thiết kế hệ thống điều khiển robot thiết kế robot scara 3 bậc tự do

Thiết kế hệ thống điều khiển- Mô hình hóa và xác định hàm truyền- Đánh giá tính ổn định của hệ thống- Mô phỏng và phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống... Ở bài toán điề

Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

Bài toán điều khiển Robot

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại: điều khiển thô và điều khiển tinh Ở bài toán điều khiển thô, sẽ xác định luật điều khiển thích hợp để điều khiển tốc độ, vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất. Bài toán thứu hai liên quan đến quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp của robot tiếp xúc với một thiết bị máy Như vậy quá trình làm việc này sẽ yêu cầu điều khiển cả lực và vị trí.

Hình 1.6 Phân loại các phương pháp điều khiển robot Điều khiển thô hay điều khiển quỹ đạo có thể thực hiện ở tọa độ khớp hay tọa độ Đề-các tùy thuộc vào quỹ đạo thiết kế cho tọa độ khớp hay tọa độ Đề-các Điều khiển chuyển động tinh là điều khiển lực thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo.Điều khiển lực bao gồm điều khiển trở kháng và điều khiển hỗn hợp.

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động (quỹ đạo) robot

Dựa vào kiểu phản hồi của tín hiệu có thể chia nhỏ thành 2 kiểu điều khiển Robot: điều khiển hở và điều khiển kín.

- Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Điều khiển kiểu này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.

- Điều khiển kín: (điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển, có 2 kiểu: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).

▪ Với điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (trạng thái không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh…

▪ Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kì với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên cácRobot hàn hồ quang, phun sơn… i=1 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống cơ khí

Động học robot SCARA

Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy.

Thiết lập các hệ tọa độ trên robot SCARA:

Hình 2.2 Sơ đồ động học Robot SCARA 3 bậc tự do.

Thiết lập bảng Denavit – Hartenberg (D-H):

Theo D-H, tại mỗi khớp ta gắn một hệ tọa độ, quy ước về cách đặt hệ tọa độ như sau:

- Trục được gắn với trục của khớp thứ i+1 Chiều của được chọn tùy ý.zi zi

- Trục được xác định là đường vuông góc chung giữa khớp thứ i và i+1,xi hướng từ điểm trục của khớp thứ i tới khớp thứ i+1 Nếu hai trục song song thì có thể chọn theo chiều bất kỳ là đường vuông góc chung haixi trục khớp Trong trường hợp hai trục này cắt nhau, được xác định theoxi chiều của z i x z i+1 (hoặc quy tắc bàn tay phải).

- Trục được xác định theo và theo quy tắc bàn tay phải.yi xi zi

Các thông số động học Denavit-Hartenberg (D-H) được xác định như sau:

- di: Khoảng cách Oi–1 và Oi theo trục zi–1.

- θi: Góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi–1 để trục x i–1 chuyển động đến trục theo quy tắc bàn tay phải.x i

- αi: Khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau.

1 2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bảng 2.1 Bảng tham số động học Denavit – Hartenberg

Tầm với của robot là 0,6m nên có thể chọn = 0,25m và = 0,35m a1 a2

Ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg (D-H): i-1Ai cθi −sθ cαi i sθ sαi i a cθi i sθi cθ cαi i −cθ sαi i a sθi i

Các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất:

Vậy theo Denavit – Hartenberg, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất từ hệ tọa độ gắn với khâu thao tác được tính như sau:

Vị trí và huớng của điểm thao tác:

- Tọa độ của điểm thao tác: a2cθ12 + a1cθ1 rE (0)=[xE yE zE ] T = [a2sθ12 + a1sθ1 ] (2.8) d1 + d + d2 3

- Ma trận cosin chỉ huớng của khâu thao tác:

Vận tốc và gia tốc của điểm thao tác: a2cθ12 + a1cθ1 −a2sθ12 − a1sθ1 −a2sθ12 0 θ# 1 v (0) r # = (0 ) = d [a sθ + a sθ ] [ = a cθ + a cθ a cθ 0 θ ].[ ]

0 0 1 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Mục đích của bài toán động học ngược là xác định giá trị các biến khớp khi biết được vị trí và hướng của các khâu (so với hệ tọa độ gốc).

• Động học ngược về vị trí:

Ký hiệu vecto tọa độ suy rộng: q = [q1, q2, q3] T = [θ1, θ2, d3] T Để giải bài toán động học ngược, cần biết trước 3 tọa độ bất kỳ về vị trí hoặc hướng của điểm thao tác của robot Cụ thể, khi biết ba tọa độ của robot trong không gian là x3, y3, z3, thu được hệ phương trình sau:

- q1 = θ1, q1 = θ2, q3 = d3 là các biến khớp, các nghiệm cần giải.

- a1, a2, xE, yE, zE là các số liệu cho trước.

• Động học ngược tìm các biến khớp:

Bình phương 2 phương trình đầu của hệ phương trình (2.12) sau đó cộng lại ta được phương trình sau: a1 2 + a2 2 + 2a1a2cosθ2 = xE 2 + yE 2 (2.13)

Biến đổi 2 phương trình đầu của hệ phương trình (2.12) về dạng sau:

Từ (2.12) => q3 z= E– (d1 + d2) (2.18) Vậy ta xác định được các tọa độ khớp như sau:

ﻟ q1 = arctan (− yE(a1 + a2cθ2) − xEa2sθ2) x (a + a cθ ) + y a sθ I xE 2 + yE 2 − a − a1 2 2 2 xE 2 + yE 2 − a1 2 − a2 2

• Động học ngược về vận tốc:

Vận tốc dài của các khâu tương ứng với các khớp tịnh tiến và vận tốc góc ứng với các khớp quay.

