Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN DÂN

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG
PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN DÂN

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG
PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số
: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Quốc Cƣờng
2. PGS. TS. Bùi Trung Thành

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan: luận án “Mơ hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối
vật liệu nano” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi đƣợc hồn thành dƣới sự chỉ bảo tận
tình của hai thầy giáo hƣớng dẫn.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần đƣợc công bố trên các
tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chƣa đƣợc
tác giả khác cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2017
Tập thể hƣớng dẫn

Tác giả luận án

1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng
Bùi Văn Dân

2. PGS.TS. Bùi Trung Thành

i


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng –
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và PGS.TS. Bùi Trung Thành – Trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ thuật Hƣng Yên đã tận tình hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tơi thực
hiện và hồn thành luận án này.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong bộ môn Kỹ thuật đo và
tin học công nghiệp – Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện

giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án, tham gia sinh hoạt tại bộ môn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong Viện Đào tạo Quốc tế
về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện giúp
đỡ tôi khảo sát, thực nghiệm trong thời gian thực hiện luận án.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, anh chị, bạn bè và đồng nghiệp
Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Phịng đào tạo, các đơn vị chức
năng - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng yên đã chia sẻ, đóng góp ý kiến, giúp đỡ,
động viên tơi vƣợt qua mọi khó khăn để hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tơi biết ơn bố mẹ và những ngƣời thân trong gia đình đã ln quan tâm,
động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tơi có thể hoàn thành bản luận án. Xin dành
những lời yêu thƣơng nhất cho vợ, con gái và con trai yêu quý đã cùng tơi vƣợt qua những
khó khăn, vất vả trong cuộc sống và trong q trình nghiên cứu để tơi hoàn thành bản luận
án này.
Một lần nữa xin chân thành cám ơn !
Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2017
Tác giả luận án

Bùi Văn Dân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II
MỤC LỤC ........................................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... V
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. VIII
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................................... IX
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

1. Giới thiệu......................................................................................................................... 1
2. Tính cấp thiết của luận án ............................................................................................... 2
3. Mục tiêu của luận án ....................................................................................................... 2
4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................ 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................................... 4
6. Những đóng góp của luận án: ......................................................................................... 4
7. Bố cục luận án ................................................................................................................. 5
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .......................................................................... 8
1.1. Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano ................................................................... 8
1.2. Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu ...................................................... 8
1.2.1. Khái niệm về hệ thống phân phối vật liệu ............................................................ 8
1.2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ............................................... 9
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano .......... 10
1.3. Tổng quan các nghiên cứu điều khiển vị trí ............................................................... 14
1.3.1. Nhóm phƣơng pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực................. 14
1.3.2. Nhóm phƣơng pháp điều khiển trƣợt ................................................................. 17
1.3.3. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tầng PID ........................................................... 20
1.3.4. Nhóm phƣơng pháp điều khiển kết hợp giữa PID – Mờ nơ ron......................... 23
1.3.5. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tối ƣu bền vững thích nghi ............................... 26
1.3.6. Nhóm phƣơng pháp điều khiển dự báo .............................................................. 28
1.4. Kết luận ...................................................................................................................... 31
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO NẰM NGANG
VÀ MƠ HÌNH HĨA DƢỚI DẠNG HÀM TRUYỀN, MƠ HÌNH TRẠNG THÁI ........... 34
2.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 34
2.2. Xây dựng cấu trúc điển hình hệ thống phân phối vật liệu nano ................................. 35
2.3. Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống phân phối vật liệu nano .................................. 36
2.3.1. Mô tả mơ hình tốn động cơ DC ........................................................................ 37
2.3.2. Mơ tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải ............................................ 38
2.3.3. Phƣơng trình tốn học mơ tả hệ thống phân phối vật liệu nano ......................... 42
2.4. Khảo sát mô phỏng trên Matlab ................................................................................. 42

iii


2.5. Kết luận ...................................................................................................................... 49
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ............................................... 51
3.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 51
3.2. Xây dựng mơ hình đối tƣợng điều khiển ................................................................... 51
3.3. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống phân phối vật liệu nano.......................... 55
3.3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 55
3.3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano ............................ 55
3.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ..................... 64
3.4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 64
3.4.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển dự báo ...................................................................... 64
3.4.3. Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ............ 66
3.4.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để xử lý
nhiễu .................................................................................................................................... 68
3.4.5. Quan sát trạng thái nhờ lọc Kalman ................................................................... 71
3.4.6. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống theo phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi
có thành phần tích phân ....................................................................................................... 73
3.4.7. Kết quả mô phỏng trên Matlab bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần
tích phân. ............................................................................................................................. 73
3.5. So sánh hai phƣơng pháp PID và MPC ...................................................................... 77
3.6. Kết luận ...................................................................................................................... 81
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 83
4.1. Giới thiệu cấu hình hệ thống thực nghiệm ................................................................. 83
4.2. Kết quả ứng dụng thực nghiệm .................................................................................. 85
4.2.1. Trình tự thực hiện ............................................................................................... 85
4.2.2. Kết quả thực nghiệm: ......................................................................................... 86
4.3. Kết luận ...................................................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 95

