Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 45
GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG DSP 
Trần Đức Chuyển*, Nguyễn Đức Điển 
Tóm tắt: Trong bài báo này, các tác giả trình bày một giải pháp logic mờ để 
nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP trên cơ sở đề 
cấp đến vấn đề thiết kế các bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thông qua 
Matlab - Simulink và card Dspace 1104 để điều khiển tốc độ động cơ điện một 
chiều. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển mờ 
đem lại chất lượng điều khiển tốt hơn bộ điều khiển PID, đảm bảo các chỉ tiêu chất 
lượng điều khiển, không có độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ ngắn cùng một 
lúc. Hệ thống điều khiển này có ưu điểm gọn nhẹ, làm việc an toàn, tin cậy, độ 
chính xác cao, xử lý nhiều dữ liệu của hệ thống một cách đồng thời và nhanh chóng. 
Từ khóa: Điều khiển động DC; Điều khiển logic mờ; Cạc DSP 1104; Điều khiển động cơ DC dùng DSP. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Hiện nay, cùng với sự phát triển ngày càng cao của kỹ thuật vi xử lý và máy tính, hệ 
truyền động điện số ngày càng được ứng dụng rộng rãi và dần thay thế cho hệ truyền động 
điều khiển tương tự. Bộ điều khiển kinh điển PID cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ 
thống truyền động các hệ thống chuyển động chính xác bao gồm: điều khiển tốc độ và vị 
trí các tay máy rôbốt công nghiệp, móc sản xuất, máy công cụ CNC, ..v.v... Ưu điểm của 
bộ điều khiển PID là có cấu trúc đơn giản và dễ dàng thực hiện. 
Trong quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển, đặc biệt là các hệ điều khiển 
chuyển động của máy luôn có sự xuất hiện của ma sát, đàn hồi, nhiễu. Khi đó, tham số của 
đối tượng thay đổi, bộ điều khiển PID sẽ không đáp ứng được chất lượng điều khiển. Mặt 
khác, do yêu cầu ngày càng tăng của thực tế sản xuất như tốc độ, độ chính xác và sự ổn 
định, nếu chỉ sử dụng bộ PID thì sẽ có nhiều hạn chế thậm chí mất ổn định. Khả năng 
thích ứng kém, chống nhiễu kém, bộ điều khiển PID không thể đạt được đáp ứng điều 
khiển nhanh và độ quá điều chỉnh nhỏ. 
Trong [1] đã sử dụng thiết bị DSP để nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ điện một 
chiều sử dụng bộ điều khiển PID. Kết quả của [1] cho thấy mặc dù thời gian đáp ứng điều 
khiển nhanh, nhưng còn tồn tại độ quá điều chỉnh cao, chưa đáp ứng được các chỉ tiêu chất 
lượng điều khiển hiện nay. 
Nhằm nâng cao chất lượng bộ điều khiển, trong [2] đã sử dụng logic mờ kết hợp với 
mạng nơron, áp dụng điều khiển cho tốc độ động cơ một chiều không chổi than (BLDC). 
Kết quả thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 của [2] cho thấy mặc dù không tồn tại độ 
quá điều chỉnh nhưng thời gian đáp ứng điều khiển không được cải thiện đáng kể so với 
phương pháp điều khiển PID. 
Trong bài báo này, các tác giả sử dụng bộ điều khiển mờ theo luật PI để nâng cao chất 
lượng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Bộ điều khiển của bài báo đơn giản hơn 
[2] nên khối lượng tính toán nhanh hơn và vì vậy mà khả năng điều khiển theo thời gian 
thực sẽ tốt hơn. Kết quả các tác giả thu được có đáp ứng điều khiển nhanh và không tồn tại 
độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Các tác giả sử dụng phần mềm Matlab - Simulink và thiết 
bị Dspace 1104 để nhận dạng đối tượng, thiết kế, kiểm chứng thực nghiệm, đánh giá chất 
lượng của bộ điều khiển, [6, 7]. 
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 
2.1. Xây dựng mô hình và cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 46 
Đối tượng nghiên cứu tác giả sử dụng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 
Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều được minh họa như hình 1. 
Hệ truyền động điện cho động cơ là hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý 
điều chế độ rộng xung (PWM). 
Hình 1. Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ 
một chiều sử dụng hệ truyền động xung áp. 
Hình 2. Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ 
một chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104. 
Hệ truyền động điện cho động cơ là hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý 
điều chế độ rộng xung (PWM). 
