Thiết kế robot leo trụ và điều khiển

Nội dung text: Thiết kế robot leo trụ và điều khiển

1. THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ VÀ ĐIỀU KHIỂN TS. Nguyễn Thanh Phương KS. Võ Văn Mến Khoa điện - Điện tử - Trường ĐH SPKT Tp. HCM Tóm tắt điều khiển động cơ tạo lực ép theo phương Trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot pháp điều khiển bám vị trí. có khả năng leo trụ thì thách thức đặt ra là II. Điều khiển đồng bộ tốc độ nhiều động cơ robot phải bám được trên trụ. Đồng thời, theo phương pháp ELS. robot sử dụng ba bánh xe để di chuyển lên và Phương pháp ELS cho phép bộ điều khiển xuống thì thách thức đặt ra là ba động cơ DC bám chính xác với tín hiệu tốc độ, chiều và phải chạy cùng một tốc độ. Nội dung chính pha từ Encoder của động cơ chính của đề tài là thiết kế bộ điều khiển đồng bộ tốc (Master).M1 đóng vai trò là động cơ chính độ ba động cơ và điều khiển bám vị trí nhằm (Master), M2 là động cơ phụ (Follower), hệ giúp robot bám và di chuyển lên trụ. thống duy trì vị trí, tốc độ của hai động cơ theo Abstract tỷ lệ cho trước [2]. In design research and manufacture of capable tree climbing is the biggest challenge Master Follower is set robot must be able to cling with tree. En1 M1 M2 En2 Moreover, robot used to three wheels to move up and down, is the biggest challenge is set BBD1 Speed set BBD2 three motors to run with a speed. The main Speed Slave speed Ref contents of project is design the controllers Ratio Feed Master Forward synchrizing three – motors control and hold Speed the position control to help robot holding and Master P + moving on the tree. Counter × I + Follower I. Đặt vấn đề Speed - D Ở Việt Nam, trụ đèn chiếu sáng được sản Position Error xuất và lắp đặt ở những tuyến đường giao Bộ điều khiển động cơ follower thông. Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Ý tưởng thiết kế một chú Robot có thể Lineshaft. thay thế công nhân thực hiện công việc vệ sinh FEEDBACK: Trước tiên đọc vị trí của và sơn trụ đã được đưa ra nhằm đảm bảo an động cơ MASTER thông qua Encoder và nhân toàn lao động, tiết kiệm chi phí và tăng năng với tỷ lệ tốc độđã đặt trước, sau đó đọc vị trí suất lao động. của động cơ Follower và tính toán sai lệch vị Mục tiêu là mô phỏng, kiểm chứng, thiết trí, sai lệch này đưa vào bộ điều khiển PID, tín kế và ứng dụng bộ điều khiển cho Robot leo hiệu đầu ra của bộ PID chính là tín hiệu phản trụ. Đối tượng tập trung nghiên cứu gồm hai hồi cho động cơ Follower. vấn đề:Thứ nhất, điều khiển đồng bộ tốc độ FEED FORWARD: Là tích của tín hiệu nhiều động cơ theo phương pháp ELS kết hợp tốc độ động cơ MASTER nhân với tỷ lệ tốc độ với phương pháp điều xung PWM.Thứ hai, đặt trước, kết quả đưa vào bộ điều khiển tốc độ của động cơ Follower. Trong chế độ điều
