Giáo trình IUH Kỹ thuật robot Chương 5 Cơ cấu chấp hành và cảm biến

Dựa trên tính linh hoạt trong điều khiên, hai loại động cơ servo được sử dụng, đó là động cơ servo điện dùng để dẫn động cho các khớp của tay máy có kích thước nhỏ và vừa, và động cơ ser

Chương 5

Cơ cấu chấp hành và cảm biến

Trong chương này, hai thành phần cơ bản của robot sẽ được đề cập: cơ cấu chấp hành

và cảm biến Trong phần đầu tiên, các tính năng của một hệ thống dẫn động được trình bày bao gồm nguồn cung cấp, khuếch đại nguồn, động cơ servo và truyền động Dựa trên tính linh hoạt trong điều khiên, hai loại động cơ servo được sử dụng, đó là động cơ servo điện dùng để dẫn động cho các khớp của tay máy có kích thước nhỏ và vừa, và động cơ

servo thuỷ lực dùng để dẫn động cho các khớp của tay máy cỡ lớn Các mô hình toán học

mô tả mối quan hệ vào/ra cho các động cơ đó cũng được dẫn ra, cùng với các sơ đồ diều khiển cho các bộ diều khiển Các dộng cơ servo điện cũng được sử dụng dể dẫn dộng cho các bánh xe của robot di động Kế đến, các cảm biến nội Vĩ (proprioceptive) được trình bày cho phép thực hiện các phép đo lường các đại lượng đặc trưng nội bộ cua tay máy,

cụ the là các bộ mã hoá (encoder) và bộ giải mã (resolver) cho việc đo vị trí các khớp,

bộ đo tốc độ góc (tachometer) dùng đo tốc độ của khớp; thêm nữa, các cảm biến ngoại m

(exteroceptive) được trình bày bao gồm cảm biến lực dùng để đo lực tác động' lên khâu tác động cuối, cảm biến khoảng cách để phát hiện các đối tượng trong không gian làm việc, và cảm, biến hình ảnh dùng đo các thông số đặc trưng của các đối tượng như vậy, bất cứ khi nào tay mậy tương tác vói môi trường

Hình 5.1: Các thành phần của một hệ thống dẫn động khớp

Với mối quan hệ vào/ra toàn hệ thống, Pc biểu thị cho năng lượng (thường là điện) hên quan đến tín hiệu luật điều khiển, trong khi Pu đại diện cho năng lượng cơ cần thiết để khốp thực hiện chuyển động Các kết nối trung gian đặc trưng cho nguồn cung cấp Pa của động cơ (điện, thủy lực, hoặc khí nén), năng lượng được cung cấp bởi chính nguồn Pp

có cùng bản chất vật lý giống như của Pa, và năng lượng cơ Pm được sinh ra bởi động cơ Hơn nữa, pda, Pds và Pdt biểu thị năng lượng tiêu hao do tản nhiệt trong quá trình chuyển

đổi được thực hiện lần lượt bởi các bộ khuếch đại, động cơ và bộ truyền động

Dể chọn các thành phần của hệ dẫn động, nên bắt đầu từ các yêu cầu đối với năng lượng

cơ học Pu bơi lực và vận tốc mô tả cho chuyển động khớp

Việc thực thi các chuyển động khớp của tay máy đòi hỏi tốc độ thấp cùng vởi mô-men

lớn Nhìn chung, những đòi hỏi như vậy không giúp ích cho việc sử dụng hiệu quả các tính năng cơ học của động cơ servo, loại động cơ thường cung cấp tốc độ cao cùng với

mô-men nhỏ trong điều kiện hoạt động tối ưu Do đó, một bộ truyền động (bánh răng) là

cần thiết để tối ưu việc chuyển đổi công suất cơ học từ động cơ (Pm) cho tói khớp (Pu)

Trong quá trình chuyển đổi này, công suất Pdt bị tiêu hao do ma sát

Việc lựa chọn bộ truyền động’ còn tuỳ thuộc vào yêu cầu công suất, loại chuyển động mong muốn, và vị trí của động cơ so với khóp Thực ra, bộ truyền động cho phép đầu

ra của dộng cơ được chuyến đổi cả về lượng (vận tốc và mô-men) và chất (chuyến động quay quanh trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến của khớp) Ngoài ra nó cho phép hiệu suất tĩnh và động của tay máy được tối ưu hoá, bằng cách giảm bớt tải hiệu quả khi động cơ được đặt nằm ngược lên trên của khóp; ví dụ, nếu một vài động cơ được lắp lên phần đế của robot thì tổng trọng lượng của tay máy giảm và tỷ lệ công suất trên trọng lượng tăng lên

