Đồ án môn học thiết kế hệ thống điều khiển robot scara ba bậc tự do

Học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế hệ thống điều khiển của một hệ thống robot cơ bản, ứng dụng các phần mềm như MATLAB- Simulink, SimMechanics...để tính toán

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Tổng quan về Robot Scara

SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hay Selective Compliance Articulated Robot Arm Có nghĩa là dễ dàng lựa chọn các khớp nối cánh tay robot

Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC đã giới thiệu một khái niệm mới về robot lắp ráp, được phát triển dưới sự chỉ đạo của giáo sư Hiroshi Makino tại Đại học Yamanashi.

 Cân bằng tối ưu về kinh tế và hiệu suất

 Sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo và các mạch điều khiển có sẵn.

 Sử dụng phần mềm có sẵn để điều khiển robot trên máy tính cá nhân Phần mềm sử dụng G-code để điều khiển robot

SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây:

 Robot SCARA 3 bậc tự do.

 Độ chính xác lặp: (x, y) = ± 0,02 mm, (z) = ± 0,01 mm.

 Vận tốc cực đại khâu tác động cuối 2000 mm/s

 Gia tốc cực đại khâu tác động cuối mm/s 2

 Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến.

Các thiết bị điện tử phụ thuộc vào loại động cơ sử dụng, với động cơ bước và động cơ servo là lựa chọn phổ biến để đạt độ chính xác cao Việc thiết kế mạch điều khiển cho động cơ bước và servo là phần quan trọng trong hệ thống điện tử, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của robot Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào các trình điều khiển động cơ bước và servo.

Một số lựa chọn ban đầu cần phải chú ý là:

 Loại động cơ: Đơn cực hoặc lưỡng cực.

 Nguyên lý ổ đĩa: L/R hoặc PWM

 Chế độ hoạt động: Nửa bước hoặc toàn bước.

 Đặc trưng mô-men xoắn - tốc độ.

1.1.2.3 Phần mềm và điều khiển

Phần mềm điều khiển cần thực hiện được các nhiệm vụ sau:

 Đường dẫn liên tục trong không gian.

 Chuyển động xen kẽ (Joint-interpolated motion).

Phối hợp chuyển động tuyến tính: tất cả các trục khởi động và dừng các bước chuyển động cùng một thời gian.

Nguyên lý hoạt động

1.2.1 Phân tích nguyên lý hoạt động

Robot hoạt động nhờ vào chuyển động quay của các động cơ điện như động cơ bước và động cơ servo, được lắp đặt tại các khớp Động cơ tại khớp một và khớp hai liên kết với khớp xoay qua dây đai hoặc bánh răng để truyền tải chuyển động Khớp ba là khớp tịch tiến, sử dụng bộ trục vit-me đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ thành chuyển động tịch tiến Hệ thống cảm biến được tích hợp để giới hạn chuyển động và đạt được vị trí, tốc độ chính xác Tất cả các động cơ và cảm biến được điều khiển bởi hệ thống máy tính thông qua các phần mềm như Matlab/Simulink và G-code.

*Desired Signal: Tín hiệu mong muốn

*Reference Input: Thông số đầu vào

*Actuating Signal: Tín hiệu chấp hành

*Feedback Signal: Tín hiệu phản hồi

Bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu điều khiển tới các cơ cấu chấp hành để thực hiện các chuyển động và thao tác cần thiết, như động cơ quay để làm cơ cấu quay, tay kẹp mở hoặc mỏ hàn để bắt đầu quá trình hàn, tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ và chương trình đã được lập trình sẵn.

Hệ thống cảm biến sẽ gửi tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển để điều chỉnh và xử lý các sai lệch nếu có Mục tiêu của hệ thống điều khiển vòng kín là loại bỏ tín hiệu nhiễu và kiểm soát hoạt động của robot, đảm bảo rằng robot hoạt động chính xác theo yêu cầu.

1.2.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng của robot

 Tầm với ( chiều dài cánh tay ) : 570 mm + 520 mm

 Vùng làm việc o Trục quay khớp 1 : ± 155° o Trục quay khớp 2 : ± 145° o Hành trình trục z khớp 3 : 400 mm

 Tốc độ tối đa o Khâu 1 : 720 °/s o Khâu 2 : 720 °/s o Khâu 3 : 2000 mm/s

 Tốc độ tổng hợp ( điểm làm việc ) : 7200 mm/s

 Chu kỳ thời gian ( với tải 2kg ) : 0,35s

 Tải trọng tối đa : 5kg

 Độ chính xác lặp : o X-Y : ± 0,02 mm o Trục z khâu 3 : ± 0,01mm

Xác định thành phần của hệ thống điều khiển

1.3.1 Động cơ Động cơ servo hay còn gọi là servo motor là một loại máy móc chuyên dùng để cung cấp cơ năng cho một thiết bị, dây chuyền hay cơ cấu nào đó trong quá trình sản xuất và chế tạo Chúng có nhiệm vụ là đầu tàu cung cấp lực kéo các dây chuyền hay các cơ cấu khác hoạt động theo Servo motor có khả nằng điều khiển sự thay đổi nhanh về vị trí, tốc độ và gia tốc, và có thể đánh giá sự gián đoạn của momen xoắn Đĩa quay của servo motor có thể thực hiện sự quay liên tục giống với động cơ DC thông thường Nhưng nó chỉ quay với độ rộng ± 120° kể từ điểm chính giữa.

Servo motor sử dụng dòng điện xoay chiều, trong đó tốc độ quay của motor phụ thuộc vào tần số của dòng điện và số cực của nam châm.

Cảm biến là thiết bị nhận “stimulus” và trả về tín hiệu điện “stimulus” là tính chất, thuộc tính,… được cảm nhận và chuyển thành tín hiệu điện.

Encoder là cảm biến phản hồi thiết yếu trong điều khiển động cơ Hiện nay, encoder từ (magnetic encoder) đang được sử dụng phổ biến nhờ vào độ chính xác và độ tin cậy cao trong việc theo dõi vị trí và chuyển động.

Encoder quang (optical encoder) là thiết bị giúp đo tốc độ quay của động cơ thông qua tín hiệu xung khi ánh sáng đi qua phần hình quạt màu trắng và phản xạ trở lại Việc kết hợp encoder quang với động cơ servo mang lại khả năng điều khiển tốc độ hiệu quả hơn.

Công tắc hành trình, hay còn gọi là công tắc giới hạn hành trình, là thiết bị dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động Cấu tạo của nó tương tự như công tắc điện thông thường, nhưng được trang bị thêm cần tác động để các bộ phận chuyển động có thể làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong Đặc biệt, công tắc hành trình không duy trì trạng thái; khi không còn tác động, nó sẽ tự động trở về vị trí ban đầu.

