Tối ưu giải thuật điều khiển máy in bánh 3D

1 Tạp chí Khoa Học Lạc Hồng Số 04
Journal of Science of Lac Hong University
Vol. 4 (12/2015), pp. 1-5
Tạp chí Khoa học Lạc Hồng
Số 4 (12/2015), trang 1-5
TỐI ƯU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN MÁY IN BÁNH 3D 
Optimizing the algorithm control of 3D cake printer
Nguyễn Vũ Quỳnh1, Lưu Hoàng Sơn2, Nguyễn Tấn Nhật3, Lê Hiển4
1vuquynh@lhu.edu.vn
Khoa Cơ Điện – Điện Tử Trường Đại học Lạc Hồng
Đến tòa soạn: 20/12/2014; Chấp nhận đăng: 15/2/2015
Tóm tắt. Bài báo này trình bày các bước thiết kế máy in bánh 3D, thiết kế bộ điều khiển 3 trục cho máy. Bộ điều khiển được mô 
phỏng bằng Simulink/Modelsim và thực nghiệm trên Kit DE2-70 để kiểm nghiệm thuật toán trước khi lắp đặt vào máy thực tế. 
Bộ điều khiển tốc độ và vị trí cho động cơ servo là bộ điều khiển mờ kết hợp phương pháp điều khiển vector. Ngôn ngữ lập trình 
mô tả phần cứng được sử dụng để thực thi thuật toán điều khiển. Cuối cùng kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh và 
thảo luận.
Từ khóa: 3D printer; Control; FPGA
Abstract. This work presents the design of a 3D cake printer. The controller is co-simulated by Simulink/Modelsim and 
experimented with the DE2-70 FPGA board of Altera. A fuzzy-based and vector controller are then designed for controlling the 
speed and position of a servo motor. Next, the control algorithms are implemented using VHDL. Additionally, simulation and 
experimental results are compared and discussed.
Keywords: 3D printer; Control; FPGA
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
e, de vòng/phút Biến ngôn ngữ đầu vào của bộ điều 
khiển mờ
vòng/phút Tốc độ đặt
vòng/phút Tốc độ phản hồi
cm,n, dn,m Tham số điều chỉnh cho bộ điều 
khiển mờ
iq, id Ampe Dòng điều khiển trên trục q và d
Chữ viết tắt
FPGA Field programmable gate array
VHDL Very high speed IC hardware description 
language
SVPWM Space vector pulse width modulation
PID Proportional integral derivative
DSP Digital signal processor
ADC Analog to digital converter
QEP Quadranture encoder pulse
CPU Central processing unit
FC Fuzzy controller
1. GIƠ ́I THIỆU 
Trong thời buổi hiện nay và trong tương lai luôn cần sự
tiết kiệm về không gian, thời gian, năng lượng tiêu thụ và 
hơn thế nữa là hướng đến sức khỏe của con người. Nguy cơ 
cháy nổ, ám khói, tiêu tốn nhiều năng lượng ở các dụng cụ
nhà bếp truyền thống, mất nhiều thời gian cho bữa ăn nhẹ
lẫn ăn chính vì vậy việc ra đời chiếc máy in bánh 3D sẽ đáp 
ứng được nhu cầu trong tương lai.
Đầu tiên phải nói đến sự tiện dụng của máy là rút ngắn 
thời gian chế biến bánh, người dùng có thể ăn thức ăn ngay 
khi máy làm xong hoặc có thể cho vào lò vi sóng ít phút. 
Điều này rất tiện dụng cho người thường xuyên bận rộn 
nhưng muốn ăn những chiếc bánh nghệ thuật do mình tự
chế biến, một bữa sáng nhanh chóng và đầy đủ dưỡng chất 
cho các thành viên trong gia đình. Chiếc máy sẽ giúp tự
làm những chiếc bánh yêu thích đẹp mắt phù hợp với họ
mà chỉ có những người đầu bếp giỏi mới làm được trước 
đó, những lúc buồn hay vui thì chiếc bánh vẫn “đẹp” và 
“ngon”. 