1. Kết luận ......................................................................................................................... 95
2. Kiến nghị ....................................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 97
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 103
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 104
Phụ lục 01: Tính toán chi tiết cơ cấu chấp hành hệ thống phân phối vật liệu nano ........ 104
Phụ lục 02: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano .................... 118

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:

A, B, C

Ma trận trạng thái

Aˆ , Bˆ , Cˆ

Ma trận trạng thái mở

Bm

Ma sát nhớt (sẽ đƣợc xác định bằng thực nghiệm)

BL

Hệ số ma sát nhớt ổ bi nối trục vít me

Cs

Hệ số tắt dần của trục (độ cứng vững của vật liệu)

e

Suất điện động phần ứng

G

Hệ số khuếch đại công suất

I

Ma trận đơn vị

Kt

Hằng số mô men xoắn không đổi

Kv

Hằng số xuất điện động không đổi

Km

Hằng số mô men không đổi

M

Khoảng thời gian dự báo (Tầm dự báo – Receding horizon )

Q

Hàm mục tiêu

Tm

Mô men xoắn động cơ

Ts

Mô men trên trục truyền từ phía động cơ đến tải

Td

Mơ men nhiễu tải

Tf

Mơ men ma sát trên trục động cơ

ia

Dịng điện phần ứng

Jm

Mơ men qn tính của động cơ

Ra

Trở kháng điện cảm

La

Điện cảm phần ứng
v


va

Điện áp phần ứng động cơ

JL

Hệ số quán tính phần trƣợt

Jm

Hệ số qn tính động cơ

ωm

Vận tốc góc động cơ

ωl

Vận tốc góc với tải

α

Góc giới hạn khe hở hộp số

α0, α1, α2

Hệ số ma sát

θs

Góc lệch giữa trục tải và trục động cơ

θm

Vị trí góc quay trục động cơ

m

Vận tốc góc trục động cơ

m

Gia tốc góc trục động cơ

θl

Vị trí góc quay trục tải

θd

Góc lệch deadzone giữa động cơ và tải

θb

Góc khe hở hộp số

ws  s

Vận tốc góc lệch giữa trục tải và động cơ

x  ( x1 ,..., xn )T

Véc tơ của các phần tử x1, i=1,2,...n, trong đó chỉ số T là ký hiệu
phép tính chuyển vị

x (k), xk , {xk }

Giá trị và dãy các giá trị trích mẫu của hàm thời gian x(t) tại thời
điểm t = kTa với Ta là chu kỳ trích mẫu

yˆ

Tín hiệu ra mở rộng

xˆ

Véc tơ trạng thái quan sát đƣợc

uk

Tín hiệu điều khiển dự báo

vi


Chữ viết tắt:

Backlash

Hiệu ứng khe hở

CARE

Control Algebraic Riccati Equation - Phƣơng trình Riccati điều
khiển

CNC

Computer Numerical Control - Điều khiển bằng máy tính

Dead Zone
Mode

Góc chết của hệ

DMC

Dynamic Matrix Control - Ma trận động học điều khiển

GA

Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền

GPC

Generalized Predictive Control - Điều khiển dự báo tổng quát

IFT

Iterative feedback Tuning – Điều chỉnh phản hồi lặp

LQR

Linear Quadratic Regulator – Bộ điều chỉnh tồn phƣơng

MEMS

Micro-electromechical system - Cơng nghệ vi cơ điện tử

MPC

Model Predictive Control - Điều khiển dự báo

MAC

Model Algorithmic Control - Thuật tốn điều khiển theo mơ hình

PID

Proportional Integral Derivative - Khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân

PSO

Particle Swarm Optimization – Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn

RAM

Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

ROM

Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc, không thể ghi – xóa

SISO

Single Input Single Output - Một vào một ra

USB

Universal Serial Bus - Chuẩn truyền dữ liệu cho BUS (Thiết bị)
ngoại vi)

FPGA

Field-programmable gate array - Mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu
trúc mảng phần tử logic có thể lập trình đƣợc.

Z-N

Ziegler - Nichols

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tham số của hệ thống phân phối vật liệu nano ................................................... 43
Bảng 3.1 Tham số của hệ thống nghiên cứu ....................................................................... 56
Bảng 3.2.Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano. 63
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển MPC thích nghi có thành phần tích
phân ..................................................................................................................................... 76
Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khi thay đổi vị trí đặt. ............................................................ 78
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát khi thay đổi tải. .................................................................... 80
Bảng 3.6. So sánh kết quả với bài toán đặt ra trong phần phạm vi nghiên cứu. ............ 82
Bảng 4.1 Chức năng các khối của mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano ................... 84
Bảng 5.1. Kết quả thực hiện so sánh với bài toán đặt ra. ................................................... 95