Công tắc hành trình được sử dụng tại khâu 3 để giới hạn chuyển động tịch tiến của khâu 3

Hình 1 3: Encoder (trái) và công tắc hành trình (phải)

Để điều khiển động cơ servo công suất lớn, không thể sử dụng trực tiếp vi điều khiển do nguồn ra thấp (+5V) Cần có một bộ điều khiển (driver) cho servo motor với nguồn cấp đủ lớn để đảm bảo cường độ dòng ra điều khiển động cơ đạt mức A Do đó, việc cấp nguồn cho cả vi điều khiển (có thể sử dụng pin từ 5V đến 12V) và driver (sử dụng bộ nguồn chuyên dụng) là rất cần thiết.

1.3.4 Bộ điều khiển động cơ

Mỗi hãng sản xuất servo motor đều cung cấp bộ driver riêng để điều khiển, bao gồm đầu kết nối với servo motor, rắc cắm cho encoder phản hồi, và các đầu cấp nguồn Ngoài ra, bộ driver còn có các điểm giao tiếp với máy tính hoặc vi điều khiển thông qua các chân RX và TX.

Với bộ driver DYN2 AC Servo Drive của hãng DMM (Dynamic Motor Motion) – hình 2.4 có một số tính chất như sau :

• Điện áp hoạt động + 60 VDC (nhỏ nhất : 24 VDC, lớn nhất 75 VDC)

• Có khả năng điều khiển theo vị trí, tốc độ, và momen.

• Giao tiếp nhanh với absolute encoder.

• Giao tiếp RS232 qua cổng UART với máy tính và vi điều khiển

• Có ứng dụng trong máy công cụ nhỏ và vừa, máy CN, Robotics, …

Hình 1 4: Bộ điều khiển động cơ

1.3.5 Giao tiếp với bộ điều khiển

Vi i u khi n (Micro Controller Unit)đ ề ể

Các hệ thống robot có thể sử dụng các vi điều khiển trong vai trò "bộ não" So với PLC, vi điều khiển có khả năng linh hoạt hơn, nhưng lại có độ bền kém hơn khi làm việc trong môi trường công nghiệp.

Hình 1 5: Vi điều khiển STM32F407 Discovery

*STM32F4 là một dòng vi điều khiển 32bit khá mạnh của hãng ST

*STM32F407 Discovery là một loại sản phẩm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

Sau khi hoàn thành chương 1, em tìm hiểu được

- Nguyên lí hoạt động của robot

- Tìm hiểu các thông số kỹ thuật quan trọng

- Tìm hiểu các thành phần tổng quan của hệ thống điều khiển như động cơ, cảm biến, bộ nguồn, bộ điều khiển động cơ, vi điều khiển

Qua đó hiểu được cấu tạo và nguyên lý chuẩn bị cho phần thiết kế hệ thống điều khiển trong chương tiếp theo.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Tính toán động học, động lực học

Đầu tiên, tôi thực hiện tính toán động học cho robot nhằm khảo sát vùng làm việc, xác định tầm với của robot Dựa trên thông tin này, tôi thiết kế một quỹ đạo phù hợp trong phạm vi tầm với đã xác định.

Hình 2 1: Sơ đồ kết cấu các khâu robot

2.1.1.1 Động học thuận và vùng làm việc của Robot a Động học thuận

Với bài toán động học thuận thì các biến khớp đã biết, yêu cầu tìm vị trí của khâu thao tác.

T 1 0 = [ cos sin 0 0 (q (q 1 1 ) ) -sin( cos( 0 0 q q 1 1 ) ) 0 0 1 0 a a 1 1 cos(q sin d 1 1 (q 1 1 ) ) ] 44\*

1=[ cos sin 0 0 (q (q 2 2 ) ) -sin( cos(q 0 0 q 2 2 ) ) 0 0 1 0 a a 2 2 cos sin( 0 1 (q q 2 2 ) ) ]

MERGEFORMAT (2.) Tìm vị trí và hướng điểm thao tác

- Ma trận thuần nhất khâu cuối:

MERGEFORMAT (2.) Lưu ý: ở đây ký hiệu ‘c’ thay cho cos và ‘s’ thay cho sin.

- Ma trận biểu diễn hướng của điểm thao tác:

- Vị trí điểm thao tác: r 3 0 { x=a y =a 2 2 cos sin z = (q ( q q 1 1 3 + q + q + d 2 2 ) 1 ) + a + d + a 1 2 1 cos( sin (q q 1 1 ) ) (1) (2) ( 3 ) 99\* MERGEFORMAT (2.)

- Vận tốc của điểm thao tác cuối:

V t 3 0 =[ - a a 2 cos( 2 sin(q q 1 + q 1 + q 2 ) 2 q ) • q 1 • + a 1 - a 2 2 cos( sin(q q • 3 q 1 1 + q + q 2 2 ) ) q q • • 2 2 + a - a 1 1 sin( cos(q q 1 1 )q )q • • 1 1 ] ; 1010\*

- Gia tốc điểm thao tác cuối:

* MERGEFOR MAT (2.) Gia tốc góc: a q 0 3 = [ θ ˙ 1 + ˙ 0 0 θ 2 ] 1313\* MERGEFORMAT (2.)

Phương trình động học thuận của robot tham khảo:

{ xR0 cos( yR0 sin (q z q = 1 1 + q + q 450 2 2 + ) ) q + 570cos( + 570sin 3 (q q 1 1 ) ) ¿ 1414\*

MERGEFORMAT (2.) b Vùng làm việc có thể với tới của Robot

Với bài toán động học thuận thì các biến khớp đã biết, yêu cầu tìm vị trí của khâu thao tác.

Hình 2 2: Vùng làm việc có thể với tới của robot

Hình 2 3: Vùng làm việc có thể với tới của robot (1)

2.1.1.2 Động học nghịch và bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác a Động học nghịch

Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị của các biến khớp.

Giả sử tọa độ điểm cuối là: r e = [ x y z e e e ] 1717\*

Phương trình tọa độ điểm cuối:

{ a a 2 2 cos sin(q ( q 1 1 q + q + q 3 + d 2 2 ) ) 1 + a + a + d 1 1 2 sin( cos = z ( e q q 1 1 ) ) = = y x e e ( (2) (3) 1 ) 1818\* MERGEFORMAT (2.)