Công nghệ in 3D đã và đang tạo ra bước tiến đột phá 
trong kỹ thuật chế tạo mẫu, máy in bánh 3D đã được các 
đơn vị ngoài nước nghiên cứu [1-2]. Trong nước đã có 
nhiều đơn vị thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D 
nhưng chưa có bất cứ đơn vị nào tiến hành nghiên cứu sản 
phẩm in bánh 3D.
Hệ thống sử dụng 3 động cơ trục chính để điều khiển vòi 
phun bánh trong không gian X, Y và Z (Hình 1). Bài báo 
ứng dụng bộ điều khiển mờ, phương pháp điều khiển 
vector và điều chế vector không gian dựa trên ngôn ngữ mô 
phỏng phần cứng để thiết kế bộ điều khiển. Hiện nay rất 
nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu như 
điều khiển thích nghi, điều khiển thông minh. Hầu hết các 
bộ điều khiển đều sử dụng chip xử lý tín hiệu số (DSP), với 
nhược điểm là chiếm nguồn tài nguyên và tốn nhiều thời 
gian để phát triển ứng dụng. Trong khi đó công nghệ FPGA 
là một ngôn ngữ lập trình phần cứng với đầy đủ những tính 
năng như tính toán nhanh, tiêu thụ năng lượng ít, tích hợp 
CPU, độ chính xác cao, v.v.[3-4].
Ý tưởng thiết kế bộ điều khiển vector là moment và các 
thành phần từ hóa của từ thông stator được điều khiển độc lập. 
Dòng điện ba pha stator được biến đổi thành vector dòng điện 
cung cấp cho bộ điều khiển (như thể hiện trong Hình 1). Một 
khi các thông số bộ điều khiển được chọn lựa tốt dòng điện 
điều khiển , giúp cho việc điều khiển động cơ servo
tương tự với việc điều khiển động cơ một chiều. Moment của 
động cơ được điều khiển thông qua dòng điện trên trục q (iq)
[5]. Hình 1 mô tả cấu trúc của bộ điều khiển trục X, Y và Z và 
cấu trúc phần cứng của máy in.
2. CÂ ́U TRU ́C PHẦN CƯ ́NG 
Kiểu dáng bánh cần in được thiết kế trên máy tính 
thông qua phần mềm CAD. Sau đó được chuyển qua phần 
CAM để xuất ra tập lệnh G.
Nguyễn Vũ Quỳnh, Lưu Hoàng Sơn, Nguyễn Tấn Nhật, Lê Hiển
2 Tạp chí Khoa Học Lạc Hồng Số 04
Hình 1. Cấu trúc bộ điều khiển và phần cứng của máy
Động cơ đầu phun nhiên liệu được cấp điện khi máy bắt 
đầu chạy theo hành trình. Giới hạn hành trình của ba trục 
X, Y và Z lần lượt là 370mm, 370mm và 145mm. Đầu 
phun nhiên liệu được thiết kế gồm 4 cơ cấu song song. 
Hình 2 bao gồm đầu đùn (1), động cơ (2), trục vít ép nhiên 
liệu cho đầu đùn (3).
Hình 2. Cấu tạo đầu phun nhiên liệu
Hình 3. Cấu tạo của đầu đùn
Các thông số thiết kế của đầu đùn được mô tả như trong 
Hình 3. Phần nhiên liệu chuyển động của vật liệu trong đầu 
đùn được phân làm ba vùng: vùng chảy tầng (vùng 1), 
vùng chảy rối (vùng 2), vùng đồng nhất (vùng 3) [4].
Hình 4 mô tả cấu tạo của cơ cấu truyền động trục X gồm 
một động cơ PMSM (1), dây đai kéo bàn đỡ sản phẩm gắn 
trên trục X (2), rãnh mang cá (3), bàn đỡ sản phẩm (4).
Hình 4. Cơ cấu truyền động trục X. 