Cấu trúc trúc điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104 
như trên hình 2. Trong đó, Dspace 1104 sử dụng kênh đọc encoder để tính toán tốc độ thực 
của động cơ, xuất xung PWM với tần số 5KHz để cấp cho mạch lực. Giao diện được thiết 
kế trên phần mềm Control Desk dùng để giám sát, thu thập và điều khiển đối tượng trên 
máy tính. 
Thiết bị phần cứng Dspace 1104 là thiết bị điều khiển số do hãng Dspace của Đức sản 
xuất dựa trên bộ xử lý tín hiệu số DSP dấu phẩy động thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của 
hãng Texas Instruments (Mỹ). Dspace 1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ 
điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Theo [3], sơ đồ khối thiết bị 
Dspace 1104 như hình 3. 
Hình 3. Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 [3]. 
Hình 4. Mô hình bàn nghiên cứu điều 
khiển tốc độ động cơ sử dụng thiết bị 
Dspace 1104. 
Xây dựng mô hình thực nghiệm: Mục tiêu quá trình thực nghiệm là để chứng minh khả 
năng làm việc của bộ điều khiển tốc độ làm việc được theo thời gian thực trên cơ sở 
phương pháp đã đưa ra nhằm đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển mờ khi kết 
hợp với phần cứng chuyên dụng DSP để điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Mô hình 
thực nghiệm bài báo áp dụng là “Bàn thực nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ điện một 
chiều” tại xưởng thực hành “Truyền động điện” của khoa Điện, trường Đại học Kinh Tế - 
Kỹ Thuật Công Nghiệp, bao gồm: Phần cứng Dspace 1104, máy tính nhúng cấu hình cao: 
Mainboard H110; Bộ vi xử lý/Chip Intel G4400 (3M Cache, 3.30 GHz); Ram 4G; được 
cài đặt với phần Driver đi kèm của cạc DSP, động cơ một chiều kích từ độc lập: Công suất 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 47
định mức 2,2 kW; điện áp phần ứng định mức 220V; điện áp kích từ định mức 200V; dòng 
điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 1750 vòng/phút, encoder có độ phân giải 
cao 1000 xung/vòng; thời gian trích mẫu t = 10-3s, kết hợp các phần mềm chuyên dụng 
Matlab R2009 trở lên; phần mềm lập trình các thuật toán bằng ngôn ngữ C và CCS (code 
composer studio); Ngoài ra, còn có hệ thống nguồn công suất, các thiết bị đo lường, ..v.v... 
như bàn thực hành thực tế ở hình 4. 
Tiếp theo ta nghiên cứu lập trình kết nối, thiết kế bộ điều khiển, khảo sát, đánh giá các 
kết quả thực nghiệm với mô hình thực nghiệm đã nêu ở trên, [8, 9, 10]. 
Nhận dạng mô hình toán hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều: Trước hết ta đi 
nhận dạng mô hình tính toán hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều được xây dựng 
chương trình trên Matlab - simulink để thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng như hình 5. 
Hình 5. Chương trình Simulink thu thập dữ 
liệu vào/ra của đối tượng. 
Hình 6. Đáp ứng thực nghiệm thu thập dữ 
liệu tốc độ động cơ điện một chiều. 
Chương trình này được biên dịch và được nạp vào thiết bị Dspace 1104 để điều khiển 
động cơ một chiều thực, với số liệu động cơ như đã cho ở trên. Và kết quả thu thập dữ liệu 
trên Control Desk như hình 6. 
Từ dữ liệu thu thập trên hình 6, mô hình toán học của đối tượng có thể xấp xỉ dạng 
khâu quán tính bậc nhất có dạng, [7]: 
 W(s)
1
K
Ts
 (1) 
trong đó: K = 11; T = 0,3185. 
Quá trình trên thực tế là ta đã đi xây dựng hàm truyền vào ra bằng phương pháp thực 
nghiệm và sau đó đi nhận dạng tham số của khâu (1) kết quả đạt được như hình 6 ở trên. 
Thiết kế bộ điều khiển PID: Với đối tượng là động cơ điện một chiều được điều khiển 
tốc độ, các tác giả lựa chọn khâu điều chỉnh PI. Theo [8], khâu điều chỉnh PI trên miền 
gián gián đoạn có tính đến chống bão hòa tích phân (phương pháp điều chỉnh ngược trở lại 
đối với sai số điều chỉnh) có dạng: 
 ( ) ( ) . ( 1) ( 1)r P c ru k V e k d e k u k (2) 
Với ( );ce k d được viết: 
1
( ) ( ) ( ) ( )c c r
P
e k e k u k u k
V
 (3) 
 (1 )
I
P
V
d T
V
 (4) 
Trong đó: ru - Giá trị điện áp điều khiển thực sự được thực hiện; cu - Giá trị điện áp 
điều khiển được hiệu chỉnh; e - Là giá trị sai số điều khiển; PV - Hệ số tỉ lệ khâu điều 
chỉnh PI; IV - Hệ số tích phân khâu điều chỉnh PI. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 48 
Theo [8], khâu điều chỉnh PI được xây dựng trên Simulink như hình 7. 