Từ phương trình (3) ta có: q 3 = z e - d 1 - d 2 1919\

Từ phương trình (1) và (2) ta có: ¿

Hệ phương trình trở thành hệ 2 ẩn:

⇔ { ( a a 2 sin q 2 cos q 2 cosq 2 + a 1 1 ) +(a cos q 2 cosq 1 - a 2 2 sin q + a 1 ) 2 cos q sin q 1 1 = = x y e e 2020\

Ta có: Δ=| a 2 a cosq 2 sin q 2 + a 2 1 - a a 2 cosq 2 sin q 2 + a 2 1 | = a 2 2 +a 1 2 +2 a 1 a 2 cos q 2 =x e 2 + y e 2 ; 2121\* MERGEFORMAT

MERGEFORMAT (2.) Δ 2 = | a 2 a cos q 2 sin q 2 + a 2 1 x y e e | =a 1 y e + a 2 ( y e cosq 2 − x e sin q 2 ) ; 2323\*

MERGEFORMAT (2.) Giải hệ phưong trình ta được hai ẩn:

{ cosq sin q 1 1 = = a a 1 1 y x e e + + a a 2 2 ( ( x y x x e e e e cosq cosq 2 2 + + y y e e 2 2 2 2 + − y x e e sin q sin q 2 2 ) )

⇔ q 1 =arctan ( sin q cosq 1 1 ) =arctan ( a a 1 1 y x e e + + a a 2 2 ( ( y x e e cosq cosq 2 2 + − y x e e sin q sin q 2 2 ) ) ) (2.23 )

Thay các tham số của robot ta có:

Để khảo sát quỹ đạo làm việc của bài toán, chúng ta chọn quỹ đạo làm việc gắp thả vật Các công thức liên quan đến arctan và arccos được sử dụng để tính toán các giá trị liên quan đến quỹ đạo này, bao gồm các yếu tố như x, y, và z Các phương trình này giúp xác định mối quan hệ giữa các biến số trong quá trình khảo sát, từ đó cung cấp cái nhìn rõ ràng hơn về quỹ đạo làm việc được đề xuất.

Hình 2 4: Quỹ đạo gắp vật

S (0.7; 0 ;0.45) là điểm khởi động của robot.

Quỹ đạo SA’ A’A Dừng gắp AA’ A’B’ B’B Dừng thả BB’ mạch mạch

Để thiết kế quỹ đạo cho robot, phương pháp xấp xỉ đa thức bậc n hoặc dạng phối hợp thường được sử dụng Trong báo cáo này, nhóm chọn quỹ đạo theo đa thức bậc 3 vì tính đơn giản trong thiết kế và khả năng đáp ứng các yêu cầu như đảm bảo tính liên tục của vận tốc, giúp quỹ đạo không bị giật cục hay gấp khúc, từ đó giảm thiểu sốc trong quá trình hoạt động của robot.

+ Thiêt kế quỹ đạo trong không gian thao tác, quỹ đạo đường thẳng

Phương trình đường thẳng đi qua hai điểm được biểu diễn như sau: \( \frac{x - x_0}{x_e - x_0} = \frac{y - y_0}{y_e - y_0} = \frac{z - z_0}{z_e - z_0} \) Độ dịch chuyển của điểm thao tác E theo các phương x, y, z là một đa thức bậc ba theo thời gian.

Với thời gian đặt cho quỹ đạo là te(s) để đi từ M đến N theo một đường thẳng Với điều kiện đầu: ¿

Ta xác định được các hệ số như sau: ¿

Sơ đồ Simulink thiết kế quỹ đạo:

Hình 2 5: Mô hình Simulink thiết kế quỹ đạo chuyển động

Quỹ đạo các biến khớp:

Hình 2 6: Quỹ đạo biến khớp khâu 1

Chúng ta đã xác định các biến khớp tương ứng với quỹ đạo đã được thiết kế Những biến khớp này sẽ đóng vai trò là đầu vào trong quá trình thiết kế bộ điều khiển.

2.1.2 Tính toán động lực học

Tiếp theo là việc tính toán động lực học robot là cơ sở cho việc chọn động cơ phù hợp cho hệ thống. Động lực học thuận

Dựa vào yêu cầu của đề bài và sự tham khảo các robot khác em xin đưa ra sơ đồ động học cho robot sẽ thiết kế:

Hình 2 9: Thiết lập hệ tọa độ khối tâm

Ta có bảng tham số động lực học của robot như sau

Vị trí trọng tâm các khâu

Vị trí trọng tâm so với hệ tọa độ gắn trên khâu i Khối lượng mi

Momen quán tính khối và momen tích quán tính của khâu i đối với các trục xci, yci, zci

Xci Yci Zci J xx J yy J zz J xy J xz J yz

1 -l1 0 0 m1 J1x x J1yy J1zz J1xy J1xz J1yz

2 -l2 0 0 m2 J2x x J2yy J2zz J2xy J2xz J2yz

3 0 0 l3 m3 J3x x J3yy J3zz J3xy J3xz J3yz

Trong đó với vị trí khối tâm được thiết lập ta xác định được :

Các thông số động học

Khối lượng các khâu (kg) Thông số động học (m) m1 m2 m3 a1 a2 d1 d2

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động:

Phương trình Lagrange loại 2 áp dụng cho các cơ hệ: d dt ( ∂ ∂T q ˙ i ) − ∂ T ∂ q i = −∂ Π ∂ q i + Q i + U i với i = 1÷ n Trong đó:

T là động năng của cả hệ Π là thế năng của cả hệ qi là tọa độ suy rông thứ i

Qi là lực suy rộng các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi

Trong thiết kế robot, phương trình Lagrange loại 2 thường được biểu diễn dưới dạng ma trận để thuận tiện cho việc sử dụng các công cụ toán học và thực hiện mô phỏng trên máy tính.

M là ma trận khối lượng

Q là vecto lực suy rộng của các lực không thế.

U là vecto lực suy rộng ứng với tọa độ khớp qi của các lực dẫn động τi của động cơ đặt tại các khớp:

Với khớp tịnh tiến thì τi là lực Fmi

Với khớp quay thì τi là ngẫu lực có momen Mmi Ở nội dung báo cáo này, nhóm thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận

Hệ tọa độ Cixciycizci được gắn vào khâu thứ i tại khối tâm Ci, với vị trí và hướng so với hệ tọa độ cơ sở được xác định bởi công thức: 0 A ci = 0 A i i Α ci = [ R i(3 0 T x3) r ci(3 1 x 1) ].

