Hai giải pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở

52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 
34 
HAI GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 
Lại Khắc Lãi (Đại học Thái Nguyên), 
 Lê Thị Thu Hà – (Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên) 
Tóm tắt 
Hệ truyền động có khe hở là một hệ cơ - điện tử có tính phi tuyến mạnh và đang được sử dụng rất rộng rãi 
trong thực tế. Khi khe hở xuất hiện sẽ làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền của hệ thống, phát ra tiếng 
ồn, gây rung động và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm 
nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, đó là giải pháp dùng bộ điều khiển mờ và giải pháp dùng bộ 
điều khiển thông minh. 
I.Mở đầu 
Hệ truyền động có khe hở (TĐCKH) là một hệ 
truyền động phi tuyến được sử dụng rất rộng rãi 
trong thực tế như các truyền động bánh răng, 
truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít 
- đai ốc, truyền động trục vít - bánh vít, vv 
Trong các hệ thống truyền động trên, giữa bộ phận 
chủ động và bộ phân bị động luôn tồn tại một khe 
hở, làm sai lệch truyền động, giảm độ chính xác 
đối với các hệ điều khiển vị trí, khe hở có thể làm 
giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, phát ra tiếng 
ồn, gây rung động, sự ổn định và hiệu suất của hệ 
thống bị thay đổi. 
Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các 
hệ điều khiển truyền động có khe hở là yêu cầu 
quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác 
nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng 
sản phẩm. Trước đây, để hạn chế ảnh hưởng của 
khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động người 
ta thường chỉ quan tâm đến các biện pháp cơ khí 
như tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay đổi biên dạng 
bánh răng Trong mấy năm gần đây, các nhà 
khoa học bắt đầu quan tâm đến các giải pháp về 
điện trên quan điểm phối hợp điều khiển giữa bộ 
phận chủ động và bộ phân bị động trong hệ thống 
nhằm giảm ảnh hưởng xấu của khe hở đối với hệ 
thống. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về vấn 
đề này và đã đạt được một số thành quả đáng kể. 
Song ở Việt Nam vấn đề này còn rất mới mẻ, gần 
đây mới xuất hiện một vài nghiên cứu về hệ nối 
khớp mềm. 
 Trong [1] đã chỉ ra những nhược điểm của hệ 
thống truyền động có khe hở khi sử dụng các bộ 
điều khiển kinh điển theo các qui luật tỉ lệ (hình 1) 
và theo qui luật PID (hình 2). Ta thấy rằng, khi sử 
dụng các bộ điều khiển kinh điển chất lượng động 
của hệ thống còn rất kém và luôn tồn tại dao động 
do tính phi tuyến của ke hở gây nên. Để khắc phục 
nhược điểm đó, chúng tôi đề xuất hai phương pháp 
mới là sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển 
thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe 
hở. các bộ điều khiển này phù hợp với các đối 
tượng có tính phi tuyến mạnh do đó đã nâng cao 
được chất lượng của hệ thống. 
II. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khe hở 
Sơ đồ khối của hệ hệ truyền động có khe hở được 
chỉ ra trên hình 3. Trong đó trục động cơ điện (trục 
dẫn động) và trục của tải (trục bị dẫn) không nối 
cứng với nhau mà được nối thông qua hệ thống 
bánh răng, hoặc dây xích, hoặc dây đai,  Nói 
cách khác là giữa trục dẫn và trục bị dẫn tồn tại 
một khe hở. Do có khe hở nên mối liên hệ giữa vị 
b) 
Hình 2: Đặc tính động của hệ thống truyền 
động có khe hở điều khiển theo luật PID [1] 
0 2 4 6 8 10 12
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Khong co
data2
co khe ho
Hình 1: Đặc tính động của hệ truyền động có 
khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1] 
52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 
35 
trí trục dẫn x và trục bị dẫn z không đơn trị. Mỗi vị 
trí của x tương ứng với nhiều vị trí của z nằm trong 
giới hạn từ k(x - xa) đến k(x + xa) tuỳ thuộc vào vị 
trí cực đại hay cực tiểu của z trước đó: 
 k(x - xa) z k(x + xa) 
Đặc tính của khâu khe hở được mô tả bởi biểu 
thức (1) và sơ đồ cấu trúc của khe hở được biểu 
diễn trên hình 4 [1] 
a
a
a a
a a
khi x 0 ; v kx
kx 
khi x 0 ; v kx
z
khi x 0 ; - kx v kx
0 
khi x 0 ; - kx v kx





 (1) 
Để dễ dàng so sánh chất lượng của hệ điều 
khiển có khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ và 
mờ thích nghi so với khi sử dụng bộ điều khiển 
kinh điển, chúng tôi lấy các thông số của hệ truyền 
động đã được đề cập khảo sát trong [1]. Trong đó 
khối dẫn động là động cơ một chiều kích từ độc 
lập có các thông số: Công suất P =1,5(kW), tốc độ 
n = 1500(vòng/phút); điện áp định mức Uđm = 
220(V), dòng điện định mức: Iđm = 8,7(A), điện trở 
phần ứng: R = 2,776(Ω), điện cảm phần ứng: L = 
0,0961(H), mô men quán tính: J = 0,085 (KGm
2
). 
Hàm truyền đạt của động cơ có dạng: 
D
DC 2
m m e
2
kn(s)
W (s)
U(s) 1 T s T T s
1
1,2474(1 0,0377s 0,0377.0,0347s )
DC 2
0,80166
W (s)
1 0,0377s 0,0013s
 (2) 
Tải là một khâu quán tính có hàm số truyền: 
 T
K 0,65
W (s) = 
TS+1 0,05S+1
 (3) 
Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển truyền động 
có khe hở được chỉ ra trên hình 5. 
III. Sử dụng điều khiển mờ và điều khiển thông 
minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở 
Trong phần này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp 
nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền 
động có khe hở, đó là dùng bộ điều khiển mờ và 
bộ điều khiển thông minh được thiết kế trên cơ sở 
của hệ mờ. 
1. Bộ điều khiển mờ: 
Bộ điều khiển mờ được thiết kế để điều khiển hệ 
truyền động có khe hở là bộ điều khiển mờ theo qui 
luật tỉ lệ tích phân (PI) có các thông số như sau: 
Đầu vào thứ nhất có miền xác định trong 
khoảng [-1 1] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm 
liên thuộc hình tam giác; Đầu vào thứ 2 xác định 
trong khoảng [-2 2] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có 
hàm liên thuộc hình tam giác, hệ số tích phân chọn 
bằng 5,6; Đầu ra xác định trong khoảng [-78 78] 
được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình 
tam giác; luật điều khiển theo qui luật tuyến tính 
[2]; giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm. 
Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ được chỉ ra 
trên hình 6. 
d
dt
 x, v 
x z 
Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở. 
k 
kx z 
1
Ra
0.80166
den(s)
®éng c¬
0.029
®o l-êng
PID
®iÒu khiÓn
0.65
0.05s+1
T¶iKhe hë
1
®Æt
Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền 
động có khe hở 
Động 
cơ 
Khe 
hở Tải 
Đo lường 
- 
x 
Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động 
có khe hở. 
z Điều 
khiển 
n n' 
52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 
36 
Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển 
mờ được chỉ ra trên hình 7. 
2. Bộ điều khiển thông minh: 
Bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ 
truyền động có khe hở được xây dựng trên cơ sở 
của hệ mờ có sơ đồ cấu trúc như hình 8. Trong đó 
bộ điều khiển mờ cơ bản (ĐKM cơ bản) được thiết 
kế tương tự như bộ điều khiển mờ đã trình bày ở 
mục 4.1, chỉ khác ở chỗ miền xác định ở đầu ra 
của bộ ĐKM cơ bản chỉ ở nằm trong khoảng [-3 
3], hệ số khuếch đại đầu ra của bộ điều khiển mờ 
được chỉnh định thích nghi theo qui luật [2]: 
dK
ue
dt
 (4) 
Trong đó: u là tín hiệu đặt; e là sai lệch giữa 
đầu ra của hệ thống và tín hiệu đặt; là hằng số 
nói lên tốc độ hội tụ của thuật toán thích nghi. Kết 
quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển thông 
minh được chỉ ra trên hình 9. 