Hình 5. Cơ cấu truyền động trục Z
Hình 6. Cơ cấu truyền động trục 
Tối ưu giải thuật điều khiển máy in bánh 3D
3 Tạp chí Khoa Học Lạc Hồng Số 04
Hình 5 mô tả cơ cấu truyền động của trục Z bao gồm 
động cơ (1), bulley và dây đai (2), ổ bi và giá đỡ (3), thanh 
trượt dẫn hướng (4), trục vít me bi (5), cơ cấu đỡ đầu phun 
nhiên liệu (6). 
Hình 6 bao gồm thang cáp (1), động cơ (2), giá đỡ trục Z 
(3), dây đai kéo trục Y (4), thanh trượt dẫn hướng (5).
3. THIÊ ́T KÊ ́ BÔ ̣ ĐIÊ ̀U KHIÊ ̉N 
3.1 Phương pháp nội suy 
Để có thể tạo hình dạng phức tạp cho sản phẩm máy 
được thiết kế với 3 trục điều khiển. Chuyển động của đầu 
phun được chia thành những thành phần tương ứng với mỗi 
trục, quỹ đạo của đầu phun được tạo ra thông qua sự kết 
hợp dịch chuyển riêng lẻ của ba trục X, Y và Z. Hình 7
minh họa việc di chuyển đầu phun từ điểm P1 đến điểm P2
với tốc độ Vf trong mặt phẳng XY. Trong thời gian di 
chuyển trong mặt phẳng XY, trục Z cũng được cấp xung để
di chuyển một đoạn tương ứng theo yêu cầu.Việc nội suy 
các biên dạng phức tạp bằng cách chia nhỏ thành các đoạn 
thẳng.
Hình 7. Phương pháp di chuyển của đầu phun
3.2 Bộ điều khiển mờ 
Bộ điều khiển mờ được sử dụng để điều khiển tốc độ và 
vị trí cho từng trục. Tín hiệu đầu vào của từng bộ điều 
khiển là độ sai lệch giữa giá trị đặt với giá trị phản hồi đo 
được trên động cơ và độ sai lệch biến đổi theo thời gian 
[5].
(1)
(2)
Luật điều khiển được xây dựng với cấu trúc
Nếu e = Em và de = DEn thì Uf = Cm,n (3)
Hình 8. Hàm liên thuộcvà cơ sở tri thức cài đặt cho các luật điều 
khiển của bộ điều khiển mờ
Hàm liên thuộc của bộ điều khiển FC là tam giác đối 
xứng (Hình 8) vì vậy hàm tính giá trị ngõ ra của bộ điều 
khiển mờ được xác định như sau [5]:
(4)
Như mô tả ở Hình 8, dựa vào hàm liên thuộc, mỗi giá trị
của e và de đầu vào ta có thể xác định được 2 giá trị DE và 
2 giá trị E, dựa trên luật điều khiển ta tính toán được 4 giá 
trị của cm,n là NM, NS, NS và ZZ với dn,m được xác định 
như sau:
(5)
(6)
(7)
(8)
và (9)
Hình 9. Bộ tạo sóng mang trong khối SVPWM được lập trình 
bằng VHDL
4. MÔ PHỎNG 
Sơ đồ khối tổng quát mô tả toàn bộ hệ thống ở Hình 1. 
Để dễ dàng kiểm tra tính hiệu quả và chính xác của thuật 
toán điều khiển, bài báo thực hiện mô phỏng toàn bộ thuật 
toán bằng cách nhúng mã VHDL vào môi trường 
Simulink/Matlab để vẽ các dạng sóng đáp ứng trên động cơ 
khi tín hiệu điều khiển ở ngõ vào thay đổi.
Tần số chuyển mạch của SVPWM được thiết kế là 
16kHz và thời gian trì hoãn đóng cắt giữa khóa điện tử
công suất phía trên và phía dưới là 1.2s. Sử dụng thư viện 
Power system blockset để thiết kế bộ biến tần dựa trên 
công nghệ IGBT, nguồn DC và PMSM.
