THIẾT kế ROBOT LEO TRỤ và điều KHIỂN

Hình 2.12 : ng dụng điều khiển tùy động vị trí trong hệ thống bám trụ của robot.. Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ Follower theo động cơ Master.. Hình 3.3: M ạch vòng điều khiển n

M ỤC LỤC

Quy t định giao đ tài i

Lý lịch cá nhân ii

Lời cam đoan iii

Lời c m ơn iv

Tóm tắt v

M c l c vi

Danh sách các hình vii

Danh sách các b ng viii

Chư ng 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Các k t qu nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2 M c tiêuvà đối tư ng nghiên cứu 8

1.3 Nhi m v của đ tài và ph m vi nghiên cứu 8

1.4 Phương pháp nghiên cứu 9

Chư ng 2: C SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Cơ sở chọn phần m m mô phỏng – lập trình – giám sát 10

2.2Phương pháp đi u ch độ rộng xung PWM 14

2.3 Phương pháp đi u khi n PID 18

2.4 Đi u khi n đồng bộ tốc độ nhi u động cơ theophương pháp ELS 21

2.5 Phương pháp đi u khi n bám vị trí 24

Chư ng 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 27

3.1 K t qu mô phỏng đi u khi n đồng bộ tốc độ hai động cơ 27

3.1.1 Các thông số mô phỏng 27

3.1.2 K t qu mô phỏng với tỉ l v vị trí và vận tốc Kx = 0.7 32

3.1.3 K t qu mô phỏng với tỉ l v vị trí và vận tốc Kx = 1 33

3.1.4 Nhận xét k t qu mô phỏng 34

3.2 K t qu mô phỏng đi u khi n bám vị trí 34

3.2.1 Các thông số mô phỏng 34

3.2.2 K t qu mô phỏng 36

3.2.3Nhận xét k t qu mô phỏng 38

Chư ng 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU C KHệ 39

4.1 Phân tích phương án và chọn k t cấu cơ khí 39

4.2 Chọn tr mẫu 39

4.3 Chọn vật li u gia công robot 40

4.4 Chọn động cơ truy n động chính 42

4.4.1 Phân tích lựa chọn k t cấu động cơ 42

4.4.2 Tính toán lựa chọn công suất động cơ 43

4.5 Chọn bánh xe chủ động 46

4.6Chọn tr c ép 48

C hư ng 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 49

5.1 Chọn c m bi n 49

5.1.1 Encorder 49

5.1.2 SRF05 51

5.2Chọn vi đi u khi n 53

5.2.1 dsPIC30F4011 54

5.2.2 PIC16F628A 55

5.3 M ch công suất 57

5.4 Thi t k giao di n giám sát trên Visual Basic 6.0 58

Chư ng 6: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 60

6.1Thuật toán đi u khi n bám vị trí cho tr c ép 60

6.2 Thuật toán đi u khi n đồng tốc ba động cơ 62

6.3 Công thức sử d ng trong chương trình đi u khi n 65

Chư ng 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 67

7.1 Nhận xét quá trình di chuy n 67

7.2 Nhận xét k t qu giám sát 69

Chư ng 8: KẾT LUẬN 70

8.1 Những k t qu đ t đư c 70

8.2 H n ch của đ tài 70

8.3 Hướng phát tri n của đ tài 70

TÀI LI U THAM KH O 71

PHỤ LỤC 72

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Robot r ắn

Hình 1.2: M ẫu robot RISE V2

Hình 1.3: M ẫu robot RISE V3

Hình 1.4: Robot Treebot

Hình 1.5: Robot UT-PCR

Hình 2.1: C ửa sổ tra cứu thư viện của Simulink

Hình 2.2: Quá trình l ập trình, biên dịch và nạp cho PIC

Hình 2.3: C ửa sổ làm việc cơ bản của Visual Basic

Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

Hình2.5 :Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM

Hình 2.6: Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM

Hình 2.7: Gi ản đồ xung của khóa điều khiển và đầu ra

Hình 2.8: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

Hình 2.9: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S

Hình 2.10: Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = K gh

Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft

Hình 2.12 : ng dụng điều khiển tùy động vị trí trong hệ thống bám trụ của robot

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ Follower theo động cơ Master

Hình 3.2: Mô hình động cơ một chiều kích từ không đổi

Hình 3.3: M ạch vòng điều khiển nối tầng dòng điện, tốc độ và vị trí

Hình 3.4: Mô hình mô ph ỏng truyền động đồng bộ vị trí hai động cơ DC theo phương pháp ELS

Hình 3.5: V ị trí thực hiện của động cơ Master và Follower

Hình 3.6: T ốc độ động cơ Master và Follower

Hình 3.7: V ị trí thực hiện của động cơ Master và Follower

Hình 3.8: T ốc độ động cơ Master và Follower

Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ khi từ thông không đổi

Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Hình 3.11: Mô hình mô ph ỏng hệ điều khiển bám vị trí bằng bộ điều khiển PID

Hình 3.12: Tín hi ệu điều khiển

Hình 3.13: V ị trí phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 3.14: T ốc độ động cơ khi sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 3.15: Dòng điện phản hồi khi sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 4.1: Tr ụ mẫu cho robot

Hình 4.2: B ản vẽ tổng quát thiết kế robot

Hình 4.3: Thân robot

Hình 4.4: Cấu tạo của động cơ điện DC trục vít bánh xe

Hình 4.5: Góc nghiêng của mặt trụ so với mặt đất

Hình 4.6: Sơ đồ phân tích lực khi robot leo trụ

Hình 4.7: Động cơ DC trục vít bánh xe dùng cho robot

Hình 4.8: Bánh xe t ừ với đĩa nam châm vĩnh cửu, đĩa sắt từ và từ thông Hình 4.9: Độ giảm lực từ của một bánh xe được bao phủ bởi băng cao su Hình 4.10: Bánh xe ch ủ động dùng cho robot

