Bảng 3-3 Bảng tra lực kéo - đẩy của xi lanh thủy lực theo áp suất làm việc
Lực lớn nhất tác dụng lên mỗi trục bánh xe là 𝑃 = 𝑚. 𝑔 = 24000.9,8 = 235,2 𝑘𝑁 .
Vì vậy theo bảng tra lực kéo – đẩy, chọn xy lanh có: Đường kính ống: 160mm
Đường kính cần xy lanh:700mm Chiều dài hành trình: 300mm
Lực đẩy tiến tối đa xy lanh: 321,7 kN Lực đẩy lùi tối đa xy lanh: 260,12 kN
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Các thông số tính toán cơ bản:
Trọng lượng: m = 48000 kg
Hệ số cản khí động học: 𝐶𝐷 = 0.24
Diện tích cản không khí phía trước: S = 2.34 m^2 Công xuất động cơ điện 3 pha: P = 37 kW
Mômen xoắn: 1600Nm
Hệ số cản lăn trên đường nhựa: 0.02
Thiết kế
Từ các thông số cơ bản suy ra các biểu thức toán học cho từng phần của mô hình.
Mô hình hoá các biểu thức này sang mô hình MATLAB / SIMULINK. Sử dụng mô hình này để lập trình bộ điều khiển tốc độ.
Các lực phát sinh khi xe chuyển động:
Lực kéo: là lực được chuyển hóa năng lượng từ điện năng sang cơ năng thông qua động cơ và bánh xe.
Lực cản khí động học: dịch chuyển của không khí khi chuyển động hoặc do gió giật.
Lực cản lăn: sự biến dạng của lốp trên mặt đất do trọng lượng của xe hơi.cản quán tính của ô tô: đặc tính cố hữu của khối lượng để chống lại những thay đổi trong chuyển động.
Lực kéo
Hình 4-1 Xác định lực kéo của bánh xe
Các bánh xe chuyển đổi mô-men xoắn do động cơ tạo ra thành lực tịnh tiến nhờ ma sát tạo ra bởi lốp của chúng. Lực này có thể được biểu thị bằng công thức:
𝐹𝑓 =𝑇
𝐿. 𝐺𝑟 = 𝑇
0,5. 5 = 10𝑇 (4.1) Trong đó: 𝑇: momen xoắn
𝐿: Bán kính bánh xe
𝐺𝑟: Tỉ số truyền
Ở đây, 𝐿 = 50𝑐𝑚 và 𝐺𝑟 = 5 nên suy ta:
Lực cản khí động học
Xảy ra trên bất kỳ vật thể chuyển động nào trong chất lưu và do sự dịch chuyển và ma sát giữa vật thể và chất lưu.
𝐷 = 1
2𝜌 .𝑉2.S.𝐶𝐷 =1
2. 1,225. 𝑉2. 2,3.0,24 = 0,3381𝑉2 (4.2)
V: vận tốc xe
S: diện tích phía trước của xe
𝐶𝐷: hệ số cản khí động của xe
Lực cản lăn
Hậu quả của tổn thất cơ học do sự biến dạng của lốp xe khi tiếp xúc với mặt đất. Được biểu diễn qua công thức:
𝐹𝑟 = 𝑚𝑡. 𝐶𝑟. g. cos 𝛼 (4.3) 𝛼 góc dốc
𝐶𝑟 hệ số cản lăn
𝑚𝑡 tổng khối lượng của xe g là hằng số hấp dẫn
Xét lốp xe khô và đường là đường nhựa ta có: 𝐶𝑟=0.02 Tổng khối lượng của module vạn chuyển: m=48000 (kg) Hằng số hấp dẫn g=9,81 m/𝑠2
Suy ra:
𝐹𝑟 = 48000.0,02.9,81 = 9417 N (4.4)
Lực cản quán tính
Định nghĩa: là lực sinh ra khi xe ở trạng thái tăng tốc hoặc giảm tốc Biểu thức: 𝐹𝑞 = m.j.𝛿𝑖
Trong đó: m là khối lương xe j là gia tốc của xe
𝛿𝑖 = 1,05 + 0,0015.𝐺𝑟2 (𝐺𝑟 là tỉ số truyền) (4.5)
M = 48000 (kg)
𝐺𝑟 = 5
Nên ta có biểu thức của cản quán tính:
𝐹𝑞 = 48000. j. (1,05 + 0,0015. 52) = 52992j (N) (4.6)
Pin
Pin của module được ghép bởi 7.104 cell pin mã 18650 bao gồm 16 module mỗi module gồm 444 cell có khả năng lưu trữ năng lượng lên đến 85kWh.
