Nghiên cứu số hóa hệ truyền động bám điều khiển quay kênh tầm và hướng các tổ hợp cơ khí

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
48 Số 20 
NGHIÊN CỨU SỐ HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM ĐIỀU KHIỂN QUAY KÊNH TẦM 
VÀ HƯỚNG CÁC TỔ HỢP CƠ KHÍ 
STUDY OF THE IMPLEMENTATION OF A SERVOSYSTEM FOR CONTROLLING 
MECHANICAL COMPLEXES IN THE VERTICAL AND HORIZONTAL DIRECTIONS 
Nguyễn Ngọc Tuấn1, Bùi Đức Cường1, Phạm Đức Trung2 
1Học viện Kỹ thuật quân sự, 2Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 04/05/2019, Ngày chấp nhận đăng: 30/07/2019, Phản biện: TS. Trịnh Khánh Ly 
Tóm tắt: 
Bài báo trình bày việc thiết kế hệ thống truyền động bám cải tiến ЭCП-57 điều khiển bệ pháo phòng 
không 57 với hệ thống điều khiển số, sử dụng động cơ chấp hành BLDC. Mô hình hệ truyền động 
bám cải tiến được mô phỏng trên Matlab/Simulink và thử nghiệm trên mô hình vật lý. Bộ điều khiển 
được xây dựng dựa trên chip lập trình DSPIC. Kết quả mô phỏng và kết quả thử nghiệm trên 
mô hình hệ truyền động ЭCП-57 kênh hướng đã minh chứng cho các tính năng bộ điều khiển được 
thiết kế. 
Từ khóa: 
Hệ truyền động bám, điều khiển số, BLDC. 
Abstract: 
The article describes the design of improved servo-electric drive of the 57mm anti-aircraft artillery 
machine using a digital control system and BLDC. The servo-electric drive is modeled in Matlab/ 
Simulink environment and evaluated on a physical machine. Its controller was built using a dsPIC 
microcontroller. The simulation and test results on mockup of drive system in horizontal direction 
proved capabilities of the designed controller. 
Keywords: 
Servo-electric drive, digital control, BLDC. 
1. MỞ ĐẦU 
Hệ truyền động bám ЭCП-57 đang sử 
dụng hiện nay được Liên Xô trang bị từ 
những năm 50 của thế kỷ XX được xây 
dựng trên cơ sở sử dụng động cơ điện một 
chiều với khuếch đại máy điện. Hệ thống 
này làm việc tốt trong chế độ tĩnh, có khả 
năng quá tải lớn, nhưng độ tin cậy làm 
việc không cao, hiệu suất năng lượng 
thấp, thường xuyên phải bảo dưỡng (do 
sự tồn tại của cổ góp chổi than của máy 
điện một chiều). Sự phát triển mạnh của 
khoa học kỹ thuật, sự ra đời của các thiết 
bị bán dẫn, kỹ thuật điều khiển số lập 
trình, hệ truyền động điện xoay chiều với 
nhiều tính năng ưu việt như độ tin cậy 
cao, an toàn, giá thành chế tạo rẻ ngày 
càng phát triển và sử dụng hiệu quả. Hệ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 20 49 
truyền động xây dựng trên cơ sở sử dụng 
động cơ BLDC thay thế động cơ một 
chiều kích từ động lập cùng với bộ điều 
khiển số sẽ đem lại hiệu quả lớn trong 
việc ứng dụng thiết kế, cải tiến các hệ 
truyền động điện[1,2,3]. 