Dựa trên hệ tọa độ khối tâm đã thiết lập ta xác định được:

+ Ma trận ten xơ quán tính của khâu đối với khối tâm C1 trong hệ tọa độ động

+ Bán kính định vị khối tâm: o r c1 = [ ( −l 1 + a 1 ) c 1 , ( −l 1 + a 1 ) s 1 , d 1 ] T (2.34)

+ Xác định ma trận Jacobian tịnh tiến :

J T 1 = [ − ( −l ( −l 1 + 1 0 +a a 1 1 ) c ) s 1 1 0 0 0 0 0 0 ] ¿> J T1 T = [ −(− l 1 0 0 + a 1 ) s 1 (− l 1 + 0 0 a 1 ) c 1 0 0 0 ] (2.36) + Xác định ma trận Jacobian quay J R1:

Từ o Ac1 => Ma trận quay: o R c1 = [ c s 0 1 1 −s c 0 1 1 0 0 1 ]

+ Ma trận ten xơ quán tính của khâu đối với khối tâm C2 trong hệ tọa độ động

+ Bán kính định vị khối tâm: o r c2=[ a a 1 1 c s 1 1 +(− +(− d 2 +d l l 2 2 + + 1 a a 2 2 ) ) c s 12 12 ] (2.40) + Vận tốc khối tâm : v c2 = ˙ o r c 2 = [ − a a 1 1 c s 1 1 q ˙ q ˙ 1 1 + − ( −l ( − 2 l + 2 0 + a a 2 ) 2 c ) s 12 12 ( ˙ ( ˙ q q 1 1 + ˙ + ˙ q q 2 ) 2 ) ] (2.41)

+ Xác định ma trận Jacobian tịnh tiến :

+ Xác định ma trận Jacobian quay J R2:

Từ o Ac2 => Ma trận quay: o R c2 = [ c s 0 12 12 − c 0 s 12 12 0 0 1 ]

+Ma trận ten xơ quán tính của khâu đối với khối tâm C2 trong hệ tọa độ động

+ Bán kính định vị khối tâm: o r c3 = [ l 3 a a −q 1 1 c s 1 1 3 + + + a a d 2 2 2 c s + 12 12 d 1 ] (2.46)

+ Xác định ma trận Jacobian tịnh tiến J T 3:

T = [ − a − 2 s a 12 0 2 −a s 12 1 s 1 a 2 c a 12 2 0 + c 12 a 1 c 1 0 0 0 ] (2.48) + Xác định ma trận Jacobian quay J R3:

+ Từ o Ac3 => Ma trận quay: o R c3 = [ c s 0 12 12 −s c 0 12 12 0 0 1 ]

Trong đó M(q) là ma trận khối lượng (Ma trận đối xứng) được xác định bởi:

Kết quả tính trên phần mềm maple:

Coi các khâu là các thanh thẳng dài ta được: I zz 2 + I zz 3

Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm xác định bởi:

C(¿q , q˙ )=¿¿ (2.52) Các phần tử của ma trận này được xác định theo công thức: c ij ( ˙ q , q )= 1

Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở:

Khi đó thế năng của robot được xác định: Π = ∑ i=1

Vector lực do trọng lực: G ¿

Lực suy rộng của các lực không thế

Trong đồ án, robot được xem là mô hình lý tưởng, không tính đến lực ma sát và lực cản nhớt Lực không thế chỉ bao gồm lực tác động lên khâu thao tác cuối Xem xét trường hợp tổng quát với các lực và momen có giá trị.

F 3=[ Fx , Fy , Fz] ;M 3=[Mx , My , Mz ] Lực suy rộng được được xác định theo công thức:

Với là trị số ứng với hàng i của ma trận Jacobi JTj T

Tổng hợp các kết quả tính toán ta được phương trình động lực học:

( ) là lực điều khiển tại các khớp

Mô hình hóa, xác định hàm truyền, đánh giá tính ổn định

2.2.1 Mô hình hóa động cơ điện một chiều

Hình 2 10: Sơ đồ khối robot hoàn chỉnh bao gồm hộp số

*motor driver: bộ điều khiển động cơ

*encoder:cảm biến phản hồi tốc độ, vị trí của động cơ

*motor inertia: quán tính động cơ

*motor friction: ma sát động cơ

*load inertia: quán tính tải trọng

J m là momen quán tính của động cơ

Momen quán tính (J_l) của khâu gắn trên khớp, momen ở trục động cơ (τ_m), và momen tải quán tính (τ_l) là các yếu tố quan trọng trong hệ thống truyền động Góc quay ở trục động cơ (θ_m) và góc quay ở tải cũng đóng vai trò thiết yếu Hệ số giảm chấn của động cơ và tải ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của toàn bộ hệ thống.

Ta có hệ số giảm tốc : n= θ s θ m (2.58)

Áp dụng nguyên lý D’Alambert, ta có phương trình: τ 1 − B 1 θ ˙ s = J 1 θ ¨ s, trong đó θ ˙ s là tốc độ góc của tải (rad/s) và θ ¨ s là gia tốc góc của tải (rad/s²) Phương trình này có thể được viết lại dưới dạng tương đương: τ 1 − B 1 w s = J 1 w ˙ s.

Sử dụng nguyên lý trên cho trục động cơ chính ta được: τ m −n τ 1 − B m θ ˙ m =J m θ ¨ m PT 3-2

Kết hợp các phương trình, ta có mô-men quán tính tác động ở trục động cơ được xác định bởi công thức τ m = ( J m + n² J l ) θ ¨ m + ( B m + n² B l ) ˙ θ m Ở đây, hệ số giảm chấn tác dụng trên trục động cơ cũng được đặt ra để phân tích.

Ta thu được: τ m =J td θ ¨ m + B td θ ˙ m PT 3-4 τ m =J td W ˙ m + B td W m PT 3-5

Động cơ điện một chiều (DC) có kích từ độc lập và điều khiển bằng điện áp phần ứng Sơ đồ nguyên lý của động cơ này cho thấy dòng kích từ 𝑖𝑘 được duy trì ổn định.

Hình 2 11: Sơ đồ nguyên lý động cơ

Với: + Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng [Volt; V].

+ Tín hiệu ra là vận tốc góc ω của động cơ [rad/s].

Sử dụng 3 phương trình cơ bản như sau:

• Phương trình mạch điện phần ứng

U =Ldi dt+Ri+K e ω (2.65) + R – điện trở phần ứng, [Ω].

+ K e – hằng số sức điện động [Vs/rad].

+ K e ω – sức điện động phần ứng [V].

Biến đổi Laplace 2 vế phương trình, ta được:

Sơ đồ khối tương ứng:

Hình 2 12: Sơ đồ khối mạch điện phần ứng

• Phương trình momen điện từ của động cơ

Với dòng kích từ 𝑖𝑘 không đổi thì từ thông khe khí là không đổi và momen điện từ M của động cơ tỉ lệ với dòng điện phần ứng:

K m =k 1 Φ= k 1 k 2 i k là hằng số momen của động cơ, [N.m/A]

Với: + - hằng số phụ thuộc vào kết cấu động cơ.