Các bộ truyền dộng sau đây thường được sử dụng cho các robot công nghiệp:

• Bánh răng trụ tròn điều chỉnh các đặc tính của chuyển động quay của động cơ bằng cách thay đoi trục quay và/hoặc bằng cách dịch chuyển diem áp dụng

• Trục vít me (vít dẫn hướng) chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển dộng tịnh tiến, như cần thiết cho dẫn động của khớp tịnh tiến; để giảm bớt ma sát, vít

bi thường được sử dụng trong đó được ứng lực trước để tăng độ cứng và giảm khoảng chết

• Dẫy đai curoa (timing belt) và dây xích được sử dụng để định vị động cơ cách xa trục

của khớp dẫn động, ứng suất trên dây đai có thể gây ra biến dạng, và sau đó những thứ này được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và lực nhỏ Mặt khác, các dây xích được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ thấp, vì khối lượng lớn của chúng có thể gây ra dao dộng ở tốc độ cao

Vói giả định về sự truyền dẫn là chắc chắn mà không có khoảng chết nào mối quan hệ giữa các lực đầu vào (vận tốc) và các lực đầu ra (vận tốc) là hoàn toàn tỷ lệ thuận

Các tính năng cơ học của động cơ được sử dụng cho hệ thống dẫn động có thể đôi khi cho phép kết nối trực tiếp động cơ vởi khớp mà không sử dụng bất kỳ thành phần truyền động nào (điều khiển trực tiếp) Vì không có sự xuất hiện của bộ giảm tốc nên các đại lượng ghép nối phi tuyến trong mô hình động lực học được bỏ qua, do đó những hạn chế

do độ đàn hồi truyền động và khoảng chết được loại bỏ, mặc dù thuật toán điều khiên được đòi hỏi phức tạp hơn Việc sử dụng các hệ thống dẫn động điều khiển trực tiếp chưa được phổ biến cho các tay máy công nghiệp do các yếu tố về chi phí, kích thước của động

cơ cũng như sự phức tạp của bộ điều khiển

Dẫn động cho các chuyến động của khớp được thực hiện bởi các động cơ, trong đó cho phép thực hiện các chuyển động mong muốn cho hệ thống cơ khí Dựa trên loại năng lượng đầu vào Pa, các động cơ được phân thành ba nhóm:

• Động cơ khí nén mà sử dụng năng lượng khí nén cung cấp bởi một máy nén khí và chuyển đổi nó thành năng lượng cơ học bằng các piston hoặc tua-bin

• Dộng cơ thủy lực chuyển hoá năng lượng thủy lực được lưu trữ trong một hồ chứa thành năng lượng cơ học bằng các máy bơm thích hợp

• Dộng cơ điện có nguồn cung cấp chính là năng lượng điện có sẵn từ hệ thống phân phối điện

Một phần của năng lượng đầu vào Pa được chuyển đổi đổ xuất ra dưói dạng năng lượng cơ

học Pm, và phần còn lại (Pds) bị tiêu tán do tiêu hao cơ, điện, thủy lực hoặc khí nén

Các động cơ được sử dụng trong lĩnh vực robot là sự cải tiến của các động cơ sử dụng trong tự động hóa công nghiệp có công suất khoảng từ 10 w đến khoảng 10 kW Vói hiệu suất được yêu cầu những động cơ như vậy nên có những yêu cầu sạn đây so với những động cơ được sử dụng trong các ứng dụng thông thường:

