Bài tập lớn kỹ thuật Điều khiển tự Động Điều khiển Động cơ ac servo trên cánh tay robot bằng pid

Điểm khác biệt của AC Servo Motor so với các động cơ thông thường là nó được tích hợp nhiều công cụ điện tử và cảm biến để truyền thông tin và điều khiển như: bộ khuếch đại, bộ điều khiể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY

BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO TRÊN

CÁNH TAY ROBOT BẰNG PID

BÁO CÁO KẾT QUẢ LÀM VIỆC NHÓM VÀ BẢNG ĐIỂM BTL

STT Mã số

SV Họ tên Nhiệm vụ được phân công Ký tên

1 2012566 Thái Phước An Tính toán và vẽ biểu đồ hàm truyền theo tần số

2 2111929 Thái Minh Nhật Vẽ biểu đồ hàm truyền theo

thời gian và phân tích

3 2114972 Vương Thức

Các thiết bị và phân bố, chuyển đổi hàm truyền theo thời gian

4 2113657 La Hoàng Khang Nguyên lý hoạt động, soạn thảo báo cáo

Họ và tên nhóm trưởng: Thái Minh Nhật, Số ĐT: 0387201803 Email: nhat.thaisvbk@hcmut.edu.vn

Nhận xét của GV:

GIẢNG VIÊN

(Ký và ghi rõ họ, tên)

NHÓM TRƯỞNG

(Ký và ghi rõ họ, tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC SERVO 2

1 Cấu Tạo Và Chức Năng 2

2 Nguyên Lý Hoạt Động 5

3 Ứng dụng của AC Servo Motor 6

4 Điều Khiển Động Cơ AC Servo 7

CHƯƠNG 2: CÁNH TAY ROBOT 9

1 Cấu tạo và chức năng 9

2 Nguyên Lý Hoạt Động 13

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO TRONG CÁNH TAY ROBOT 18

1 Hàm Truyền Theo Tần Số Của Hệ Thống Điều Khiển 18

2 Hàm Truyền Theo Thời Gian Của Hệ Thống Điều Khiển 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC SERVO

1 Cấu Tạo Và Chức Năng

AC Servo Motor thực chất là 1 động cơ xoay chạy bằng điện 3 pha, hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu như các loại động cơ trong máy bơm hay máy quạt Điểm khác biệt của AC Servo Motor so với các động cơ thông thường là

nó được tích hợp nhiều công cụ điện tử và cảm biến để truyền thông tin và điều khiển như: bộ khuếch đại, bộ điều khiển, bộ mã hóa và màn hình Điều này làm tăng khả năng chính xác cũng như dễ dàng điều khiển, đây là một trong những yêu cầu cho sản xuất công nghiệp trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay

Một loại động cơ servo tạo ra đầu ra cơ học bằng cách sử dụng đầu vào điện xoay chiều ở dạng vận tốc góc chính xác được gọi là động cơ servo AC Công suất đầu ra thu được từ động cơ servo này chủ yếu dao động từ watt đến vài 100 watt Tần số hoạt động của động cơ servo xoay chiều dao động từ 50 đến 400 Hz Sơ đồ động cơ AC servo được hiển thị bên dưới Các tính năng chính của động cơ servo ac chủ yếu bao gồm; đây là những thiết bị có trọng lượng nhẹ hơn, mang lại sự ổn định

và độ tin cậy khi vận hành, không tạo ra tiếng ồn khi vận hành, cung cấp các đặc tính tốc độ mô-men xoắn tuyến tính và giảm chi phí bảo trì khi vòng trượt & bàn chải không có mặt

Cấu tạo của động cơ

Nói chung, động cơ servo AC là động cơ cảm ứng hai pha Động cơ này được chế tạo bằng cách sử dụng stato và rôto giống như động cơ cảm ứng thông thường

Stato của động cơ servo này có cấu trúc nhiều lớp Stator này bao gồm hai cuộn dây được đặt cách nhau 90 độ trong không gian Do sự biến đổi pha này nên một từ trường quay được tạo ra