+ - hằng số đặc trưng đoạn tuyến tính của từ thông thay đổi theo

Biến đổi Laplace hai vế ta được:

Sơ đồ khối tương đương :

Hình 2 13: Sơ đồ khối phần momen điện từ

• Phương trình cân bằng momen trên trục động cơ

+ J – momen quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2]

+ B – hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2]

+ – momen phụ tải (nhiễu), [Nm]

Biến đổi Laplace 2 vế phương trình:

Sơ đồ khối tương ứng:

Hình 2 14: Sơ đồ khối phần momen cân bằng trên động cơ

Kết hợp 3 sơ đồ khối thành phần, ta thu được sơ đồ khối của động cơ:

Hình 2 15: Sơ đồ khối động cơ ( Điên.áp -> vận tốc)

Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là vận tốc:

Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc điều khiển vị trí của robot, đặc biệt là góc quay tại các khớp Do đó, khi mô hình hóa động cơ, tín hiệu đầu ra cần phải thể hiện đại lượng dịch chuyển của góc.

Gọi – góc quay của động cơ Do đó đạo hàm của góc quay chính là vận tốc góc:

(𝑡) = ∫ 𝜔(𝑡)𝑑𝑡 (2.71) Chuyển sang miền tần số, ta được:

(2.72) Lúc này, hàm truyền của động cơ trở thành:

R– hằng số thời gian điện từ, τ c = J td

B td – hằng số thời gian cơ Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:

Sơ đồ khối của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:

Hình 2 16: Sơ đồ khối động cơ ( Điện áp -> Góc quay)

Bảng thông số động cơ servo sử dụng trong robot SCARA:

Hằng số sức điện động (𝑉𝑠/𝑟𝑎𝑑) 56/60

Quán tính của rotor ( ) 2,97 Điện trở 𝑅(Ω) 1,83 Độ tự cảm 𝐿(𝐻) 4,72

2.2.2 Mô hình hóa và xác định hàm truyền các khâu

Trục vít me – đai ốc bi khâu 3 (Khâu 3 là khâu tịnh tiến- sử dụng vít me đai ốc bi như đã thiết kế ở đồ án 1)

Hình 2 17: Sơ đồ trục vít me- đai ốc bi

Xét bộ truyền vít me – đai ốc bi như hình.

Tín hiệu vào: vận tốc góc 𝑤(𝑡) của vít me, [rad/s]

Tín hiệu ra: lượng dịch chuyển 𝑦(𝑡) của khâu 3, [m]

Gọi p là bước của vít me, [m] Ta có phương trình quan hệ: y ( t )= p

0 t w ( t ) dt (2.75) Biến đổi Laplace 2 vế với điều kiện đầu bằng 0:

(2.76) Lập tỷ số tín hiệu ra trên tín hiệu vào, ta thu được hàm truyền tích phân:

Trong đó: 𝐾 = – hệ số tích phân

Sơ đồ khối tương đương:

Hình 2 18: Sơ đồ khối trục vít me- đai ốc bi

Kết hợp sơ đồ khối các phần tử động cơ và trục vít me bi, ta thu được sơ đồ khối mô tả khâu 3 như sau:

Hình 2 19: Sơ đồ khối khâu 3

Khâu 2 chỉ sử dụng tổ hợp động cơ DC kết hợp với hộp giảm tốc mà không cần thêm cơ cấu truyền động Do đó, hàm truyền của khâu 2 chính là hàm truyền của động cơ đã được xây dựng.

R– hằng số thời gian điện từ, τ c = J td

B td – hằng số thời gian cơ

Khâu 1 chỉ sử dụng tổ hợp động cơ DC kết hợp với hộp giảm tốc mà không cần thêm cơ cấu truyền động Do đó, hàm truyền của khâu 1 chính là hàm truyền của động cơ đã được xây dựng.

R – hằng số thời gian điện từ, τ c = J td

B td – hằng số thời gian cơ

Momen quán tính các khâu

Có nhiều phương pháp để tính momen quán tính, nhưng đối với các hình dạng phức tạp, các phương pháp này thường chỉ cho kết quả gần đúng Để đơn giản hóa quá trình tính toán, tôi đã sử dụng phần mềm Solidworks để xác định momen quán tính trên các khớp.

Momen quán tính sẽ được lấy gần đúng bằng thành phần Izz trong công cụ Mass properties Từ đó ta thu được các kết quả sau:

Sử dụng công cụ Matlab tính các hàm truyền như sau:

Với Gs1, Gs2, Gs3 là hàm truyền khâu 1,2,3

2.2.3 Đánh giá tính ổn định, xác định sai lệch tĩnh

Khảo sát tính ổn định của hàm truyền các khâu được thực hiện theo tiêu chuẩn Nyquist Đồ thị Nyquist của hàm truyền khâu 1, khâu 2 và khâu 3 được phân tích để đánh giá tính ổn định của từng khâu trong hệ thống.

Đồ thị Nyquist của hàm truyền các khâu không có điểm nào nằm tại (-1+0j), điều này cho thấy không có điểm cực nào trên trục ảo hoặc bên phải trục ảo Do đó, hệ kín sẽ đảm bảo tính ổn định.

Xác định sai lệch tĩnh

Cả 3 khâu đều có hàm truyền dạng:

(2.81) Xét tín hiệu đầu vào có dạng 𝑢(𝑡) = 1(𝑡)

Hình 2 20: Sơ đồ khối tính sai lệch tĩnh với đầu vào u(t)=1(t)

Sai lệch tĩnh được tính theo công thức:

(2.82) Theo tiêu chuẩn đánh giá sai lệch tĩnh, hệ thống ổn định. Đánh giá tính ổn định

Hình 2 21: Đồ thị đáp ứng khâu 1

- Thời gian tăng: 60s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

- Trạng thái ổn định: Giá trị xác lập là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định

Trạng thái ổn định của hệ thống được xác lập với giá trị là 1, dẫn đến sai lệch tĩnh bằng 0 Mặc dù hệ thống đã đạt trạng thái ổn định, thời gian xác lập vẫn quá lớn và tốc độ đáp ứng không đủ nhanh Do đó, cần thiết phải thiết kế bộ điều khiển nhằm tăng tốc độ đáp ứng và giảm thời gian xác lập của hệ thống.

Thiết kế bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một cơ chế điều khiển vòng phản hồi phổ biến trong công nghiệp Nó hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu mong muốn, từ đó điều chỉnh tín hiệu đầu vào để giảm thiểu sai số Khi sai lệch giảm, hệ thống sẽ tiến gần hơn đến trạng thái làm việc lý tưởng.

Hình 2 24: Mô hình bộ điều khiển PID

Trong đồ án này, chúng tôi hướng đến việc điều khiển robot đạt vị trí mong muốn trong không gian thao tác bằng cách sử dụng luật điều khiển PID Tín hiệu điều khiển của PID Controller được xác định bởi sai lệch vị trí của các khớp theo thời gian, tức là sai số giữa vị trí hiện tại và vị trí mong muốn Công thức điều khiển được biểu diễn như sau: u(t) = Kp * e(t) + KD * de(t)/dt + KI * ∫e(t)dt.