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ mơ phỏng đặt các nơ ron thần kinh [71] ........................................................ 11
Hình 1.2 Kết quả mô phỏng đặt nơ ron thần kinh [71) ....................................................... 11
Hình 1.3 Hệ của larson [23] ................................................................................................ 11
Hình 1.4 Kết quả hệ vi cơ điện tử [23] ............................................................................... 11
Hình 1.5 Ảnh chụp nhỏ dung dich [23] .............................................................................. 11
Hình 1.6 Khoảng cách phân phối [23] ................................................................................ 11
Hình 1. 7 Mơ hình động năng của hệ thống [47]. .............................................................. 13
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ DC dùng bộ đánh giá vi phân [59] ............... 15
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID dựa trên lập trình trực tuyến [68]................... 16
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc truyền thẳng kết hợp với phản hồi trạng thái đầu ra [68] .......... 16

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát [68]........... 17
Hình 1.12 Cấu trúc mạng nơ ron của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] 17
Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46]........................ 18
Hình 1.14 Sơ đồ hệ điều khiển dùng khâu ƣớc lƣợng ma sát và điều khiển trƣợt [37] ...... 18
Hình 1.15 Bộ điều khiển mạng mờ kiểu TSK thích nghi tự tổ chức [26]........................... 19
Hình 1.16 Sơ đồ hệ điều khiển servo một trục một vịng phản hồi tốc độ [79] .................. 19
Hình 1.17 Sơ đồ bộ điều khiển servo hai vòng phản hồi tốc độ - vị trí [79] ...................... 20
Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển servo ghép tầng PID [80] .................................... 20
Hình 1.19 Sơ đồ cấu trúc phần cứng hệ điều khiển servo điển hình [80] ........................... 20
Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển đáp ứng nhanh hệ Servo tuyến tính cho hai trục [78]21
Hình 1.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển dùng phƣơng pháp tìm thơng số PID -IFT Systematic
block diagram [41]............................................................................................................... 21
Hình 1.22 Sơ đồ khối bộ điều khiển APID cho động cơ DC [27] ...................................... 22
Hình 1.23 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển tầng vị trí [50] .................................................. 22
Hình 1.24 Sơ đồ khối bộ điều khiển tối ƣu hóa GA PID Offline [55] ................................ 23
Hình 1.25 Sơ đồ khối hệ điều khiển giám sát mờ [55] ....................................................... 23
Hình 1.26 Sơ đồ mơ phỏng của hệ EMA-AFC [55] ........................................................... 23
Hình 1.27 Sơ đồ khối điều khiển mờ trƣợt cho hệ phi tuyến [61] ...................................... 24
Hình 1.28 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song [44] ............................................... 24
Hình 1.29 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song cho động cơ DC [44] .................... 24
Hình 1.30 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nơ ron [45] .............................................................. 25
Hình 1.31 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ [81] .............................................................. 26
Hình 1.32 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển PID mờ [81] ..................................................... 26
Hình 1.33 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tối ƣu thích nghi [28] .......................................... 26
Hình 1.35 Sơ đồ điều khiển H∞ trong trƣờng hợp phản hồi trạng thái [35]....................... 28
Hình 1.36 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái đầu ra [56] .................................. 28
Hình 1.37 Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng [5] ................................................... 30
ix

Hình 2.1 Sơ đồ khối chung mơ hình của hệ phân phối vật liệu .......................................... 35
Hình 2.2 Mơ hình chuyển động của hệ thống theo ba chiều x, y, z .................................... 35
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ phân phối vật liệu nằm ngang một trục điển hình ................... 36
Hình 2.4 Sơ đồ mô tả các thông số động cơ DC ................................................................. 37
Hình 2.5 Mơ tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải.............................................. 39
Hình 2.6 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến trên trục động cơ ..................................................... 39
Hình 2.7 Đồ thị mơ tả hàm phi tuyến ................................................................................ 40
Hình 2.8 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình đối tƣợng hệ thống .................................................... 42
Hình 2.9 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình động cơ với tải ........................................................... 43
Hình 2.10 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình động cơ .................................................................... 44
Hình 2.11 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình tải ............................................................................. 44
Hình 2.12 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình hệ Backlash ............................................................. 44
Hình 2.13 Khi tải đầu vào thay đổi từ 5N/m....................................................................... 45
Hình 2.14 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi. ......................... 45
Hình 2.15 Tốc độ di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi. ................................... 45
Hình 2.16 Dịng điện phần ứng động cơ thay đổi. .............................................................. 46
Hình 2.17 Điện áp phần ứng cấp cho động cơ trong trƣờng hợp 2 .................................... 46
Hình 2.18 Tốc độ di chuyển của cơ cấu trong trƣờng hợp khảo sát 2 ................................ 47
Hình 2.19 So sánh vị trí của tải trong 2 trƣờng hợp ........................................................... 47
Hình 2.20 Điện áp phần ứng của động cơ thay đổi............................................................. 48
Hình 2.21 Dịng điện phần ứng của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng ...................... 48
Hình 2.22 Tốc độ trên trục động cơ một chiều khi thay đổi điện áp phần ứng .................. 49
Hình 2.23 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi thay đổi điện áp phần ứng .. 49
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mơ hình đối tƣợng biểu diễn trên matlab .................................... 56
Hình 3.2 Biểu đồ bode của thuật tốn PID cho đối tƣợng .................................................. 57
Hình 3.3 Biểu đồ điểm cực của thuật tốn PID cho đối tƣợng ........................................... 57
Hình 3.4 Biểu đồ thị điểm cực ............................................................................................ 59
Hình 3.5 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .......................................................... 59
Hình 3.6 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .................... 60
Hình 3.7 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .......................................................... 60