Cuộn dây thứ nhất được gọi là cuộn dây chính hay còn gọi là cuộn dây pha cố định hoặc cuộn dây tham chiếu Ở đây, cuộn dây chính được kích hoạt từ nguồn cung cấp điện áp không đổi trong khi cuộn dây khác như cuộn dây điều khiển hoặc pha điều khiển được kích hoạt bằng điện áp điều khiển thay đổi Điện áp điều khiển này được cung cấp đơn giản từ bộ khuếch đại servo Rôto được sử dụng trong động cơ này là rôto dạng lồng sóc thông thường bao gồm các thanh nhôm được cố định trong các khe & bị ngắn mạch qua các vòng cuối Khe hở không khí được giữ ở mức tối thiểu để liên kết từ thông tối đa

AC Servo Motor được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:

- Bộ điều khiển: Bao gồm màn hình, nút bấm, các thiết bị tiếp nhận và phát đi thông tin Bộ điều khiển của AC Servo Motor có chức năng tiếp nhận các thông tin

về tốc độ, vị trí, moment được truyền về sau đó hiển thị trên màn hình chính Từ đó, người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh các thông số hoặc thiết lập PLC để động cơ hoạt động 1 cách thích hợp với từng loại hình công việc

- Bộ khuếch đại Servo: Thường được gắn chung với bộ điều khiển để tạo thành

1 khối Bộ khuếch đại có chức năng tiếp nhận thông tin dưới dạng code từ bộ mã hóa sau đó chuyển về bộ điều khiển để hiển thị trên màn hình Ngoài ra, chức năng chính của bộ này là liên tục sửa đổi kết quả thực tế để giảm mức chênh lệch sau đó

ra lệnh cho động cơ hoạt động Đây chính là tính năng chính mang lại sự khác biệt của AC Servo Motor, khả năng tự động hóa cực cao mang lại tính chính xác mà ta

có thể thấy từ những sản phẩm của máy cắt CNC

- Thiết bị dò và dẫn động: Tách rời và được nối với 2 bộ trên bằng dây dẫn, đây

là trái tim của AC Servo Motor Gồm 2 phần, động cơ và bộ mã hóa Động cơ của

nó được cấu tạo từ Rotor và Stator, bao gồm cuộn dây dẫn thứ cấp(nhôm hoặc đồng), nam châm, phanh điện từ, trục dẫn động hoạt động theo nguyên lý ứng dụng nam châm vĩnh cửu Bộ mã hóa hay còn gọi là Encoder (từ nay mình xin được gọi là Encoder) sẽ tiếp nhận thông tin từ động cơ rồi chuyển về dạng mã hóa (code) sau đó truyền đi để xử lý và ngược lại Động cơ AC Servo của chúng tôi ngoài ra còn được trang bị thêm phanh tái sinh để giảm tốc độ khi cần và tái sinh dòng điện để sử dụng,

là loại ưu việt nhất thị trường hiện nay về tiết kiệm điện năng

2 Nguyên Lý Hoạt Động

Khi máy ra lệnh đầu vào theo vị trí của trục Nếu tín hiệu phản hồi khác với đầu vào đã cho, tín hiệu lỗi sẽ cảnh báo người dùng Bộ khuếch đại chuyển tín hiệu này và áp dụng làm đầu vào cho động cơ, do đó động cơ quay Và khi trục đạt đến

vị trí yêu cầu, tín hiệu trở thành số không, và do đó động cơ đứng yên giữ vị trí Đầu vào lệnh ở dạng xung điện Vì đầu vào thực tế của động cơ là sự khác biệt giữa tín hiệu phản hồi (vị trí hiện tại) và tín hiệu yêu cầu, do đó tốc độ của động cơ

tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa vị trí hiện tại và vị trí cần thiết Lượng điện năng mà động cơ yêu cầu tỷ lệ thuận với quãng đường cần di chuyển

Động cơ được kết hợp với Encoder để cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ Nói một cách đơn giản, chúng ta chỉ đo vị trí Sau đó, vị trí đo của đầu ra được so sánh với vị trí lệnh, đầu vào bên ngoài để điều khiển Nếu vị trí đầu ra khác với vị trí đầu ra dự kiến, tín hiệu lỗi sẽ tạo ra Điều này làm cho động cơ quay theo một trong hai hướng,

vì cần phải đưa trục đầu ra đến vị trí thích hợp Khi vị trí đến gần, tín hiệu lỗi giảm xuống không Cuối cùng động cơ dừng lại

