THIEÁT KEÁ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1. Hệ điều khiển tự động
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ 3 bộ phận chủ yeáu sau:
- Thieỏt bũ ủieàu khieồn C (controller) - Đối tượng điều khiển O (object)
-Thiết bị đo lường M (measuring device)
Đó là một hệ thống có phản hồi (feedback) hay có liên hệ ngược. Sơ đồ khối đơn giản nhất về hệ thống điều khiển tự động cho trên hình
I.
II. Hình V.1: Sơ đồ đơn giản hệ thống điều khiển tự động
Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
Hoài tieáp vò trí
Mạch vi điều khieồn
Mạch điều khiển motor và định vị
Cánh tay Robot
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
U – tín hiệu vào Y – tớn hieọu ra
X – tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O.
E – sai leọch ủieàu khieồn.
Z – tín hiệu phản hồi
Thông thường có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:
- Nguyên tắc điều khiển theo độ sai lệch.
- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu.
- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo độ sai lệch và bù nhiễu
Hình V.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển hỗn hợp
Nhiễu f(t) tác động lên đối tượng điều khiển, ví dụ, theo chiều hướng làm tăng tín hiệu ra Y(t). Trong hệ có đưa vào một thiết bị bù K có tác dụng ngược dấu với f, nghĩa là V tác dụng bù về phía trước thiết bị điều khiển C để làm tín hiệu E giảm bớt. Nếu f tác dụng lên đối tượng điểu khiển O để làm giảm tín hiệu ra Y(t) thì thiết bị bù K lại tạo ra tín hiệu bù V làm tăng E để làm tăng Y.
Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc hỗn hợp được dùng rộng rãi trong thực tế.
Ngoài các nguyên tắc điều khiển cơ bản nói trên người ta còn ứng dụng các nguyên tắc khác như:
- Nguyeõn taộc ủieàu khieồn theo chửụng trỡnh - Nguyeõn taộc ủieàu khieồn thớch nghi.
M O C
V
Y U
Z
K E
f
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng
Ngày nay do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và vi tính, người ta đã tổng hợp ra các hệ điều khiển rất phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển chính là một máy vi tính có thêm các thiết bị ghép phôi A/D và D/A. Các thuật toán điều khiển được tính toán theo các phương pháp tối ưu và thích nghi.
Đồng thời trong những năm gần đây đã xuất hiện nhiều công cụ phần mềm làm tiếp xúc tiến mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển tự động. Trong đó cần kể đến Matlab, đó là một công cụ phần mềm của MathWorks.
Matlab được sử dụng trong nhiều lĩnh vực giảng dạy, nghiên cứu, thiết kế và triển khai các hệ thống điều khiển, từ hệ thống điều khiển đơn giản đến các hệ thống điều khiển tổng hợp phức tạp. Matlab còn có các bộ chương trình chuyên dụng phong phú, trong đó có một số chương trình chuyên dụng cho điều khiển tự động.
Có nhiều cách phân loại các hệ thống điều khiển tự động. Thường có các heọ thoỏng ủieàu khieồn sau:
1) Heọ thoỏng tuyeỏn tớnh.
2) Heọ thoỏng phi tuyeỏn tớnh.
3) Hệ thống liên tục: khi các tín hiệu tác động trong hệ là hàm liên tục theo thời gian.
4) Hệ thống rời rạc: trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian.
5) Hệ thống tiền định là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền là hàm theo thời gian xác định
6)Hệ thống ngẫu nhiên là hệ thống trong đó chỉ cần có 1 tín hiệu là hàm ngaãu nhieân.
7) Hệ thống tối ưu là hệ thống điều khiển trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu điều khiển U(t) tác động lên đối tượng điều khiển để đạt một trạng thái tối ưu theo một chỉ tiêu nào đó.
8) Hệ thống thích nghi hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh là hệ thống có khả năng một cách tự động thích ứng với những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc sơ đồ cuỷa thieỏt bũ ủieàu khieồn.
Các hệ thống được phân loại trên đây có thể lại có nhiều mối liên quan với nhau. Ví dụ, trong hệ ngẫu nhiên có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến; trong hệ
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
tuyến tính lại có thể là hệ liên tục hoặc rời rạc v.v… Do vậy có thể nói việc phân loại hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn phụ thuộc vào mục đích phân loại.
Trong kỹ thuật người máy người ta cũng phân hệ điều khiển ra:
-Điều khiển chương trình: việc điều khiển được thực hiện theo một chương trỡnh ủũnh saỹn.
-Điều khiển thích nghi: việc điều khiển tuỳ thuộc vào thông tin nhận biết được trong quá trình làm việc về hiện trạng của môi trường thao tác và của bản thân người máy.
Hệ điều khiển thích nghi khi được phát triển ở mức độ cao, thực hiện một số chức năng của trí óc con người, thì có thể gọi là người máy có hệ điều khiển tinh khoân.
Tuỳ theo khả năng thực hiện các chuyển động của người máy mà chia thành các thiết bị điều khiển sau đây:
-Điều khiển theo chu tuyến: chuyển động được thực hiện theo một đường lieõn tuùc.
-Điều khiển theo vị trí: chuyển động được đảm bảo qua một số vị trí nhất ủũnh.
-Điều khiển theo chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và cuối hành trình của mỗi bậc tự do.