Hình 3.8 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .................... 60
Hình 3.9 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .......................................................... 61
Hình 3.10 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .................. 61
Hình 3.11 Kết quả tham số PID thu đƣợc ........................................................................... 62
Hình 3.12 Sơ đồ khối mơ tả mơ hình đối tƣợng dạng tổng qt trên Simulink ................. 62
Hình 3.13 Biểu đồ đáp ứng quá độ theo phƣơng pháp PID có xét tính phi tuyến ............. 63
Hình 3.14 Mơ hình khối điều khiển dự báo ........................................................................ 64
Hình 3.15 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian cùng với thời............................................. 65
điểm trích mẫu của khoảng thời gian dự báo [12] ............................................................... 65
x


Hình 3.16 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian ................................................................... 67
Hình 3.17 Sơ đồ khối điêu khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ................ 73
Hình 3.18 Tín hiệu đầu vào đặt thay đổi với phƣơng pháp MPC ....................................... 74
Hình 3.19 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi .......................... 74
Hình 3.20 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ........................ 74
Hình 3.21 Dịng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ............. 74
Hình 3.22 Khi tải thay đổi với phƣơng pháp MPC ............................................................. 75
Hình 3.23 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ......................................... 75
Hình 3.24 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi....................................... 75
Hình 3.25 Dịng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ............................ 76
Hình 3.26 Khi giá trị đặt thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID ...................... 77
Hình 3.27 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ......................... 77
Hình 3.28 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ........... 78
Hình 3.29 Dịng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ............ 78
Hình 3.30 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi .. 78
Hình 3.31 Khi tải đầu vào thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID .................... 79
Hình 3.32 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .................................... 79
Hình 3.33 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .......... 79

Hình 3.34 Dòng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ....................... 80
Hình 3.35 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ............ 80
Hình 4.1 Mơ hình thực tế khi lắp ráp, kết nối hệ thống phân phối vật liệu nano ............... 84
Hình 4.2 Kết nối mơ hình thực nghiệm .............................................................................. 85
Hình 4.3 Vị trí đầu ra trên tồn dải thang đo cho hệ chuyển động qua 2 điểm .................. 86
Hình 4.4 Vị trí đầu ra khi vị trí chuyển động từ 0 -3s cho hệ chuyển động qua 2 điểm ..... 86
Hình 4.5 Vị trí đầu ra khi tín hiệu điều khiển nhỏ cho hệ chuyển động qua 2 điểm .......... 86
Hình 4.6 Dịng điện phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ......................................... 87
Hình 4.7 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ............................................. 88
Hình 4.8 Vị trí đầu ra trên tồn dải thang đo có độ phân giải bƣớc 50μm ......................... 89
Hình 4.9 Vị trí đầu ra lớn cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ...................... 89
Hình 4.10 Vị trí đầu ra nhỏ cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................... 90
Hình 4.11 Dịng điện phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ............. 90
Hình 4.12 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................. 91
Hình 4.13 Dạng xung điều khiển trên Osilloscoper. ........................................................... 92
Hình 4.14 Dạng xung điện áp phần ứng của động cơ trên Osilloscoper. ........................... 92
Hình 4.15 Điện áp phần ứng của động cơ thực nghiệm .................................................... 92
Hình 4.16 Dịng điện phần ứng của động cơ thực nghiệm. ............................................... 93
Hình 4.17 Vị trí đầu ra thực nghiệm. .................................................................................. 93
Hình 4.18 Khả năng dự báo của khâu dự báo với hiệu ứng Backlash so với PID. ............. 93
xi


MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu
Năm 1959, Giáo sƣ Richard Feynman đã có bài phát biểu nổi tiếng về thao tác và điều
khiển ở kích thƣớc vi mơ. Tuy nhiên, các thiết bị này chỉ thực sự phát triển kể từ khi công
nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đƣợc triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trƣớc. Phát triển
các vi cơng cụ thao tác với các đối tƣợng nhỏ có kính thƣớc cỡ micro, nano có nhiều ứng
dụng tiềm năng nhƣ vi lắp ráp, vi robotics, thao tác và định vị các tế bào sống, phân tách tế