• quán tính thấp và tỷ số công suất trên trọng lượng cao,

• khả năng quá tải và cung cấp mô-men xung,

• khả năng phát gia tốc cao,

• dải vận tốc rộng (1-1000 vòng / phút),

• dộ chính xác định vị cao (ít nhất là 1/1000 của một vòng tròn),

• gợn mô-mcn xoắn thấp để đảm bảo quay liên tục ngay cả ở tốc độ thấp

Những đòi hỏi này càng được tăng lên bởi việc bám quỹ đạo tốt và độ chính xác định vị được yêu cầu đối với hệ dẫn động cho các robot, và vì thế động cơ phải đóng vai trò của

một động cơ servo, ó khía cạnh này, động cơ khí nén rất khó để điều khiến chính xác bởi các sai số nén chất lỏng là không thể tránh khỏi Do đó, chúng không được áp dụng rộng rãi, ngoại trừ việc dẫn động cho các chuyển động đóng và mở của các hàm trong cơ cấu kẹp, hay như cho việc dẫn động của các tay máy đơn giản sử dụng trong các ứng dụng

mà ở đó điều khiển chuyển động liên tục không được xem xét

Các động cơ được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng robot là các động cơ servo

điện. Trong số đó, loại phổ biến nhất là động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu và động

cơ servo DC không choi than

Một động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu được cấu tạo bời:

• Stator tạo ra từ thông; bộ phận này luôn là một nam châm vĩnh cửu được làm bằng gốm sắt từ hoặc dất hiếm (trường cao trong không gian kín)

• Phần ứng quay gồm có cuộn dây mang dòng điện quấn quanh một lỏi sắt từ quay (rotor)

• Cổ góp cung cấp một kết nối diện bởi các chổi than giữa cuộn dây phần ứng quay và dây cấp nguồn bên ngoài

Một động cơ servo DC không chôi than bao gồm:

• Lõi quay (rotor) tạo ra từ thông; bộ phận này là một nam châm vĩnh cửu được làm bằng gốm sắt từ hoặc đất hiếm

• Phần ứng đứng yên (stator) được làm bởi một cuộn dây đa pha

• Chuyển mạch tĩnh, trên cơ sở các tín hiệu được cung cấp bởi một cảm biến vị trí nằm trên trục động cơ, tạo ra chuỗi các pha trên cuộn dây phần ứng như là một hàm của chuyển động rotor

Với những mô tả chi tiết về cấu trúc của 2 loại động cơ servo như trên, việc so sánh nguyên tắc hoạt động giữa động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu và động cơ servo DC không chổi than dẫn tói những xem xót đáng chú ý sau đây

0 động cơ DC không chổi than, nhờ có cảm biến vị trí của rotor mà cuộn dây trên stator

mà trực giao với từ trường của lõi được xác định; sau đó, cấp nguồn cho cuộn dây đó khiến cho rotor quay Theo đó, mô-đun điều khiển điện tử đáo mạch cấp nguồn trên cuộn dây theo một trình tự thích hợp sao cho từ trưòng ở phần ứng luôn giữ trực giao vói từ trường của phần lõi Liên quan đến tương tác điện từ, động cơ như vậy hoạt động tương

tự như với động cơ DC nam châm vĩnh cửu trong đó chổi than đặt ở hướng trực giao so với hướng của thông lượng kích từ Thực tế, chổi than và cổ góp trong động cơ DC nam châm vĩnh cửu đóng vai trò tương tự như cảm biến vị trí và mô-đun điều khiển điện tử trong động cơ DC không chổi than

Lý do chính để sử dụng động cơ DC không chổi than là để loại bỏ các vấn đề do tiếp xúc

cơ học của chổi than Thực tế, sự xuất hiện của cổ góp làm giới hạn hiệu suất hoạt động của động cơ DC nam châm vĩnh cửu, vì điều này gây ra tiêu hao điện do điện áp rơi tại phần tiếp xúc giữa chổi than và cuộn dây phần ứng quay, và tiêu hao cơ do ma sát và phóng hồ quang trong quá trình tiếp xúc từ cực này sang cực khác Việc loại bỏ các yếu

tố gây ra các hiệu ứng trên cho phép nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ về mặt tốc độ và sự mài mòn vật liệu

Sự đảo ngược giữa các chức năng của stator và rotor mang lại một số ưu điểm nhất định

Sự xuất hiện của cuộn dây trên stator thay vì trên rotor tạo thuận lợi cho việc tản nhiệt tốt hơn Việc mất đi cuộn dây trên rotor, thay vào đó là nam châm vĩnh cửu cho phép cấu trúc của rotor nhỏ gọn hơn, được đặc trưng bởi mô-men quán tính nhỏ hơn Chính vì vậy, kích thước của động cơ DC không chổi than nhỏ hơn so với động cơ DC nam châm vĩnh cửu với cùng công suất; việc cải thiện hiệu suất động lực học cũng có the thực hiện được bằng cách sử dụng động cơ DC không chối than