Nguyễn Vũ Quỳnh, Lưu Hoàng Sơn, Nguyễn Tấn Nhật, Lê Hiển
4 Tạp chí Khoa Học Lạc Hồng Số 04
Hình 10. Mô hình mô phỏng Simulink – Modelsim của trục x
Trong mô hình Simulink-Modelsim (Hình 10) M1 được nhúng mã VHDL của bộ điều khiển vị trí; M2 chứa mã VHDL 
của bộ điều khiển tốc độ; M3 chứa mã VHDL của bộ điều khiển vector và SVPWM. 
Số lượng cổng logic và bộ nhớ hệ thống đã sử dụng trong mô phỏng được liệt kê ở Bảng số 1. Thông số của động cơ 
dùng trong mô phỏng liệt kê ở Bảng số 3. Giá trị tốc độ đặt được thay đổi nhằm kiểm tra đáp ứng tốc độ của động cơ. 
Kết quả đáp ứng vị trí của động cơ được thể hiện ở Hình 11. 
Hình 11. Đáp ứng tốc độ, dòng điều khiển và dòng ba pha của 
động cơ
Đáp ứng vị trí động cơ bám rất tốt đường vị trí đặt, với 
một chút vọt lố. Dòng điều khiển id xấp xỉ bằng 0. Kết quả
mô phỏng đã thể hiện tính hiệu quả và chính xác của thuật 
toán điều khiển. 
5. THỰC NGHIỆM 
Sau khi kiểm chứng toàn bộ các chức năng của hệ thống 
thông qua mô phỏng, mã VHDL được tải vào chip FPGA 
DE2-70 để kiểm nghiệm lại lần nữa thông qua hệ thống 
thực tế. Tổng quan về hệ thống thực nghiệm được mô tả ở
Hình 12. 
Các thành phần chính bao gồm máy in bánh 3D, board 
mạch điều khiển sử dụng FPGA của Altera, mạch đệm 
công suất, inverter. Động cơ servo sử dụng trong hệ thống
có thông số trong Bảng số 4. Trong thực nghiệm có thêm 2 
đoạn mã VHDL của ADC và QEP được thêm vào để đọc 
tín hiệu dòng điện và góc quay của PMSM. Tài nguyên 
FPGA sử dụng trong thực nghiệm liệt kê ở Bảng số 2.
Tương tự với phần mô phỏng, phần thực nghiệm cũng 
thay đổi giá trị đặt của tốc độ để kiểm tra đáp ứng của động 
cơ. Từ Hình 13 và Hình 14 cho thấy vị trí động cơ đáp ứng 
rất tốt với sự thay đổi của giá trị đặt, hoàn toàn không bị
vọt lố cả về tốc độ lẫn vị trí. Kết quả thực nghiệm cho thấy 
bộ điều khiển động cơ đã đáp ứng rất tốt cho hệ thống.
Hình 12. Phần cứng thử nghiệm của máy
Hình 13. Đáp ứng vị trí của động cơ
Hình 14. Đáp ứng tốc độ của động cơ
M1 
M2 
M3 
Scope 1 
Scope 3 
Scope 2 
Servo X 
Tối ưu giải thuật điều khiển máy in bánh 3D
5 Tạp chí Khoa Học Lạc Hồng Số 04
6. KẾT LUẬN 
So sánh kết quả mô phỏng ở Hình 11 và thực nghiệm ở
Hình 13 và Hình 14 cho thấy, đáp ứng tốc độ của động cơ 
ở cả ba trục hoạt động hoàn toàn chính xác cả về vị trí và 
tốc độ. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sức 
mạnh của điều khiển mờ và điều khiển vector, các kết quả
mô phỏng và thực nghiệm chứng minh được hệ thống đã 
được thiết kế chính xác và hoạt động hiệu quả. Sự di 
chuyển chính xác của từng thành phần trục X, Y và Z đã 
giúp cho máy có thể in được những sản phẩm có chi tiết 
sắc sảo, nâng cao sự hấp dẫn của sản phẩm do máy làm ra.