Hình 7. Khâu điều chỉnh PI trên Simulink. 
Hình 8. Chất lượng bộ điều khiển PID. 
Các tham số Vp, VI được chọn trên cơ sở phương pháp thực nghiệm Zeigler - Nichols. 
Sau khi chọn được tham số Vp, VI, ta tính được tham số Vp và d. Tuy nhiên, do thiết kế 
theo phương pháp thực nghiệm, nên để nâng cao chất lượng điều khiển: thời gian quá độ 
ngắn và độ quá điều chỉnh nhỏ, cần hiệu chỉnh thêm hai tham số Vp và d. Bộ tham số hiệu 
chỉnh tìm được là: VP = 0,01; d = 0,99 (với T = 0,002). Chất lượng bộ điều khiển PI sau 
khi thiết kế như hình 8. 
2.2. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ dùng điều khiển mờ 
Do đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng, nên tác giả lựa chọn bộ điều khiển mờ 
theo luật PI. Theo [7], cấu trúc của bộ điều khiển như hình 9. 
Hình 9. Sơ đồ hệ thống sử dụng BĐK mờ theo 
luật PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều [10]. 
Hình 10. Cấu trúc bộ điều khiển mờ. 
Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào là sai lệch E, đạo hàm sai lệch DE và một tín 
hiệu ra DU. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ được minh họa như hình 10. 
Hình 11. Mờ hóa đầu vào E. 
Hình 12. Mờ hóa đầu vào DE 
Hình 13. Mờ hóa đầu ra DU. 
Bảng 1. Bảng luật mờ. 
Bảng luật mờ được xây dựng như bảng 1. Quan hệ vào ra bộ điều khiển mờ như hình 14. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 49
Các hệ số chuẩn hóa của bộ điều khiển mờ như sau: K1 = 0,02; K2 = 0,005, Ku = 15. Sơ 
đồ mô phỏng thiết kế trên Simulink điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ điều khiển PID 
và bộ điều khiển mờ được minh họa như hình 15. 
Hình 14. Quan hệ vào ra bộ BĐK mờ. 
Hình 15. Cấu trúc bộ điều khiển mờ. 
2.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID 
Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển trên Matlab Simulink như hình 16, hình 17: 
Hình 16. Đồ thị so sánh đáp ứng tốc độ 
động cơ của các bộ điều khiển. 
Hình 17. Đồ thị so sánh sai lệch tốc độ động 
cơ của các bộ điều khiển. 
Kết quả mô phỏng trên cho thấy chất lượng bộ điều khiển mờ tốt hơn bộ điều khiển 
PID, đạt chỉ tiêu chất lượng: không có độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ ngắn cùng 
một lúc, lượng ra bám sát lượng vào ở quá trình cân bằng. 
3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
Sau khi thiết kế mô phỏng các bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID, ta tiến hành 
thực nghiệm các bộ điều khiển với thiết bị phần cứng Dspace 1104 như sau: 
Chương trình điều khiển kết hợp thời gian thực trên Simulink với bộ điều khiển PID và 
bộ điều khiển mờ như hình 18 và hình 19. 
Hình 18. Chương trình điều khiển thời gian 
thực trên Simulink với bộ điều khiển PID. 
Hình 19. Chương trình điều khiển thời gian 
thực trên Simulink với bộ điều khiển mờ. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
T. Đ. Chuyển, N. Đ. Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng điện một chiều sử dụng DSP.” 50 
Kết quả điều khiển thời gian thực với bộ điều khiển PID trên Control Desk với tín hiệu 
tốc độ đặt là 6 vòng/giây như hình 20. 
Hình 20. Chương trình điều khiển thời gian 
thực trên Simulink với bộ điều khiển PID. 
Hình 21. Chương trình điều khiển thời gian 
thực trên Simulink với bộ điều khiển mờ. 
Với bộ điều khiển mờ, kết quả điều khiển thực trên Control Desk khi tín hiệu tốc độ đặt 
là 6 vòng/giây như hình 21. 