Ta có các phương trình động học sau: f1 = a2cθ12 + a1cθ1 − x = 0E

Ma trận Jacobi tịnh tiến của điểm tác động cuối:

Jq = - I6q 6q 2 6q 3I = - [ a 2 cθ 12 + a 1 cθ 1 a cθ 2 12 0 ] (2.21) Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Như vậy, có thể tính vận tốc điểm tác động cuối cùng: Jqq# = 0 v3 Nếu cho trước vận tốc điểm khâu thao tác thì vận tốc các tọa độ suy rộng q# được tính như sau: q# = Jq –1 0 v3 (2.22)

0 0 −1 Áp dụng công thức: q# = Jq –1Jp7 để tính vận tốc các biến khớp: q# 1 Cθ 12 8 E + sθ 12 9 E a sθ 1 2 q# = [q# 2 ] = Jq –1Jp7 q# 3

- Khâu 3 ứng với khớp tịnh tiến nên có vận tốc dài q# 3 = :E.

- Khâu 1 và 2 ứng với khớp quay nên có vận gốc góc tương ứng lần lượt là: q = Cθ 12 8 a E 1 +sθ sθ 2 12 9 E ; q 2 = Cθ a sθ 1 12 2 + Cθ a 2 sθ 1 2 )x sθ

• Động học ngược về gia tốc:

Gia tốc dài của các khâu tương ứng với các khớp tịnh tiến và gia tốc góc tương ứng với các khớp quay.

Ta có phương trình động học sau:

E Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Trong đó, ta tính được J# q , qJ–1 theo (2.21)

2.1.3 Ý nghĩa của bài toán động học robot:

Sử dụng kết quả của bài toán động học thuận và động học ngược, mô phỏng chuyển động của Robot Scara 3 bậc tự do phục vụ cho bài toán điều khiển.

Hình 2.3 Mô phỏng matlab Robot Scara

1 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Động lực học robot SCARA

Mục đích của phương pháp nghiên cứu động lực học:

- Cho mục đích thiết kế, điều khiển robot, cần thiết phải có một mô hình toán học thể hiện mối quan hệ động lực học tác dụng lên robot Cần xây dựng các phương trình vi phân cho chuyển động của robot dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn năng lượng cho robot.

Nghiên cứu động lực học nhằm giải quyết bài toán sau cho robot:

- Tính toán các lực khớp và các momen tại các góc khớp phát sinh trong quá trình chuyển động của robot.

- Xác định các sai số so với chuyển động đã hoạch định làm cơ sơ cho quá trình điều khiển robot (trong bài toán điều khiển).

Các tham số động lực học (coi các thanh đồng chất, tiết diện ngang không đáng kể, trọng tâm của các khâu đặt tại trung điểm của nó).

Bảng 2.2 Các tham số động học

Khâu Vị trí trọng tâm Khối lượng

Ma trận momen quán tính xC yC zC I xx I yy I zz I xy I yz I zx

12 12 Để tính toán động lực học Robot, ta sẽ đi thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot.

Phương trình vi phân chuyển động của Robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau: d ( ) 6T T -( ) 6T T = -( ) 6П T + Q * (2.29) Với dt 6q# i 6q# i 6q i i

- Q* – Vecto lực suy rộng không thế.

Phương trình vi phân chuyển động của Robot có dạng:

Với M là ma trận khối lượng, C là ma trận Coriolis, G là trọng lực, Q là lực suy rộng của các lực không thế và = τ [τ 1 , τ , τ 2 3 ] T là lực điều khiển tại các khớp.

Ma trận Jacobi của các khâu:

• Khâu 1: Giả thiết khâu 1 là một thanh thẳng đồng chất có chiều dài 250mm, tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất của trọng tâm khâu 1 0 Ac1 được tính: cθ −sθ

1 d Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển a 1 cθ

0rc1 = [ a 1 sθ ]=> Ma trận Jacobi tịnh tiến của hệ tọa độ trọng tâm khâu 1:

Ma trận Jacobi quay của hệ tọa độ trọng tâm khâu 1:

• Khâu 2: Giả thiết khâu 2 là một thanh thẳng đồng chất có chiều dài350mm, tiết diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất của trọng tâm khâu 2 0 Ac2 được tính: cθ −sθ 0 a cθ + a cθ 1 0 0 –a 2

=>Ma trận Jacobi tịnh tiến của hệ tọa độ trọng tâm khâu 2:

2 12 1 1 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

• Khâu 3: Giả thiết khâu 3 là một thanh thẳng đồng chất có chiều dài , tiếtL3 diện ngang không đáng kể và có trọng tâm đặt tại trung điểm của thanh Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất của trọng tâm khâu 3 0 Ac3 được tính: cθ12 −sθ12 0 a2cθ12 + a1cθ1 1 0 0 0 sθ cθ 0 a sθ + a sθ F0 1 0 0 1

=> Ma trận Jacobi tịnh tiến của hệ tọa độ trọng tâm khâu 3:

I Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cθ12 sθ12 0

Tính tensor quán tính của các khâu:

Coi các khâu của robot là các thanh đồng chất tiết diện đều và bề ngang không đáng kể, trong đó ΘCi là tensor quán tính của khâu i đối với khối tâm của nó, mi là khối lượng của khâu i Ta có:

Tính toán ma trận khối lượng:

Không mất tính tổng quát, khi robot SCARA gắp tải ta có thể coi tải như một khâu, tạm gọi là Khâu 4 với m4 = mt Đối với tải trọng, momen quán tính là không đáng kể ΘC4 = 0.

Ta có hệ tọa độ khâu cuối chính là vị trí giữ tải trọng như vậy J T4 = J T3 ;

0 0 0 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Với: i=1 Ti Ti Ri Ri m 31 m 32 m 33

Tính toán thế năng, lực thế:

Vecto G(q) là vecto thế năng với các thành phần

Gi = 6q 6П i Đặt gốc thế năng tại chân khâu cố định, dễ thấy thế năng của robot cũng chính là tổng thế năng của các khâu và tải:

- Thế năng khâu 1:Π1 m= 1gzC1= m1gd1

3 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Tính toán ma trận Coriolis:

Như vậy, ta đã tính được các thành phần trong phương trình vi phân chuyển động của Robot Việc giải phương trình vi phân khi đã biết vector lực dẫn động τ chính là giải bài toán động lực học thuận. τ = [τ1, τ , τ2 3]T là lực điều khiển tại các khớp.