+ 𝑒(𝑡) – sai lệch giữa giá trị đặt mong muốn (setpoint) và giá trị thực tế đo được

+ 𝑞𝑑(𝑡) – giá trị đặt mong muốn (setpoint) tại thời điểm đo

+ 𝑞(𝑡) – giá trị thực tế của biến khớp tại thời điểm đo

Tiến hành xây dựng bộ điều khiển PID trong MATLAB như sau:

• Thiết lập sơ đồ Simulink cho bộ điều khiển

Hình 2 25: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

• Trong MATLAB-Simulink đã có sẵn khối PID Controller, ta sẽ sử dụng trực tiếp khối này mà không cần xây dựng lại

Hình 2 26: Sơ đồ khối PID điều khiển động cơ

Việc lựa chọn thông số cho PID Controller có thể thực hiện qua nhiều phương pháp Phương pháp đơn giản nhất là chỉnh tay, thử nghiệm các bộ thông số cho đến khi đạt tín hiệu mong muốn, nhưng cách này tốn thời gian và không khoa học Phương pháp thứ hai là áp dụng các kỹ thuật toán học như Ziegler-Nichols hay Chien-Hrones-Reswick để tối ưu hóa Cuối cùng, phương pháp sử dụng công cụ PID Tuner tích hợp trên MATLAB là cách được áp dụng trong đồ án này.

Hình 2 27: Giao diện công cụ PID Tuner trên Matlab

Xác định được các thông số của PID Controller:

Ta sẽ đánh giá chất lượng của bộ điều khiển đã thiết kế với đầu vào mẫu 𝑢(𝑡)=1(𝑡)

Hình 2 28: Đồ thi đáp ứng khâu 1 với bộ điều khiển PID

- Thời gian tăng: 0,0308s (là khoảng thời gian kể từ khi hệ thống đạt 10% cho đến khi đạt 90% giá trị xác lập)

Trạng thái ổn định của hệ thống được xác lập với giá trị là 1, dẫn đến sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ thống ổn định Sau khi thiết kế bộ điều khiển PID, hệ thống xuất hiện một mức overshoot nhỏ, điều này là chấp nhận được vì khó có thể tránh khỏi Hơn nữa, tốc độ đáp ứng rất nhanh và thời gian xác lập đã giảm đáng kể, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.

Mô phỏng, phân tích và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống

Sau khi thiết kế bộ điều khiển PID, ta đi mô phỏng để đánh giá bộ điều khiển mình thiết kế đã hợp lý chưa ?

Hình 2 31: Trình tự xây dựng mô hình hệ thống điều khiển

Trình tự các bước thực hiện bài toán

• Xác định các thông số vật lý của robot

• Mô hình hóa bằng phần mềm SolidWorks

• Xuất bản CAD tương ứng sang MATLAB/SimMechanics

• Xây dựng bộ điều khiển PID và mô phỏng

Mô hình CAD sau khi đưa vào MATLAB

Hình 2 32: Mô hình CAD của robot trong Matlab

Mô hình Simscape xuất từ SolidWorks

Mô hình điều khiển cho toàn bộ robot

Hình 2 34: Mô hình hệ thống điều khiển toàn bộ robot

Hệ thống nhận đầu vào là giá trị của các biến khớp (𝑞1, 𝑞2, 𝑞3), phụ thuộc vào vị trí các điểm thao tác trong không gian Các biến khớp này cần thỏa mãn quỹ đạo hình học đã được xác định trước và được giải quyết thông qua bài toán động học ngược.

• Tín hiệu vào sẽ đi qua các khối Điều khiển PID, khối động cơ DC và khối mô hình 3D của robot.

Đầu ra của hệ thống bao gồm quỹ đạo và vận tốc của các biến khớp, cùng với tín hiệu sai lệch, tất cả đều là đầu vào quan trọng cho bộ điều khiển PID.

Hình 2 35: Khối Position Reference ( Thiết kế quỹ đạo )

Hình 2 36: Khối động cơ DC

Ta mô phỏng và thu được đồ thị về quỹ đạo của từng biến khớp, sai số và vận tốc của chúng như sau:

Hình 2 37: Giá trị biến khớp khâu 1

Hình 2 38: Sai số biến khớp khâu 1

Hình 2 45: Vận tốc khâu 3 Đánh giá:

Giá trị biến khớp các khâu đặt vào và đầu ra là trùng khớp

Sai số biến khớp các khâu là rất nhỏ ( khâu 1: 3 10 −3 rad , khâu 2: 20 10 −3 rad , khâu 3:

Như vậy bộ điều khiển ta đã thiết kế là phù hợp.

Lựa chọn các phần tử cho hệ thống điều khiển

Tính công suất động cơ:

Sử dụng công cụ Matlab tính giá trị cực đại của các momen lực và vận tốc cực đại điều khiển tại các khớp 1,2 :

Từ đó tính được công suất cực đại

Với khâu 3 là trục vít me đai ốc bi ta có :

Khi chọn động cơ ta nhân với hệ số an toàn là khoảng 1,5

Hệ thống điều khiển robot bao gồm 2 phần tử cơ bản và quan trọng: Hệ thống điều khiển động cơ servo và bộ điều khiển robot.

Hệ thống điều khiển động cơ servo

Cụm thiết bị điều khiển servo gồm 2 thành phần: Bộ điều khiển và động cơ servo.

Trong công nghiệp hiện nay, có hai lựa chọn chính để điều khiển động cơ servo: sử dụng biến tần và sử dụng Servo Driver Biến tần, trước đây chủ yếu được áp dụng cho động cơ AC trong các ứng dụng công suất lớn như máy nén khí và băng tải nặng, giờ đây đã phát triển để có thể điều khiển động cơ servo Trong khi đó, Servo Driver được thiết kế theo mô-đun, cho phép mỗi driver tương thích với một số loại động cơ servo nhất định, tùy thuộc vào từng nhà sản xuất.

Loại động cơ này lý tưởng cho các ứng dụng công suất nhỏ, yêu cầu momen xoắn lớn và khả năng điều khiển vị trí chính xác cao, thường được sử dụng trong robot và máy CNC.

Tiêu chí Biến tần Bộ điều khiển Servo Ứng dụng điều khiển

Sử dụng cho các ứng dụng không yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao, ổn định

Sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển với tốc độ và độ chính xác cao, hệ thống này cho phép thay đổi trạng thái nhanh chóng và liên tục Chế độ điều khiển cơ bản bao gồm việc điều chỉnh tốc độ động cơ, đồng thời kiểm soát vị trí, tốc độ và mô-men xoắn Ngoài ra, nó còn có khả năng điều khiển nhiều động cơ cùng một lúc.