bào, mổ nội soi, mổ trong ống nghiệm. Gần đây, các linh kiện vi lƣu cơ điện tử cho phép
thao tác với thể tích chất lƣu nhỏ trong đó có chứa các vi hạt. Cơng nghệ này có khả năng
ứng dụng rộng trong các lĩnh vực y sinh, vật lý, hóa học [20, 23, 39, 57, 71].
Vật liệu nano là đối tƣợng nghiên cứu của khoa học và cơng nghệ nano. Tính chất thú
vị của vật liệu nano đƣợc thể hiện ở rất nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên có thể tạm
chia các tính chất đến từ hai nguồn gốc: Diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn và kích
thƣớc của vật liệu nhỏ hơn một độ dài đặc trƣng nào đó. Do kích thƣớc nhỏ nên diện tích
bề mặt lớn của vật liệu nano đƣợc ứng dụng nhiều nhất vì đặc tính đó dễ hiểu và các hiện
tƣợng bề mặt vật liệu khối đã đƣợc nghiên cứu chi tiết trƣớc đó. Kích thƣớc của vật liệu
nano nhỏ hơn độ dài đặc trƣng của một tính chất nào đó mang lại cho vật liệu nano các tính
chất hóa, lí khác hẳn vật liệu khối thơng thƣờng. Ví dụ, định luật Ohm áp dụng cho các vật
dẫn có kích thƣớc lớn. Khi kích thƣớc vật liệu nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của
điện tử (khoảng vài chục nm) thì định luật này khơng cịn đúng nữa. Tƣơng tự nhƣ vậy các
tính chất điện, từ, cơ, quang, hóa, xúc tác của vật liệu nano đều khác hẳn so với vật liệu
khối. Đối với vật liệu nano sắt từ, kích thƣớc tới hạn có thể là độ dày vách đơ men, độ dài
tƣơng tác trao đổi, kích thƣớc tại đó chuyển động nhiệt thắng thế để chuyển tính sắt từ
thành siêu thuận từ. Đối với hạt nano kim loại, cộng hƣởng plasmon bề mặt xuất hiện khi
kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bƣớc sóng điện từ chiếu vào. Đối với chấm lƣợng tử - hạt nano
bán dẫn, kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bán kính Bohr của Exciton. Các điện tử trong hạt
nano ở các mức năng lƣợng gián đoạn, các mức năng lƣợng này đƣợc quyết định chủ yếu
bởi kích thƣớc vật liệu. Ngƣời ta gọi chúng là các nguyên tử nhân tạo. Tính chất thú vị do
kích thƣớc là nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu về khoa học và công nghệ
nano [20, 23, 39, 57, 71].
Ngày nay, sự phát triển về kinh tế và tốc độ tồn cầu hóa đang tăng nhanh. Các hệ
thống phân phối vật liệu nano và xu hƣớng không thể khác nhằm giải quyết các yêu cầu
trong tổng hợp vật liệu, phân phối vật liệu sinh học nhƣ đặt protein lên các đế đƣợc thiết kế
sẵn. Ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng
dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống.

1

2. Tính cấp thiết của luận án
Sự phát triển của các ngành công nghệ, vật liệu nano, vật liệu sinh học và các kỹ thuật
phân tích cơng cụ địi hỏi những thiết bị phụ trợ để phân phối nhiều loại vật liệu khác nhau
trong đó khối lƣợng hoặc thể tích vật liệu đƣợc phân phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano
lít, với độ chính xác cao. Xu hƣớng này cũng đã có mặt tại Việt Nam và đang có đà phát
triển rất nhanh. Nghiên cứu, phát triển các robot điều khiển tự động, robot đáp ứng các nhu
cầu thực tế đa ngành nói trên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ
phát triển của các chuyên ngành có liên quan. Bên cạnh đó đề tài cũng là cơ hội để phát
triển nguồn nhân lực trình độ cao của các ngành có liên quan nhƣ khoa học vật liệu, điều
khiển tự động, cơ khí chính xác.
Hệ thống phân phối thƣờng bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc
lập nhau trong không gian với độ phân giải bƣớc ở cỡ micromet, độ chính xác cỡ nanomet.
Bề mặt sản phẩm cần phân phối có diện tích cỡ micromet, trên một mặt phẳng, các tọa độ
điểm cần chuyển động tới là cố định và đều nhau, vị trí chuyển động có thể đặt trƣớc. Thời
gian tác động tính bằng giây. Điều này cho phép hệ thống có thể thực hiện tốt các tác vụ
trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống thƣờng đi kèm phần
mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử dụng các hệ thống nhúng để tạo điều kiện
thuận lợi cho ngƣời sử dụng.
Tuy nhiên việc xây dựng đối tƣợng cho hệ thống phân phối vật liệu nano là hết sức
khó khăn. Trong đó chứa rất nhiều các thành phần phi tuyến làm ảnh hƣởng trực tiếp đến
chất lƣợng của hệ thống. Nhƣ sai số trong việc chế tạo cơ khí, sai số do ma sát, sai số do
tín hiệu đo, các tác nhân do mơi trƣờng...Bên cạnh đó việc áp dụng và đề xuất một thuật
toán tiên tiến phù hợp cho việc điều khiển hệ thống là hết sức cần thiết. Xuất phát từ nhu
cầu thực tiễn, đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận án. Luận án này đƣợc thực hiện xuất phát
từ thực tiễn triển khai các đề tài khoa học và công nghệ tại Viện đào tạo quốc tế về khoa
học vật liệu (ITIMS), trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Thành công của đề tài sẽ mở ra
một hƣớng nghiên cứu mới nhằm tạo ra một thiết bị phân phân phối vật liệu có độ chính
xác cao, kích thƣớc nhỏ gọn, tiện dụng, có khả năng cho phép phủ lên trên một bề mặt với

địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lƣợng vật chất (chất lỏng) rất
nhỏ và có thể điều khiển đƣợc [57, 58, 74].