Nhiệm vụ của bài toán động lực học ngược là tìm ra lực dẫn động khi đã biếtτ chuyển động của Robot bao gồm các vecto q(t), q#(t), q' (t) Chỉ cần thay vào phương trình với các thành phần đã được thiết lập ở trên để tìm các lực và ngẫu lực dẫn động tại các khâu 1,2 và 3 của Robot.

M(q)q' + C(q,q# q# ) + G(q) = τ (2.67) Sau khi nghiên cứu động lực học, ta đã tính toán các lực khớp và các momen tại các góc khớp phát sinh trong quá trình chuyển động của robot Từ đó hỗ trợ

2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển trong việc tính công suất của các khâu 1,2,3 và tiến hành chọn động cơ phù hợp cho cơ cấu.

Vật liệu, khối lượng, momen quán tính các khâu

2.3.1 Khâu 0 (Khâu cố định): a Vật liệu:

Thành phần hóa học của thép C45: Đặc tính cơ học của thép C45: Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển b.Khối lượng, momen quán tính khâu 0:

Hình 2.5 Khối lượng, momen quán tính của khâu 0

Từ các thông số xuất ra từ Solidworks ta thu được:

Lc1 = 0,18(m) Momen quán tính khối (với các trục tọa độ là trục quán tính chính trung tâm):

2.3.2 Khâu 1 và khâu 2: a Vật liệu:

Thành phần hóa học của thép C45: Đặc tính cơ học của thép C45: Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển b Khối lượng, momen quán tính khâu 1:

I1xx = 0,08(kg m 2 ) c Khối lượng, momen quán tính khâu 2:

Hình 2.8 Khâu 2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Thành phần hóa học của thép C45: Đặc tính cơ học của thép C45: b Khối lượng, momen quán tính khâu 3: Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 2.11 Khối lượng, momen quán tính khâu 3

Khối lượng: m3 = 1,79(kg) Momen quán tính khối (với các trục tọa độ là trục quán tính chính trung tâm):

= 0,047(kg m ) 2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Không gian làm việc và thiết kế quỹ đạo Robot

Không gian làm việc

Tham số động học: d1 = 300(mm) d2 = 100(mm) {a1 = 250(mm) a2 = 350(mm) Biến khớp: q = [q 1 , q , q 2 3 ]T q1 = (−165 ∘ ÷ 165 ∘ ); q2 = (−147 ∘ ÷ 147 ∘ ); q3 = 0 ÷ 400mm( ) Phương trình động học thuận của robot: x = 250cos(q1 + q 2 ) + 350cos(q )1

Không gian làm việc được xây dựng trên phần mềm Matlab:

Hình 3.1 Không gian làm việc của robot trong bài toán thuận (góc nhìn từ trên xuống)

Hình 3.2 Không gian làm việc của robot trong bài toán thuận (góc nhìn chéo)

Thiết lập quy luật chuyển động của 3 khâu

Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động liên quan mật thiết đến bài toán điều khiển robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc Đường đi và quỹ đạo được thiết kế là các lượng đặt cho hệ thống điều khiển vị trí của robot Do đó độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển của robot.

Thông thường, quỹ đạo ở dạng đa thức bậc cao sẽ đáp ứng được các yêu cầu về vị trí, tốc độ, gia tốc ở mỗi điểm giữa 2 đoạn di chuyển Yêu cầu của thiết kế quỹ đạo là:

• Khâu chấp hành phải đảm bảo đi qua lần lượt các điểm trong không gian làm việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định Quỹ đạo của robot phải là đường cong đảm bảo tính liên tục về vị trí trong một khoảng nhất định.

• Không có bước nhảy về vận tốc, gia tốc.

• Quỹ đạo thường là đường cong thông thường.

• Quản lý được gia tốc tại từng thời điểm. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

- n1= 1 : Tỉ số truyền của hộp giảm tốc

Kết hợp với các thông số đã xác định của động cơ:

- Km = 0,9: Hằng số tỉ lệ.

- Ke = 0,93: Hằng số sức điện động.

Hình 4.9 Tính toán hàm truyền khâu 1

Kiểm tra tính ổn định của Gkhau1(s):

➢ Kiểm tra tính ổn định của hệ hở :

Ta thấy các hệ số của đa thức (s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều A1 kiện cần của tiêu chuẩn Routh. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Nhận thấy các số hạng thuộc cột đầu tiên của bảng Routh đều dương nên thỏa mãn điều kiện ổn định Vậy hệ thống được mô tả bằng phương trình đã cho là ổn định.

➢ Kiểm tra tính ổn định của hệ kín :

- Dùng lệnh Nyquist(G1,G2) trong matlab ta có được đồ thị Nyquist như sau:

Hình 4.10 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G 1 (s)

Qua đồ thị ta nhận xét rẳng: Theo định lý Nyquist (Sách ‘Cơ sở lí thuyết điều khiển tuyến tính’) thì ‘Nếu hàm truyền Gh(s) của hệ hở có m điểm cực không nằm bên trái trục ảo thì điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đồ thị Nyquist của hệ hở bao điểm (-1+0j) của mặt phẳng phức m lần theo chiều ngược chiều kim đồng hồ’ Ta thấy rằng đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) nên sẽ không có điểm cực nào nằm trên trục ảo hoặc bên phải trục ảo, cho nên hệ kín sẽ ổn định. Đồ thị Bode :

- Dùng lệnh Bode(G1,G2) trong matlab ta có được đồ thị Bode như sau:

Hình 4.11 Đồ thị Bode của hàm truyền G (s) 1

Nhận xét Theo chuẩn Bode: Để hệ kín Gk(s) ổn định thì đồ thị bode của hệ hở G(s) phải thõa mãn đồng thời cả hai yếu tố là có độ dữ trữ pha và độ dự trữ biên độ lớn hơn 0 Từ đồ thị của

G1(s) cho thấy có độ dự trữ biên độ Gm và độ dự trữ pha Pm đồng thời lớn hơn 0, vậy hệ kín này ổn định b Khớp 2 :

Tính momen quán tính J l 2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 4.12 Mô hình tính momen quán tính cho khớp 2

Hình 4.13 Kết quả tính cho khớp 2

Từ bảng kết quả trên ta thu được Jl2 có giá trị bằng 2,62 (Kg )m 2

- Jm2: Mô men quán tính của động cơ

- Ja2: Mô men quán tính của hộp giảm tốc

- Jl2 = 2,62 (Kg ): Mô men quán tính của khâu gắn với hộp giảm tốcm 2

- Bm2 = 2,22.10 –4 (Nms/Rad): Hệ số giảm chấn của động cơ

- Bl2 = 0,01 (Nms/Rad): Hệ số giảm chấn của khâu gắn với hộp giảm tốc

- n2= 1 : Tỉ số truyền của hộp giảm tốc

- Km = 0,8(N.m/A): Hằng số tỉ lệ.

