“Điều khiển Chuyển động” là gì? Nếu viết theo nguyên ngữ tiếng Anh là “Motion Control”, ta có thể dịch trực tiếp là “Điều khiển chuyển động” (Control of Motion / 運動の制御). Khi giải thích phạm vi này theo nghĩa rộng, đối tượng không chỉ giới hạn ở vật thể mà bao gồm tất cả vạn vật (All-encompassing phenomena / 森羅万象), kể cả con người và sinh vật, mang ý nghĩa là lý thuyết và kỹ thuật liên quan đến việc điều khiển chuyển động tổng quát của chúng. Tất nhiên, chuyển động của con người cũng được bao hàm trong đó. Tuy nhiên, trong tài liệu này, chúng tôi sẽ tập trung đối tượng vào kỹ thuật điều khiển dựa trên tiền đề là ứng dụng của Động cơ điện (Electric Motor / 電動モータ).

1.1. Định nghĩa và Đặc trưng của Điều khiển Chuyển động

Những năm gần đây, nhiều thiết bị phức hợp giữa kỹ thuật hệ thống Điện – Điện tử (Electrical and Electronic Engineering / 電気・電子系技術) và kỹ thuật hệ thống Cơ khí (Mechanical Engineering / 機械系技術) đã được phát triển và trở nên phổ biến trên thế giới. Đó là robot, máy công cụ (Machine Tools / 工作機械), thiết bị truyền động Động cơ Servo (Servo Motor Drive Units / サーボモータ駆動装置), ô tô điện tử hóa, máy bay, các phương tiện vận tải như tàu thủy, tàu hỏa, các sản phẩm gia dụng thông minh (Intelligent Home Appliances / 知能化家電) như máy giặt hay điều hòa, thiết bị lưu trữ như ổ đĩa cứng (HDD / ハードディスクドライブ) của máy tính cá nhân, thiết bị giảm chấn (Vibration Control Devices / 制振装置) của các tòa nhà cao tầng hay thang máy. Trong tài liệu này, chúng tôi gọi chúng là “Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ” (Electromechanical Integrated Systems / 電気機械複合系).

Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ có cấu trúc trong đó các cơ cấu cơ khí được truyền động bởi động cơ điện, và động cơ điện được điều khiển bởi máy tính thông qua các Mạch biến đổi công suất (Power Conversion Circuits / 電力変換回路) như Bộ nghịch lưu PWM (PWM Inverter / PWMインバータ). Ngoài ra, mỗi thiết bị đều được trang bị Cảm biến (Sensors / センサ) để quan sát chuyển động và Bộ điều khiển (Controller / コントローラ) để thực hiện mục đích vận hành. Trong tài liệu này, theo nghĩa hẹp, “Điều khiển Chuyển động (Motion Control / モーションコントロール)” được định nghĩa là “Lý thuyết điều khiển chuyển động và kỹ thuật thiết kế hệ thống tổng thể đối với các Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ”.

Các kỹ thuật gần gũi với Điều khiển Chuyển động bao gồm Cơ điện tử (Mechatronics / メカトロニクス), Điện tử Công suất (Power Electronics / パワーエレクトロニクス), Kỹ thuật Robot (Robotics / ロボット工学) và Kỹ thuật Điều khiển (Control Engineering / 制御工学). Hãy cùng xem xét vị thế của Điều khiển Chuyển động khi so sánh với các lĩnh vực này.

Tại Nhật Bản, thuật ngữ học thuật “Điều khiển Chuyển động” bắt đầu được sử dụng từ khoảng năm 1990. Đó là thời điểm thành lập “Ủy ban khảo sát chuyên môn về Điều khiển Chuyển động Tiên tiến” thuộc Học viện Kỹ sư Điện Nhật Bản (IEEJ) và tổ chức hội nghị quốc tế “IEEE Workshop on Advanced Motion Control”. Thời điểm này muộn hơn so với những năm 1980, khi thuật ngữ ghép “Cơ điện tử” (Mechatronics / メカトロニクス) – vốn được đăng ký nhãn hiệu bởi Công ty Cổ phần Yaskawa Electric vào năm 1969 để chỉ sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử – đã lan rộng ra toàn thế giới. “Cơ điện tử” chú trọng vào việc điều khiển máy móc bằng mạch điện tử và chủ yếu được phổ biến, phát triển bởi các kỹ sư hệ thống cơ khí.