Hình 4.11: Trục ép hành trình 150mm

Hình 4.12: Thiết kế cơ khí hoàn thiện

Hình 5.1: C ấu tạo của Encoder

Hình 5.2: Gi ản đồ xung hai bộ đếm Avà B

Hình 5.3: Encoder 100 xung

Hình 5.4: Cảm biến siêu âm SRF05

Hình 5.5: Ch ế độ làm việc thứ 1 của SRF05

Hình 5.6: Ch ế độ làm việc thứ 2 của SRF05

Hình 5.7: Sơ đồ chân dsPIC30F4011

Hình 5.8: Sơ đồ chân PIC16F628A

Hình 5.9: Mạch nạp PICKIT2-PLUS

Hình 5.10: Sơ đồ mạch nguyên lý trên Eagle

Hình 5.11: Sơ đồ mạch cấu tạo trên Eagle

Hình 5.12: Sơ đồ mạch điều khiển hoàn thiện

Hình 5.13: Giao di ện giám sát trên Visual Basic 6.0

Hình 7.1: Quá trình di chuỔển của robot

DANH SÁCH CÁC B ẢNG

B ảng 2.1: Các thông số PID theo phương pháp Zeigler và Nichols thứ nhất

B ảng 2.2: Các thông số PID theo phương pháp Zeigler và Nichols thứ hai

B ảng 4.1: Thông số kích thước trụ đứn chiếu sáng ở Việt Nam

B ảng 5.1: Thông số cơ bản của dsPIC30F4011

B ảng 5.2: Thông số cơ bản của PIC16F628A

Chư ng 1

1.1 CÁC K ẾT QUẢ NGHIÊN C U TRONG VÀ NGOÀI N C

1.1.1 Các m u thi t k robot leo tr

Đặc biệt, thi t k c a chú robot cho phép nó bám ch c vào mọi loại

v t th trong th i gian r t ng n.Ngay khi ti p xúc, các chi ti t máy c a chú robot

r n s co c m, giúp nó bám ch c vào mọi loại v t th , b t k kích th ớc và ch t

liệu

Các khớp n i c u thành nên chú robot ăn khớp với nhau tới m c hoàn h o, cho phép robot r n di chuy n mà không gặp ph i b t k tr ngại nào Tuy không có bánh xe nh ng cách di chuy n c a robot r n đ c đánh giá r t cao

nh tính linh hoạt c a nó

Các nhà thi t k hy vọng, mẫu robot mới s nhanh chóng khẳng định

đ c kh năng đặc biệt, phát huy tác d ng trong việc tìm ki m, c u nạn những vùng bị nh h ng th m họa, thiên tai hay th m chí ph c v công tác gián điệp

Tuy nhiên, robot r n s ph i tr i qua r t nhi u thử nghiệm khác nhằm hoàn thiện

Hình 1.2: M ẫu robot RISE V2

RiSE V2 có sáu chân, mỗi chân trang bị một cặp động cơ điện, mỗi chân có haikhớp tự do m c t i thi u, luôn có ba chân ti p xúc b mặt c a

gỗ.Đi u này đ m b o rằng robot bám ch c ch n vào gỗ.Robot cũng có một máy tính đ c tích h p trên thân robot đ đi u khi n chuy n động chân,qu n lý thông tin liên lạc và các c m bi n.Robot đ c đi u khi n từ xa b i một máy tính xách tay k t n ivới robot thông qua mạng không dây Một ng i s đi u khi n chuy n động c a robot

1.1.1.3 Robot RiSE V3

RiSE V3 là một robot có chân đ c thi t k chuyên d ng r t năng động, t c độ leo tr cao, ví d nh một tr điện thoại ngoài tr i Robot có b n chân mạnh m , mỗi chân có hai khớp truy n động.B ớc đi đ c đi u chỉnh một cách linh hoạt [12]

Hình 1.3: M ẫu robot RISE V3

Đ leo lên một tr điện thoại bằng gỗ, các robot sử d ng móng vu t

s c nhọn xâm nh p vào gỗ Móng vu t sử d ng cho các robot đ c thi t k từ kim phẫu thu t, đ s c bén đ bám ch c vào gỗ Hai chân tr ớc bao xung quanh

cột, góc nghiêng phù h p với trọng lực.Hai chân sau bám chặt vào gỗ đ tạo lực đẩy lên trên.Thi t k móng vu t này đ m b o cho robot RiSE V3 bám r t ch c

1.1.1.4 Robot Treebot

Treebot đ c phát tri n b i một nhóm nghiên c u tại Đại học Trung

Qu c (Hồng Kông).Robot đ c thi t k gi ng nh loài sâu, nó sử d ng một t p

h p các thi t bị truy n động tuy n tính linh hoạt k t n i với hai móng vu t kẹp [12]

Hình 1.4: Robot Treebot

Trong khi robot bám chặt vào một thân cây bằng móng vu t th nh t thì móng vu t th hai s di chuy n đ n một vị trí mới trên thân cây và bám chặt vào.Sau đó, móng vu t th nh t s m ra và di chuy n v phía tr ớc đ n một vị trí mới.Quá trình di chuy n c lặp đi lặp lại nh trên Đáng chú ý là móng vu t

có b n ngón tay, nó có th bám chặt vào cây mạnh m Treebot sử d ng c m bi n

đ xác định hình dạng c a một cây, từ đó nó phân tích b mặt và đi u h ớng đ

di chuy n lên thân cây

Treebot s hữu một kh năng tự động, gi m sự ph c tạp việc không cần ng i đi u khi n.Ng i sử d ng chỉ đơn gi n là yêu cầu robot di chuy n trong một h ớng chung, và hệ th ng đi u khi n c a robot tự động xác định vị trí đ di chuy n Đ làm đi u này, các robot sử d ng c m bi n c m nh n hình dạng c a cây Sử d ng hình th c hồi ti p này thay cho hồi ti p thị giác vì nó hai u đi m:

- Th nh t, nó cho phép các robot ti t kiệm điện, vì n u robot chạy

bằng pin thì camera s nhanh chóng tiêu th h t điện năng

- Th hai, xử lý các thông tin hồi ti p đ c ớc tính tr ớc, kh năng

xử lý thông tin nhanh hơn

UT Trọng l ng robot gi m vì có ít chi ti t truy n động

- Kh năng di chuy n nhanh

- Robot có th di chuy n trên nhi u b mặt khác nhau nh tr s t, tr

gỗ, tr bê tông, …

1.1.2 Phư ng án thi t k robot leo tr

Tr ớc khi đ a ra h ớng thi t k ,ta đư đ a ra nhi u ý t ng có th thực

hiện.Sau khi lựa chọn đ c thi t k tổng th , ta b t đầu thi t k các bộ ph n chi

ti t khác nhau đ hoàn thành thi t k Các thi t k chi ti tbao gồm:

- Thi t k thân robot

gi m s chi ti t truy n động và công su t tiêu th khi robot di chuy n.Thi t k

b nchân cũng cho phép các robot có kh năng di chuy n với mỗi b ớc chân xa hơn, v t địa hình t t hơn [12]

Sử d ng thi t k b n chân đặt ra một s v n đ nh sau: ph i giữba chân ti p xúc với cây vì lý do an toàn, chỉ có một chân đ c phép di chuy n tại

một th i đi m Robot di chuy n lên tr theo ki u này s ch m so với thi t k nhi u chân Thi t k khác có th đạt đ c chuy n động nhanh hơn bằng việc có nhi u chân và có th di chuy n nhi u chân cùng một lúc

1.1.2.2 Thi t k sáu chân

Thi t k sáu chân nh robot RISE V2 cho phép giữbachân ti p xúc

với đ i t ng trong khi cũng có th di chuy n ba chân khác lên, u đi m c a chuy n động này là độ bám đ c gia tăng.Đi u này cho phép nhịp đi c a robot nhanh và nhịp nhàng hơn nh ng lại tạo ra các v n đ truy n độngph c tạp hơn.Có nhi u chân thì robot s nặng hơn và t n nhi u năng l ng hơn trong quá trình di chuy n.Đặt nhi u chân trên một cơ th có cùng kích th ớc cũng có nghĩa

là hai chân cùng một phía không th b ớc xa hơn vì kho ng cách giữa hai chân

vị trí này r t gần nhau [12]

1.1.2.3 Thi t k t nhi u chân

Robot nhi u chân là một mẫu robot phân đoạn với hai chân cho mỗi phân đoạn Thi t k dựa trên hoạt động c a một con r t Thi t k này s cho phép chúng ta dễ dàng đi u h ớng cho robot trong lúc nó di chuy n [12]

Thi t k này s không phù h p với đ tài vì s l ng c a bộ ph n chuy n động và kích th ớc c a robot s khá lớn, và nó s không th hoàn

thànhvới nguồn lực và th i gian mà ta đư có sẵn.Một v n đ khác là làm th nào

đ ki m soát sự chuy n động robot Với r t nhi u bộ ph n chuy n động, nó s r t khó đi u khi n và giám sát khi v n hành

Robot này s có nhi u đi m ti p xúc với đ i t ng khi nó di chuy n.Tuy nhiên, đ hoạt động t t nó đòi h i sự linh hoạt c a nhi u bộ ph n chuy n động.Đây là y u t hạn ch nên ta không sử d ng thi t k này Hệ th ng

đi u khi n đ sử d ng thi t k này s là ph c tạp và lớn đ theo dõi từng phân khúc c a robot Thi t k này cũng s đòi h i một s l ng lớn các động cơ và

một nguồn cung c p năng l ng lớn

1.1.2.4 Thi t k ki u sơu đo

Robot ki u sâu Treebot là một thi t k với hai móng vu t Thi t k này khá đơn gi n và chân c a robot này có th bám vững ch c trên b mặt đ i

t ng Ng i ta đư sử d ng một phân đoạn cột s ng đ làm bộ ph n đ a robot

ti n v phía tr ớc [12]

Tuy nhiên, đ hoạt động t t nó đòi h i sự linh hoạt c a nhi u bộ

ph n chuy n động.Đây cũng là y u t hạn ch nên ta không sử d ng thi t k này

- Kh năng di chuy n nhanh

- Robot có th di chuy n trên nhi u b mặt khác nhau nh tr s t, tr

gỗ, tr bê tông, …

Nhược điểm:

- Ph i thi t k hệ th ng phanh hãm cho bánh xe

- Kích th ớc robot ph i ph thuộc vào chu vi tr

1.2 M ỤC TIểU VÀ Đ I T NG NGHIÊN C U

M c tiêu c a lu n văn là mô ph ng, ki m ch ng, thi t k và ng d ng bộ

đi u khi n cho Robot leo tr Bộ đi u khi n này ph i đ m b o các tiêu chuẩn:

- T c độ c a ba động cơ ph i luôn đồng bộ với nhau

- Khi đ ng kính tr thay đổi thì bộ ph n tạo lực ép tùy chỉnh sao cho

lực ép bánh xe vào tr là không đổi

Đ i t ng t p trung nghiên c u c a lu n văn gồm hai v n đ :

- Th nh t, đi u khi n đồng bộ t c độ nhi u động cơ theoph ơng pháp ELS k t h p với ph ơng pháp đi u xung PWM

- Th hai, đi u khi n động cơ tạo lực ép theo ph ơng pháp đi u khi n bám vị trí

1.3 NHI ỆM VỤ C A ĐỀ TÀI VÀ PH M VI NGHIÊN C U

1.3.1 Nhi m v c a đ tài

Đ thực hiện m c tiêu trên, lu n văn “Thiết kế Robot leo trụvà điều khi ển” t p trung các v n đ sau:

- Thi t k k t c u cơ khí cho Robot

- Lựa chọn ph ơng pháp đi u khi n phù h p

- Mô ph ng đ ki m tra độ tin c y c a bộ đi u khi n

- Thi t k cơ c u tạo lực ép cho bánh xe truy n động chính

- Sử d ng encoder đ đọc tín hiệu t c độ, từ đó xây dựng thu t toán đồng

t c

- Sử d ng c m bi n siêu âm đo sai lệch vị trí, từ đó xây dựng thu t toán

đi u khi n bám vị trí

- Thi t k mạch đi u khi n và remote đi u khi n

- L p trình vi đi u khi n theo thu t toán c a bộ đi u khi n đư thi t k

- Ki m tra k t qu đạt đ c và đi u chỉnh sai s thông qua hoạt động thực t c a Robot

- Nh n xét k t qu và k t lu n

1.3.2 Ph m vi nghiên c u

- Robot đ c thi t k phù h p với những tr có đ ng kính đáy d ới 200mm và đ ng kính đỉnh không nh hơn 50mm

- Bộ ph n phun sơn và vệ sinh ch a đ c l p thực nghiệm trên robot

- Cách th c đi u khi n chỉ dừng lại đi u khi n hữu tuy n

1.4 P H NG PHÁP NGHIểN C U

- Sử d ng ph ơng pháp hình họcl ng giác, phân tích lực đ tính toán lựa chọn động cơ truy n động chính cho robot

- ng d ng ph ơng pháp đi u khi n đồng bộ t c độ nhi u động cơ (ELS) k t

h p với ph ơng phápđi u xung PWM đ đi u khi n động cơ

- ng d ng ph ơng pháp đi u khi n bám vị trí đ đi u khi n tr c ép cho bánh xe truy n động chính

- Sử d ng k t qu mô ph ng k t h p với k t qu thực nghiệm đ ki m ch ng

độ tin c y c a bộ đi u khi n

Chư ng 2

C SỞ LÝ THUYẾT 2.1 C SỞ LỰA CH N PH N MỀM MÔ PHỎNG ậ LẬP TRÌNH ậ GIÁM

SÁT 2.1.1 Gi i thi u v Simulink trong Matlab

Đ i với kỹ s đi u khi n ậ tự động hóa nói riêng và những ng i nghiên

c u khoa học ậ kỹ thu t nói chung, mô ph ng là công c quang trọng cho phép

kh o sát các đ i t ng, hệ th ng hay quá trình kỹ thu t ậ v t lý, mà không nh t thi t ph i có đ i t ng hay hệ th ng thực Matlap đ c trang bị một công c mô

ph ng mạnh và các ph ơng pháp mô hình hóa, ta s rút ng n th i gian và gi m chi phí nghiên c u ậ phát tri n s n phẩm

Hình 2.1: C ửa sổ tra cứu thư viện của Simulink

Simulink là một Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng, nó là một công

c mạnh ph c v mô hình hóa và mô ph ng và kh o sát các hệ th ng động học Giao diện đồ họa trên màn hình Simulink cho phép th hiện hệ th ng d ới dạng

sơ đồ tín hiệu với các kh i ch c năng quen thuộc Simulink cung c p cho ng i

sử d ng một th viện r t phong phú, có sẵn với s l ng lớn các kh i ch c năng cho các hệ tuy n tính, phi tuy n và gián đoạn Hơn th , ng i sử d ng cũng có

th tạo nên các kh i riêng cho mình [7]

Sau khi đư xây dựng mô hình c a hệ th ng cần nghiên c u, bằng cách ghép các kh i cần thi t thành sơ đồ c u trúc c a hệ, ta có th kh i động quá trình

mô ph ng.Trong quá trình mô ph ng ta có th trích tín hiệu tại vị trí b t kỳ c a

sơ đồ c u trúc và hi n thị đặc tính c a tín hiệu đó trên màn hình N u có nhu cầu

ta có th c t giữ các đặc tính đó vào môi tr ng nhớ (ví d : c t lên đĩa c ng)

Việc nh p hoặc thay đổi tham s c a t t c các kh i cũng có th đ c thực hiện

r t đơn gi n bằng cách nh p trực ti p hay thông qua Matlap Đ kh o sát hệ

th ng ta có th sử d ng thêm các Toolbox nh Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (t i u) hay Control System (Hệ th ng đi u khi n)

2.1.2 Gi i thi u ph n m m l p trìnhCCS

2.1.2.1 Vì sao ta s d ng CCS

Sự ra đ i c a một loại vi đi u khi n đi kèm với việc phát tri n phần

m m ng d ng cho việc l p trình con vi đi u khi n đó Vi đi u khi n chỉ hi u và làm việc với hai con s 0 và 1 Sau này khi ki n trúc c a vi đi u khi n ngày càng

ph c tạp, s l ng thanh ghi lệnh nhi u lên, việc l p trình với dãy các s 0 và 1 không còn phù h p nữa, đòi h i ph i ra đ i một ngôn ngữ mới thay th Đầu tiên

là ngôn ngữ Assemly (ASM), sau này khi ngôn ngữ C ra đ i Nhu cầu dùng ngôn

ngữ C thay th cho ASM trong việc mô t các lệnh l p trình cho vi đi u khi n một cách ng n gọn và d hi u hơn đư dẫn đ n sự ra đ i c a nhi u ch ơng trình

soạn th o ậ biên dịch C cho vi đi u khi n: Keil C, HT-PIC, Mikro C, CCS, …

Tôi chọn CCS cho bài giới thiệu này vì CCS là một công c l p trình

C mạnh cho vi đi u khi n PIC.Những u và nh c đi m c a CCS s đ c đ c p trong các phần d ới đây

2.1.2.2 Gi i thi u CCS

CCS là trình biên dịch dùng ngôn ngữ C l p trình cho VĐK Đây là ngôn ngữ l p trình đầy s c mạnh, giúp bạn nhanh chóng trong việc vi t ch ơng trình hơn so với ngôn ngữ Assembly [8]

Mã lệnh đ c t i u khi biên dịch

Tuy nhiên C không ph i là vạn năng, có th thực hiện mọi th nh ý

mu n Trong một s tr ng h p, nó có th sinh mã chạy sai (tham kh o các c i

ti n các version CCS trên web: info.CCS.comhoặc trang web đi kèm)