- K e = 0,8(V.s/Rad): Hằng số sức điện động.

- L = 6,4.10 –3 (H): Điện cảm. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Ta thấy các hệ số của đa thức (s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều A2 kiện cần của tiêu chuẩn Routh.

Qua đồ thị ta nhận xét rẳng: Theo định lý Nyquist (Sách ‘Cơ sở lí thuyết điều khiển tuyến tính’) thì ‘Nếu hàm truyền G h (s) của hệ hở có m điểm cực không nằm bên trái trục ảo thì điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đồ thị Nyquist của hệ hở bao điểm (-1+0j) của mặt phẳng phức m lần theo chiều ngược chiều kim đồng hồ’ Ta thấy rằng đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) nên sẽ không có điểm cực nào nằm trên trục ảo hoặc bên phải trục ảo, cho nên hệ kín sẽ ổn định. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Đồ thị Bode :

Hình 4.16 Đồ thị Bode của hàm truyền G 2 (s)

G2(s) cho thấy có độ dự trữ biên độ Gm và độ dự trữ pha Pm đồng thời lớn hơn 0, vậy hệ kín này ổn định c Khớp 3

Tính momen quán tính Jl3

Hình 4.17 Mô hình tính momen quán tính cho khớp 3

Hình 4.18 Kết quả tính cho khớp 3

Từ bảng kết quả trên ta thu được Jl2có giá trị bằng 3,4096.10 –4 (Kg.m 2 ) Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Jtd = Jm3 + Ja3 + n3 2Jl3 = 0,58.10 –4 + 1 2 ⋅ 3,4096.10 –4 = 3,9096.10 –4 (Kg m 2 ) {Btd = Bm3 + n3 2 Bl3 = 2,22.10 –4 + 1 2 ⋅ 0,01 = 1,0222.10 –2 (Nms/Rad)

- Jm3: Mô men quán tính của động cơ

- J a3 : Mô men quán tính của hộp giảm tốc

- Jl3= 3,4096.10 –4 (Kg.m 2 ): Mômen quán tính của khâu gắn với hộp giảm tốc

- Bm3= 2,22.10 –4 (Nms/Rad): Hệ số giảm chấn của động cơ

- Bl3 = 0.01 (Nms/Rad): Hệ số giảm chấn của khâu gắn với hộp giảm tốc

- n3 = 1 : Tỉ số truyền của hộp giảm tốc

- Km = 0,8(N.m/A): Hằng số tỉ lệ.

- K e = 0,8(V.s/Rad): Hằng số sức điện động.

Ta thấy các hệ số của đa thức (s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều A3 kiện cần của tiêu chuẩn Routh.

4,137 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Qua đồ thị ta nhận xét rẳng: Theo định lý Nyquist (Sách ‘Cơ sở lí thuyết điều khiển tuyến tính’) thì ‘Nếu hàm truyền Gh(s) của hệ hở có m điểm cực không nằm bên trái trục ảo thì điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đồ thị Nyquist của hệ hở bao điểm (-1+0j) của mặt phẳng phức m lần theo chiều ngược chiều kim đồng hồ’ Ta thấy rằng đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) nên sẽ không có điểm cực nào nằm trên trục ảo hoặc bên phải trục ảo, cho nên hệ kín sẽ ổn định. Đồ thị Bode :

Hình 4.21 Đồ thị Bode của hàm truyền G 3 (s)

G3(s) cho thấy có độ dự trữ biên độ Gm và độ dự trữ pha Pm đồng thời lớn hơn 0, vậy hệ kín này ổn định.

4.7 Mô phỏng và đánh giá tính ổn định của các chỉ tiêu chất lượng: 4.7.1 Xây dựng mô hình Simulink mô tả cho một khớp của Robot:

J td didt 2 = τ − Bm td dt => dt 2 J di 1

L = V − Ri − e(t) => dt dt L = (−Ri + V − Ke dt )

(4.26) td Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 4.22 Sơ đồ simulink cho động cơ servo DC

4.7.2 Sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng cho một trục chuyển động và cho toàn bộ Robot:

➢ Sơ đồ simulink cho khớp 1 :

Hình 4.23 Sơ đồ simulink khớp 1 với hồi tiếp âm

➢ Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 1 :

➢ Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 2 : Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

➢ Sơ đồ Simulink mô phỏng động lực học và điều khiển cho toàn bộ robot

Hình 4.26 Sơ đồ simulink mô phỏng cho toàn bộ robot

Hình 4.27 Khối Robot trong Simulink

4.7.3 Xác định sai lệch tĩnh và đánh giá chất lượng đáp ứng: a Xác định sai lệch tĩnh:

Hàm truyền của cả 3 khâu đều có dạng :

G(s) = K m JLs +(JR+LB)s +(BR+K 3 2 m K e )s (4.27) Xét sai lệch tĩnh với tín hiệu đầu vào là 1(t)

Sai lệch tĩnh e = lim e(t) lim sE(s) t–>0 e = lim s–>0

1 = 1 = 0 (4.28) s–>0 1+G(s) 1+ lim G(s) s—>0 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển b Xác định đặc tính của đồ thị đáp ứng cho từng khớp:

Hình 4.28 Đồ thị đáp ứng của khớp 1

- Thời gian tăng: 2,03s (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 cuối là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định.

- Trạng thái ổn định: Giá trị cuối là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

- Thời gian tăng : 1,81s (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 cuối là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định.