3. Mục tiêu của luận án
Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của hệ truyền động qua động
cơ có hộp số bánh răng đƣợc nối với trục truyền động bằng khớp nối mềm, tín hiệu phản
hồi tại đầu ra. Yêu cầu chất lƣợng của hệ truyền động cần độ chính xác cỡ micromet, thời
gian đáp ứng nhanh, hạn chế tối đa quá điều chỉnh. Nhận thấy với cơ cấu truyền động này
cần để ý tới các yếu tố rất khó xác định đƣợc chính xác là khe hở của bánh răng, ma sát
trên trục, độ xoắn của khớp nối mềm, độ cứng vững của vật liệu. Các thành phần này biến
2


động ở chế độ chạy đều và xác lập. Đây là bài toán chƣa đƣợc xét đến trong các phƣơng
pháp điều khiển trƣớc đây [3].
Với nhiệm vụ đặt ra, luận án đề ra mục tiêu:
- Xây dựng mơ hình tốn động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống
phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong
đó có tính đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số, cụ thể là việc xét
đến các yếu tố khe hở của bánh răng trong hộp số, ma sát động, ma sát tĩnh và độ
đàn hồi của vật liệu cũng nhƣ khớp nối mềm giữa trục động cơ với tải.
- Phân tích các thuật tốn điều khiển đã có, dựa trên đặc tính của đối tƣợng xây dựng
phƣơng pháp điều khiển thích hợp, trên nguyên tắc kết hợp các phƣơng pháp điều
khiển đã có: Điều khiển khơng gian trạng thái gán điểm cực, điều khiển trƣợt, điều
khiển mờ - nơ ron, bền vững, thích nghi. Để giải bài tốn điều khiển chính xác vị trí
cho hệ thống phân phối vật liệu nano;
- Mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất, định hƣớng ứng dụng trong việc phân
phối vật liệu chế tạo pin mặt trời màng mỏng hoặc các ứng dụng y sinh (ADN hoặc
kháng nguyên)...

4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Luận án thực hiện là một hệ truyền động cơ khí qua nhiều khâu
bánh răng, khớp nối mềm, vít me, đai ốc... là một hệ phi tuyến, mang nhiều yếu tố bất định,
trong khi một số phƣơng pháp điều khiển hiện có lại thích hợp với từng đối tƣợng có đặc
thù riêng, nên luận án đặt ra là chỉ tập trung vào xây dựng mơ hình đối tƣợng điều khiển,
có hệ chuyển động xuất phát từ động cơ DC truyền động qua hộp số giảm tốc (bánh răng),
gắn với trục truyền động vít me bi thơng qua khớp nối mềm, trục chuyển động thẳng qua
đai ốc bi, tín hiệu phản hồi trực tiếp tại đầu ra.
Do hệ truyền chuyển động là một hệ cơ khí nên mơ hình trạng thái phi tuyến mang
nhiều yếu tố bất định, bởi vậy khi xây dựng phƣơng pháp điều khiển dựa trên cơ sở các
phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc thừa nhận trong công nghiệp. Luận án tập trung vào
phạm vi nghiên cứu sau:
- Xây dựng mơ hình động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống phân
phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong đó kể
đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số.
- Kết quả mô phỏng đƣợc với các tham số yêu cầu của hệ mơ hình, cụ thể: Vị trí cần
nhỏ vật liệu xuống bề mặt sản phẩm cần phân phối nhỏ hơn 106 µm2, độ phân giải
giữa hai điểm nhỏ vật liệu của tấm pin lớn hơn 106 micromet, thời gian đáp ứng cỡ
1 giây, giảm thiểu quá điều chỉnh, hệ luôn ổn định bền vững khi tham số của hệ
thay đổi và nhiễu. Thử nghiệm dịch chuyển với các vị trí bƣớc (nhỏ hơn 1000
micromet/ 1bƣớc).

3


- Xây dựng phƣơng pháp điều khiển ít phụ thuộc vào yếu tố bất định của mơ hình
tốn hoặc ít phụ thuộc vào mơ hình tốn mơ tả đối tƣợng điều khiển. Phƣơng pháp
điều khiển dự báo thích nghi sẽ là nền tảng chính trong nghiên cứu này.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về mơ hình phân phối vật