Động cơ Ac Servo là một hệ thống điều khiển vòng kín, sử dụng thông tin phản hồi vị trí nhằm điều khiển các chuyển động Bạn cứ thử nghỉ xem, nếu bạn đang

dùng động cơ Servo cho việc cắt kim loại chẳng hạn, khi dao cắt kim loại chạm vào khối thép cần cắt sẽ nhận lại phản lực từ khối thép làm cho việc cắt chính xác trở nên khó khăn, sản phẩm sẽ bị lỗi

Nhờ có Encoder và bộ khuếch đại, thông tin nhận được về phản lực sẽ lập tức được truyền đi và xử lý, sau đó tăng thêm tần số cho động cơ hoạt động mạnh hơn, việc này dường như không có độ trễ Việc này được gọi là điều khiển hồi tiếp, giúp cho các AC Servo Motor có thể tự động điều khiển chính xác Có 3 chế độ điều khiển động cơ: Tốc độ, vị trí và moment, cần cài đặt tùy theo mục đích sử dụng động cơ Ngoài ra, mỗi AC Servo Motor chỉ tương thích với 1 Driver của chính hảng đó thì mới có thể hoạt động được Khi xãy ra hư hỏng động cơ, ví dụ như cháy cuộn dây( thường thấy ở các động cơ dùng nam châm) sẽ không thể tự ý quấn lại dây được vì như vậy sẽ làm sai với thông số của hảng sản xuất Tốt nhất, khi gặp hư hỏng bạn nên mang động cơ của mình đi gặp nhà sản xuất để được bảo hành hoặc liên hệ với các công ty chuyên lắp đặt và bảo hành và sửa chữa

3 Ứng dụng của AC Servo Motor

Động cơ servo nhỏ nhưng rất quan trọng để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến hơn được sử dụng hiện nay

Điều khiển vị trí: Van cầu điều khiển với bộ truyền động bộ định vị bằng khí nén Đây là một servo đảm bảo van sẽ mở đến vị trí mong muốn bất chấp ma sát Một loại servo phổ biến có hỗ trợ điều khiển vị trí Thông thường, các cơ cấu servo có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén Chúng hoạt động trên nguyên lý phản hồi âm, trong đó đầu vào điều khiển được so sánh với vị trí thực tế của hệ thống cơ khí được

đo lường bằng một số loại cảm biến tại đầu ra Khoản chênh lệch giữa giá trị thực tế

và giá trị mong muốn (một “tín hiệu sai số”) được khuếch đại (và chuyển đổi) và được dùng để điều khiển hệ thống theo hướng cần thiết để giảm hoặc loại bỏ sai số Quá trình này là một trong những ứng dụng được sử dụng rộng rãi của lý thuyết điều khiển Các servo điển hình có thể cung cấp một đầu ra là chuyển động tròn (góc quay) hoặc đầu ra chuyển động thẳng

Điều khiển tốc độ: lục Điều khiển tốc độ thông qua một thiết bị điều tốc là một loại cơ cấu servo khác Động cơ hơi nước sử dụng các thiết bị điều tốc cơ khí; một ứng dụng ban đầu khác là để điều chỉnh tốc độ của bánh xe nước Trước Thế chiến

thứ II cánh quạt tốc độ không đổi được phát triển để điều khiển tốc độ động cơ máy bay Điều khiển nhiên liệu cho động cơ tuabin khí sử dụng bộ điều tốc điện hoặc thuỷ lực

Các ứng dụng khác: Các cơ cấu servo vị trí đầu tiên được sử dụng trong điều khiển hỏa lực quân sự và thiết bị điều hướng hàng hải Ngày nay, Cơ cấu servo được

sử dụng trong các máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển

từ xa, hệ thống định vị tự động trên tàu thuyền và máy bay, và hệ thống điều khiển súng phòng không Những ví dụ khác là những hệ thống điều khiển bay trong máy bay, sử dụng các servo để phát động các bề mặt điều khiển của máy bay, và các mô hình điều khiển bằng radio sử dụng các RC servo với cùng mục đích Nhiều máy ảnh tự động lấy nét cũng sử dụng một cơ cấu servo để di chuyển các ống kính một cách chính xác Một ổ đĩa cứng có một hệ thống servo từ tính với độ định vị chính xác đến micromet Trong các máy móc công nghiệp, servo được sử dụng để thực hiện các chuyển động phức tạp, trong nhiều ứng dụng