Chương 5 Thiết kế hệ thống điều khiển

5.1 Phương pháp điều khiển PD theo momen: a Phương pháp điều khiển momen:

Phương pháp này xem xét sự tinh chỉnh của luật điều khiển vòng hở: Với vị trí và vận tốc hiện tại của khâu thao tác, hủy bỏ tất cả các phi tuyến và áp dụng chính xác momen xoắn cần thiết để vượt qua quán tính của bộ truyền động. r = M(q)q'd + C(q, )q# q# + G(q,q#) (5.1)

Thay thế luật điều khiển (5.1) vào các phương trình chuyển động của robot (2.67) ta được:

Do M(q) luôn nhận giá trị dương, ta có: q' = q'd (5.3)

Do đó, nếu vị trí và vận tốc ban đầu của tay máy khớp với vị trí và vận tốc mong muốn, tay máy sẽ đi theo quỹ đạo mong muốn Như trước đây, luật kiểm soát này sẽ không hiệu chuẩn cho bất kỳ lỗi điều kiện ban đầu nào.

Mô hình hóa các khâu của Robot

Mô phỏng và đánh giá tính ổn định của các chỉ tiêu chất lượng

J td didt 2 = τ − Bm td dt => dt 2 J di 1

L = V − Ri − e(t) => dt dt L = (−Ri + V − Ke dt )

(4.26) td Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 4.22 Sơ đồ simulink cho động cơ servo DC

4.7.2 Sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng cho một trục chuyển động và cho toàn bộ Robot:

➢ Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 2 : Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

➢ Sơ đồ Simulink mô phỏng động lực học và điều khiển cho toàn bộ robot

Hình 4.26 Sơ đồ simulink mô phỏng cho toàn bộ robot

Hình 4.27 Khối Robot trong Simulink

4.7.3 Xác định sai lệch tĩnh và đánh giá chất lượng đáp ứng: a Xác định sai lệch tĩnh:

Hàm truyền của cả 3 khâu đều có dạng :

G(s) = K m JLs +(JR+LB)s +(BR+K 3 2 m K e )s (4.27) Xét sai lệch tĩnh với tín hiệu đầu vào là 1(t)

Sai lệch tĩnh e = lim e(t) lim sE(s) t–>0 e = lim s–>0

1 = 1 = 0 (4.28) s–>0 1+G(s) 1+ lim G(s) s—>0 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển b Xác định đặc tính của đồ thị đáp ứng cho từng khớp:

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

- Trạng thái ổn định: Giá trị cuối là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

- Thời gian tăng : 1,81s (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 cuối là 1, vậy sai lệch tĩnh bằng 0 và hệ ổn định.

Thiết kế hệ thống điều khiển

Phương pháp điều khiển PD theo momen

a Phương pháp điều khiển momen:

Phương pháp này xem xét sự tinh chỉnh của luật điều khiển vòng hở: Với vị trí và vận tốc hiện tại của khâu thao tác, hủy bỏ tất cả các phi tuyến và áp dụng chính xác momen xoắn cần thiết để vượt qua quán tính của bộ truyền động. r = M(q)q'd + C(q, )q# q# + G(q,q#) (5.1)

Thay thế luật điều khiển (5.1) vào các phương trình chuyển động của robot (2.67) ta được:

Do M(q) luôn nhận giá trị dương, ta có: q' = q'd (5.3)

Do đó, nếu vị trí và vận tốc ban đầu của tay máy khớp với vị trí và vận tốc mong muốn, tay máy sẽ đi theo quỹ đạo mong muốn Như trước đây, luật kiểm soát này sẽ không hiệu chuẩn cho bất kỳ lỗi điều kiện ban đầu nào.

Các thuộc tính bám của luật điều khiển có thể được cải thiện bằng cách thêm phản hồi trạng thái Độ tuyến tính của phương trình (5.3) gợi ý luật điều khiển sau: r = M(q)(q'd - Kv c K- pe) + C(q,q# q# ) + G(q,q# ) (5.4)

Trong đó e = q - qd và Kv, Kp là các ma trận khuếch đại hằng số Thay thế vào phương trình (2.67), động lực sai số (error dynamics) có thể được viết lại như sau:

Do M(q) luôn nhận giá trị dương, ta có: Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

- Xây dựng chương trình mô phỏng điều khiển hệ thống (Matlab/Simulink):

Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống theo phương pháp điều khiển momen trên Matlab/simulink

Khai báo quỹ đạo chuyển động của các khâu vào Matlab:

Hình 5.3 Thông số quỹ đạo

Hình 5.4 Các khối chức năng chính

Hình 5.5 Khối PD Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 5.6 Khối tính lực dẫn động

Hình 5.7 Khối động lực học ngược Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 5.8 Sơ đồ mô phỏng 3D Robot

Hình 5.9 Mô phỏng Robot Scara

Hình 5.10 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng khớp 1

Hình 5.11 Sai số biến khớp 1 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 5.13 Sai số biến khớp 2

Hình 5.15 Sai số biến khớp 3 t Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Phương pháp điều khiển PID

Hình 5.16 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Với mục tiêu đưa robot về một vị trí mong muốn ứng với các tọa độ khớp q d theo yêu cầu quỹ đạo cần thực hiện, ta xét luật điều khiển đơn giản và phổ biến đáp ứng yêu cầu này Đó là luật điều khiển PID Tín hiệu điện điều khiển được tính tỷ lệ với sai lệch về vị trí và vận tốc của thời điểm hiện tại so với giá trị mong muốn.

Theo luật điều khiển này, tín hiệu điện điều khiển: u(t) = K

- e(t) là sai lệch giá trị biến khớp mong muốn với giá trị biến khớp đạt được tại thời điểm t.

- qd(t) là giá trị biến khớp mong muốn tại thời điểm t được lấy ra từ yêu cầu của quỹ đạo mong muốn.

- q(t) là giá trị biến khớp thực đạt được tại thời điểm t thu được từ hệ thống phản hồi đầu ra của hệ thống , cụ thể ở đây là cảm biến đo góc khớp trên robot.

Hình 5.17 Sơ đồ simulink một trục khớp

Hình 5.18 Sơ đồ Simulink khối Controller b Chọn các hệ số cho hàm điều khiển:

Sử dụng công cụ Tune PID của Matlab để chọn được bộ số PID thích hợp cho từng trục.