2. khiển vị trí thì bộ điều khiển này có vai trò - Điện áp định mức: Udm = 21,3 (V). như là bộ điều khiển bù nhiễu nhằm bù lại các - Dòng điện định mức:Idm = 0,59 (A). sai lệch bậc cao về vị trí cho động cơ Theo [2], tính toán được các thông số Follower. động cơ: Để minh họa cho phương pháp ELS ta tiến - Điện cảm phần ứng:Lu = 0,57 (H). hành xây dựng một hệ thống đồng bộ tốc độ - Điện trở phần ứng:Ru = 0,5238(Ω). giữa 2 động cơ một chiều. Phương trình toán - Mômen quán tính: J = 1,18.10-6 (kg/m2). của động cơ một chiều được mô tả như sau - Hằng số momen: Km = 0,037 (N.m/A) [5]: - Hệ số máy điện: K.Φ = Cu = 1,75 Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Các thông số mạch của thiết bị quan sát UEIRR () theo [11], được xác định: u u u u f (2.1) Phương trình cân bằng mômen động cơ: - Hệ số phản hồi của sensor dòng:Ki = 0,1 d - Hệ số khuyếch đại:Kc = 4,28 MM(t) c (t) J (2.2) - Hệ sốcảm biến tốc độ: K = 0,0455 dt ω Ta thành lập được phương trình đặc tính - Hằng sốđiều khiển: Tdk = 0,0001 (s) cơnhư sau: - Hằng số chuyển mạch:Tv = 0,001 (s) - Hằng số máy biến dòng: Ti = 0,001 (s) U L p I RRuf  u .M - Hằng số máy phát tố c: T = 0,01 (s) KK()2 ω (2.3) Trình tự xác định hàm truyền cho các bộ Hàm truyền của động cơ như sau: điều khiển thực hiện như sau: 1 1/ R IUEUE ()() u - Bộ điều khiển dòng theo chuẩn tối ưu R L.1 p T u u u (2.4) module, khâu tỷ lệ - tích phân (PI): Trong chế độ kích từ động cơ không đổi ta 1 T .s R u (2.8) I KK. được phương trình toán động cơ như sau [4]: ci.2.T .s R si K const Cu (2.5) u U() p I ().(1 p Ruu T p ) Cu .() p (2.6) - Bộ điều khiển tốc độ theo chuẩn tối ưu module, khâu tỷ lệ (P): Cu.()M() () I p c p J p p (3.15) (2.7) KJ. 1 Từ các phương trình mô tả động cơ một R i . (2.9)  Cu.4 K T chiều, sơ đồ cấu trúc động cơ được thiết lập s như Hình 2.2. - Bộ điều khiển vị trí theo chuẩn tối ưu Cu module, khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD): KT1 16. .s R . s (2.10) - Bộ điều khiển vị trí theo chuẩn tối ưu module, khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD): (3.19) - 1/ Ru 1 2 + Cu + KT128. .s Tu.s 1 - Js. is U Toc do Với các bộ điều khiển đã tổng hợp được Mc theo phương trình (2.8) - (2.10), ta dễ dàng tổng hợp được tham số các bộ điều khiển ở sơ Hình 2.2: Mô hình động cơ một chiều kích từ đồ cấu trúc như Hình 2.1. Trong sơ đồ cấu trúc không đổi. tốc độ động cơ Follower sẽ bám theo vị trí của Động cơ sử dụng là động cơ một chiều động cơ Master với tín hiệu tốc độ được lấy từ B1T20E của hãng YASKAWA, thông số của Encoder của động cơ Masster. động cơ như sau: - Công suất định mức:P = 20 (W). dm - Tốc độđịnh mức:ndm = 2200 (v/p)
3. t 1 de()t u()()()t K P e t e t dt T D T dt I 0 (3.1) Trong đó: e(t) – tín hiệu đầu vào; u(t) – tín hiệu đầu ra; kp – hệ số khuếch đại; TI – hằng số tích phân; TD– hằng số vi phân. Hàm truyền bộ điều khiển PID [6]: KTKzz 11 GK(z) ID . . (3.2) PID P 21z T z Các hệ số KP, KI, KD có thể chọn bằng Hình 2.3: Mô hình mô phỏng truyền động phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols. đồng bộ vị trí hai động cơ DC theophương Ta sử dụng các công thức xấp xỉ tích phân pháp ELS. lùi (backward integral approximation) và vi phân lùi (backward difference approximation) với chu kì lấy mẫu T. Khi đó công thức (3.1) trở thành: n ee T ()()kT kT T (3.3) u(kT ) u 0 K P e ( kT )  e ( kT ) T D TTI k 1 Viết gọn thành: u()k u (1) k A 1() e k A 2(1) e k A 2(2) e k (3.4) Hình 2.4: Vị trí thực hiện của động cơ Master Trong đó: và Follower. KTK KTK2 K AK ID ; AK ID ; A D 1 P 2 T 2 P 2 T 3 T IV. Kết quả Tác giả đã thiết kế và thi công mô hình phần cứng nhằm tạo ra tính thực tiễn cho giải thuật điều khiển mà mình đã trình bày ở trên. Hình 2.5: Tốc độ động cơ Master và