2.Hàm truyền chuyển động mỗi khớp động
Trong phần này trình bày phương pháp xây dựng hàm truyền đối với trường hợp chuyển động 1 bậc tự do. Trong cơ cấu tay máy mỗi bậc tự do thường được điều khiển bằng một hệ truyền động riêng. Truyền động có thể là thuỷ lực, khí nén nhưng nhiều hơn cả là bằng động cơ điện một chiều.
Trên hình là sơ đồ động cơ điện một chiều với tín hiệu vào là điện áp Ua đặt vào phần ứng, tín hiệu ra là góc quay θm của trục động cơ, kích từ cho động cơ là kích từ độc lập.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng
III. Hình V.3: Sơ đồ với động cơ điện một chiều
Trục động cơ thường nối liền với hộp giảm tốc rồi tới trục phụ tải. Gọi n là tỷ số truyền, θL là góc quay của trục phụ tải, ta có:
) t ( n ) t (
) t ( n ) t (
) t ( n ) t (
m L
m L
m L
θ
= θ
θ
= θ
θ
= θ
&
&
&
&
&
& (5.1)
Mômen trên trục động cơ bằng tổng mômen cần để động cơ quay cộng với mômen phụ tải quy về trục động cơ.
) t ( M ) t ( M ) t(
M = m + *L (5.2) Ký hiệu: Jm - mômen quán tính của động cơ
JL - mômen quán tính phụ tải Ta có:
trong đó fm và fL là hệ số cản của động cơ và của phụ tải.
IV. Hình V.4: Sơ đồ động cơ điện cùng phụ tải
Theo định luật bảo toàn năng lượng, công do phụ tải sinh ra tính trên trục phụ tải là MLθL phải bằng công quy về trục động cơ ML*θm. Từ đó ta có:
) t ( ) nM
t(
) t ( ) t ( ) M t (
M L
m L
* L
L =
θ
= θ (5.5)
Tính tới (5.1) và (5.4) ta có:
[J (t) f t()]
n ) t (
M*L = 2 Lθ&&m + Lθ&m (5.6)
Thay (5.3) và (5.6) vào (5.2) ta có:
) t ( ) f n f ( ) t ( ) J n J ( ) t(
M = + 2 &θ& + + 2 θ&
(8.49) ) t ( f ) t(
J ) t (
Mm = mθ&&m + mθ&m
(8.50) ) t ( f ) t ( J ) t (
ML = Lθ&&L + Lθ&L
(5.3) (5.4)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
(8.53) ) t ( f ) t(
J ) t(
M = &θ&m + θ&m
Với J = Jm + n2 JL f=fm+n2 fL
Trong đó: J-mômen quán tính tổng hiện dụng F-heọ soỏ toồng hieọn duùng.
Bởi vì mômen trên trục động cơ phụ thuộc tuyến tính với cường độ dòng điện phần ứng và không phụ thuộc vào góc quay và vận tốc góc, ta có:
M(t) =Kaia(t) (5.8) với ia - cường độ dòng điện,
Ka -heọ soỏ tyỷ leọ moõmen.
Đối với mạch điện phần ứng:
(8.55) ) t ( dt e
) t ( L di ) t ( i R ) t (
Ua = a a + a a + b
với Ra,La-điện trở và điện cảm phần ứng eb-sức phản điện động của động cơ
(8.56) ) t ( K ) t (
eb = bθ&m
K - hệ số tỷ lệ với sức phản điện động.
Dùng phép biến đổi Laplace, từ (5.9),ta có:
(8.57) sL
R
) s ( sK ) s ( ) U s ( I
a a
m b a a
+ θ
= −
Từ (5.7) ta có:
(8.58) ) s ( sf ) s ( J s ) s (
M = 2 θ&&m + θ&m
Và từ (5.8) ta có:
(8.59) sL
R
) s ( sK ) s ( K U ) s ( I K ) s ( M
a a
m b a a
a
a
+ θ
= −
=
Trên cơ sở (5.12) và (5.13) ta có:
( )
[s JL L f R J s R f K K ] (8.60)
s
K )
s ( U
) s (
b a a a
a
2 a a
a m
+ + +
= + θ
(5.7)
(5.9)
(5.10)
(5.11)
(5.12)
(5.13)
(5.14)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Robot: thiết kế cơ khí và phần cứng
Đây là hàm truyền cần xác định, nó là tỷ số giữa tín hiệu ra (góc quay ) và tín hiệu vào của hệ thống ( điện áp U).
Biến đổi (5.14) dưới dạng sau:
( )( )
[sL R sJ f K K ] (8.61)
s
K )
s ( U
) s (
b a a
a
a a
L
+ +
= + θ
Bởi vì hệ thống gồm có cả động cơ và phụ tải nên tín hiệu ra là góc quay của trục phụ tải như trong công thức (5.1). Cuối cùng hàm truyền chuyển động 1 bậc tự do của tay máy là:
( )( )
[sL R sJ f K K ] (8.62)
s
nK )
s ( U
) s (
b a a
a
a a
L
+ +
= + θ
và sơ đồ khối tương ứng như trên hình 8.21:
V. Hình V.5: Hàm truyền chuyển động một bậc tự do
Để đơn giản hoá có thể không xét đến ảnh hưởng của điện cảm phần ứng là La vì nó thường quá nhỏ so với các nhân tố ảnh hưởng cơ khí khác. Phương trình (5.16) còn lại như sau:
[sR J R f K K ] (8.63)
s
nK )
s ( U
) s (
b a a a
a a
L
+
= + θ