình 4.20. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad, tín hiệu vào là hàm bước nhảy
15

15

goc bam
goc dat
sai so

10

5

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

5

0

0

-5

-5

-10

-15

goc bam
goc dat
sai so

10

-10

-15

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

thoi gian (s)

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.21a.
Hình 4.21b.
Hình 4.21. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad, tín hiệu vào hình sin
30

30

25

20

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

20

15

10

5

15

10

5

0

-5

goc bam
goc dat
sai so

25

goc bam

goc dat
sai so

0

0

0.5

1

1.5

2

-5

2.5

0

0.5

thoi gian (s)

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.22a.
Hình 4.22b.
Hình 4.22. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad , tín hiệu vào là hàm vận tốc
30

30

25

goc bam
goc dat
sai so

25

15

10

5

15

10

5

0

-5

goc bam
goc dat
sai so

20

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

20

0

0

0.5

1

1.5
thoi gian (s)

2

2.5

-5

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.23a.
Hình 4.23b.
Hình 4.23. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad, tín hiệu vào là hàm gia tốc


23
12

12

10

10

8

goc bam
goc dat

goc bam
goc dat

Goc quay (rad)

goc quay (rad)

8

6

4

6

4

2

2

0

0

-2
0

0.02

0.04

0.06
0.08
thoi gian (s)

0.1

0.12

-2
0

0.14

0.02

0.04

Hình 4.24a.

0.06

0.08
Thoi gian (s)

0.1

0.12

0.14

Hình 4.24b.

Hình 4.24. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
khi xét đến ảnh hưởng của mô men ma sát trên tải
15

15

goc bam khi J2 = 2*J1
goc dat

goc bam khi J2 = 4*J1
goc dat

10

Goc quay (rad)

Goc quay (rad)

10

5

0

5

0

0

0.05

0.1

0.15

0

0.05

0.1

0.15

Thoi gian (s)

Thoi gian (s)

Hình 4.25a.

Hình 4.25b.

Hình 4.25. Đáp ứng góc quay của cơ cấu công tác với BĐK TNMD,
mô men quán tính J 2  2J1 (a) và J 2  4J1 (b); [J1=2,3.10-4kg.m2]
12

12

goc bam
goc dat

10

goc bam
goc dat
10

8

Goc quay (rad)

Goc quay (rad)

8

6

4

2

6

4

2

0

0

-2
0

0.05

0.1
0.15
Thoi gian (s)

0.2

-2
0

0.25

0.05

0.1
0.15
Thoi gian (s)

0.2

0.25

Hình 4.26. Đáp ứng góc quay của cơ cấu công tác với BĐK TNMD
khi hệ số đàn hồi c  240 Nm rad (a) và c  120 Nm rad
400

300
dap ung toc do

dap ung toc do

300

200

Toc do quay (rad/s)

toc do quay (rad/s)

200
100
0
-100

100

0

-100

-200
-200

-300
-400

-300

0

0.5

1

1.5
thoi gian (s)

Hình 4.27a.

2

2.5

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (s)

2

Hình 4.27b.

Hình 4.27. Đáp ứng tốc độ với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad, tín hiệu vào nhảy bậc

2.5


24
150

150

100

50

50

Toc do quay (rad/s)

toc do quay (rad/s)

dap ung toc do
100

0

-50

0

-50

-100

-100

-150

dap ung toc do

-150

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

thoi gian (s)

1

1.5
Thoi gian (s)

2

2.5

Hình 4.28a.
Hình 4.28b.
Hình 4.28. Đáp ứng tốc độ với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b)
với khe hở bánh răng   0,15 rad, tín hiệu vào hình sin
Với đáp ứng tốc độ của hệ thống đưa ra trên hình 4.27 và 4.28
cho thấy, hệ thống với BĐK thích nghi modal hoạt động sẽ “êm” hơn
hệ thống dùng BĐK PID, đặc biệt là khi lượng vào hình sin
4.3. Đánh giá thuật toán ĐKBT trên mô hình thực nghiệm
Mục đích của phần thực nghiệm là khảo sát chứng minh tính

thực tiễn, độ tin cậy của thuật toán điều khiển bù các đặc tính tĩnh
(2.30) đã tổng hợp được, so sánh dạng của một số đặc tính tĩnh thực
nghiệm với đặc tính mô phỏng, làm tiền đề cho việc khảo sát đánh
giá chất lượng của toàn hệ thống bám với bộ điều khiển thích nghi
modal được xây dựng trong chương 3.
4.3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm

đến từ
BĐC tốc độ

VĐK

KBT

1

u*q

ud



Chuyển hệ
tọa độ và
ĐCVTKG

đo, hiển thị
các tham số

KÐCS

(mạch cầu
3 pha)

Bộ điều
khiển tải

6

1

d dt

1

CBVT

PMSM

Hộp
số

Tải

ĐCV
Đến BĐK thích nghi modal

Encoder

2 tuyệt đối

Hình 4.29. Sơ đồ cấu trúc mô hình thực nghiệm
Trên cơ sở sơ đồ cấu trúc như hình 4.29, mô hình thực nghiệm
được triển khai như trên hình 4.30 dưới đây:


25

Hình 4.30. Hình ảnh mô hình thực nghiệm
Mạch điều khiển được xây dựng trên vi điều khiển ATMEGA
128 kèm theo các mạch phụ trợ (xem hình 4.30), vi điều khiển nhận
các tín hiệu đo từ các cảm biến, xử lý và tạo ra tín hiệu điện áp bù ud
theo luật (2.30), thực hiện phép chuyển đổi hệ trục tọa độ và tạo các
tín hiệu điều chế véc tơ không gian.
4.3.2. Kết quả thực nghiệm và nhận xét đánh giá

Co Bu
Co Bu

Khong Bu

Hình 4.31.

Khong Bu

Hình 4.32.

Hình 4.31. đặc tính cơ; Hình 4.32. đặc tính hiệu suất
trong chế độ điều khiển BĐTT
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn
của thuật toán điều khiển bù các đặc tính tĩnh. Mặt khác, thuật toán

và phương pháp điều khiển BĐTT cũng đã được triển khai áp dụng
thử nghiệm thành công trong một dự án cải tạo và khôi phục hoạt
động cho 5 động cơ PMSM (công suất 75W/động cơ) trong hệ truyền
động lấy mực trên một máy in OFFSET 5 màu của hãng
HEIDELBERG (Đức) của Công ty Cổ phần In bao bì Hà Nội, có trụ
sở tại khu công nghiệp vừa và nhỏ - Từ Liêm – Hà Nội 12/2014.
Do chưa đủ điều kiện nên luận án chưa tiến hành thực nghiệm được
với toàn hệ thống bám trong đó có bộ điều khiển thích nghi modal.
4.4. Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu luận án