Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

LƯU HOÀNG HIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN
CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

LƯU HOÀNG HIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN
CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
PGS.TS. Trần Thu Hà
TS. Nguyễn Thanh Phương
TS. Nguyễn Duy Anh
TS. Võ Tường Quân
TS. Nguyễn Viễn Quốc

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1

Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lưu Hoàng Hiệp ............................................................. Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14/01/1977 ..........................................Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử ........................................... MSHV: 1241840005
I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ
HỆ THỐNG CƠ KHÍ
II- Nhiệm vụ và nội dung:
a. Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan
b. Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ
c. Thiết kế bộ điều khiển khử rơ
d. Mô phỏng hệ điều khiển
e. Thực nghiệm và kết luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Tấn Tiến
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Lưu Hoàng Hiệp


ii

LỜI CÁM ƠN
Xin chân thành cảm ơn:
Thầy Nguyễn Tấn Tiến, giảng viên hướng dẫn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng
như tạo những điều kiện thuận lợi để đề tài được hoàn thành.

Các bạn sinh viên của tập thể lớp Cơ Điện Tử đã có những giúp đỡ thiết thực cũng
như động viên trong quá trình thực hiện đề tài.
Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã hỗ trợ tất cả
mọi điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp.
Lưu Hoàng Hiệp


iii

TÓM TẮT
Mục tiêu của luận án này là thiết kế bộ điều khiển khử rơ. Bộ điều khiển này dùng
vi điều khiển dsPIC30F4011 của hãng Microchip, cụ thể là vi điều khiển dsPIC30F4011.
Bộ điều khiển có thể điều khiển chính xác vị trí di chuyển của bàn trượt.
Bộ điều khiển khử rơ được thiết kế để có thể điều khiển hệ thống đạt được các giá
trị mong muốn một cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt
động ổn định và sai số ở mức tối thiểu.
Đồng thời, quá trình hoạt động của hệ thống cũng được giám sát qua máy tính để
người điều khiển có thể quan sát cũng như có những quyết định điều khiển thuận tiện
và hợp lý.
Nội dung đề tài bao gồm các chương sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan
Chương 2: Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ
Chương 4: Mô phỏng hệ điều khiển
Chương 5: Thực nghiệm và kết luận


iv

ABSTRACT

The objective of this thesis is to design the controller de-trailers. This controller
using microcontroller Microchip's dsPIC30F4011, namely dsPIC30F4011
microcontroller. The controller can control the exact location of the moving slide.
The controller is designed to de-relay control system can achieve the desired
value quickly, reducing to a minimum overshoot, stable operating system and minimum
errors.
At the same time, the operation of the monitoring system is also through to the
control PC can be observed as well as the decision to conveniently control and
reasonable.
Content topics include the following:
Chapter 1: Research overview of related issues
Chapter 2: Modeling system has a mechanical relay
Chapter 3: Designing the controller de-trailers
Chapter 4: Simulation of control systems
Chapter 5: Experiments and conclusions


v

MỤC LỤC
Lời cam đoan .................................................................................................................... i
Lời cảm ơn .......................................................................................................................ii
Tóm tắt luận án .............................................................................................................. iii
Abstract ..................................................................................................................................... iv
Mục lục ............................................................................................................................ v
Danh sách hình ..............................................................................................................vii
Danh mục các từ viết tắt, kí hiệu ................................................................................. viii
Danh sách bảng ............................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1

2. Mục đích của đề tài .................................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 1
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................... 2
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................. 3
1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................................ 3
1.3 Backlash và hiệu chỉnh ................................................................................................ 7
CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA HỆ CƠ KHÍ CÓ ĐỘ RƠ
2.1 Mô hình hóa hệ thống .............................................................................................. 10
2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) ........................................................................................ 14
2.3 Mô hình hóa rơ ........................................................................................................ 16
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID ................................................................................... 18
3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID ...................................................................................... 19
3.3 Hiệu chỉnh bộ điều khiển ......................................................................................... 23
3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển ........................................................................... 24
3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống ..................................................................................... 24
CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
4.1 Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển ........................................................... 25
4.2 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ....... 26
4.3 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ...... 27
4.4 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ... 28


vi

CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN
5.1 Mô hình thực nghiệm hệ thống ............................................................................... 29
5.2 Tìm độ rơ của hệ thống cơ khí cần điều khiển ........................................................ 30
5.3 Kết quả nhận được khi thực nghiệm trên ba thông số của bảng 5.1 ....................... 31