16 module được mắc nối tiếp, mỗi module chứa 6 nhóm mỗi nhóm gồm 74 cell mắc song song.
Tổng công suất của nó là 85.000Wh và nó nặng 540kg.
Mỗi cell NCR18650B có công suất trung bình là 3300 mah, điện áp danh nghĩa 3,6V / 11,9Wh.
Điện áp tối đa của chúng là 4,2V và được phóng điện ở 2,5V.
Hình 4-2 Cell NCR18650B
Trong một đoạn mạch mắc nối tiếp, Hiệu điện thế của đoạn mạch là tổng các Hiệu điện thế của các thành phần của nó nhưng cường độ dòng điện không đổi.
Trong một đoạn mạch mắc song song, điện áp của đoạn mạch là như nhau trong suốt nhưng cường độ dòng điện là tổng của dòng điện đi qua tất cả các thành phần của nó được mắc song song.
Do đó, chúng ta có thể tính toán điện áp danh định của pin:
𝑉 = 3.6.16.6 = 346𝑉
Dòng điện tối đa sẽ được thiết lập thông qua mô-men xoắn cực đại.
Phân tích pin này đã cho chúng ta biết điện áp hoạt động tối đa mà chúng ta sẽ lấy ở đây là 346V để xem xét mức trung bình trong một lần xả pin. Điện áp tối đa và mức phóng điện tối đa này đã cho ta giới hạn đối với các giá trị tối đa mà hệ thống của chúng ta có thể đạt được, cả về điện áp và dòng điện. Tất cả các thông số này sẽ được thực hiện một cách thích hợp trong SIMULINK.
Động cơ
Module sử dụng động cơ cảm ứng ba pha xoay chiều bốn cực.
Những điều này đòi hỏi điều khiển toán học và điện tử phức tạp nhưng sẽ cho ta hiệu quả và hiệu suất hoạt động cao.
Hình 4-3 Động cơ cảm ứng 3 pha xoay chiều 4 cực Các thông số cơ bản của động cơ:
𝑅 = 5.3.10^ (-3) 𝑂h𝑚
𝐾e = 0.12 𝑉𝑠/𝑟𝑎𝑑𝐸
𝐾t = 0.25 𝑁𝑚/𝐴𝑚𝑝
4.2 Mô hình toán học
Sụt áp rơi trên điện trở: 𝑖𝑟=I.R (4.7)
Sụt áp rơi trên cuộn cảm:
IL=L.(di/dt) (4.8)
Theo định luật Kirchhoff, tổng của tất cả các điện áp trên một đường dẫn kín trong mạch bằng 0 ta có:
𝑉=𝐼(𝑡).𝑅+𝐿.(di/dt) +𝐸(𝑡) (*) (4.9)
Mô-men xoắn trong động cơ điện một chiều có thể được viết:
T(t) = Kt.I(t) (4.10)
Với 𝐾t hằng số mô-men xoắn của động cơ xác định các đặc tính chế tạo của nó.