Follower. III. Phương pháp điều khiển PID Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển các hệ SISO theo nguyên lý hồi tiếp. w e u Đối tượng y + PID - ĐK Hình 4.1: Mô hình robot leo trụ đèn. Kết quả giám sát trên giao diện Visual Hình basic: 3.1: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. a) Đồ thị tốc độ ba động cơ Nếu các thông số của bộ điều khiển được chọn - Trục X: Thời gian thực (s). lựa thích hợp, nó có khả năng làm triệt tiêu sai - Trục Y: Vận tốc của ba động cơ (v/p). số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm - Động cơ 1 (Master): đường màu Đỏ. độ vọt lố. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra [6]:
4. - Động cơ 2 (Follower): đường màu Xanh Tài liệu tham khảo dương. [1]. Điều chỉnh truyền động điện tự động – Bùi - Động cơ 3 (Follower): đường màu Vàng. Quốc Khánh - Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật b) Đồ thị bám vị trí của trục ép theo khoảng – Hà nội – 1996. cách cho trước [2]. Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống - Trục X:Thời gian thực (s). điều khiển truyền động nhiều động cơ - Ngô Xuân Hưng - Luận văn thạc sỹ - Đại học Hàng hải Việt - Trục Y: Khoảng cách của trục ép (mm). Nam – 2008. - Khoảng cách đặt: đường màu Đỏ. [3]. Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh mờ lai sử - Khoảng cách của trục ép hiện tại: đường dụng hệ tùy động vị trí – Lê Quốc Hùng – Luận màu Xanh dương. văn Thạc sĩ – Đại học Đà Nẵng. [4]. Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại - Quyển 1: Hệ tuyến tính - PGS. TS Nguyễn Thương Ngô – Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật – Hà nội – 2004. [5]. Lý thuyết điều khiển tuyến tính – GS. TS Nguyễn Doãn Phước- Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật – Hà nội – 2009. [6]. Lý thuyết điều khiển tự động – T.S Nguyễn Thị Phương Hà – Th.S Huỳnh Thái Hoàng – Nhà xuất bản ĐH quốc gia Tp Hồ Chí Minh - 2005. [7]. MATLAP & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động – Nguyễn Phùng Quang Hình 4.2: Giao diện giám sát trên Visual Basic [8]. Hướng dẫn sử dụng chương trình lập trinh C 6.0. cho vi điều khiển PIC – Trần Xuân Trường V. Nhận xét [9]. Visual Basic 6 – Created by mercury. Thuật toán điều khiển đồng tốc độ ba động [10]. SIEI – DGFC – ELS Electric line shaft cơ đã giúp robot giữ cân bằng tốt trong quá instruction manual. trình di chuyển, tránh hiện tượng bánh xe bị [11]. LS – Cable – Technical Transfer Document. trượt. Khi xảy ra sai số tốc độ, bộ điều khiển [12]. Design and Construction of a tree climbing PID sẽ triệt tiêu sai số nhằm đưa ba động cơ Robot - Justin Gostanian, Erick Read, Michael A. về cùng một tốc độ. Thời gian để ba động cơ Gennert [13]. Realization of a new compact magnetic đồng tốc nhanh hay chậm phụ thuộc vào sai số wheeled climbing robot – Ursin Hutter. lớn hay nhỏ. [14]. Kinematics Modeling of a Wheel-Based Pole Sai số khoảng cách của SRF05 trong Climbing Robot (UT-PCR) - Ali Baghani, Majid trường hợp này chỉ dao động tối đa 1mm. Nili Ahmadabadi, Ahad Harati. Thông số khoảng cách và tốc độ ba động cơ hiển thị trên màn hình LCD và giao diện giám sát Visual Basic 6.0, quá trình truyền và nhận dữ liệu nhanh, không xảy ra lỗi.
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.