Hình 5.19 Block PID controller trên Matlab. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Tại mục Select tuning method chọn Tune để bắt đầu quá trình chọn hệ số PID.

Hình 5.20 Cửa sổ PID Tuning

Tại mục Tuning Tools của của sổ tùy chỉnh hai thanh trượt để thu được đồ thị đáp ứng mong muốn Kết thúc nhấn vào Update block để nhập hệ số PID tương ứng với đồ thị mong muốn.

Hình 5.21 Mục Tuning Tools và Results

Kết quả đáp ứng sáu khi đã chỉnh được hệ số PID:

Hình 5.22 Đồ thị đáp ứng biến khớp của trục khớp sau khi đã chỉnh các hệ số PID

Với cách làm như trên ta thu được hệ số PID cho các trục khớp của Robot như sau:

Kết quả của hệ cả hệ điều khiển sau khi đã có bộ điều khiển hoàn chỉnh áp dụng cho quỹ đạo của một chu trình gắp nhả vật được thiết kế ở phần 2.

Với đường màu xanh là giá trị mong muốn và đường màu đỏ là giá trị đáp ứng. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 5.24 Sai số biến khớp 1Hình 5.23 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 1

Hình 5.26 Sai số biến khớp 2Hình 5.25 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 2 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 5.27 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 3

Hình 5.28 Sai số biến khớp 3

Hệ điều khiển đã cho ra đồ thị biến khớp đáp ứng gần như bám sát so với đồ thị mong muốn và có sai số nhỏ. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

GVHD: TS Mạc Thị Thoa SVTH: Nguyễn Tiến Phát

Mô phỏng nguyên lý hoạt động (SIMMECHANICS)

Đã hoàn thành mô phỏng động lực học trên Simscape trên Matlab cho một quá trình gắp nhả vật trong 12,15s :

Hình 6.1 Robot Scara trong Matlab Simulink

Hình 6.2 Bảng điều khiển Robot Scara

1 Phần hiển thị và điều khiển thông số biến khớp.

2 Phần hiển thị và điều khiển thông số tọa độ điểm thao tác.

3 Điều khiển Robot di chuyển hoặc gắp vật dựa vào thông số biến khớp.

4 Điều khiển Robot di chuyển hoặc gắp vật dựa vào thông số tọa độ điểm thao tác.

Bảng điều khiển còn được tích hợp thêm:

+ Nút Home: Đưa Robot về vị trí có tọa độ khớp (0,0,0).

+ Nút Hold: Tay kẹp thực hiện kẹp lại.

+ Các đèn để hiển thị (thông số trên bảng có đúng là thông số Robot không, tay kẹp có đang kẹp không). Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Lựa chọn thiết bị và thiết kế mạch điều khiển

Chọn các phần tử của hệ thống điều khiển

Hình 7.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Các thành phần chính của robot bao gồm:

- Driver điều khiển động cơ Servo.

- Bộ điều khiển trung tâm: PLC hoặc Vi điều khiển. Động cơ AC Servo và Driver lựa chọn động cơ và driver của hãng Panasonic. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bảng 7.1 Bảng lựa chọn động cơ và driver Panasonic Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 7.2 Họ driver điều khiển lớp B

Mạch điều khiển: PLC MITSUBISHI FX3G-40MR/DS

• Điện áp nguồn cung cấp: 24 VDC.

• Số ngõ vào/ ngõ ra: 24 DI/ 16 DO.

• Kết nối truyền thông: RS422, hỗ trợ mở rộng board RS232, RS485, Ethernet, CC-link.

• Bộ đếm tốc độ cao: 6 ngõ vào max 60 kHz.

• Phát xung tốc độ cao: 3 chân 100 kHz, có thể mở rộng thông qua module.

• Có thể mở rộng lên tới 128 I/O thông qua module hoặc 256 I/O thông qua mạng CC-link.

• DC power supply type. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 7.3 PLC MITSUBISHI FX3G-40MR/DS

Xác định hàm điều khiển

Các chế độ điều khiển của động cơ Servo bao gồm:

- Điều khiển vị trí (Position).

- Điều khiển tốc độ (Speed).

- Điều khiển lực, momen (Torque).

Ba chế độ này được định nghĩa và điều khiển theo thiết kế của Driver.

7.2.1 Điều khiển vị trí (Position):

Hình 7.4 Kết nối điều khiển vị trí Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển a Quy trình đầu vào xung lệnh:

Các lệnh vị trí có 3 loại:

• Xung hướng dương/ xung hướng âm.

Thiết lập cấu hình xung và phương pháp đếm xung dựa trên các đặc điểm kỹ thuật và cấu hình cài đặt bộ điều khiển.

Các thiết bị đầu cuối đầu vào có thể đáp ứng được 2 hệ thống sau:

• Đầu vào 1: Đầu vào bộ thu dòng “PULSH1, PULSH2, SIGNH1, SIGNH2” (4 Mpps).

• Đầu vào 2: Đầu vào bộ ghép quang “PULS1, PULS2, SIGN1, SIGN2” (500 kpps).

Bảng 7.2 Các thông số liên quan đầu vào xung (Điều khiển vị trí)

Tham số Ý nghĩa Phạm vi Chức năng

Pr0.05 Lựa chọn lệnh đầu vào xung 0 đến 1 Chọn đầu vào ghép hoặc đầu độc quyền cho trình điều khiển dòng dưới dạng xung lệnh đầu vào.

Pr0.06 Xoay xung lệnh thiết lập hướng.

0 đến 1 Đặt hướng đếm khi xung lệnh là đầu vào.

Pr0.07 Đầu vào xung lệnh thiết lập chế độ.