Để tiện so sánh chất lượng của hệ thống khi sử 
dụng các bộ điều khiển khác nhau, chúng tôi tiến 
hành mô phỏng và vẽ các đặc tính động trên cùng 
hệ trục tọa độ (hình 10). Hình 11 là các đặc tính 
động của hệ truyền động có khe hở khi sử dụng 3 
bộ điều khiển trong khoảng thời gian mô phỏng từ 
3 giây đến 5 giây. 
Hình 6: Quan 
hệ vào-ra của 
bộ điều khiển 
mờ 
0 1 2 3 4 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
Hình 7: Đặc tính động của hệ truyền động có 
khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ 
0 1 2 3 4 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
Hình 9: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi 
sử dụng bộ điều khiển thông minh 
1
Out1
K1
s
1
s
62
5
1
DKM co ban
2
In2
1
In1
Hình 8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ 
thích nghi 
Hình 10: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi sử 
dụng bộ điều khiển PID kinh điển, bộ điều khiển 
mờ và bộ điều khiển thông minh 
0 1 2 3 4 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
 PID kinh điển 
 Điều khiển mờ 
Điều khiển thông minh 
Hình 11: Đặc tính động của hệ ĐKCKH khi sử 
dụng 3 bộ điều khiển trong khảng thời gian mô 
phỏng (3 - 5)s 
3 3.5 4 4.5 5
0.96
0.98
1
1.02
1.04
1.06
52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 
37 
5. Kết luận 
Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng sự tồn 
tại khe hở đã làm xấu đặc tính động của hệ thống 
điều khiển tự động truyền động cơ điện. Bằng cách 
sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông 
minh, chất lượng của hệ thống TĐCKH đã được 
nâng lên rõ rệt. nếu với bộ điều khiển PID kinh 
điển hệ thống vẫn tồn tại dao động, ngay cả khi đã 
xác lập thì với bộ điều khiển mờ, hệ thống đã hết 
dao động sau 4 giây, còn với bộ điều thông minh, 
hệ thống hết dao động chỉ sau 1 giây. Kết quả mô 
phỏng cũng cho thấy tính khả thi của việc triển 
khai ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại để nâng 
cao chất lượng điều khiển các hệ thống thực. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Lê Thị Thu Hà, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Nguyệt, 
"Khảo sát chất lượng hệ truyền động có khe hở" Tạp 
chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số 
3 năm 2009, trang 124-130 
[2]. Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông 
minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mô hình 
hoá” Đề tài NCKH cấp bộ năm 2002; Mã số: 
B2002.02.03. 
[3]. OdaiM.and HoriY, Speed control of 2-inertia 
system with gear backlash using gear torque 
compensator’’ 1998. 
[4]. NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH. A 
torque control method of three-inertia torsional system 
with backlash 2000. 
[5]. LinC, YuT. and FengXu Fuzzy control of a 
nonlinear pointing test bed with backlash and friction 
1996:Kobe 
[6]. SmithM.C. Nonlinear and predictive 
control:Describing functions 2004. 
DhaouadiR.,KuboK.and TobiseM. Analysis and 
compensation of speed drive systems 
[7]. R.M.R. Bruns, J.F.P.B. Diepstraten, X.G.P. 
Schuurbiers,J.A.G. Wouters “Motion Control of 
Systems with Backlash” DCT number: 2006.075, 
August 29, 2006. 
52(4): 3 - 12 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 
38 
Summary 
Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash 
Electric drive systems with backlash belong to a class of non-linear mechatronic systems, which find a number of 
vital applications. Backlash can significantly reduce performance such as instability, and unwanted noise and 
vibration. In this paper, we propose Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash: to use 
a fuzzy control and to use a intelligent control.