CCS ch a r t nhi u hàm ph c v cho mọi m c đích và có r t nhi u cách l p trình mã cho cùng mộtv n đ dẫn đ n khác nhau t c độ thực thi mã, độ dài ch ơng trình Sự t i u là do kỹ năng l p trình C c a bạn

CCS C có đ kh năng đ bạn không cần ph i chèn thêm b t kỳ dòng

lệnh ASSEMBLY nào, và mặc dù vẫn cho phép bạn ph i h p ASSEMBLY cùng

với C, tuy nhiên CCS s không b o đ m ch ơng trình chạy chính xác

CCS cung c p các công c tiện ích giám sát hoạt động ch ơng trình

nh C/ASM list: cho phép xem mã ASM c a file bạn biên dịch, giúp bạn qu n lý

mã và n m đ c các th c mã sinh ra và nó chạy nh th nào, là công c r t quan trọng, bạn có th gỡ r i ch ơng trình và n m đ c hoạt động c a nó; SYMBOL

hi n thị bộ nhớ c p phát cho từng bi n, giúp qu n lý bộ nhớ các bi n ch ơng trình, CallTree hi n thị phân bổ bộ nhớ

Có nhi u tiện ích trong m c Tools, nh ng do b n Crack nên nhi u

phần không xài đ c

Ch ơng trình CCS dùng cho lu n văn này là PCW COMPILER version 4.104, bao gồm : PCB, PCM và PCH , l p trình cho các họ PIC 10 bit,12 bit, 14 bit, PIC 18 và DsPIC

Trình biên dịch c a PIC C compiler s chuy n ch ơng trình theo chuẩn c a C thành dạng ch ơng trình theo mư Hexa (file.hex) đ nạp vào bộ nhớ

c a PIC Quá trình chuy n đổi đ c minh hoạ nh Hình 2.2

Hình 2.2: Quá trình l ập trình, biên dịch và nạp cho PIC

2.1.3 Gi i thi u ph n m m giám sát Visual Basic 6.0

Visual Basic 6.0 cho phép ng i dùng ti p c n nhanh cách th c l p trình trên môi tr ng Windows [9] u đi m:

- Ti t kiệm đ c th i gian và công s c so với một s ngôn ngữ l p trình có c u trúc khác vì bạn có th thi t l p các hoạt động trên từng đ i t ng

đ c VB cung c p

- Khi thi t k ch ơng trình có th th y ngay k t qu qua từng thao tác và giao diện khi thi hành ch ơng trình

- Cho phép chỉnh sửa dễ dàng, đơn gi n

- Làm việc với các đi u khi n mới (ngày tháng với đi u khi n MonthView và DataTimePicker, các thanh công c có th di chuy n đ c CoolBar, sử d ng đồ họa với ImageCombo, thanh cuộn FlatScrollBar,…)

- Làm việc với cơ s dữ liệu

- Các bổ sung v l p trình h ớng đ i t ng

- Kh năng k t h p với các th viện liên k t động DLL

Trong lu n văn này, tôi sử d ng Visual Basic 6.0 đ thi t k giao diện và

l p trình giao ti p với vi đi u khi n M c đích là đ truy n t i những thông s

c a vi đi u khi n lên PC thông qua giao ti p n i ti p (UART), hi n thị những thông s hoạt động c a robot

Hình 2.3: C ửa sổ làm việc cơ bản của Visual Basic

2.2 PH NG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM

2.2.1 Gi i thi u phư ng pháp đi u xung PWM

Ph ơng pháp đi u xung PWM (Pulse Width Modulation) là ph ơng pháp

đi u chỉnh điện áp ra t i, hay nói cách khác, là ph ơng pháp đi u ch dựa trên

sựthay đổi độ rộng c a chuỗi xung vuông, dẫn đ n sự thay đổi điện áp ra

Các PWM khi bi n đổi thì có cùng một tần s , chỉ khác nhau v độ rộng

c a s n d ơng hay s n âm

2.2.2 ng d ng c a PWM trong đi u khi n

Trong động cơ :Ph ơng pháp đi u xung PWM r t hay đ c sử d ng

trong động cơ đ đi u khi n nhanh, ch m, thu n,nghịch và ổn định t c độ

Ph ơng pháp này ng d ng nhi u trong đi u khi n động cơ DC

Trong các bộ biến đổi ồung áp: Trong các bộ bi n đổi xung áp thì PWM

đặc biệt quan trọng trong việc đi u chỉnh dòng điện và điện áp ra t i.Bộ bi n đổi xung áp có nhi u loại nh là bi n đổi xung áp n i ti p và bộ bi n đổi xung áp song song

Ngoài ra, PWM còn đ c sử d ng trong các bộ chuy n đổi DC ậAC,

RtPWM

Ud

G

S D

Van G

Ugs

Hình 2.6 : Mạch nguỔên lý điều khiển tải bằng PWM

Trong kho ng th i gian t on, ta cho van G m , toàn bộ điện áp nguồn

U d đ c đ a ra t i Còn trong kho ng th i gian t off, cho van G khóa, c t nguồn cung c p cho t i.Đi u quan trọng nh t cần chú ý c a một tín hiệu PWM chính là chu kỳ và tần s luôn không đổi.Chỉ có th i gian ON (xung m c cao) và th i gian OFF (xung xu ng m c th p) là thay đổi Dễ hi u hơn là c th i gian ON tăng thì th i gian OFF s ph i gi m và ng c lại đ tổng th i gian ON và th i gian OFF là không đổi, đó là chu kỳ c a PWM

Hay Ud  Umax D (V) (2.3)

Trong đó: ton

D T

 : chu kì làm việc(duty cycle),đơn vị (%)

ton: th i gian xung m c cao (khóa m )

T: chu kì đi u xung PWM

Umax: là điện áp nguồn cung c p cho t i

Nh v y ta nhìn trên Hình 2.4 đồ thị dạng đi u ch xung, ta có điện áp trung bình trên t i s là :