Một loại cơ cấu chấp hành khác cũng ít phổ biến trong các robot công nghiệp, đó là động

cơ bước Loại động cơ này được điều khiển bằng các xung tuần tự thích hợp và nguyên

lý hoạt dộng không đòi hỏi phép do vị trí góc của trục động cơ Đặc tính động lực học của động cơ phần lớn ảnh hưởng bởi tải Ngoài ra, chúng còn gây ra các dao động cơ học lên cấu trúc tay máy Chính vì những hạn chế này mà việc sử dụng động cơ bước bị giới hạn trong các ứng dụng tay máy cỡ nhỏ, trong đó chi phí thấp được xem xét hơn là hiệu suất động lực học

Một số lượng nhất định các ứng dụng có dùng đến các động cơ servo thuỷ lực, dựa trên nguyên lý hoạt động dơn giản của sự biến đổi thể tích dưởi tác động của chất lỏng bị nén Các động cơ servo thuỷ lực được đặc trưng bởi một hoặc nhiều khoang làm bởi piston Động cơ servo tịnh tiến có phạm vi chuyển động giới hạn và được cấu thành bởi piston đơn Dộng cơ servo quay không có giới hạn và được cấu thành bởi nhiều piston Những động cơ đó cung cấp hiệu suất tĩnh và động lực học có thể so sánh được vói những động

cơ servo điện

Một số ưu điểm của động cơ servo điện so với động cơ servo thuỷ lực:

• nguồn cung cấp phổ biến,

• chi phí thấp và sản phẩm đa dạng,

• hiệu suất chuyển đổi cao,

• bảo trì dễ dàng,

• không gây ô nhiễm môi trường làm việc

Thay vào đó, chúng cũng có những hạn chế sau:

• tình trạng quá tải ở trạng thái tĩnh gây ra bởi tác động của lực hấp dẫn trên cánh tay; phanh khan cấp you cầu phải có,

• cần các bảo vệ đặc biệt khi hoạt động trong môi trương dễ cháy

Dộng cơ servo thủy lực có những hạn chế sau đây:

• cần có một trạm nguồn thủy lực,

• chi phí cao, sản phẩm hạn chế, và khó khăn trong việc thu nhỏ kích thước,

• hiệu suất chuyển đổi thấp,

• cần bảo trì hoạt động,

• ô nhiễm môi trường làm việc do rò rỉ dầu

Tuy nhiên, bên cạnh đó động cơ servo thuỷ lực có những ưu điêm sau:

• không bị quá tải trong trạng thái tĩnh,

• là tự bôi trdn và chất lỏng lưu thông tạo điều kiện tản nhiệt,

• an toàn trong môi trường độc hại,

• có tỷ số sức mạnh trên trọng lượng cao

Từ khía cạnh hoạt động, có thể thấy rằng:

• Cả hai loại động cơ servo đều có đặc điểm động lực học tốt, mặc dù động cơ servo điện

có tính linh hoạt điều khiển cao hơn Động lực học của động cơ servo thuỷ lực phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng nén

• Dộng cơ servo điện thông thường được đặc trưng bởi tốc độ cao và mô-men thấp, và vì thế nó (lòi hỏi việc sử dụng các bộ truyền dộng (gây ra đàn hồi và khe hở chạy) Ngược lại, động cơ thuỷ lực có khả năng sinh ra mô-men cao ở tốc độ thấp

Theo như những nhận xét trên, các động cơ servo thuỷ lực dược sử dụng đặc biệt cho cấc tay máy đòi hỏi phải mang tải trọng lớn; trong trường hợp này, các động cơ thuỷ lực không chỉ là phù hợp nhất, mà còn giảm chi phí trên tổng số chi phí cho toàn hệ thống

Bộ khuếch đại công suất có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện dựa tron tín hiệu điều khiên

và truyền đến cơ cấu chấp hành đế thực hiện chuyển động mong muốn Nói cách khác,

bộ khuếch đại sử dụng một phần công suất sẵn có tại nguồn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển; sau đó truyền công suất này tới động cơ