0 đến 3 Đặt phương pháp đếm khi xung lệnh là đầu vào. b Chức năng bộ truyền:

Chức năng này nhân lệnh xung đầu vào từ bộ điều khiển máy với lệnh trước xác định hệ số chia hoặc nhân và áp dụng kết quả cho điều khiển vị trí phần dưới dạng lệnh vị trí Bằng cách sử dụng chức năng này, các chuyển động quay mong Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

GVHD: TS Mạc Thị Thoa SVTH: Nguyễn Tiến Phát muốn Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bảng 7.12 Các thông số liên quan đến đầu ra tốc độ

Tham số Ý nghĩa Phạm vi Đơn vị Chức năng

20000 r/min Đặt thời gian phát hiện của đầu ra tốc độ đến (AT- SPEED). e Đầu ra trùng hợp tốc độ (V-COIN): Đây là tín hiệu đầu ra khi tốc độ động cơ bằng với tốc độ quy định bởi các lệnh tốc độ Tốc độ động cơ được đánh giá là trùng với tốc độ quy định khi sự khác biệt so với lệnh tốc độ trước / sau khi tăng / giảm tốc nằm trong phạm vi được chỉ định bởi Pr4.35 “Phạm vi trùng khớp với tốc độ”.

Bảng 7.13 Thông số liên quan đến phạm vi trùng hợp tốc độ

Pr4.35 Phạm vi trùng hợp tốc độ 10 đến

20000 r/min Đặt thời gian phát hiện đầu ra trùng hợp tốc độ (V-COIN). f Chức năng cài đặt lệnh tăng/ giảm tốc độ:

Chức năng này kiểm soát tốc độ bằng cách thêm lệnh tăng hoặc giảm tốc trong trình điều khiển vào lệnh tốc độ đầu vào.

Sử dụng chức năng này, bạn có thể sử dụng khởi động mềm khi nhập lệnh tốc độ từng bước hoặc khi sử dụng thiết lập tốc độ nội bộ Bạn cũng có thể sử dụng chức năng tăng / giảm tốc hình chữ S để giảm thiểu sốc do thay đổi tốc độ. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bảng 7.14 Các tham số liên quan đến việc tăng, giảm tốc độ

Pr3.12 Thiết lập thời gian tăng tốc 0 đến

Thiết lập thời gian xử lý gia tốc để đáp ứng với đầu vào lệnh tốc độ.

Pr3.13 Thiết lập thời gian giảm tốc 0 đến

Thiết lập thời gian xử lý giảm tốc theo đầu vào lệnh tốc độ.

Pr3.14 Thiết lập thời gian tăng / giảm tốc Sigmoid

0 đến 10000 ms Đặt thời gian đường cong S cho quá trình tăng / giảm tốc khi áp dụng lệnh tốc độ.

7.2.3 Điều khiển lực, momen (Torque):

Các mô-men xoắn kiểm soát được thực hiện theo để các mô-men xoắn lệnh quy định trong các hình thức của điện áp analog Để điều khiển mô-men xoắn, đầu vào giới hạn tốc độ được yêu cầu ngoài lệnh mô-men xoắn để duy trì tốc độ động cơ trong giới hạn tốc độ

Với dòng A5, 3 chế độ điều khiển mô-men xoắn có sẵn, mỗi chế độ yêu cầu lệnh mô-men xoắn và giới hạn tốc độ khác nhau như thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 7.15 Bảng lựa chọn lệnh momen

Giá trị cài đặt Lệnh mô-men xoắn đầu vào Đầu vào giới hạn vận tốc

0 Lựa chọn lệnh mô- men xoắn 1 Đầu vào tương tự 1 (AI1, độ phân giải 16-bit)

Giá trị tham số (Pr3.21)

1 Lựa chọn lệnh mô- men xoắn 2 Đầu vào tương tự 2 (AI2, độ phân giải 12-bit) Đầu vào tương tự 1 (AI1, độ phân giải 16-bit)

2 Lựa chọn lệnh mô- men xoắn 3 Đầu vào tương tự 1 (AI1, độ phân giải 16-bit)

Giá trị tham số (Pr3.21, Pr3.22) Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 7.5 Kết nối điều khiển lực, momen a Quy trình lệnh đầu vào mô-men xoắn tương tự:

Quá trình này chuyển đổi đầu vào lệnh mô-men xoắn tương tự (điện áp) thành lệnh mô-men xoắn kỹ thuật số tương đương có cùng tác dụng Bạn có thể đặt bộ lọc hoặc điều chỉnh cài đặt tắt để loại bỏ tiếng ồn.

Bảng 7.16 Các thông số liên quan đến đầu vào (Lựa chọn lệnh mô-men xoắn 1, 3)

Pr3.18 Chọn hướng lệnh mô-men xoắn

1 - Chọn hướng dương/ hướng âm của lệnh mômen.

Pr3.19 Độ khuếch đại đầu vào của lệnh mô-men xoắn

Dựa trên điện áp (V) được áp dụng cho lệnh mô-men xoắn tương tự (TRQ R), thiết lập độ lợi chuyển đổi thành lệnh mô- men xoắn (%).

Pr3.20 Đảo ngược đầu vào của lệnh mô-men xoắn

1 - Thiết lập cực tính của điện áp đặt vào lệnh mô-men xoắn tương tự (TRQR). Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Pr4.22 Thiết lập bù đầu vào tương tự 1 (AI1)

0.359mV Thiết lập giá trị hiệu chỉnh độ lệch được áp dụng cho điện áp cấp cho đầu vào tương tự 1.

Pr4.23 Bộ lọc đầu vào tương tự 1

6400 0.01ms Thiết lập hằng số thời gian của bộ lọc trễ thứ nhất để xác định thời gian trễ sau điện áp đặt vào đầu vào tương tự 1.

Bảng 7.17 Các thông số liên quan đến đầu vào (Lựa chọn lệnh mô-men xoắn 2)

Pr3.18 Chọn hướng lệnh mô- men xoắn

0 đến 1 - Chọn hướng dương / hướng âm của lệnh mômen.

Pr3.19 Độ khuếch đại đầu vào của lệnh mô- men xoắn

Dựa trên điện áp (V) được áp dụng cho lệnh mô-men xoắn tương tự (TRQ R), thiết lập độ lợi chuyển đổi thành lệnh mô- men xoắn (%).

Pr3.20 Đảo ngược đầu vào của lệnh mô- men xoắn

0 đến 1 - Thiết lập cực tính của điện áp đặt vào lệnh mô-men xoắn tương tự (TRQR).