- Trong phần c ng có th tạo bằng ph ơng pháp so sánh hay là từ

các IC dao động tạo xung vuông nh : 555, LM556,

- Trong phần m m có th tạo bằng cách l p trình cho vi đi u khi n

u đi m c a ph ơng pháp này là độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần c ng và

ng i ta hay sử d ng phần m m đ tạo PWM

Trong lu n văn này, tôi sử d ng vi đi u khi n dsPIC30F4011 đ tạo ra PWM đi u khi n t c độ ba động cơ DC

2.3 PH NG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID

2.3.1 Gi i thi u b đi u khi n PID

Bộ đi u khi n PID đ c sử d ng r t rộng rưi trong thực t đ đi u khi n các hệ SISO theo nguyên lý hồi ti p Cácđ i t ng đi u khi n phổ bi n nh nhiệt

độ lò nhiệt, t c độ động cơ, mực ch t l ng trong bồn ch a

PID

+ -

Đối tượng ĐK

Hình 2.8: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

N u các thông s c a bộ đi u khi n đ c chọn lựa thích h p, nó có kh năng làm triệt tiêu sai s xác l p, tăng t c độ đáp ng quá độ, gi m độ vọt l Bộ

đi u khi n PID đ c mô t bằng mô hình vào ậ ra [6]:

u(t) ậ tín hiệu đầu ra

k p ậ hệ s khu ch đại

T I ậ hằng s tích phân

T D ậ hằng s vi phân

2.3.2 Ch n thông s PID

Có hai cách xác định thông s PID:

- Ph ơng pháp tính toán: gi i thu t Zeigler và Nichols

- Ph ơng pháp thử sai: bằng thực nghiệm

Zeigler và Nichols đ a ra hai cách chọn thông s bộ đi ukhi n PID tùy theo đặc đi m c a đ i t ng

Cách 1:Dựa vào đáp ng quá độ c a hệ h , cách này áp d ng cho các

đ i t ng có đáp ng đ i với tín hiệu vào là hàm n c có dạng chữ S, ví d nh nhiệt độ lò nhiệt, t c độ động cơ,…[6]

Hình 2.9 : Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S

B ảng 2.1: Các thông số PID theo phương phápZeigler và Nichols thứ nhất

Cách 2:Dựa vào đáp ng quá độ c a hệ kín, cách này áp d ng cho cácđ i t ng có khâu tích phân lý t ng, ví d nh mực ch t l ngtrong bồn

ch a, vị trí hệ truy n động dùng động cơ, [6] Đáp ngquá độ (hệ h ) c a các

đ i t ng có khâu tích phân lý t ng không có dạng chữ S mà tăng đ n vô cùng Cách này thực hiện nh sau:

- Thay bộ đi u khi n PID trong hệ kín bằng bộ khu ch đại

- Tăng hệ s khu ch đại tới giá trị tới hạn kth đ đáp ng ngõ ra

c a hệ kín trạng thái xác l p là dao động ổn định với chu kì Tgh

- Xác định chu kì Tgh c a dao động

Hình 2.10: Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = K gh

B ảng 2.2: Các thông số PID theo phương phápZeigler và Nichols thứ hai

Hàm truy n bộ đi u khi n PID [6]:

D ới đây ta trình bày v việc chuy n bộ PID trên mi n th i gian sang dạng PID s Việc lựa chọn tham s cho bộ PID s cũng t ơng tự nh trên mi n

th i gian Ngoài ra ta cần quan tâm đ n một tham s quan trọng là chu kì l y mẫu



2.4 ĐIỀU KHIỂN Đ NG BỘ T C ĐỘ NHIỀU ĐỘNG C THEO

PH NG PHÁP ELS (ELECTRONIC LINESHAFT)

2.4.1 ng d ng c a đi u khi n đ ng b t c đ nhi u đ ng c

Đi u khi n t c độ, vị trí các hệ th ng truy n động điện dùng nhi u động

cơ truy n động cho nhi u tr c đ thực hiện công nghệ trong các lĩnh vực:

- Nhóm công nghệ cán thép bao gồm: Cán thép thanh, thép t m, cán ng

- Nhóm công nghệ gia công s n phẩm từ hạt nhựa: Các máy s n xu t s i

từ hạt nhựa, các máy tráng, các máy s n su t ng nhựa…

- Nhóm công nghệ s n xu t cáp điện các loại nh máy kéo dây nguyên liệu, máy bọc cách điện

- Nhóm công nghệ s n xu t gi y bao gồm các máy xeo gi y, các truy n động qu n ậ tháo

Đặc đi m nổi b t v c u trúc c a các hệ th ng thực hiện công nghệ là

ph i dùng nhi u tr c truy n động bằng nhi u động cơ điện Yêu cầu đi u khi n truy n động điện cho các hệ th ng:

- Đồng bộ hoá t c độ các tr c truy n động

- Đi u chỉnh mômen các động cơ truy n động đ giữ s c căng không đổi

- Đi u khi n và giám sát công nghệ bằng mạng máy tính

Trong đó, một trong những ph ơng pháp truy n động đồng bộ vị trí và

t c độ nhi u động cơ đang đ c sử d ng rộng rưi là ph ơng pháp Electronic Lineshaft [4]

2.4.2 C u trúc đi u khi n h th ng truy n đ ng nhi u đ ng c theo phư ng pháp ELS (Electronic Lineshaft)

Ph ơng pháp Electronic Lineshaft (ELS) cho phép bộ đi u khi n bám chính xác với tín hiệu t c độ, chi u và pha từ Encoder c a động cơ chính (Master) Hệ s tỉ lệ giữa động cơ truy n động chính (Master) và động cơ ph (Follower) có th đi u chỉnh độc l p bằng tín hiệu t ơng tự, s hay đặt qua mạng truy n thông cho các bộ đi u khi n M1 đóng vai trò là động cơ chính (Master), M2 là động cơ ph (Follower), hệ th ng duy trì vị trí, t c độ c a hai động cơ theo

tỷ lệ cho tr ớc C u trúc c a bộ đi u khi n đồng bộ vị trí và t c độ theo ph ơng pháp ELS trình bày nh Hình 2.11, gồm hai phần chính FEED FORWARD và FEEDBACK [2]