liệu, các hệ phi tuyến, các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc công bố trên tài liệu,
tạp chí.
- Mơ phỏng, đánh giá kết quả hệ thống phân phối vật liệu nano sử dụng phần mềm
Matlab - Simulink.
- Thử nghiệm ứng dụng của hệ thống phân phối vật liệu trên một trục với số vật liệu
đơn giản tiến tới hoàn thiện và mở rộng đối tƣợng nghiên cứu.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Luận án nghiên cứu một hệ phi tuyến điển hình là hệ phân phối vật liệu nano. Trên cơ
sở đó đề xuất một mơ hình tốn xét đến các thành phần phi tuyến điển hình và ứng dụng
thuật toán điều khiển tiên tiến để giải quyến bài toán đối tƣợng phi tuyến sao cho phù hợp.
Thuật toán đƣợc đề xuất mở ra một hƣớng điều khiển mới cho một lớp đối tƣợng phi tuyến
tƣơng đồng. Giá trị học thuật của luận án là đề xuất mơ hình phi tuyến phù hợp cho đối
tƣợng và xây dựng bộ điều khiển phi tuyến cho đối tƣợng đã đƣợc xây dựng.
Mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano đƣợc xây dựng trong luận án là cơ sở cho
nhiều nghiên cứu tiếp theo nhằm áp dụng cho các hệ thống điều khiển hiện đại, thơng minh
có thể phát triển mơ hình thành một robot đặt các nơ ron thần kinh lên trên bề mặt của vi
điện cực dạng mảng.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể giảm thời gian phân phối, tăng độ chính xác cho các hệển đƣợc tính bằng cơng thức sau:

lcd 

f dk *s
A* h

(5.28)

Trong đó:

- lcd là quãng đƣờng chuyển động li trên toàn trục;
- fdk là số xung điều khiển phát ra từ bộ xử lý trung tâm đƣa tới mạch công suất;
- s = 2 mm là bƣớc ren của vít me bi và đai ốc;
- A =8000 xung/vòng là số xung phản hồi tới đầu vào xử lý trung tâm trên một vòng
quay;
- h =246.48 là tỷ số truyền của hộp số ghép nối giữa động cơ và trục vít me bi thông qua
khớp nối mềm (coi là lý tƣởng tỷ lệ 1:1).
Vậy khoảng cách dịch chuyển trên một xung điều khiển là:

lch1 

f dk *s
1* 2

 1,0142811.106 mm  1,0142811nm (5.29)
A * h 8000* 246, 48

Giả sử khoảng cách cần di chuyển thực tế là 100μm thì ta có:

f dk 

lch * A* h 100.103 *8000* 246, 48

 98592 xung
s
2

117

(5.30)

Phụ lục 02: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano
2.1 Các bản vẽ chi tiết hệ thống phân phối vật liệu nano
Chi tiết thiết kế mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano đƣợc thể hiện trong các (hình
6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5):

Hình 6.1 Bản vẽ chi tiết của mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano

Hình 6.2 Bản vẽ lắp ghép mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano

118


Hình 6.3 Bản vẽ hình chiếu sơ đồ khối 3D mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano

Hình 6.4 Bản vẽ sơ đồ khối 3D mơ hình hệ thống phân phối vật liệu nano

2.2. Tính tốn thiết kế bộ điều khiển
2.2.1. Xây dựng sơ đồ khối điều khiển
Bộ điều khiển đƣợc thực hiện trên cơ sở thiết bị điện tử, thiết bị vào ra và các thiết bị
số. Nó đƣợc coi là trái tim của hệ thống điều khiển phân phối vật liệu nano.
Các lệnh điều khiển vị trí thực hiện các thao tác tính tốn, xử lý thuật toán bên trong bộ
điều khiển. Từ bộ điều khiển phát lệnh tới mạch công suất để điều khiển cho động cơ
chuyển động quay đúng với số vòng cần thiết, qua hộp số truyền chuyển động tới trục vít
me quay đúng số vòng tƣơng ứng, kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy.
Số vịng quay của trục đƣợc điều khiển thơng qua cảm biến encoder lắp trực tiếp ở đầu
ra trục vít me, đo đƣợc chính xác số xung phản hồi về để thực hiện phản hồi đƣa tới bộ
điều khiển trung tâm, tính tốn và xử lý thuật tốn để xác định đƣợc chính xác vị trí chuyển
động.

Trong hệ thống sử dụng các cảm biến xác định hành trình đầu và hành trình cuối hệ
thống
119


Sơ đồ khối điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano đƣa ra trên hình 3.5.
Máy
Máy tính
tính

Giao
Giao tiếp
tiếp
Interface
Interface
Nút
Nút nhấn
nhấn

Hiển
Hiển thị
thị

Bộ
Bộ điêu
điêu khiển
khiển
trung
trung tâm
tâm

Mạch
Mạch cơng
cơng
suất
suất

Cảm
Cảm biến
biến

Hình 6.5 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối vật liệu đƣợc thực hiện nhƣ sau: Bảng
điều khiển đƣợc thiết kế thông qua giao diện đƣợc điều khiển trên máy tính, để thực hiện
tính tốn các tọa độ cũng nhƣ nội suy đƣợc thực hiện lƣu trong bộ nhớ của máy tính, sau
đó truyền xuống qua cổng giao tiếp nối tiếp USB, qua card giao tiếp Interface đƣa tới vi
điều khiển. Vi điều khiển nhận lệnh thực hiện gửi tín hiệu tới mạch giao tiếp cách ly. Mạch
cách ly kích hoạt mạch cơng suất để điều khiển động cơ DC có hệ số truyền chuyển động
tới vị trí cần phân phối. Điểm chuyển động đƣợc giám sát thông qua xung gửi về từ cảm
biến đo để hiệu chỉnh các sai số. Cứ nhƣ vậy hết vị trí này đến vị trí khác, khi nào mà máy
tính gửi lệnh dừng thì động cơ ngừng hoạt động. Điều này nghĩa là điểm truy xuất từ máy
tính gửi xuống để phân phối vật liệu đã hết hoặc gặp lệnh dừng. Khi ấy hệ thống tự động
thiết lập lại, trở về vị trí gốc. Sau mỗi lần thực thi bộ điều khiển lại gửi lệnh về máy tính để
thơng báo đã thực hiện xong cơng việc và chờ lần ra lệnh tiếp theo
Bảng 6.1 Chức năng các khối cho sơ đồ khối điều khiển