Tương tự ta có hiệu điện thế rơi trên động cơ cho bởi công thức:
E(t)=Ke.𝜔(𝑡) (4.11)
Ke là hằng số động cơ, 𝜔(𝑡) là tốc độ quay của đc (rad/s). Do đó, chúng ta viết lại phương trình (1):
𝑉=𝐼(𝑡).𝑅 + 𝐿.(di/dt) + Ke.𝜔(𝑡) (4.12) Chuyển vế rút di/dt: 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = 𝑉 − 𝐼(𝑡). 𝑅 − 𝐾𝑒. 𝜔(𝑡) 𝐿 (4.13)
Biểu diễn phương trình trong matlab simulink T(t) = Kt. I(t)
𝑑𝑖 𝑑𝑡 =
𝑉 − 𝐼(𝑡). 𝑅 − 𝐾𝑒. 𝜔(𝑡)
𝐿 (4.14)
Mô hình động lực học
Điều kiện chuyển động của xe
Lực kéo từ động cơ: 𝐹𝑓 = 10T.0,7 (70% hiệu suất tổng thể) Fkéo ≥ 𝛴𝐹cản
Chiếu phương trình trên lên trục Ox chiều dương là chiều tịnh tiến của module :
𝐹𝑓 = 𝐹𝑟 + D + 𝐹𝑞 (4.15)
10.0,7.T = 9417 + 0,3381.𝑉2 + 52992.j (4.16)
=> Phương trình động lực học dọc thân module:
𝑗 = 𝑑𝑣 𝑑𝑡 =
0.7 ∗ 10𝑇 − 9417 − 0.3381𝑉2
52992 (4.17)
4.3 Mô hình hóa hoàn chỉnh matlab simulink
Kết quả thu được
Hình 4-5 Đồ thị giới hạn momen xoắn 1600Nm
Hình 4-7 Đồ thị vận tốc theo thời gian
4.4 Phương pháp điều khiển
4.4.1 Khái niệm về bộ điều khiển PID
PID được tạo thành từ cụm từ tiếng Anh đầy đủ là Proportional Integral Derivative. Đây là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển trong các hệ thống điều khiển công nghiệp mà hiện nay được sử dụng rất rộng rãi. Bộ điều khiển này được đưa vào sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín hay các hệ thống có tín hiệu phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ giúp các máy công nghệ tính toán ra các giá trị sai số là hiệu số giữa các giá trị đo thông số về biển đối và giá trị đặt theo mong muốn của người thiết kế, người dùng. Thông qua các điều chỉnh giá trị điều khiển đầu mà mà nhờ đó hệ thống điều khiển khi thực hiện sẽ giảm được tối đa những sai số, cho hoạt động chính xác hơn và đạt hiệu quả cao hơn.
Để đạt những kết quả tốt nhất, các thông số của PID cần được sử dụng điều chỉnh theo tính chất của hệ thống nó được gắn vào. Trong trường hợp điều
khiển giống nhau, cần tính toán đẻ các đặc thù của hệ thống để các thông số của PID được chuẩn xác và hiệu quả cao nhất khi làm việc.
- P trong Proportional - Để chỉ đến một phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, thông qua đó tạo ra một tín hiệu thông báo về điều chỉnh tỷ lệ so với sai lệch đầu vào theo thời gian tiến hành lấy mẫu.
- I trong Integral - Hiểu đơn giản thì nó mang ý nghĩa là sự phân tích đối với các sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về mức 0 thì cần sử dụng phương pháp điều khiển tích phân. Từ đó mà người dùng có thể dễ dàng biết được tổng sai số tức thời tính theo thời gian hay chính là sai số tích lũy được trong quá khứ. Điều chỉnh phân tích càng mạnh khi thời gian tác động thể hiện càng nhỏ, tương ứng với đó là độ lệch cùng nhỏ theo.
- D trong Derivative - Có nghĩa là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân sẽ có nhiệm vụ trong việc tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để có thể cho tỷ lệ phù hợp nhất với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Vấn đề vi phạm điều chỉnh vi phân càng mạnh khi thời gian càng lớn và tương ứng với bộ điều chỉnh để đáp ứng cho thay đổi đầu vào sẽ càng nhanh.
4.4.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển
4.4.2.1Phương pháp kiểm soát thông số PID thủ công
- Là phương thức đưa các giá trị Ki = Kd đồng thời quy chúng về giá trị = 0. Sau đó; ta hiệu chỉnh giá trị Kp tăng dần đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn ổn định thì ngưng.