Follower Master

Speed Ratio

Master Speed

Master Counter

Follower Speed

Feed Forward

× -

+ +

P I

D

Position Error

Slave speed Ref

B đi u khi n đ ng c follower

Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft

- FEEDBACK: Tr ớc tiên đọc vị trí c a động cơ MASTER thông qua Encoder và nhân với tỷ lệ t c độđư đặt tr ớc, sau đó đọc vị trí c a động cơ Follower và tính toán sai lệch vị trí, sai lệch này đ a vào bộ đi u khi n PID, tín

hiệu đầu ra c a bộ PID chính là tín hiệu ph n hồi cho động cơ Follower

- FEED FORWARD: Là tích c a tín hiệu t c độ động cơ MASTER nhân với tỷ lệ t c độ đặt tr ớc, k t qu đ a vào bộ đi u khi n t c độ c a động cơ Follower Trong ch độ đi u khi n vị trí thì bộ đi u khi n này có vai trò nh là

bộ đi u khi n bù nhiễu nhằm bù lại các sai lệch b c cao v vị trí cho động cơ Follower

Đ tìm đ c hàm truy n t c độ động cơ Follower theo động cơ Master,

c u trúc đi u khi n động cơ Follower đ c đ xu t nh Hình 3.1

+ -

Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ Follower theo động cơ Master

Trong đó, hàm truy n đ i t ng đi u khi n S0 là hàm truy n động cơ với

mạch vòng đi u khi n t c độ Tín hiệu đ a vào bao gồm: tín hiệu từ đầu ra bộ

đi u khi n vị trí R k t h p với tín hiệu t c độ từ bộ ph n hồi tr ớc RF Hàm truy n cho toàn bộ mạch vòng s đ c thi t l p:

0

1 /

tp F

Hệ th ng bám vị trí đ c ng d ng r t rộng rãi trong thực t Nhiệm v cơ

b n c a nó chính là thực hiện sự bám sát chính xác cơ c u ch p hành đ i với chỉ

lệch vị trí (l ng cho tr ớc), đại l ng đi u khi n (l ng đầu ra) th ng là vị trí không gian c a ph t i, t c l ng cho tr ớc theo máy, hệ th ng có th làm cho đại l ng đi u khi n bám sát và khôi ph c đ i t ng đi u khi n một cách chính xác không có nhầm lẫn Ví d đi u khi n cơ c u ép tr c cán trong quá trình cán kim loại, ph i làm cho khe h giữa hai tr c cán có th ti n hành tự đi u chỉnh;

đi u khi n quỹ tích gia công c a máy c t đi u khi n s và đi u khi n bám c a

máy c t mô ph ng hình; cơ c u nâng hạ có th làm cho dừng chính xác những

vị trí mong mu n; cơ c u lái tự động tàu thuy n có th làm cho góc lệch c a lá chân vịt đuôi tàu thuy n ph ng theo góc quay c a bánh lái (vô lăng) đặt buồng lái đi u khi n tàu thuy n đi đúng tuy n đ ng đư vạch ra; cơ c u đi u khi n anten rađa c a c m súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm đúng m c tiêu; đi u khi n động tác c a ng i máy Những ví d trên đây là những ng

d ng c th v hệ th ng đi u khi n tùy động vị trí

Chỉ lệch vị trí (cơ c u cho tr ớc) trong hệ th ng bám vị trí cũng nh dại

l ng đi u khi n là vị trí (hay l ng đại diện cho vị trí), đ ơng nhiên có th là chuy n vị góc, chuy n vị dài.Vì th hệ th ng bám buộc ph i là hệ th ng ph n hồi

vị trí Hệ th ng bám vị trí là một hệ th ng tùy động nghĩa hẹp, v nghĩa rộng mà nói, l ng đầu ra c a hệ th ng bám không nh t thi t ph i là vị trí, mà có th là đại l ng khác, chẳng hạn nh hệ th ng đi u t c hai mạch vòng kín t c độ quay

và dòng điện: máy làm gi y, máy dệt nhi u tr c sử d ng nhi u động cơ có th coi

là hệ th ng tùy động đồng t c…[3]

L

L’

L L

Δ L

Lực F

1 2

1 Động cơ truỔền động bánh xe; 2 Bánh xe; 3 Tiết diện trụ;

4 Động cơ nén lò xo; 5 Lò xo nén; 6 Trục vít nén lò xo;

7 Bánh xe truy ền động với trục vít

Hình 2.12: ng d ụng điều khiển tùỔ động vị trí trong hệ thống bám trụ của

robot

a) Tr ạng thái xác lập ban đầu

Bánh xe bám ch c vào tr nh vào lực F, lực F này đ c tạo ra nh lò xo nén, độ nén c a lò xo đ c đi u khi n bằng một động cơ DC T ơng ng lực F ta

b) Tr ạng thái quá độ

Khi ti t diện c a tr thay đổi thì bánh xe vẫn ti p xúc với tr nh lực nén

dự trữ c a lò xo Trong tr ng h p này lò xo dãn ra một đoạn ΔL,

L’ = L + ΔL, t ơng ng với chi u dài lò xo là L’ xu t hiện lực F’ < F ban đầu

' L' (L )

Trong đó: ẤL: Độ bi n dạng (m)

c) Tr ạng thái xác lập mới

Đ cân bằng lại lực F ban đầu, động cơ nén lò xo đ c đi u khi n đ cân

bằng lại chi u dài lò xo là L Quá trình này đ c duy trì một cách nhịp nhàng trong quá trình chi u dài lò xo thay đổi