TT

Khối

Chức năng các khối

1

Nguồn

Cung cấp nguồn +5VDC cho mạch vi điều khiển và giao tiếp cách ly,
+24VDC cho mạch công suất và động cơ

2

Nút nhấn

-

3

Cảm biến

- Cảm biến tiệm cận có tác dụng xác định vị trí gốc
- Cảm biến Encoder gắn trên trục vít me đo trƣợc tiếp tín hiệu phản
hồi đầu ra

4

Máy tính

Nhận các lệnh điều khiển từ vi xử lý thơng qua mạch truyền thơng
interface, đồng thời tính tốn nội suy xử lý thuật toán đƣa ra lệnh

điều khiển, qua truyền thông tới bộ vi xử lý thực hiện bƣớc tiếp theo

5

Vi xử lý

Chíp xử lý trung tâm xử lý dữ liệu truyền thông, điều khiển mạch
công suất, hiển thị

6

Giao tiếp

Truyền thơng qua cổng USB giữa máy tính và chip điều khiển

Thực hiện các lệnh khởi động, tắt, tạm dừng cho hệ thống

120


7

Mạch
cơng suất

Khuyếch đại dịng điều khiển đơng cơ trục và điều khiển cuộn hút
phân phối vật liệu

9

Hiển thị

Hiển thị trạng thái hoạt động

2.2.2. Khối nguồn
Khối nguồn có vai trị quan trọng trong việc cấp nguồn và hoạt động ổn định của mạch
và động cơ. Hệ thống phân phối vật liệu hoạt động địi hỏi dịng ni có giá trị cao và ổn
định. Do đó, nguồn cấp cần đảm bảo đủ công suất để chịu tải ở thời điểm khởi động động
cơ và trong suốt quá trình các động cơ hoạt động, đồng thời phải thỏa mãn yêu cầu hoạt
động ổn định, không là nguồn gây nhiễu cho các mạch chức năng trong hệ thống, chống
việc khởi động lại chíp điều khiển trong quá trình hệ thống phân phối vật liệu hoạt động.

Hình 6.6 Sơ đồ khối nguồn

 Khối nguồn: Gồm một biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 28VAC
 Khối chỉnh lƣu: Gồm 4 diode mắc hình cầu chỉnh lƣu nguồn AC thành nguồn một
chiều DC
 Khối bảo vệ: Gồm cầu chì bảo vệ q dịng
 Khối lọc: Gồm tụ lọc nguồn chính san phẳng điện áp, một tụ lọc nhiễu cao tần
 Khối nguồn ổn áp 5VDC: Sử dụng IC 7805
 Khối nguồn ổn áp 24VDC: Sử dụng IC 7824 và transistor nâng dòng
2.2.3. Khối vi xử lý MCU
Khối vi điểu khiển giao tiếp công suất: Sử dụng vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO.
Đƣợc sử dụng xử lý các câu lệnh toán học truyền và nhận giao tiếp với cad giao tiếp
interface. Đƣa tín hiệu lệnh điều khiển tới mạch cơng suất, nhận các tín hiệu điều khiển
giao tiếp đầu vào và cảm biến

121

Hình 6.7 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO

122


Hình 6.8 Sơ đồ board mạch vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO

123


Khối vi điều khiển giao tiếp interface: Là một chíp vi điều khiển, đƣợc thiết lập một hệ
nhúng có chức năng điều hành toàn bộ hoạt động của hệ thống. Để đáp ứng các yêu cầu
thiết kế bài toán, qua tính tốn và khảo sát thực nghiệm trên nhiều hệ vi xử lý khác nhau,
kết quả tốt nhất và phù hợp với yêu cầu đề ra sử dụng mạch tích hợp hệ thống nhúng chíp
STM32Fx tham khảo trên trang Website />
Hình 6.9 Sơ đồ khối điều khiển chíp STM32Fx

Trong khối giao tiếp Interface cịn có các mạch hỗ trợ nhƣ: mạch khởi động nóng
(reset), mạch dao động thạch anh, mạch nạp chƣơng trình, mạch nhận các tín hiệu đầu vào
nhƣ tín hiệu nút bấm, mạch xử lý giao tiếp, mạch kết nối giao tiếp USB, Khối giao tiếp
với máy tính thông qua USB...

124


Hình 6.10 Sơ đồ ngun lý chíp ST-LINK/V2 (SWD only)

125