Bảng 1. Tài nguyên FPGA sử dụng trong mô phỏng
Thông số Les RAM bits
Bộ điều khiển tốc độ 6,129 0
Bộ điều khiển vị trí 5,821 0
Bộ điều khiển dòng điện 6,255 73,728
Bảng 2. Tài nguyên FPGA sử dụng trong thực nghiệm
Thông số Les RAM bits
Bộ điều khiển tốc độ 6,129 0
Bộ điều khiển vị trí 5,821 0
Bộ điều khiển dòng điện 6,255 73,728
CPU 4,226 75,264
ADC 1,314 0
QEP 594 0
Bảng 3.Thông số của động cơ servo trong mô phỏng
Thông số Giá trị
R 1.3
Ld, Lq 6.3mH
P 4
Jm 0.000108 kg*m2
F 0.0013 N*m*s
Bảng 4.Thông số của động cơ servo trong thực nghiệm
Thông số Giá trị
Kt 0.64 Nm
V và I 92 V, 1.6 A
Công suất 0.2 kW
Tần số 200 Hz
Vòng quay 3000 r/min
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] P. Marks, “The many flavours of printing in 3D”, New 
Scientist, vol. 211, no. 2823, pp.18, ISSN 0262-4079, 
 30 July 
2011.
[2] B. Berman, “3-D printing: The new industrial revolution, 
Business Horizons”,vol. 55, no. 2, pp.155-162, ISSN 0007-
6813,  March–
April 2012.
[3] Y.S. Kung and M.H. Tsai, “FPGA-based speed control IC for 
PMSM drive with adaptive fuzzy control”, IEEE Trans. on 
Power Electronics, vol. 22, no. 6, pp. 2476-2486, Nov. 2007.
[4] E.Monmasson and M. N. Cirstea, “FPGA design methodology 
for industrial control systems – a review”, IEEE Trans. Ind. 
Electron., vol. 54, no.4, pp.1824-1842, Aug. 2007.
[5] N. V. Quynh, Y. S. Kung, P. V. Dung, K. Y. Liao, and S. W. 
Chen, “FPGA-Realization of Vector Control for PMSM 
Drives,” Applied Mechanics and Materials, vol. 311, pp. 249-
254, February 2013.
[6] Đặng Văn Nghìn, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển 
CNC hệ thống tạo mẫu nhanh”, Viện Cơ học và Tin học Ứng 
dụng – Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, 
10/2013.
[7] Y. S. Kung, N. V. Quynh, C. C. Huang, and L. C. Huang, 
"Simulink/ModelSim co-simulation of sensorless PMSM 
speed controller," in Industrial Electronics and Applications 
(ISIEA), 2011 IEEE Symposium on, pp. 24-29, 2011.
Nguyễn Vũ Quỳnh
Sinh năm 1979. Anh nhận bằng thạc sỹ về
thiết bị, mạng và nhà máy điện của Trường 
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 
năm 2005 và bằng Tiến sỹ về Kỹ thuật điện 
của Trường Southern Taiwan University of 
Science and Technology, Đài Loan năm 2013. Hiện anh là giảng 
viên Khoa Cơ điện – Điện tử - Đại học Lạc Hồng. Hướng nghiên 
cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống đo lường, điều 
khiển, các hệ thống nhúng, bộ điều khiển thông minh và FPGA.
Lê Hiển
Sinh năm 1992, hiện là sinh viên năm cuối 
ngành Cơ điện tử Trường Đại học Lạc Hồng. 
Các hướng nghiên cứu chính là thiết kế cơ 
khí, CNC.
Nguyễn Tấn Nhật 
Sinh năm 1993, hiện là sinh viên năm cuối 
ngành Điện – Điện tử của Trường Đại học Lạc 
Hồng. Các hướng nghiên cứu chính là thiết kế
hệ thống điện, hệ thống lạnh.
TIỂU SỬ TÁC GIẢ