Đầu vào bộ khuếch đại được lấy từ nguồn sơ cấp Pp và nguồn liên quan đến tín hiệu điều khien Pc Tong công suất một phần cấp cho cơ cấu chấp hành (Pra) và một phần bị mất

do tiêu tán (PdaỴ

Đe diều khiển một động cơ servo điện, cần thiết phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện dưới dạng thích hợp tuỳ thuộc vào loại động cơ được sử dụng Diện áp (dòng điện) là một chiều đối với các động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu, trong khi đối với các động

cơ servo DC không chổi than là xoay chiều Giá trị diện áp cho động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu hay các giá trị điện áp và tần số cho động cơ servo DC không choi than được xác định bỏi tín hiệu diều khiển của bộ khuếch đại, đế làm cho động cơ thực hiện các chuyển động mong muốn

Dối với các dải công suất thường được yêu cầu cho các chuyển động khớp (cỡ vài kW), thì các bộ khuếch đại transistor được sử dụng để thực hiện điều khiển chuyển mạch bằng cách sứ dụng phương pháp PWM Chúng cho phép đạt được hiệu suất chuyển doi năng lượng Pa/(P.p + Pc) lởn hơn 0.9 và độ lợi công suất Pa/P( à mức 106 Các bộ khuếch đại được sử dụng để điều khiển động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu là các bộ biến đói áp một chiều DC-DC, trong khi đối với động cơ servo DC không choi than là các bộ biến tần DC-AC

Điều khiến các động cơ servo thuý lực được thực hiện bằng cách thay đoi tốc độ dòng cháy của chất lỏng được nén tới động cơ Nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ dòng chảy thường được giao cho van servo điện-thuỷ lực Diều này cho phép thiết lập liên hệ giữa tín hiệu điềiu khiên điện và vị trí van để điều chỉnh tốc độ dòng chảy từ nguồn sơ cấp tởi động cơ Tín hiệu điều khiển diện thường được khuếch đại dòng và cấp cho cuộn solenoid đe dịch

chuyến (trực tiếp hoặc gián tiếp) bộ phân phối, mà vị trí của nó được đo bởi cảm biến phù hợp Độ lớn của tín hiệu điều khiển xác định tốc độ dòng chảy của chất lỏng thông qua bộ phân phối, theo đặc tính mà có thể được làm tuyến tính bởi thiết kế cơ khí chất lượng.

Trong trường hợp động cơ servo thuỷ lực, nguồn cung cấp rõ ràng là phức tạp hơn Thực

tế, bơm bánh răng hoặc bơm pit-tông được điều khiển bởi động cơ không đồng bộ 3 pha

ở tốc độ không đổi để nén chất lỏng Dể giảm các dao động áp suất gây ra bởi tín hiệu điều khiển tốc độ dòng chảy mà tuỳ thuộc vào điều kiện hoạt động của động cơ, một hồ chứa được kết nối để tích trữ năng lượng thuỷ lực Hồ chứa như vậy đóng vai trò như một

tụ lọc được sử dụng ở ngõ ra của cầu chỉnh lưu Trạm nguồn thuỷ lực được hoàn thiện bằng cách sử dụng nhiều bộ phận khác nhau (các bộ lọc, van áp suất, và van kiểm tra)

đế đảm bảo hệ thống hoạt động ốn định

5.2 Bộ điều khiển

Phần này trình bày hoạt động của các bộ điều khiển điện và các bộ điều khiển thủy lực cho các cơ cấu chấp hành của các khớp tay máy Bắt đầu từ các mô hình toán học mô tả các hành vi động lực học, các sơ đồ khối được dẫn ra cho phóp một sự nhấn mạnh vào các tính năng điều khiển và hiệu quả của việc sử dụng bộ truyền động cơ khí

0 khía cạnh mô hình hoá, động cơ DC nam châm vĩnh cửu và động cơ DC không chổi than có thể được mô tả bởi cùng phương trình vi phân Trong miền biến phức s, phương trình cân bằng điện áp của phần ứng được mô tả bởi:

Va — (Ra + sLa)Ia + Vg

Vg = ẨyQ77?