Trong công nghiệp thực phẩm Sản xuất thực phẩm hay đóng chai đồ uống là quy trình khép kín đòi hỏi tính chính xác khi di chuyển đồ vật cao Ví dụ như trong sản xuất nước ngọt đóng chai, các chai thủy tinh hay máy rót cần được đưa đến chính xác để có thể đổ thức uống vào chai Với AC Servo Motor, quy trình tự động này diễn ra một cách khá đơn giản nhờ vào các cảm biến và phanh điện tử làm cho khi chai thủy tinh hay đồ vật cần đóng gói đến đúng ngay miệng máy Đáp ứng được yêu cầu về gia tăng năng suất và hạn chế lỗi sản phẩm phát sinh

4 Điều Khiển Động Cơ AC Servo

Động cơ AC Servo là một hệ thống điều khiển vòng kín, sử dụng thông tin phản hồi vị trí nhằm điều khiển các chuyển động Bạn cứ thử nghỉ xem, nếu bạn đang dùng động cơ Servo cho việc cắt kim loại chẳng hạn, khi dao cắt kim loại chạm vào khối thép cần cắt sẽ nhận lại phản lực từ khối thép làm cho việc cắt chính xác trở nên khó khăn, sản phẩm sẽ bị lỗi Nhờ có Encoder và bộ khuếch đại, thông tin nhận được về phản lực sẽ lập tức được truyền đi và xử lý, sau đó tăng thêm tần số cho động cơ hoạt động mạnh hơn, việc này dường như không có độ trễ Việc này được gọi là điều khiển hồi tiếp, giúp cho các AC Servo Motor có thể tự động điều khiển chính xác

Có 3 chế độ điều khiển động cơ: Tốc độ, vị trí và moment, cần cài đặt tùy theo mục đích sử dụng động cơ

Ngoài ra, mỗi AC Servo Motor chỉ tương thích với 1 Driver của chính hảng đó thì mới có thể hoạt động được Khi xảy ra hư hỏng động cơ, ví dụ như cháy cuộn dây( thường thấy ở các động cơ dùng nam châm) sẽ không thể tự ý quấn lại dây được

vì như vậy sẽ làm sai với thông số của hảng sản xuất Tốt nhất, khi gặp hư hỏng bạn nên mang động cơ của mình đi gặp nhà sản xuất để được bảo hành hoặc liên hệ với các công ty chuyên lắp đặt và bảo hành và sửa chữa

Máy in công nghiệp: Lực dùng để xoay các trục(moment) trong công nghiệp in

ấn khi không có động cơ Servo thường không ổn định và làm cho quá trình in bị hỏng, tạo ra các nếp nhăn trên bao bì hoặc in lem Tính năng điều khiển moment của

AC Servo Motor giúp cho giấy được kéo và căng đều để không có nếp nhăn hoặc bề mặt lún trên giấy in

Máy cắt và tạo hình kim loại Động cơ servo cung cấp điều khiển chuyển động chính xác cho máy phay, máy tiện, mài, định tâm, đục lỗ, ép và uốn trong chế tạo kim loại cho các vật phẩm như nắp đậy cho bánh xe ô tô Vừa an toàn, vừa ổn định Dệt may Động cơ servo kiểm soát máy kéo sợi và dệt công nghiệp, máy dệt và máy dệt kim cũng bằng với chế độ điều khiển tốc độ ổn định để sản xuất hàng hóa

có giá trị cao như thảm và vải, các mặt hàng có thể đeo như vớ, mũ, găng tay và găng tay

Chế biến gỗ / CNC Động cơ servo điều khiển các cơ cấu khắc gỗ (máy tiện) định hình chân bàn và trục cầu thang, cũng như gia công và khoan các lỗ cần thiết