Pr4.25 Thiết lập bù đầu vào tương tự 2

342 5.86mV Thiết lập giá trị hiệu chỉnh độ lệch được áp dụng cho điện áp cấp cho đầu vào tương tự 2.

Pr4.26 Bộ lọc đầu vào tương tự

6400 0.01ms Thiết lập hằng số thời gian của bộ lọc trễ thứ nhất xác định thời gian trễ sau điện áp đặt vào đầu vào tương tự 2. b Chế năng giới hạn tốc độ:

Giới hạn tốc độ là một trong những chức năng bảo vệ được sử dụng trong quá trình điều khiển mô-men xoắn. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Đây chức năng điều chỉnh các động cơ tốc độ quá mà nó không không vượt quá các tốc độ giới hạn trong khi mô-men xoắn được kiểm soát.

Trong khi giới hạn tốc độ được sử dụng để điều khiển động cơ, lệnh mô-men xoắn áp dụng cho động cơ không tỷ lệ thuận với lệnh mô-men xoắn tương tự. Lệnh mô- men xoắn sẽ có kết quả như sau: tốc độ động cơ bằng tốc độ giới hạn.

Bảng 7.18 Các thông số liên quan đến giới hạn tốc độ (Lựa chọn lệnh mô-men xoắn 1, 3)

Pr3.21 Giá trị giới hạn tốc độ 1 0 đến

20000 r/min Thiết lập giới hạn tốc độ được sử dụng để kiểm soát mô-men xoắn.

Pr3.22 Giá trị giới hạn tốc độ 2 0 đến

Pr3.15 Lựa chọn chức năng kẹp 0 tốc độ

0 đến 3 - Bạn có thể thiết lập chức năng của đầu vào kẹp tốc độ 0.

Bảng 7.19 Các thông số liên quan đến giới hạn tốc độ (Lựa chọn lệnh mô-men xoắn 2)

Pr3.02 Độ khuếch đại đầu vào của lệnh tốc độ

Dựa trên điện áp được áp dụng cho lệnh tốc độ tương tự (SPR), hãy thiết lập độ lợi chuyển đổi thành tốc độ lệnh của động cơ.

Pr4.22 Thiết lập bù đầu vào tương tự 1

-5578 đến 5578 0.359mV Thiết lập giá trị hiệu chỉnh độ lệch được áp dụng cho điện áp cấp cho đầu vào tương tự 1.

Pr3.23 Bộ lọc đầu vào tương tự 1 (AI1)

6400 0.01ms Thiết lập hằng số thời gian của bộ lọc trễ thứ nhất để xác định thời gian trễ sau điện áp đặt vào đầu vào tương tự 1.

Pr3.15 Lựa chọn chức năng kẹp 0 tốc độ

0 đến 3 - Bạn có thể thiết lập chức năng của đầu vào kẹp tốc độ 0. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Xây dựng bản vẽ

Hình 7.6 Sơ đồ điện của hệ thống Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bảng 7.20 Ký hiệu trong bản vẽ

1 CD1 Cầu dao mạch động lực.

3 ON Cấp điện cho động cơ.

4 OFF Ngắt điện động cơ.

5 START Bắt đầu hệ thống.

6 HOME Đưa các khâu về vị trí gốc.

7 ENDSTOP1 Công tắc hành trình khâu 3.

10 X1~7 Chân tín hiệu đầu vào của PLC.

11 Y0, Y1, Y2 Chân phát xung tương ứng với động cơ 3,2,1.

12 Y4, Y5, Y6 Chân tín hiệu hướng quay tương ứng với động cơ

13 Y10, Y11, Y12 Chân khởi động Servo tương ứng với động cơ 3,2,1.

Chân đối chiếu giá trị của PLC (24V).

L1C, L2C Chân cấp nguồn cho động cơ Servo.

Chân nhận xung điều khiển và chân đối chiếu giá trị.

Chân nhận tín hiệu hướng quay và chân đối chiếu giá trị.

18 SRV-ON Chân nhận tín hiệu bật động cơ.

22 U, V, W, E Nguồn điện từ driver cấp cho động cơ.

23 X6 (driver) Chân nhận tín hiệu Encoder của driver. Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

GVHD: TS Mạc Thị Thoa SVTH: Nguyễn Tiến Phát b Sơ đồ điều khiển:

Hình 7.7 Mô hình quỹ đạo chuyển động Bảng 7.21 Vị trí các điểm trong quỹ đạo chuyển động

STT Vị trí Ox Oy Oz Q1 Q2 Q3

Bảng 7.22 Bảng quy đổi điều khiển vị trí (với Encoder 10 bit)

7 -40.5358 68.1963 100 -9939 15712 5120 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 1: Khởi tạo việc bật/ tắt hệ thống và đặt các servo ở chế độ làm việc Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 2: Đưa toàn bộ các trục về vị trí khởi tạo (Home) Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 3: Đưa khâu thao tác từ vị trí ban đầu đến vị trí A’ Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 4: Đưa khâu thao tác từ vị trí A’ đến vị trí A

Bước 5: Đưa khâu thao tác từ vị trí A đến vị trí A’ Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 6: Đưa khâu thao tác từ vị trí A’ đến vị trí B’

Bước 7: Đưa khâu thao tác từ vị trí B’ đến vị trí B Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Bước 8: Đưa khâu thao tác đến vị trí B’

S1 Số lượng xung đầu ra (địa chỉ tuyệt đối)

S2 Tần số xung đầu ra

D1 Số hiệu cổng phát xung

D2 Số hiệu cổng đầu ra tín hiệu hướng quay

Khi sử dụng bộ tạo xung tốc độ cao đặc biệt thì tín hiệu hướng quay phải sử dụng đầu ra tương ứng theo bảng dưới đây (cặp (D1, D2) = (Y003, Y007) không sử dụng trong code trên): Đầu ra xung Đầu ra hướng quayD1 = Y000 D2 = Y004D1 = Y001 D2 = Y005D1 = Y002 D2 = Y006D1 = Y003 D2 = Y007 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển

Tiêu đề	Thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do
Tác giả	Nguyễn Tiến Phát
Người hướng dẫn	TS. Mạc Thị Thoa
Trường học	Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ điện tử
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	11,44 MB