Điện tử Công suất (Power Electronics / パワーエレクトロニクス) có nghĩa là “Kỹ thuật và các lĩnh vực ứng dụng thực hiện biến đổi, điều khiển và đóng cắt mạch điện bằng cách sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất (Power Semiconductor Devices / パワー半導体デバイス)”. Nếu coi Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ là một trong những lĩnh vực ứng dụng, thì Điều khiển Chuyển động có thể được giải thích như một phần của kỹ thuật Điện tử Công suất. Trong khi cả hai kỹ thuật này đều được phát triển dựa trên trọng tâm là “Vật thể” (Physical object / 物), thì Điều khiển Chuyển động lại hướng tới trọng tâm là “Chuyển động” (Motion / 運動), và chủ yếu được phổ biến, phát triển bởi các nhà khoa học và kỹ sư hệ thống điện.

Điều khiển Chuyển động tại Nhật Bản phát triển từ sự mở rộng của kỹ thuật truyền động động cơ điện, đi từ truyền động tốc độ không đổi (Constant Speed Drive / 等速駆動) qua truyền động tăng giảm tốc (Acceleration/Deceleration Drive / 加減速駆動) đến kỹ thuật Servo (Servo Technology / サーボ技術) thông dụng. Vào khoảng năm 1980, khi “Kỹ thuật Servo” được coi là kỹ thuật tiên tiến nhất, bản thân động cơ điện là thành phần chính của đối tượng điều khiển, và máy móc kết nối với nó chỉ đơn giản được gọi là “Tải” (Load / 負荷). Tuy nhiên, khi mục đích của điều khiển chuyển động thay đổi, hướng tới việc nâng cao tính năng và hiệu suất của máy móc, các nhà khoa học và kỹ sư hệ thống điện đã nhận thức được giới hạn của tư duy coi động cơ là nhân vật chính và gọi đối tượng điều khiển một cách gộp chung là “Tải”. Từ đó, tên gọi mới “Điều khiển Chuyển động” bắt đầu được sử dụng.

Mặt khác, Kỹ thuật Robot (Robotics / ロボット工学) cũng phát triển như một lý thuyết và kỹ thuật tích hợp các yếu tố công nghệ khác nhau. Lĩnh vực này được công nhận là một ngành kỹ thuật độc lập từ khoảng năm 1981, khi hệ thống lý thuyết dành cho Cơ cấu tay máy (Manipulators / マニピュレータ) được hoàn thiện và tài liệu nổi tiếng “Richard Paul: Robot Manipulators” được xuất bản. Lĩnh vực Điều khiển Chuyển động ra đời sau đã kế thừa nhiều thành tựu nền tảng từ Kỹ thuật Robot. Trong khi Kỹ thuật Robot hướng tới việc phát triển các hệ thống có số bậc tự do siêu cao (Ultra-high Degree of Freedom / 超多自由度) và tính thông minh hóa (Intelligent / 知能化), điển hình là robot hình người (Humanoid Robot / ヒューマノイドロボット), thì Điều khiển Chuyển động sẽ tiếp tục đóng góp như một kỹ thuật thành phần hỗ trợ Kỹ thuật Robot bằng cách duy trì sự tập trung vào bản chất của chuyển động.

Ngoài ra, “Điều khiển Chuyển động” cũng thừa hưởng những thành tựu từ sự phát triển của “Kỹ thuật Điều khiển” (Control Engineering / 制御工学). Lý thuyết điều khiển phản hồi (Feedback Control Theory / フィードバック制御理論), vốn là hạt nhân của kỹ thuật điều khiển, bao gồm Lý thuyết điều khiển cổ điển (Classical Control Theory / 古典制御理論) được thiết lập từ sau những năm 1930, Lý thuyết điều khiển hiện đại (Modern Control Theory / 現代制御理論) từ sau những năm 1960, và các loại Lý thuyết điều khiển bền vững (Robust Control Theory / ロバスト制御理論) từ sau những năm 1980. Điều khiển Chuyển động có thể được gọi là tên gọi chung cho các kỹ thuật ứng dụng của chúng.