5.4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vii

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay .................................................... 3
Hình 1.2 Sai số do vítme .................................................................................................. 4
Hình 1.3 Sai số do sống trượt .......................................................................................... 4
Hình 1.4 Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng........................................................ 5
Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới ....................................................................... 8
Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm ...................................................................... 9
Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển ...................................................................... 10
Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ ........................................................... 10
Hình 2.3 Sơ đồ mô hình hóa động cơ ........................................................................... 11
Hình 2.4 Sơ đồ mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ ............................................................ 13
Hình 2.5 Độ rơ (backlash) trên bánh răng.................................................................... 14
Hình 2.6 Đồ thị khe hở phi tuyến................................................................................... 15
Hình 2.7 Đồ thị ngõ vào và ra của khe hở phi tuyến..................................................... 16
Hình 2.8 : (a) Mô hình khe hở (b) Khe hở trong các kết nối cơ khí. ............................ 16
Hình 2.9 : Mô hình hóa đặc tính khe hở ....................................................................... 17
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ............................................................. 18
Hình 3.2 Đáp ứng của khâu PD, PI và PID ................................................................. 18
Hình 3.3 : Sơ đồ mô phỏng xác định hằng số khuếch đại tới hạn................................. 21
Hình 3.4 : Đồ thị đầu vào – đầu ra hệ thống ở biên giới ổn định ................................. 21
Hình 3.7 : Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth .............................................................. 23
Hình 3.8 : Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển ................................................................ 24
Hình 3.9 : Lưu đồ điều khiển hệ thống .......................................................................... 24

Hình 4.1a) Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển. .............................................. 25
Hình 4.1b) Đáp ứng đầu ra hệ thống không có bộ điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung
nhưng đầu ra hệ thống chỉ ở 300 .................................................................................. 25
Hình 4.2a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P và backlash =1,1 ................. 26
Hình 4.2b) Đáp ứng đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P chưa đạt vị trí đặt ............... 26
Hình 4.3a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PI và backlash =1,1 ................ 27
Hình 4.3b) Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PI gần đạt vị trí đặt ..... 27
Hình 4.4 a)Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PID và backlash =1,1 ............. 28
Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PID có vọt lố ............... 28


viii

Hình 5.1 Mô hình hệ thống cơ khí ................................................................................. 29
Hình 5.2 Vị trí xung đặt và giá trị xung từ encoder hồi tiếp về .................................... 31
Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển P chưa bằng vị trí đặt ............... 31
Hình 5.4 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển PI không có vọt lố ..................... 32
Hình 5.5 Đáp ứng hệ thống cơ khí Kp=5,880; Ti=0,004; Td =0,001 có vọt lố ............. 33


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
y : Giá trị ngõ ra vị trí hồi tiếp (xung encoder từ thước đo quang)
r : Giá trị đặt ngõ vào
e : Sai số của vòng điều khiển vị trí
v : Xung ngõ ra bộ điều khiển vị trí
u : Xung ngõ ra bộ khuếch đại
F : Nhiễu hệ thống cơ khí
BM : Ma sát của động cơ

B : Ma sát của bộ giảm tốc
BL : Ma sát của bộ truyền động víttme – đai ốc
JM : Quán tính của động cơ
JL : Quán tính của động cơ
TM : Mô-mem của động cơ
TL : Mô-mem của truyền động víttme – đai ốc

M : vận tốc góc của động cơ
L : vận tốc góc của truyền động víttme – đai ốc
k : độ co giãn trục động cơ
u1(t): vị trí giá trị thực tế
r(t): giá trị đặt vị trí
Ra: Điện trở phần ứng động cơ
Ia : Dòng điện phần ứng động cơ
La : Điện cảm phần ứng động cơ
Va : Điện áp phần ứng động cơ
Ea : Điện áp kích từ động cơ


x

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 Hằng số của hệ thống.............................................................................. 20
Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22
Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22
Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của 3 thông số hiệu chỉnh bộ điều khiển ............................... 23
Bảng 5.1 Thông số Kp, Ki, Kd của hệ thống ............................................................. 31

11

1


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong hầu hết các hệ thống cơ khí và thủy lực đều hiện diện độ rơ (Backlash),
Nguyên nhân là do các khoảng trống nhỏ tồn tại trong cơ chế truyền động cơ khí.
Trong hệ thống truyền động cơ khí, luôn luôn tồn tại những khoảng trống nhỏ giữa
một cặp bánh răng tiếp xúc với nhau. Điều này sẽ làm cho hệ thống thiếu chính xác.
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất
cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất
lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng
hình học của sản phẩm.
Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp
ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên
thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ
mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng
sản phẩm chế tạo nói chung.
Từ những nguyên nhân như trên, tác giả quyết định chọn đề tài nghiên cứu là:
“Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí ”.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài này là nghiên cứu bộ điều khiển chính xác hệ thống cơ khí.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ.
 Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ.
 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển chính xác vị trí.