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ TRUYỀN 
ĐỘNG BÁM SỐ 
Hệ truyền động quay sử dụng động cơ 
một chiều (ЭCП-57) do Liên Xô sản xuất 
với động cơ chấp hành là động cơ một 
chiều kích từ độc lập MИ32TA, khuếch 
đại công suất là ЭMY12A3, khuếch đại 
sơ bộ được thiết kế trên nền tảng của các 
bóng đèn điện tử. Với nhiều nhược điểm 
hệ truyền động ЭCП57 hoạt động kém 
hiệu quả, hỏng hóc nhiều nên cần được 
thay thế hiện đại hóa. Sự phát triển của 
các thiết bị bán dẫn, thiết bị số lập trình 
cùng với lý thuyết điều khiển hiện đại cho 
phép chúng ta xây dựng các hệ thống 
truyền động điều khiển số có chất lượng 
cao. Ở Việt Nam, việc cải tiến hóa hệ 
truyền động ЭCП57 cũng đã được quan 
tâm thực hiện, đó là công trình nghiên cứu 
thực hiện ở nhà máy A34 nhưng mới chỉ 
dừng lại ở việc thay thế khối khuếch đại 
ЭMY12A3 bằng khếch đại bán dẫn công 
suất, khuếch đại sơ bộ và xử lý tín hiệu 
cũng đã bán dẫn hóa, động cơ chấp hành 
vẫn là động cơ một chiều kích từ độc lập 
MИ32TA, phần tử đo lường vị trí vẫn sử 
dụng là xen xin nên hệ thống vẫn còn tồn 
tại nhiều nhược điểm. Chính vì vậy, bài 
báo đi sâu nghiên cứu cải tiến hệ truyền 
động trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật điều 
khiển số, nghiên cứu thay thế động cơ 
một chiều kích từ động lập bằng động cơ 
BLDC, thiết bị đo lường cảm biến góc sử 
dụng là encoder tuyệt đối. Sơ đồ khối 
chức năng hệ thống hệ truyền động bám 
số điều khiển quay kênh tầm và kênh 
hướng cải tiến được đưa ra như sau: 
Mái tính điều 
khiển
Màn hình 
quan sát các 
tham số
Bộ điều khiển(kênh tầm) 
trên cơ sở DSPIC
Động cơ chấp hành
(kênh tầm)
Hộp đổi 
tốc
Bệ pháo
Bộ điều khiển(kênh hướng)
trên cơ sở DSPIC
Hộp đổi 
tốc
 Khuếch đại công 
suất
(kênh tầm)
Khuếch đại công 
suất
(Kênh hướng)
Giao diện 
người máy
RS485
RS485
Cảm biến góc tuyệt đối
Cảm biến góc tuyệt đối
Tham số 
điều khiển 
từ TTCH
Động cơ chấp hành
(kênh hướng)
Cảm biến vị trí rô to Hall
Cảm biến vị trí rô to Hall
Hình 1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền động điều khiển quay bệ pháo ЭCП-57 cải tiến 
Việc tổng bộ điều khiển PID số trên bo 
mạch thiết kế hứa hẹn nhiều ứng dụng 
thiết thực trong quân sự được sử dụng 
thiết kế bộ điều khiển. Trong nghiên cứu 
đã đưa ra xây dựng bộ điều khiển trên cơ 
sở bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng 
chíp lập trình DSPIC. 
Bằng việc tổng hợp hệ thống truyền động 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
50 Số 20 
điện điều khiển cải tiến theo các vòng lệ 
thuộc sử dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 
cho kênh hướng, xây dựng sơ đồ mô 
phỏng trên phần mềm MatLab-simulink 
như sơ đồ hình 2. 
Từ kết quả mô phỏng hệ truyền động 
kênh hướng điều khiển ЭCП-57 sử đụng 
động cơ chấp hành BLDC ta thấy chất 
lượng hệ thống điều khiển đảm bảo. Độ 
quá điều chỉnh khoảng 30%, thời gian quá 
độ 2 giây, sai số tĩnh rất nhỏ (dưới 2%). 
Khi đóng tải, vị trí có bị thay đổi nhưng 
sau gần 2 giây lại bám sát giá trị đặt với 
sai số không quá 3%. 