(5.1)(5.2)

trong đó Va và Ia biểu thị diện áp và dòng điện phần ứng, Ra và La lần lượt là điện trở

và điện cảm phần ứng, và Vg biếu thị lực điện động mà tỷ lệ thuận với vận tốc góc Qm thông qua hằng số diện áp kv

Hình 5.2: Sơ đồ khối của một bộ điều khiển điện

Cân bằng cơ được mô tả bởi các phương trình:

Cm = (sIm + Fm)Qm + Ct (5.3)

trong đó Cm và Ci lần lượt biểu thị mô-men dẫn động và mô-men phản ứng của tải, Im

và Fm tương ứng là niô-men quán tính và hệ số ma sát nhớt ở trục động cơ, và hằng số mô-men kt bằng với kv trong hệ đơn vị SI.

Liên quan đến khuếch đại công suất, mối quan hệ vào/ra giữa điện áp điều khiển Vc và điện áp phần ứng Va được cho bởi hàm truyền:

va Gv

trong đó Gv biểu thị độ lợi điện áp và Tv là một hằng số thời gian có thể được bỏ qua so

với các hằng số thời gian khác trong hệ thống Thực tế, bằng cách sử dụng tần số điều chế trong khoảng từ 10 đến 100 kHz, hằng số thời gian của bộ khuếch đại là trong khoảng 10~5 đến 10“4 s

Sơ đồ khối của động cơ servo cùng với bộ khuếch đại công suất (điều khiển điện) được minh hoạ như trong Hình 5.2 Theo sơ đồ khối, bên cạnh các khối tương ứng vói các mối quan hệ ở trên, còn có một vòng hồi tiếp dòng điện phần ứng, trong đó dòng điện được xem như dược đo bởi một cảm biến ki đặt giữa bộ khuếch đại công suất và cuộn dây phần ứng của động cơ Ngoài ra, sơ đồ còn có khối ổn định dòng Cị(s) hoạt động tương tự như phần tử bão hoà phi tuyến Vòng hồi tiếp như vậy nhằm 2 mục đích Một mặt, điện áp

V' đóng vai trò tham chiếu dòng và do vậy, bằng cách chọn khối ổn định dòng phù hợp Ci(s), độ trễ giữa dòng điện phần ứng ỉa và điện áp V7 có thể giảm so vói độ trễ giữa Ia

và V c Mặt khác, việc sử dụng khối bão hoà phi tuyến cho phép giới hạn biên độ của V/,

và vì vậy nó có tác dụng như một khối giới hạn dòng đảm bảo sự bảo vệ của bộ khuếch dại công suất mỗi khi có trường hợp bất thường xảy ra

Hình 5.3: Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện giống như bộ phát được điều khiển vận tốc

Trong trường hợp ki — 0, hộ số nia sát nhớt cơ khí là không đáng ke (lối với hệ số ma sát nhớt điện:

Bộ diều khiển hoạt động như một bộ phát được điều khiển mô-men, trong trường hợp Gv

có giá trị lớn mô-men điều khiên độc lập với vận tốc góc

Liên quan đến đặc tính động lực học, xem xét mõ hình giảm bậc có dược bằng cách bỏ qua hằng số thời gian điện La/Rn đối vói hằng số thời gian cơ Im/Fm, giả sử rằng Tv ~ 0

và một bộ diều khiển tỷ lệ Những giả thiết này, cùng với kị — 0 dẫn đến sơ đồ khối trong Hình 5.3 cho bộ phát được điều khiển vận tốc Mặt khác, nếu dược giả sử Kki Ra và

kiSl/Kki ~ 0, sơ đồ khối kết quả của bộ phát được điều khiển mô-men như trong Hình 5.1 Từ các sơ dồ ớ trẽn, các mối quan hệ vào/ra giữa điện áp điều khiển, inô-men phản ứng, và vận tốc góc có thể dược dẫn ra:

1

ky _

QR'l kill kykt

Rạ

ky kị

(5-9)

Hình 5.4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện giống như bộ phát được điều khiển mô-men

đối với bộ phát bằng được điều khiển vận tốc, ta có:

lợi tương đương (Ra/kvkị 1/Fm) và đáp ứng thời gian (RaIm/kvkt <c Im/FmỴ

Mối quan hệ giữa ngõ vào điều khiển và ngõ ra vị trí của cơ cấu chấp hành có thể được thế hiện một cách thống nhất bởi hàm truyền đạt:

Như vậy, trong các ứng dụng đòi hỏi hệ thống điều khiển phải loại bỏ các mô-men nhiễu (như trong trường hợp điều khiển khớp độc lập) thì sơ đồ điều khiến với vòng hồi tiếp dòng không được khuyến khích Trong trường hợp này, vấn đề thiết lập bảo vệ cho hệ thống được giải quyết bằng cách sử dụng giới hạn dòng với khối vùng chết phi tuyến trên hồi tiếp dòng như được biểu diễn trong Hình 5.5 Do đó, giới hạn dòng thực tế có độ chính xác cao như độ dốc của khối vùng chết; nó được hiểu là độ ón định của vòng dòng được kiểm soát khi hoạt dộng theo cách này

Hình 5.5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện vởi hồi tiếp dòng phi tuyến

Cho dù động cơ thuỷ lực được thiết kế như thế nào thì mô hình toán vào/ra của nó cũng

đề cập đến các phương trình cơ bản mô tả mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy và áp lực, mối quan hệ giữa chất lỏng và các bộ phận chuyển động, và sự cân bằng cơ học của các

bộ phận chuyển động Gọi Q biểu thị cho tốc dộ dòng chảy được cung cấp bởi bộ phân

phối; sự cân bằng tốc độ dòng chảy được cho bởi phương trình:

trong đó Qm là tốc độ dòng chảy truyền đến động cơ; Qi là tốc độ dòng chảy do rò rỉ, và

Qc là tốc độ dòng chảy liên quan đến việc nén chất lỏng Các đại lượng Qi và Qc được tính vào áp suất vận hành cao (cỡ 100 atm)

Gọi p biêu thị cho chênh lệch áp suất của động cơ do tải trọng; có thể giả sử rằng:

hợp động cơ servo tịnh tiến, khối lượng chất lỏng thay đổi và đặc trưng của đáp ứng phụ thuộc vào điểm hoạt động

Tốc độ dòng chảy truyền tới động cơ tỷ lệ với sự biến dổi khối lượng trong các ống trên một dơn vị thời gian; sự biến dổi đó tỷ lộ vởi tốc độ góc:

Hình 5.6: Sơ đồ khối của bộ điều khiển thuỷ lực

Sự cân bằng cơ học của các bộ phận chuyển động được mô tả bới:

Cuối cùng, liên quan đến bộ phân phối, mối quan hệ giữa chênh lệch áp lực, tốc độ dòng chảy, và sự dịch chuyển gốc là rất phi tuyến; tuyến tính hoá tại điểm hoạt động dẫn đến phương trình:

(5-21)

Từ (5.14) - (5.21), van servo/ bộ phân phối /động cơ (bộ điều khiển thủy lực) được trình bày như trong Hình 5.6 So sánh giữa các sơ đồ trong Hình 5.2 và 5.6 cho thấy rõ sự tương tự trong các đặc tính động lực học của động cơ servo điện và thủy lực Tuy nhiên,

sự tương tự như vậy không có nghĩa là bộ điều khiển thúy lực có the thay thế vai trò của

bộ phát được điều khiển vận tốc hoặc mô-men, như đối vởi bộ điều khiển điện Trong trường hợp này, vòng hồi tiếp áp lực (tương tự như vòng hồi tiếp dòng) thực sự là một đặc tính cấu trúc của hệ thống

Đối với động cơ điện, giả sử rằng rotor của động cơ được đặc trưng bởi mô-men quán tính

Im quanh trục quay của nó và hệ số ma sát nhớt tương tự như vậy, I và F biểu thị

cho mô-men quán tính và hệ số ma sát nhớt của tải Mô-men quán tính và hệ số ma sát của các bánh răng được giả sử đã được bao gồm trong các thông số tương ứng của động

cơ (đối vởi bánh răng có bán kính rm) và của tải (đối với bánh răng có bán kính r) Đặt

cm biểu thị cho mô-men dẫn động của động cơ và Ci biểu thị cho mô-men đáp ứng tác động lên trục củã tải Đặt LJm và biểu thị cho vận tốc góc và vị trí của trục động cơ, trong khi cơ và 'ở biểu thị cho các đại lượng tương ứng ở phía tải Cuối cùng, f biểu thị cho lực trao đổi tại tiếp xúc giữa các răng của hai bánh răng

Tỷ số truyền giảm được định nghĩa là:

vì trong trường hợp không bị trượt trong các liên kết động học thì rm$m — rứ.