Hình 22. Điều khiển thực trên Control Desk 
với bộ điều khiển PID khi tốc độ đặt 
thay đổi liên tục. 
Hình 23. Điều khiển thực trên Control 
Desk với bộ điều khiển mờ khi tốc độ đặt 
thay đổi liên tục. 
Khi tín hiệu tốc độ đặt thay đổi liên tục, kết quả điều khiển thực với bộ điều khiển PID 
như hình 22 và bộ điều khiển mờ như hình 23. 
Quan sát kết quả điều khiển thực nghiệm các trường hợp điều khiển tốc độ động cơ 
thông qua Dspace 1104 và phần mềm Control Desk cho thấy việc sử dụng bộ điều khiển 
mờ đem lại chất lượng điều khiển tốt hơn bộ điều khiển PID, đạt chỉ tiêu chất lượng thời 
gian quá độ ngắn và không có độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Hơn nữa, bộ điều khiển tốc 
độ được được thiết kế có khả năng giữ được tốc độ động cơ ổn định khi thay đổi (tăng 
hoặc giảm). Đây là một trong những kết quả tốt được minh chứng cho bộ điều khiển đã 
được thiết kế. 
4. KẾT LUẬN 
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID và điều khiển mờ trên Matlab - Simulink và 
kết quả thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 điều khiển động cơ một chiều thực cho thấy 
việc sử dụng bộ điều khiển mờ đã nâng cao được chất lượng điều khiển tốc độ động cơ 
một chiều, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng, đặc biệt là thời gian quá độ ngắn và 
không có độ quá điều chỉnh cùng một lúc. Các kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng bộ điều 
khiển được tính toán, thiết kế trong bài báo hoàn toàn có thể thực hiện trên thực tế trong 
các máy móc công nghiệp và quốc phòng hiện nay. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Santi Wangnipparnto, Satean Tunyasrirut, “Simulation of speed control DC motor 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 51
by using DSP board for Electrical Engineering Education”, JSST 2012 
International Conference on Simulation Technology, Graduate School of System 
Informatics - Kobe UniversityGraduate School of System Informatics - Kobe 
University, (2012). 
[2]. M. Gokbulut, B. Dandil, and C. Bal., “Development and Implementation of a Fuzzy 
– Neural Network Controller for Brushless DC Drives”, Intelligent Automation and 
Soft Computing, vol. 13, No. 4, pp. 423 – 435, TSI Press, (2007). 
[3]. dSPACE GmbH, “Hardware Installation and Configuration For DS1104 and 
CP1104/CLP1104 Connector Panels”, System Manual, (2004). 
[4]. Asif Sabanovic, Leonid M. Fridman and Sarah Spurgeon, Variable Structure 
Systems from principles to implementation, first published, (2004). 
[5]. J.J. Slotine and W. Li, “Applied Nonlinear Control”. Englewood Cliffs, NJ: 
Prentice-Hall, (1991). 
[6]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà xuất bản 
Khoa học và kỹ thuật, (1999). 
[7]. Nguyễn Doãn Phước (2009), “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, Nhà xuất bản Khoa 
học và kỹ thuật. 
[8]. Nguyễn Phùng Quang (2006), “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất bản Khoa 
học và kỹ thuật 
[9]. Nguyễn Phùng Quang (2008), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư Điều khiển tự 
động”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 
[10]. Huỳnh Thái Hoàng (2006), “Hệ thống điều khiển thông minh”, Nhà xuất bản Đại 
Học Quốc Gia TP.HCM 
ABSTRACT 
THE SOLUTION IMPROVE QUALITY DIRECTOR CURRENT 
MOTOR CONTROL USING DSP 
In this paper, a fuzzy logic solution for improving the quality control of DC 
(Direct Current) motors using digital signal processor on the basis of designing 
PID controllers and fuzzy controllers is presented. The through Matlab - Simulink 
and card DSpace 1104 to control speed DC motor. The simulated and experimental 
results show that the use of a fuzzy controller provides better control over the PID 
controller, ensuring quality control parameters, no over adjustment and over time 
short in the same time. The system control has the advantage of being simple, safe, 
reliable and accurate and it can deal with various data of the system simultaneously 
and rapidly. 
Keywords: The control of DC motor, Fuzzy logic control, Card DSP 1104, DC motor control using DSP. 
Nhận bài ngày 19 tháng 6 năm 2017 
Hoàn thiện ngày 25 tháng 10 năm 2017 
Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 11 năm 2017 
Địa chỉ: 
 Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp - Bộ Công thương. 
 *Email: tdchuyen@uneti.edu.vn.