Chư ng 3

3.1 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN Đ NG BỘ T C ĐỘ HAI

ĐỘNG C 3.1.1 Các thông s mô ph ng

Đ minh họa cho ph ơng pháp ELS ta ti n hành xây dựng một hệ th ng đồng bộ t c độ giữa 2 động cơ một chi u Ph ơng trình toán c a động cơ một chi u đ c mô t nh sau [5]:

- Ph ơng trình cân bằng điện áp phần ng:

K: Là hệ s c u tạo c a máy điện

M: Là mô men động cơ

J: Mô men quán tính c a động cơ

Uu: Là điện áp đặt vào phần ng động cơ

Hình 3.2 : Mô hình động cơ một chiều kích từ không đổi

Lựa chọn thông số mô phỏng:

Động cơ sử d ng là động cơ một chi u B1T20E c a hãng YASKAWA, thông s c a động cơ nh sau:

- Công su t định m c:Pdm = 20 (W)

- T c độ quay định m c:ndm = 2200 (v/p)

- Điện áp định m c phần ng: Udm = 21,3 (V)

- Dòng điện định m c:Idm = 0,59 (A)

Theo [2], tính toán đ c các thông s động cơ:

- Hệ s ph n hồi c a sensor dòng:Ki = 0,1

- Hệ s khuy ch đại bộ chỉnh l u:Kc = 4,28

- Hệ s ph n hồi c a c m bi n t c độ: Kω= 0,0455

- Hằng s th i gian mạch đi u kh n Thysistor: Tdk = 0,0001 (s)

- Hằng s th i gian chuy n mạch Thysistor:Tv = 0,001 (s)

- Hằng s th i gian c a máy bi n dòng: Ti = 0,001 (s)

- Hằng s th i gian c a máy phát t c: Tω = 0,01 (s)

C u trúc mô ph ng hệ truy n động điện một chi u có 3 vòng đi u khi n,

với bộ đi u khi n dòng điện RI, bộ đi u khi n t c độ Rω và bộ đi u khi n vị trí

Rφ n i tầng, c u trúc nh Hình 3.3 Với các th ng s c a đ i t ng đi u khi n đư

Hằng s th i gian phần ng:

u u u

c bd

K W

Trình tự xác định hàm truyền cho các bộ điều khiển thực hiện như sau:

- Bộ đi u khi n dòng theo chuẩn t i u module, khâu tỷ lệ - tích phân (PI):

.2 .s

u I

c i

si u

T R

K K

T R

i

s

K J R

Với các bộ đi u khi n đư tổng h p đ c theo ph ơng trình (2.8) - (3.16),

ta dễ dàng tổng h p đ c tham s các bộ đi u khi n sơ đồ c u trúc nh Hình 3.3 Trong sơ đồ c u trúc t c độ động cơ Follower s bám theo vị trí c a động cơ Master với tín hiệu t c độ đ c l y từ Encoder c a động cơ Masster

Khi đư tổng h p đ c c u trúc đi u khi n một tr c, với các hệ th ng thực

hiện công nghệ có nhi u tr c truy n động, gi i pháp mô ph ng hệ th ng có c u

trúc nh Hình 2.8, t ơng đ ơng với c u trúc mô ph ng trên Hình 3.4 Nguyên t c này trong thực t có th áp d ng cho các hệ th ng thực hiện công nghệ với s

tr c truy n động lên đ n 50 [10;11] V n đ đặt tỷ lệ t c độ giữa các tr c c a động cơ truy n động đ c thực hiện một cách h t s c thu n tiện

Hình 3.4: Mô hình mô ph ỏng truyền động đồng bộ vị trí

hai động cơ DC theophương pháp ELS

3.1.2 K t qu mô ph ng v i t l v v trí và v n t c Kx = 0.7

K t qu vị trí c a động cơ Master và Follower:

Hình 3.5: V ị trí thực hiện của động cơ Master và Follower

K t qu t c độc a động cơ Master và Follower:

Hình 3.6: T ốc độ động cơ Master và Follower

3.1.3 K t qu mô ph ng v i t l v v trí và v n t c Kx = 1

K t qu vị trí c a động cơ Master và Follower:

Hình 3.7: V ị trí thực hiện của động cơ Master và Follower

K t qu t c độc a động cơ Master và Follower:

Hình 3.8: T ốc độ động cơ Master và Follower

3.1.4 Nh n xét k t qu mô ph ng

Giá trị vị trí và t c độ c a động cơ Follower gần nh tỉ lệ hoàn toàn với

t c độ động cơ Master ngay c trong ch độ kh i động hay với nhiễu ngẫu nhiên c a t i Sai lệch vị trí và t c độ chỉ x y ra trong một kho ng th i gian r t

ng n và sai lệch này đ c bộ đi u khi n PID triệt tiêu một cách nhanh chóng

Đi u khi n hệ th ng truy n động điện nhi u động cơ theo ph ơng pháp ELS, đư đ c tổng h p bằng mô ph ng cho phép rút ra một s k t lu n sau đây:

- Có th đi u khi n nhi uđộng cơ trong hệ th ng thực hiện công nghệ theo Encorder trên động cơ Master

- Thực hiện đi u chỉnh t c độ, vị trí theo một tỷ lệ b t kỳ giữa động cơ Master và các động cơ Follower

- Ph ơng pháp ELS đồng bộ hóa t c độ, vị trí trong mọi ch độ công tác

c a hệ th ng truy n động điện nhi u động cơ

- Giá trị sai lệch tĩnh v vị trí và t c độ nh

- Trong lu n văn này ta sử d ngk t qu mô ph ng với tỉ lệ v vị trí và

v n t c Kx = 1 đ đi u khi n ba động cơ truy n động chính

3.2 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BÁM V TRÍ

Hệ s khu ch đại động cơ:

1

d

K K





Hằng s th i gian cơ học:

 2

u C

R J T

K

T s

i R

I

( )

i

U p

Hình 3.10 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

- Bộ đi u khi n dòng theo chuẩn t i u module, khâu tỷ lệ - tích phân (PI):