Tỷ số truyền giảm, trong trường hợp biểu thị cho liên kết giữa động cơ servo và khớp dẫn động của tay máy, đạt giá trị rất lớn so vơi 1 (rm < r) - thông thường từ vài chục cho tới vài trăm

Lực trao đói / giữa hai bánh răng tạo ra mô-men đáp ứng f ■ rm cho chuyển động tại trục động cơ và mô-men dẫn động f ■ r cho chuyển động quay của tải

Phương trình cân bằng cơ học ở phía động cơ và phía tải tương ứng là:

■m firn^m T Fmcum -|- frm

fr = IÚJ + Fcơ + Ci

(5.23)(5.24)

Hình 5.8: Con lắc được vận hành thông qua bánh răng cơ khí

Để mô tả chuyển động theo vận tốc góc của động cơ, từ (5.22), kết hợp hai phương trình

có được phương trình ỏ phía động cơ như sau:

trong đó I là mô-men quán tính của con lắc tại trục tải, F là hệ số ma Sẽít nhớt, m là

khối lượng con lắc, Ể chiều dài của nó và g là gia tốc trọng trường Ap dụng (5.28) với trục động cơ cho:

từ dó cho thấy rõ dóng góp của thành phần phi tuyến dược giảm do hệ số kr.

Hình 5.9: Sơ đồ khối tổng quát của điều khiển dẫn động điện

5.2.4 Điều khiển vị trí

Sau khi xem xót các phương thức để điều khiển vận tốc góc của bộ điều khiên điện hoặc điều khiển thuỷ lực thì bài toán điều khiển chuyển động cho một khâu của tay máy tổng quát được xem xét để giải quyết

Một khi quỹ đạo đã được xác định cho tư thế của -khâu tác động cuối thì việc giải bài toán động học ngược cho phép tính toán quỹ đạo mong muốn cho các khớp khác nhau,

do đó có thể coi như qưỹ đạo mong muốn cho các khớp là có sẵn

Một vài phương pháp điều khiển có thể được áp dụng để điều khiển chuyển động của tay máy; việc lựa chọn một giải pháp điều khiển cụ thể còn tuỳ thuộc vào hiệu suất động lực học mong muốn, loại chuyển động để thực hiện, cấu trúc động học, và việc lựa chọn để

sử dụng hoặc là động cơ servo với các cơ cấu truyền động hoặc là động cơ mô-mcn xoắn với điều khiển khớp trực tiếp

Giải pháp đơn giản nhất là xom xót chuyên động của một khớp độc lập với chuyên động của các khớp khác, tức là sự tương tác có thể xem như là nhiễu Giả sử quỹ đạo tham chiếu 'dr(t) có sẵn Theo lý thuyết điều khiển tự động, để đảm bảo rằng vị trí góc quay của động cơ được đo bởi cảm biến với hằng số kpp, bám theo thì cần đến một hệ diều khiển hồi tiếp đáp ứng được “tính bền vững’’ với sự không chắc chắn cùa mô hình ở

cả động cơ và tải, và cả sự xuất hiện của nhiễu

Trong phần tiếp theo, bài toán điều khiển vị trí khớp được xem xét với động cơ servo DC điện bởi tính linh hoạt cao của các cơ cấu truyền động này trong việc cung cấp các dáp ứng tối ưu trong hầu hết các ứng dụng điều khiển chuyển động

Việc lựa chọn hộ thống điều khiên hồi tiếp đổ điều khiên vị trí của trục động cơ đòi hỏi cần có “một bộ điều khiển”; bộ này tạo ra tín hiệu được đưa đến bộ khuếch đại công suất

để sinh ra mô-men dẫn động cho trục động cơ sao cho chuyển động đạt đến gần vởi giá trị mong muốn dr Do đó, trong cấu trúc của hệ thống thì sai số giữa ngõ vào tham chiếu và ngõ ra dược do phái được cực tiểu, ngay cả trong trường hợp không có những thông tin chính xác về mô hình động lực học của động cơ, tải và cả nhiễu bên ngoài Biên độ nhiễu càng nhỏ thì việc loại bỏ nhiễu càng hiệu quả Hình 5.9 thể hiện sơ đồ tổng quát của điều khiên dẫn động với hồi tiếp vị trí, trong đó tín hiệu nhiễu d biểu thị cho mô-men tải và giá trị độ lợi khuếch dại công suất dã được bao gồm trong tín hiệu điều khiển