 Thiết kế bộ điều khiển khử rơ.
 Mô phỏng hệ điều khiển.
 Thực nghiệm và kết luận.


2

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền
động có độ rơ.
Hệ truyền động có độ rơ gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuyết điều
khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần điều khiển hệ thống cơ khí chính xác, nâng
cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản
phẩm trên thị trường.


3

Chương 1
Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan
1.1. Đặt vấn đề
Hệ thống truyền động cơ khí bao gồm các thành phần cơ bản : động cơ – hộp
giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – cơ cấu chấp hành,…Trong gia công cơ khí
nói riêng và chế tạo máy nói chung, điều khiển chính xác vị trí (vận tốc, gia tốc) là
yêu cầu quan trọng để có thể chế tạo máy tự động (CNC).
1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
1.2.1 Điều khiển chính xác trong cơ khí
Gồm : Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

Chuyển động quay

Chuyển động tịnh tiến (tiến và lùi)

Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay


4

1.2.2 Nguyên nhân không chính xác trong điều khiển
a. Sai số do vítme
Cơ cấu chuyển động quay của động cơ được chuyển thành chuyển động tịnh
tiến bằng vít me bi như trong hình 1.1. Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so với vít me
bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai ốc. Khi
vít me quay, các viên bi truyền chuyển động dọc trục tới gối đỡ.
Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi xuất phát
chủ yếu từ sai số bước vít me. Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước
của vítme bi liên quan trực tiếp tới chuyển động tuyến tính.
.

Hình 1.2 Sai số do vítme
b. Độ biến dạng
Trong hệ thống cơ khí, có hai loại sống dẫn hướng được sử dụng, sống dẫn
hướng lăn và sống dẫn hướng trượt. Với sống dẫn hướng trượt, lực chuyển động ban
đầu cao hơn để làm bàn máy chuyển động. Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn
động vít me bi không được đặt đối xứng. Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn
và luôn luôn xuất hiện sai số do dính trượt. Sai số còn xuất hiện trong quá trình chế
tạo sống dẫn hướng và sai số trong quá trình lắp ráp.

Hình 1.3 Sai số do sống trượt
Sống dẫn hướng lăn có ma sát nhỏ hơn loại trượt. Tuy nhiên sống dẫn hướng

5

lăn có khả năng dập rung động kém hơn loại sống trượt. Sống dẫn hướng thủy tĩnh
có khả năng giảm áp lực. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng là:
Chế tạo không chính xác;
-

Mòn sống dẫn hướng;

-

Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt;

-

Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.

c. Độ rơ của bánh răng
Thường xảy ra ở hộp số, sau thời gian sử dụng vị trí tiếp xúc giữa các bánh
răng bị hao mòn gây nên độ rơ không mong muốn.

Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng
d. Độ rơ do ổ đỡ
Các loại đáp ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi
có thể giãn ra dễ dàng hay không. Phần lớn hệ thống cơ khí sử dụng 3 loại ổ đỡ khác
nhau để đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo
sự thay đổi của nhiệt độ. Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi
nhiệt độ tăng. Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước.

Loại ổ đỡ này làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định
và ngoài khoảng này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt. Các
nguồn sai số liên quan đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục
động cơ servo với các phần lắp ghép.
e. Sai số do nhiệt
Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do


6

nhiệt xuất hiện từ nhiều nguồn. Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công
cụ gây ra biến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công. Các nguồn nhiệt
do ma sát như ma sát trong thiết bị truyền động và hộp tốc độ, ma sát ở ổ đỡ và sống
dẫn hướng, nhiệt xuất hiện do quá trình gia công như quá trình cắt. Các nguồn nhiệt
bên ngoài bao gồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường. Các
nguồn nhiệt chính trong máy công cụ xuất phát từ:
- Ổ lăn;
- Bánh răng và dầu thủy lực;
- Thiết bị dẫn động và li hợp;
- Bơm và động cơ;
- Sống dẫn hướng và vít me bi;

f. Độ rơ do rung động tự do
Tải tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công gây nên biến dạng tạo ra sai số
hình học của chi tiết trong quá trình gia công. Độ cứng vững của máy cắt kim loại
không hợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984). Đặc
tính động không đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm
xấu chất lượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả
chi tiết gia công và máy. Dưới điều kiện gia công kéo dài, có hai loại rung động xảy
ra:

- Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức do sự mất cân bằng khi vật

thể quay.
- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các l

ực bên ngoài. Khi tần số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng
hưởng.
g. Độ rơ do tải tĩnh và động
Các tải tĩnh của máy công cụ là kết quả của lực gia công và khối lượng của
chi tiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy. Tải
trọng tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công tạo ra sự biến dạng, gây ra các sai số
hình học.