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điều khiển ЭCП-57 cải tiến 
Hình 3. Kết quả mô phỏng dòng điện, tốc độ khi và vị trí khi có tải tác động 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 20 51 
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Ứng dụng các ưu điểm bộ điều khiển số 
[1,4,5], nhóm tác giả tổng hợp bộ điều 
khiển PID số thực hiện trên môđun điều 
khiển trung tâm tự thiết kế đưa ra hình 4. 
Chương trình thuật toán viết trên ngôn 
ngữ C, với chíp DSPIC điều khiển trung 
tâm trên bo mạch điều khiển. Bo mạch 
thực hiện tổng hợp luật điều khiển hệ 
truyền động điện cho động cơ BLDC, trên 
bo mạch thiết kế có tích hợp các cổng 
truyền thông như truyền thông USB, RS 
485, RS-232, SPI, I2C, bo mạch có 4 
kênh biến đổi tương tự số. Bo mạch có 
khả năng tự bảo vệ khi quá tải. Việc kết 
nối bo mạch với máy tính PC qua giao 
tiếp USB, kết nối với các thiết bị cấp 
trường theo chuẩn giao tiếp RS-485. 
Hình 4. Môđun điều khiển số trung tâm sử dụng chíp DSPIC 
Hệ thống truyền động điều khiển sử dụng 
động cơ chấp hành là động cơ một chiều 
không cổ góp BLDC với nhiều ưu điểm 
[6,7,8], mạch khuếch đại công suất thiết 
kế là khuếch đại xung công suất 
MOSFET. Thiết bị đo lường cảm biến vị 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
52 Số 20 
trí góc sử dụng là cảm biến góc tuyệt đối 
EPM50S8 [9,10]. Mô hình thực nghiệm 
cho kênh hướng hệ truyền động ЭCП-57 
trong điều kiện phòng thí nghiệm như ở 
hình 5. 
Hình 5. Mô hình điều khiển vị trí 
sử dụng động cơ BLDC 
Hệ thống đảm bảo điều khiển bệ chuyển 
động theo kênh hướng với độ chính xác 
cao (sai số ±0,5 độ). Tham số điều khiển 
từ hệ thống điều khiển cấp trên hoặc từ 
trung tâm điều hành. Hệ thống có khả 
năng cảnh báo, thông báo và bảo vệ khi 
xuất hiện các sự cố. Các tham số điều 
khiển cũng như quá trình điều khiển có 
thể quan sát, giám sát trên màn hình. Kết 
quả thực nghiệm bộ điều khiển vị trí được 
đưa ra như hình 6. 
Kết quả trên hình 6 cho thấy khi đặt góc 
quay là 90 độ, hệ truyền động điều khiển 
động cơ quay tăng nhanh từ vị trí 0 độ 
trong khoảng thời gian là 2,5 giây thì 
động cơ đã quay đến góc đặt và dừng lại 
với sai số 0,4 độ như hình 6a. Khi ta vị trí 
hiện tại là góc180 độ, ta đặt vị trí góc 
mong muốn là 90 độ thì động cơ quay 
ngược lại và trong khoảng thời gian là 2,6 
giây thì động cơ đã dừng lại tại vị trí 
90,45 độ, sai số hệ bám vị trí là 0,45 độ 
như hình 6b. Nhận thấy, bộ điều khiển số 
thiết kế đảm bảo độ chính xác theo yêu 
cầu (sai số trong khoảng ± 0,5 độ). 