Ở đây, chúng tôi đưa ra một quan điểm: Trong Hình 1.2. dưới, có ba “con mắt” đang nhìn vào một Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ. Con mắt bên trái là của kỹ sư hệ thống điện, quan sát đối tượng điều khiển từ phía động cơ và mạch truyền động. Con mắt bên phải là của kỹ sư hệ thống cơ khí, tập trung vào máy móc và môi trường tiếp xúc với máy móc. Con mắt bên dưới là của nhà lý thuyết điều khiển, nhìn nhận đối tượng điều khiển thông qua các công cụ như bộ lọc trừu tượng hóa (Abstraction Filter / 抽象化フィルタ) được cấu thành bởi lý thuyết điều khiển. Dù thuộc lập trường nào, chúng ta cũng nên nhìn nhận đối tượng điều khiển bằng một nhãn quan tổng thể. Nếu chỉ có thể nhìn nhận sự vật từ một phía phiến diện, thì tầm nhìn đó là hạn hẹp và chưa trưởng thành. Về bản chất, một hệ thống kỹ thuật thống nhất có thể bắt đầu học từ bất cứ đâu.

1.2. Nội dung tài liệu này

Tài liệu này chú trọng vào lý thuyết cơ sở và toán học vốn là nền tảng của Điều khiển Chuyển động (Motion Control / モーションコントロール). Những năm gần đây, tầm quan trọng của việc “Chế tạo (Monozukuri / ものづくり)” đã được tái nhận thức, nhưng không thể nói rằng việc chỉ đơn thuần “chế tạo và làm cho nó chạy được” là đã học được về “Chế tạo”. Chính việc “Chế tạo” dựa trên sự cân bằng giữa hai bánh xe “Lý thuyết” (Theory / 理論) và “Thực tiễn” (Practice / 実践) mới giúp nâng cao chất lượng kỹ thuật, kỹ năng, từ đó tạo ra các thiết bị điều khiển chuyển động chất lượng cao và hiệu suất cao.

Xem xét những điều trên, cấu trúc và nội dung của tài liệu này được thiết lập như sau:

Tại Chương 2, chúng ta sẽ học về các nền tảng toán học cần thiết để hiểu tài liệu này cũng như phương thức biểu diễn hệ thống (System Representation / システムの表現方法).

Tại Chương 3, với tiêu đề “Cơ sở kỹ thuật ứng dụng điện năng”, chúng tôi sẽ giới thiệu về động cơ điện và nguyên lý truyền động (Drive Principle / 駆動原理) của chúng, đồng thời chỉ ra rằng có thể điều khiển Mô-men xoắn (Torque / トルク) thông qua hồi tiếp dòng điện (Current Feedback / 電流フィードバック). Tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu các cảm biến như Bộ mã hóa vòng quay (Rotary Encoder / ロータリーエンコーダ), Chiết áp (Potentiometer / ポテンショメータ), Cảm biến lực (Force Sensor / 力センサ) và Cảm biến thị giác (Vision Sensor / 視覚センサ).

Tại Chương 4, sau khi giải thích cấu trúc cơ khí cơ bản, chúng tôi sẽ trình bày về phương pháp biểu diễn Vị trí – Tư thế (Position and Orientation Representation / 位置・姿勢の表現法) và cơ sở của Động học (Kinematics / 運動学). Ngoài ra, chúng tôi cũng giải thích về Ma trận Jacobian (Jacobian Matrix / ヤコビ行列) được sử dụng để mô tả các chuyển động vi phân (Infinitesimal Motion / 微小運動).

Chương 5 là chương giải thích về Động lực học (Dynamics / 動力学). Sau khi hướng dẫn cách thiết lập Phương trình chuyển động Lagrange (Lagrange’s Equations of Motion / ラグランジュの運動方程式), chúng tôi sẽ giải thích cách tìm phương trình chuyển động dưới dạng một Hệ thống Phức hợp Điện – Cơ (Electromechanical Integrated System / 電気機械複合系).

Chúng ta không được rời bỏ “Vật thể thực” chỉ vì các công thức toán học, nhưng cũng không được trốn tránh “Công thức toán học”.