Một biến tần có thể điều khiển nhiều động cơ

Một bộ điều khiển servo cơ bản chỉ điều khiển một động cơ servo duy nhất Độ đáp ứng Chậm

Nhanh Khoảng 200 - 15000 rad/s Điều khiển vị trí và dừng chính xác cao Đến khoảng 100 àm Lờn đến khoảng 1àm

Chế độ khóa Không Có

Tần số khởi động/dừng 20 rpm hoặc thấp hơn 20 – 600 rpm

Momen xoắn cực đại Khoảng 150% Khoảng 300%

Kích thước Lớn, nặng Nhỏ gọn và nhẹ hơn

Chi phí đầu tư Tương đối thấp Cao

Dựa trên các đặc điểm đã nêu, chúng tôi sẽ chọn Servo Driver để điều khiển servo cho hệ thống robot SCARA Trong đồ án này, thiết bị driver SGDV-5R5A và động cơ servo SGMAV-06A sẽ được sử dụng cho khâu 3, trong khi khâu 1 và 2 sẽ sử dụng động cơ SGMAV-08A, tất cả đều đến từ hãng Yaskawa.

Hình 2 46: Động cơ và bộ điều khiển hãng Yaskawa

Hình 2 47: Thông số kỹ thuật của dòng động cơ SGMAV

* Rate Output: Đầu ra định mức ( công suất )

*Rate Torque: Moomen xoắn định mức

*Rate Speed: Tốc độ định mức

*Max Speed: Tốc độ tối đa

*Applicable SERVOPACK: Mã bộ điều khiển tương ứng với mã động cơ

Hình 2 48: Giao diện của bộ điều khiển SGDV-5R5A

Driver chia làm 3 vùng chính:

• Phần Panel Operator: Bao gồm 1 màn hình LED hiển thị và nút bấm, sử dụng để cấu hình các chức năng, cài đặt chế độ cho driver hoạt động.

• Phần cấp nguồn (nằm ở sườn bên trái), gồm có:

+ Cổng L1, L2, L3: Cấp nguồn điện cho động cơ.

+ Cổng L1C, L2C: Cấp nguồn điện cho driver hoạt động.

+ Cổng U, V, W: Cổng nối với động cơ

• Phần cổng input/output (nằm ở sườn bên phải), gồm có:

+ Cổng CN5: Cổng kết nối ra màn hình annalog.

+ Cổng CN3: Cổng kết nối với các thiết bị điều khiển.

+ Cổng CN7: Cổng kết nối USB dành cho máy tính.

+ Cổng CN1: Cổng I/O vào ra, nhận các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm, xuất các tín hiệu cảnh báo, …

+ Cổng CN8: Cổng chức năng cho các thiết bị an toàn.

+ Cổng CN2: Kết nối với encoder của động cơ.

Driver là một bộ điều khiển phản hồi vòng kín dạng module hoá, tương tự như khối điều khiển PID trong thiết kế hệ thống điều khiển Các tín hiệu điều khiển được nhận từ các cổng như CN3, CN7 hoặc CN1, cho phép người dùng lựa chọn bộ điều khiển trung tâm phù hợp với yêu cầu ứng dụng Khi điều khiển qua cổng CN1, người dùng có thể sử dụng thêm bộ cáp để kết nối với các vi điều khiển hoặc thiết bị cấp xung, đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiều chân I/O.

Hình 2 49: Sơ đồ các chân I/O cổng CN1 của servo driver SGDV-5R5A

*Cổng CN1: Cổng kết nối ở chế độ điều khiển vị trí

*Các chân đầu vào, đầu ra em sẽ giải thích ở phần 2.6 mạch ghép nối phần tử điều khiển

Vị trí động cơ được điều khiển bởi hai chân đầu vào là PULS (chân 7 và 8) và SIGN (chân 11 và 12) Chân PULS cung cấp xung cho driver, giúp động cơ di chuyển theo xung từ encoder gắn trên động cơ Chân SIGN điều khiển chiều quay của động cơ, với mức H tương ứng với chiều quay thuận và mức L cho chiều quay nghịch Chế độ cài đặt cho driver được chọn là Factory Settings.

Hình 2 50: Phương pháp xuất xung điều khiển servo ở chế độ điều khiển vị trí

Từ encoder 20bit, số xung mỗi vòng quay của động cơ có thể được tính toán thông qua tỷ lệ của hộp giảm tốc Điều này cho phép xác định số xung cần thiết để động cơ hoàn thành một vòng quay sau hộp giảm tốc.

Với k là hệ số giảm tốc.

Khi đó muốn điều khiển động cơ quay được 𝑎𝑣ò𝑛𝑔 ta cần cấp 𝑛 × 𝑎 xung vào chân PULS Để đảo chiều thì thay đổi mức logic ở chân SIGN.

Trong đồ án này, mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển cho robot là đáp ứng yêu cầu về vị trí, vì vậy cần sử dụng chế độ điều khiển vị trí Hệ thống yêu cầu tối thiểu 3 chân PULS và 3 chân SIGNS để điều khiển 3 bộ driver Bên cạnh đó, cũng cần thêm một số cổng INPUT khác để cho phép servo hoạt động và cảnh báo lỗi.

Trong ngành công nghiệp, vi điều khiển phổ biến gồm STM32 và Arduino Mega 2560 Qua việc phân tích thông số kỹ thuật, STM32 cho thấy ưu thế vượt trội so với Arduino Mega 2560 về tốc độ và bộ nhớ Do đó, STM32 là lựa chọn phù hợp cho các robot yêu cầu độ chính xác cao như SCARA.

Dựa trên kiến thức về vi điều khiển và sự dễ dàng tiếp cận, tôi xin đề xuất vi điều khiển ARM-Cortex M4 STM32F407VGT6 Vi điều khiển này có nhiều tài nguyên mở, cộng đồng hỗ trợ lớn và tính linh hoạt cao trong lập trình, giúp người dùng dễ dàng phát triển dự án.

Hình 2 51 Board vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY

Thông số kỹ thuật cơ bản của vi điều khiển STM32F407VGT6:

• Tần số xung nhịp: Tối đa 168MHz

• Timer: gồm 14 timers, trong đó 6 timer có 4 kênh xuất PWM điều khiển động cơ, 2 timer có 2 kênh PWM

• Có 3 bộ chuyển đổi Analog to Digital 12 bit, mỗi bộ 16 kênh Có 1 bộ chuyển đổi Digital to Analog

• Giao thức truyền thông: 3 x I2C, 6 x USART, 3 x SPI, 2 x CAN, USB_OTG

Các mạch điện và ghép nối phần tử

Hệ thống điều khiển bao gồm 3 driver cho 3 động cơ servo, hoạt động với điện áp 3 pha AC 200V Để cấp điện cho driver, hệ thống sử dụng nguồn điện 1 pha AC 200V, có thể lấy từ 2 dây của nguồn điện 3 pha.

Nguồn điện cho bộ điều khiển là nguồn 5VDC.