- Hiệu chuẩn time tích phân tương ứng với chu kỳ dao động tuần hoàn. - Kiểm soát lại giá trị Kp vừa khớp với yêu cầu bài toán. Trong qua trình
hiệu chỉnh; nếu xảy ra hiện tượng thay đổi do dao động đột biến thì ta hiệu chuẩn thêm giá trị Kd.
4.4.2.2Thuật toán bộ điều khiển PID cho module vận chuyển đa hướng:
- Đầu vào là setpoint được gửi từ web.
- Error là độ sai lệch giữa đầu vào setpoint và đầu vào input của encoder đo góc đánh lái.
- Error = setpoint - input (encoder)
Nhập error vào công thức PID để tìm ra tốc độ output của động cơ.
4.5 Mô tả sơ đồ điều khiển hệ thống
Hình 4-9 Sơ đồ khối điều khiển của mô đun thực tế
Module vận chuyển bao gồm các khối sau: khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển động cơ và cơ cấu chấp hành. Các khối này được minh họa bằng sơ đồ khối như trên:
Tín hiệu từ cảm biến được đưa vào khối điều khiển trung tâm qua các cổng và phương thức giao tiếp. Dựa vào tín hiệu từ khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm sẽ tính toán để xác định trạng thái của robot đang di chuyển. Từ đó khối điều khiển trung tâm sẽ xuất ra tín hiệu xung PWM để điều khiển các động cơ thông qua mạch công suất điều khiển động cơ. Việc này sẽ giúp Robot di động có thể tự di chuyển theo quỹ đạo xác định trước.
4.6 Lưu đồ thuật toán của mođun thực tế
CHƯƠNG 5 CHẾ TẠO MÔ HÌNH MODULE CHUYỂN ĐỘNG ĐA HƯỚNG
5.1 Thiết kế mô hình
5.2 Tính toán lựa chọn cơ cấu truyền động mô hình
Xét trên địa hình làm việc bằng phẳng, bỏ qua biến dạng của bánh xe và ma sát của không khí.
Các thông số của robot
- Khối lượng robot ước tính: 3kg - Bán kính: 20mm
Phân tích lực
Hình 5-1 Phân tích lực cho mô hình Với:
𝐹𝑚𝑠𝑛
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn bê tông. 𝐹𝑤
⃗⃗⃗⃗ là lực kéo sinh ra do momen của động cơ. 𝑁⃗⃗ là phản lực của mặt sàn.
𝑃⃗ là trọng lực của xe
𝑀1
Chọn phương án chuyển động của robot là chuyển động thẳng. Hai bánh dẫn động di chuyển cùng tốc độ về phía trước với vận tốc 0.5m/s.
Tốc độ quay của bánh xe khi xe di chuyển thẳng với vận tốc tối đa 0,5m/s:
𝑛 = 60𝑣 2𝜋𝑟 = 60 × 1000 × 0,5 2𝜋 × 20 = 238,7(𝑟𝑝𝑚) Phương trình cân bằng lực: 𝐹𝑚𝑠𝑛 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝐹⃗⃗⃗⃗ + 𝑁⃗⃗ + 𝑃𝑤 ⃗⃗⃗ = 𝑚1 1𝑎 (5.1) Phản lực của mặt sàn tác động lên 1 bánh dẫn động: 𝑁 = 𝑃 2 4 = 𝑚 2 𝑔 4 = 3 2× 9,8 4 = 3,675(𝑁) (5.2)
Khi xe di chuyển thẳng đều
Vận tốc không đổi là v=0,5(m/s), nên gia tốc a=0(m/s2). Khi đó: Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
𝐹𝑤 = 𝐹𝑚𝑠𝑛 = 𝜇1× 𝑁 = 0,015 × 3,675 = 0.055(𝑁) (5.3)
Với: 𝜇1 = 0,015 là hệ số ma sát lăn của bánh trên sàn bê tông. Công suất cần thiết để di chuyển thẳng đều:
𝑃1 = 𝐹𝑤𝑣 = 0.055 × 0,5 = 0,0275(𝑊) (5.3)
Khi xe bắt đầu tăng tốc