7

Các lực dẫn đến sự biến dạng của bộ phận dẫn động gây ra sự dịch chuyển vị
trí bàn dao. Chúng gồm các lực quán tính gây ra bởi gia tốc của cơ cấu trượt, lực gia
công và ma sát trong trục chính (Weck 1984). Các nhân tố động khác như mômen
xoắn của động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v.. cũng ảnh hưởng tới hệ
thống điều khiển vị trí.
i. Độ rơ do hệ thống điều khiển truyền động servo
Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành mã đầu ra ở
dạng điện áp xung (PPS). Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp
hành khác tới vị trí đã được lập trình.
Hệ thống dẫn động servo đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác gia công.
Động cơ servo và cơ cấu dẫn động trục vítme thường được ghép trực tiếp với nhau.
Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi. Vị trí thực được đo
bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới dạng tín hiệu số.
Một hạn chế chính với cả hai hệ thống đo là sự định vị trí điểm đo và đầu

dụng cụ có sự sai lệch về khoảng cách. Vì sai lệch về khoảng cách này, các sai số
bước nhỏ đã được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe). Sự khuếch đại sai
số phụ thuộc vào vị trí kẹp chi tiết gia công. Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều
không thể dò được các ảnh hưởng của sai số Abbe.
Đề tài tập trung nghiên cứu độ rơ trong chuyển động quay và tịnh tiến.
1.3 Backlash và hiệu chỉnh

- Backlash (rơ) là chuyển động vô ích xảy ra khi hai bộ phận động phải thực
hiện một quãng đường trước khi tiếp xúc và làm cho bộ phận khác hoạt động. Tất cả
các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều
dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về
0).


8

Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:

Tiến /dừng
Motor

Motor

Encoder
Bắt đầu quay lùi /
số lượng n xung bù gửi thêm
Encoder
n xung bù gửi thêm
Lùi /dừng

Motor

Motor

Encoder
Bắt đầu quay tiến /
số lượng n xung bù gửi thêm
Encoder
n xung bù gửi thêm
Tiến/dừng

Motor

Encoder

Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới
Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ. Chuyển động tới
và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình.
Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng
nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không


9

được vượt quá khoản trống (đây là một trong những điều kiện cốt lõi của việc điều
khiển động cơ).
Giới hạn này được gọi là backlash. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay
những vòng chính xác để con trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống
trên là rất khó thực hiện nếu không có một sự bù trừ cho nó.
Đề tài được thực hiện với mục đích tạo ra bộ điều khiển khử rơ bàn máy có độ

chính xác đáp ứng được yêu cầu thực tế. Đồng thời có thể tạo ra một sản phẩm giúp
ích cho việc nghiên cứu phương pháp điều khiển khử rơ cho sinh viên.
Do hạn chế về nhiều mặt nên đề tài giới hạn ở các phần như sau:
-

Thiết kế mạch điện tử, gồm module điều khiển trung tâm và module điều khiển

động cơ DC.
-

Lập trình chương trình điều khiển khử rơ cho vi điều khiển dsPIC30F4011.

-

Thiết kế chương trình giám sát qua máy tính.

-

Khi vị trí thực được encoder nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển,

động cơ dùng trong mô hình liên tục được điều khiển sao cho sai số vị trí giữa vị trí
cần và vị trí thật là nhỏ nhất.
RS232
PC

Bộ điều
khiển vị trí

Bàn trượt

PWM

Driver

Thước
quang học
Tải

Động
cơ DC

Hộp
Số

Vitme bi

Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm


10

Chương 2 : Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ
2.1 Mô hình hóa hệ thống
r

e

Bộ điều
khiển vị trí

y

Thước
quang học

Bàn trượt
Tải

PWM

Động
cơ DC

Driver

Hộp
Số

Vitme bi

Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển

Bộ giảm tốc

Động cơ DC

Hệ rơ

Bộ truyền trục vít
– đai ốc

TM
k
JM
BM

TL

M
B

JL

L
BL

Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