Hệ thống cấp nguồn bao gồm các thiết bị chính như:

• 1KM: Bộ khởi động từ cho nguồn điều khiển

• 2KM: Bộ khởi động từ cho nguồn chính

• 1PL: Đèn cảnh bảo lỗi động cơ

• 1SA, 2SA, 3SA: Bộ chống sét và bảo vệ quá tải

• Các công tắc để đóng cắt các nguồn điện

Sơ đồ ghép nối mạch nguồn đã nộp kèm bản thuyết minh.

Nguồn điện 3 pha được cung cấp qua các chân L1, L2, L3, tương ứng với 3 dây pha, và được kết nối đến cổng nguồn của động cơ Trên đường dây, Relay Terminal được sử dụng để mở rộng kết nối đến các driver Động cơ được nối với các port U, V, W trên driver cùng với dây tín hiệu encoder Các cổng L1C và L2C sử dụng nguồn 1 pha từ 2 dây pha của nguồn điện 3 pha để cấp điện cho hoạt động của driver.

Mạch ghép nối phần tử điều khiển sử dụng chân PULS và SIGN để điều khiển vị trí và chiều quay của động cơ.

Ngoài ra còn các chân INPUT có chức năng khác như:

• S-ON: Cho phép driver hoạt động.

• P-CON: Positon Control, chế độ hoạt động là điều khiển vị trí.

• P-OT: Giới hạn, hãm chiều quay của động cơ theo chiều thuận.

• N-OT: Giới hạn, hãm chiều quay của động cơ theo chiều nghịch.

• ALO1, ALO2, ALO3: Các bit báo lỗi của driver

• COIN: Chân báo động cơ đã tới đúng vị trí mong muốn.

• TGON: Chân báo động cơ vượt quá vận tốc đặt

• SRDY: Chân báo tín hiệu động cơ đã sẵn sàng hoạt động hay chưa

Để điều khiển và giám sát hoạt động của driver, mỗi động cơ yêu cầu tối thiểu 16 cổng I/O Với 3 động cơ, tổng cộng cần 48 cổng I/O Mạch điều khiển đã chọn có đủ số chân I/O cần thiết để điều khiển hệ thống.

Sơ đồ ghép nối servo driver ở chế độ điều khiển vị trí đã nộp kèm bản thuyết minh

Sau khi hoàn thành Chương 2, tôi đã thiết kế một hệ thống điều khiển và mô phỏng, đồng thời đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển Tôi đã lựa chọn các thành phần cho hệ thống và thiết kế mạch đấu nối nguồn cùng mạch điều khiển.

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

Trong quá trình điều khiển robot, giao diện điều khiển đóng vai trò quan trọng giúp người vận hành tương tác hiệu quả với robot Chương này sẽ tập trung vào việc xây dựng một giao diện điều khiển cho robot và mô phỏng quá trình điều khiển thông qua giao diện đó.

Thiết kế giao diện điều khiển

Hình 3 1: Giao diện điều khiển robot scara

Giao diện điều khiển bao gồm:

- Nút nhấn Open, Close: Bật, tắt mô hình Simcape Robot Scara

- Forward Kinematics: Cho phép người dùng nhập vào các biến khớp vào phần set Tọa độ điểm thao tác cuối E sẽ hiển thị trên phần Inverse

Kinematics Tọa độ các biến khớp theo thời gian khi robot di chuyển sẽ được hiển thị ở phần feedback.

Inverse Kinematics cho phép người dùng nhập tọa độ x, y, z của điểm thao tác cuối E Tọa độ của các biến khớp sẽ được hiển thị trong phần thiết lập của Forward Kinematics Đồng thời, tọa độ của các biến khớp theo thời gian khi robot di chuyển sẽ được hiển thị trong phần phản hồi.

Người dùng có thể chọn quỹ đạo mong muốn, bao gồm các hình dạng như gốc, đường tròn hoặc xoắn ốc Sau khi lựa chọn, chỉ cần nhấn nút "run" để bắt đầu và "stop" để dừng lại Quỹ đạo đã chọn sẽ được hiển thị rõ ràng trên đồ thị phía dưới.

Mô hình Simulink được xây dựng để mô phỏng điều khiển robot trên giao diện thiết kế Trong sơ đồ này, khối sensor được sử dụng để nhận tín hiệu phản hồi (feedback) tương ứng với tín hiệu của encoder trong thực tế.

Hình 3 2: Sơ đồ Simulink điều khiển robot

Hình 3 3: Kết quả mô phỏng động học thuận

- Quỹ đạo Đường tròn tâm O(0;0;0,2)(m) bán kính 800mm

Hình 3 5: Điều khiển quỹ đạo tròn Đường xoắn ốc: bán kính 800mm bước xoắn 150mm

Hình 3 6: Điều khiển quỹ đạo xoắn ốc

Hình 3 7: Robot về vị trí gốc

Kết thúc Chương 3, tôi đã phát triển một giao diện điều khiển với các tính năng điều khiển động học thuận, động học nghịch và điều khiển robot theo quỹ đạo cố định Đặc biệt, nhóm tôi đã xây dựng một hệ thống phản hồi cho phép người vận hành giao tiếp hai chiều với robot, bao gồm việc gửi tín hiệu điều khiển và nhận phản hồi về vị trí của robot Điều này là rất cần thiết và phổ biến trong ngành công nghiệp.

Báo cáo đồ án môn học của tôi về đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA 3 bậc tự do” đã được hoàn thành nghiêm túc theo nhiệm vụ được giao Dựa trên những kiến thức đã học về robot, tôi đã thực hiện các công việc cần thiết để hoàn thiện dự án này.

- Mô hình hóa động cơ điện và tính hàm truyền của các khâu

- Xây dựng mô hình điều khiển cho toàn bộ robot

- Sử dụng MATLAB-Simulink để mô phỏng robot chuyển động

- Đánh giá tính ổn định, xác định sai lệch tĩnh từ hàm truyền các khâu

- Xây dựng bộ điều khiển PID cho robot

- Chọn phần tử cho hệ thống điều khiển

- Thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn, mạch điều khiển

- Xây dựng giao diện mô phỏng điều khiển robot

Sau quá trình tìm tòi và thiết kế, tôi đã hoàn thành báo cáo theo mục tiêu đề ra Tuy nhiên, mặc dù nhận được sự hướng dẫn tận tình từ TS Nguyễn Trọng Du, tôi vẫn gặp phải một số hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian, dẫn đến những thiếu sót trong báo cáo Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy để hoàn thiện hơn Qua đó, tôi hy vọng sẽ rút ra được những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho các học phần khác, đồ án tốt nghiệp và công việc sau này.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo và những góp ý của TS Nguyễn Trọng Du.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Robot SCARA Ba Bậc Tự Do
Tác giả	Phạm Thái Hưng
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Trọng Du
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Môn Học
Năm xuất bản	2023-2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,68 MB