Gia tốc để xe chuyển động nhanh dần tới vận tốc 0,5m/s trong 3s là:
𝑣 − 𝑣0 = 𝑎𝑡 (5.4)
Với 𝑣0 = 0m/s Suy ra:
𝑎 =𝑣
𝑡 = 0,16(𝑚/𝑠
2) (5.5)
𝐹𝑤 = 𝐹𝑚𝑠𝑛+𝑚
8 𝑎 = 𝜇𝑛𝑁 + 𝑚1𝑎 = 1 × 3,675 + 3
8× 0,16 = 3,735(𝑁) (5.6)
Với hệ số ma sát tĩnh 𝜇𝑛 = 1 là hệ số ma sát nghỉ của bánh trên sàn bê tông. Công suất cần thiết để xe chuyển động nhanh dần lên vận tốc 0,5m/s:
𝑃1 = 𝐹𝑤𝑣 = 3,735 × 0,5 = 1,86(𝑊) (5.7) Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc lên 0,5m/s:
𝑀1 = 𝐹𝑤𝑟 = 3,735 × 20
1000= 0,0747(𝑁𝑚) = 74,7 (𝑁𝑚𝑚) (5.8)
Như vậy ta chọn động cơ bước 28BYJ-48
Về tổng quan mô hình có kích thước dài x rộng = 380*270 mm và có chiều cao là 106 mm.
Hình 5-2 Hình ảnh tổng quan về hệ thống khi thiết kế trên phần mềm solidwork.
5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 5.3.1 Mô tả sơ đồ điều khiển hệ thống 5.3.1 Mô tả sơ đồ điều khiển hệ thống
Hình 5-3 Sơ đồ khối kết nối của mô hình
Robot di động thường bao gồm các khối cơ bản sau: khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển động cơ và cơ cấu chấp hành. Các khối này được minh họa bằng sơ đồ khối như trên:
Tín hiệu từ cảm biến được đưa vào khối điều khiển trung tâm qua các cổng và phương thức giao tiếp. Dựa vào tín hiệu từ khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm sẽ tính toán để xác định trạng thái của robot đang di chuyển. Từ đó khối điều khiển trung tâm sẽ xuất ra tín hiệu xung PWM để điều khiển các động cơ thông qua mạch công suất điều khiển động cơ. Việc này sẽ giúp Robot di động có thể tự di chuyển theo quỹ đạo xác định trước.
5.4 Các khối phần cứng cơ bản 5.4.1 Khối động cơ 5.4.1 Khối động cơ
Hình 5-4 Kích thước động cơ 28BYJ-48 Thông số kĩ thuật của động cơ bước 28BYJ-48:
- Điện áp hoạt động: 5V và 12V
- Kích thước: Đường kính 28mm, chiều cao 19mm, chiều dài trục 7.5mm
- Góc nhìn / step: 5.626 x 1/64 - Số đầu vào điều khiển step: 4 - Số step: 64
- DC kháng: 200Ω± 7% (25 ℃) - Điện trở cách điện: > 10MΩ (500V) - Cường độ điện môi: 600VAC/1mA/1s - Tần số khi tải kéo: > 600Hz
- Tần số không tải: > 1000Hz
- Mô-men xoắn: > 34.3mN (120Hz)
- Tiếng ồn: <40dB (120Hz, không tải, 10cm) - Khối lượng: Khoảng 32g
5.4.2 Khối driver điều khiển động cơ bước
Driver ULN2003 điều khiển động cơ bước 28BYJ-48
Hình 5-5 Mạch ULN 2003 điều khiển động cơ bước 28BYJ-48 Mạch ULN 2003:
- Điện áp 5V - 12VDC - Tín hiệu vào 4 chân
- Tín hiệu ra là jack cắm động cơ bước 28BYJ-48 - Có 4 LED hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ - Động cơ bước 28BYJ-48
- Điện áp 5VDC
- Thông số bước 5,625 x 1/64
Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 có kích thước nhỏ và dễ sử dụng. Nó sử dụng IC ULN2003A để khuyếch đại các tín hiệu điều khiển từ board