a) 
b) 
Hình 6. Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển vị 
trí số trên mô hình vật lý kênh hướng hệ truyền 
động ЭCП-57 trong điều kiện phòng thí nghiệm 
4. KẾT LUẬN 
Kết quả bài bào mới chỉ dừng lại thử 
nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm 
trên mô hình vật lý nhóm tác giả tự xây 
dựng. Kết quả bài báo minh chứng việc 
thiết kế hệ thống truyền động bám sử 
dụng chíp lập trình DSPIC thiết kế bộ 
điều khiển số, ứng dụng dụng bộ khếch 
đại xung công suất thay thế ЭMY và ứng 
dụng động cơ chấp hành BLDC thay thế 
động cơ một chiều là một hướng mới 
trong việc hiện đại hóa hệ truyền động 
ЭCП-57, hướng ứng dụng hứa hẹn nhiều 
thành công trong việc cải tiến hiện đại các 
hệ truyền động điều khiển các tổ hợp vũ 
khí được trang bị nhiều năm trước, đã lỗi 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 20 53 
thời. Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển 
hiện đại, hiện thực hóa các thuật toán điều 
khiển thông minh như điều khiển mờ, 
thích nghi, mạng nơron vào việc tổng hợp 
các hệ thống truyền động điều khiển trong 
các tổ hợp vũ khí sẽ được thực hiện dễ 
dàng và hiệu quả trên các bộ điều khiển 
số. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems, 2017. 
[2] М.П. Белов, В.А Новиков, Л.Н.Рассудов. Автоматизированный электропривод типовых 
производственных механизмов и технологических комплексов, 2007. 
[3] В.В. Москаленко. Электрическии привод Москва - АCADEMA 2004. 
[4] Michael A. Johnson, Mohammad H.Moradi. PID Control New Identification and Design Methods. 
2005. 
[5] José Carlos Gamazo-Real *, Ernesto Vázquez-Sánchez and Jaime Gómez-Gil. Position and speed 
control of brushless dc motors using sensorless techniques and application trends, 2010. 
[6] Shao, J. An Improved Microcontroller-Based Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drive for 
Automotive Applications. IEEE Trans. Ind. Appl. 2006, 42, 1216-1221. 
[7] Brushless DC Motor Control using the LPC2141 Application Note; AN10661, NXP Semiconductors: 
Eindhoven, the Netherlands, October 2007. 
[8] 3-Phase BLDC Motor Control with Hall Sensors using 56000/E Digital Signal Controllers 
Application Note; AN1916, Freescale Semiconductor: TX, USA, 2005. 
[9] Lin, M.; Zhang, Z.; Lin, K. A Novel and Easy-Realizing Initial Rotor Position Detection Method and 
Speedup Algorithm for Sensorless BLDC Motor Drives. In Proceedings of the International 
Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS 2008), Wuhan, China, October 2008; pp. 
2860-2865. 
[10] Autonics EPM50S8 Encoder, Multi-turn Absolut manual. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Nguyễn Ngọc Tuấn tốt nghiệp đại học ngành tự động hóa tại Học viện Kỹ 
thuật quân sự năm 2006, bảo vệ luận án tiến sỹ tại Trường Đại học Tổng hợp Vô 
tuyến điện tử Ryazan, Liên bang Nga năm 2014. Tác giả hiện là Phó Chủ nhiệm Bộ 
môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự. 
Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế các bộ điều khiển các hệ truyền động bám, nghiên 
cứu phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại, số hóa và xử lý tín hiệu. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
54 Số 20 
Tác giả Bùi Đức Cường nhận bằng Thạc sỹ ngành thiết bị điện của phương tiện 
bay tại Trường Đại học Hàng không Matxcơva năm 2009. Tác giả hiện là giảng 
viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự. 
Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế các bộ điều khiển truyền động điện, nghiên cứu phát 
triển các phương pháp điều khiển hiện đại, số hóa và xử lý tín hiệu. 
Tác giả Phạm Đức Trung tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2014, nhận 
bằng Thạc sỹ chuyên ngành kỹ thuật điện năm 2017 tại Trường Đại học Điện lực. 
Tác giả hiện là giảng viên Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: nghiên cứu các giải pháp đo lường và điều khiển nhằm tối ưu 
các thiết bị điện trong vận hành hệ thống điện. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 20 55