để lắp ráp các sản phẩm đó sau này trong quy trình

CHƯƠNG 2: CÁNH TAY ROBOT

1 Cấu tạo và chức năng

Robot ngày nay đang được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khoa học – công nghệ Thông qua việc điều khiển, Robot cũng có thể hoạt động theo ý muốn của người điều khiển Bất kỳ công việc nào liên quan đến sự lặp đi lặp lại, độ chính xác, độ bền, tốc độ và độ tin cậy đều có thể được thực hiện tốt hơn bởi robot, vì vậy nhiều công việc từng do con người thực hiện ngày càng được thay thế bởi robot Có thể nhắc đến nhiều hiện nay có thể nhắc đến là các loại Robot công

nghiệp; một số loại khác như robot nông nghiệp, robot di động, robot nông

nghiệp,… Cánh tay Robot là một trong số những robot được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ngành công nghiệp

- Động cơ: Gồm các động cơ servo, đảm nhiệm thực hiện các chuyển động của tay máy Mỗi động cơ sẽ thực hiện một chiều quay cho robot, giúp bàn tay robot đến được vị trí mong muốn Ngoài ra, còn có thể có hệ thống truyền động như là bánh răng

- Bộ điều khiển: Là bộ não của robot, có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý các tín hiệu từ người điều khiển và từ các cảm biến hồi tiếp Bộ điều khiển có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau như là xác định tọa độ, vị trí thao tác, các điểm đi qua,…, phức tạp hơn như là thiết lập quỹ đạo, nội suy, tính toán động học,… Một

số loại cảm biến thường thấy ở robot là cảm biến quang giúp nhận biết vật thể cần thực hiện chức năng; cảm biến vị trí, encoder được tích hợp trong servo giúp hồi tiếp vị trí của cánh tay robot về bộ điều khiển, từ đó thực hiện một số chuyển động quay, tịnh tiến, quay, cầm, khoan, hàn,… và tối ưu các chuyển động này; cảm biến lực; cảm biến nhiệt độ Để người điều khiển giao tiếp với bộ điều khiển, cần có một phần mềm tương thích để người dùng điều khiển thông qua đó

2 Nguyên Lý Hoạt Động

Bộ điều khiển sẽ tiếp nhận các tín hiệu ban đầu từ người điều khiển thông qua phần mềm, có thể là thông số, đặc điểm của chi tiết cần robot tác động Bộ điều khiển sẽ

đồng thời đến vị trí mà bộ điều khiển thiết lập Trong lúc đó, các cảm biến cũng sẽ tiếp nhận tín hiệu từ bên ngoài, và hồi tiếp về bộ điều khiển để xử lý và đưa ra lệnh

để thao tác phù hợp với các tín hiệu đó

PROPORTIONAL INTEGRAL DERIVATIVE (PID):

Proportional Integral Derivative (PID) control là một hệ thống điều khiển phản hồi được sử dụng để duy trì một giá trị mong muốn trong một hệ thống

PID control sử dụng ba thành phần chính để điều chỉnh và duy trì đầu ra của

hệ thống: Proportional (P), Integral (I), và Derivative (D) Cùng nhau, chúng giúp làm giảm độ chệch giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị mong muốn

Proportional (P): Điều chỉnh đầu ra của hệ thống dựa trên sự chênh lệch giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị đặt trước Hành động này làm giảm độ chệch hiện tại

Integral (I): Tích phân giữa giá trị chênh lệch trong thời gian Điều này giúp giảm độ chệch tích tụ theo thời gian và giúp đạt được ổn định hệ thống

Derivative (D): Giảm tốc độ thay đổi của chênh lệch Hành động này giúp hệ thống tránh được đột ngột hoặc dao động không mong muốn

Trong hệ thống phanh chống bó cứng (Anti-lock Braking System - ABS) trên

ô tô, PID control được sử dụng để duy trì áp suất phanh tối ưu để ngăn chặn bánh

xe khóa và giữ cho ô tô có khả năng lái tốt nhất trong điều kiện phanh trơn trượt Khi bánh xe khóa, hệ thống ABS điều chỉnh áp suất phanh thông qua các van điều khiển để giữ cho bánh xe quay và duy trì khả năng lái xe PID control trong ABS giúp làm giảm độ chệch giữa tốc độ bánh xe và tốc độ ô tô, giữ cho hệ thống phanh hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khẩn cấp, như phanh trên đường trơn trượt

P (Proportional):

𝑒(𝑡) = 𝑆𝑃  − 𝑃𝑉