Trong Kỹ thuật Điều khiển, có các loại như Điều khiển cổ điển (Classical Control / 古典制御), Điều khiển hiện đại (Modern Control / 現代制御), và Điều khiển bền vững (Robust Control / ロバスト制御). Ngoài ra còn có Điều khiển số (Digital Control / ディジタル制御) để thực thi các lý thuyết đó trên máy tính. Chúng tôi sẽ giới thiệu khái lược về tất cả các loại này.

“Bền vững (Robust / ロバスト)” có nghĩa là “Mạnh mẽ trước sự thay đổi”. Chi tiết sẽ được trình bày ở Chương 6.

Tại Chương 6, sau khi nêu khái lược về Hệ thống điều khiển hồi tiếp (Feedback Control System / フィードバック制御系), chúng tôi sẽ giải thích cơ sở của điều khiển cổ điển, hiện đại, bền vững và cơ sở của điều khiển số. Trong Mục 6.3, chúng tôi cũng giới thiệu về “Bộ quan sát nhiễu” (Disturbance Observer / 外乱オブザーバ), vốn được mệnh danh là “Đại từ danh xưng của Điều khiển Chuyển động”. Tiếp theo ở Mục 6.4, chúng tôi giới thiệu về điều khiển $H_{\infty}$ (H-infinity Control / $H_{\infty}$ 制御) trong số nhiều phương pháp điều khiển bền vững.

Tại Chương 7, với tiêu đề “Nâng cao hiệu suất và thông minh hóa điều khiển chuyển động trong thiết bị công nghiệp”, chúng tôi giới thiệu về “Điều khiển hồi tiếp Dòng điện – Vận tốc – Vị trí”, đồng thời giải thích về hệ thống điều khiển gia tốc (Acceleration Control System / 加速度制御系) sử dụng bộ quan sát nhiễu, các biện pháp chống bão hòa (Anti-windup/Saturation Countermeasures / 飽和対策) của lượng điều khiển và điều khiển ức chế rung động (Vibration Suppression Control / 振動抑制制御).

Tại Chương 8, chúng tôi giải thích phương pháp tạo quỹ đạo mục tiêu (Target Trajectory Generation / 目標軌道の生成法), cũng như phương pháp điều khiển Vị trí – Lực của robot. Ngoài ra, sau khi giới thiệu phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển gia tốc cho hệ đa bậc tự do (Multi-degree-of-freedom Systems / 多自由度系) sử dụng bộ quan sát nhiễu, chúng tôi sẽ trình bày cơ sở của kỹ thuật điều khiển hồi tiếp thông tin thị giác (Visual Feedback Control / 視覚情報フィードバック制御).

Tại Chương 9, chúng tôi giới thiệu về phương pháp thiết kế hệ thống, tức là tư duy về kỹ thuật thiết kế hệ thống (System Design Technology / システムデザイン技術) và phương pháp lấy Linux làm ví dụ. Linux những năm gần đây là một trong những Hệ điều hành (OS / オペレーティングシステム) được sử dụng cho các Hệ thống nhúng (Embedded Systems / 組込システム – hệ thống tích hợp máy tính vào trong thiết bị).

1.3. Cách sử dụng tài liệu này

Phần này giải thích việc học nội dung nào trong tài liệu này sẽ hữu ích cho người đọc. Bảng dưới cho thấy các ví dụ về môn học tại đại học và các phần tương ứng. Có thể coi tất cả các phép toán Hoặc (OR) của chúng chính là “Điều khiển Chuyển động”.

Lĩnh vực Kỹ thuật / Công nghệ:

① Ứng dụng động cơ điện (Electric Motor Application / 電動機応用)

② Kỹ thuật điều khiển 1 (Control Engineering 1 / 制御工学1)

③ Kỹ thuật điều khiển 2 (Control Engineering 2 / 制御工学2)

④ Kỹ thuật Robot (Robotics / ロボット工学)

⑤ Điều khiển ứng dụng (Applied Control / 応用制御)

Lời khuyên:

◎ Bắt buộc phải học.

◯ Khuyến nghị nên học.

Phần “⑤ Điều khiển ứng dụng” là nội dung chuyên sâu, không nhất thiết phải đọc toàn bộ nội dung.

Ô để trống: Không phải là không cần thiết học mà là những kiến thức cần để nghiên cứu kỹ thuật điều khiển chuyển động chuyên sâu, tổng quát.