Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ kết cấu truyền động cơ khí Backlash

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (591.38 KB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Anh

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
tháng năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

1 Chủ tịch

2 Phản biện 1

3 Phản biện 2

4 Ủy viên

5 Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

ii
TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 
 Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : LÊ VĂN PHÚC Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 05/06/1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840025
I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ KẾT CẤU TRUYỀN
ĐỘNG CƠ KHÍ BACKLASH

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động cơ khí backlash 
Nội dung:

- Tổng quan

- Phân tích, thiết kế bộ điều khiển khả thi cho hệ thống
- Nhận dạng hệ thống và mô phỏng

- Thực nghiệm trên hệ chuyển động tuyến tính
- Kết quả và thảo luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 26 tháng 5 năm 2015 
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm 
V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và thầy hƣớng dẫn.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Văn Phúc

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Duy Anh đã
tận tình hƣớng dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt
nghiệp.

Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên
Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM và Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt
tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong
quá trình giảng dạy khóa cao học tại trƣờng Đại học Cơng Nghệ Tp. HCM.

Em rất biết ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên
và ở bên cạnh em trong suốt quá trình học và làm luận văn tốt nghiệp.

Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trau
dồi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Trong q trình cơng nghiệp hóa hiện nay, việc khử rơ cho các bộ truyền động
trong cơ khí là hết sức quan trọng. Làm thế nào để khử rơ trong truyền động ?

Việc thiết kế bộ điều khiển khử rơ trong truyền động cơ khí là hết sức quan trọng
và cần thiết trong điều khiển hiện nay. Luận văn sẽ thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho
kết cấu truyền động cơ khí. Mục đích của luận văn là phân tích, thiết kế và mô phỏng
bộ điều khiển khả thi cho hệ thống .

Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền
động hoặc điều chỉnh hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Thực nghiệm
hiệu chỉnh bộ điều khiển trên hệ servo driving mechanism.

Sau khi có đƣợc sai lệch của từng khâu, tiến hành áp dụng bộ khử rơ ngƣợc. Ở
phần trên cung cấp các bộ điều khiển khử rơ khác nhau, chất lƣợng các bộ điều khiển
khử rơ này tùy theo hệ thống mà có sự phù hợp.

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

ABSTRACT

In the age of industrialization, the important problem is de-trailers of mechanical
actuators. How can we do it ?

Today, the vital and necessary thing is that we have to design a control panel in
order to reduce trailers in processing. This thesis will be analyzed, designed and
simulated a control panel of backlash in mechanical actuators.

The methods to re-trailers: meachinal design adjustment of tranmission or stoke
adjustment, and control algorithm. The empirical calibration with controller on servo
driving mechanism driving mechanism.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

vii

MỤC LỤC

Chƣơng 1: TỔNG QUAN ... 1
Giới thiệu chung ... 1

1.1.

Các phƣơng án khử rơ ... 1
1.2.

1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành
trình ... 1

1.2.2. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển: ... 2
Tính cấp thiết của đề tài ... 3
1.3.

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ... 4
1.4.

1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ... 4
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ... 7
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ... 7
1.5.

Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ
THỐNG ... 9

Phân tích thiết kế bộ điều khiển ... 9
2.1.

2.1.1. Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc và phƣơng pháp xác định hàm rơ ... 10
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển ... 13
Điều khiển đáp ứng ... 17
2.2.

Chƣơng 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG ... 22
Nhận dạng hệ thống ... 22
3.1.

Mô phỏng nhận dạng hệ thống ... 25
3.2.

Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi ... 29
3.3.

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

viii

Hệ thống điều khiển thực nghiệm ... 36

4.1.
4.1.1. Điều khiển trên máy tính ... 37

4.1.2. Điều khiển trên vi điều khiển... 41

4.1.3. Vấn đề truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA ... 42

Thực nghiệm hệ servo driving mechanism. ... 45

4.2.
4.2.1. Thực nghiệm độ rơ... 45

4.2.2. Nhận dạng hệ thống ... 46

4.2.3. Áp dụng các bộ điều khiển thực nghiệm ... 46

4.2.4. Đánh giá kết quả của hệ thống điều khiển. ... 60

Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 61

Kết quả thực nghiệm khử rơ và thảo luận... 61

5.1.
Đánh giá ... 63

5.2.
Phụ lục A: THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ... 64

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNC: Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)

MIT: Massachusetts Institute of Technology
PID: Proportional Integral Derivative

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: ... 45

Bảng 2: ... 46

Bảng 3: ... 61

Bảng 4: ... 65

Bảng 5: ... 65

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Mơ hình giải thuật điều khiển của đề tài ... 9

Hình 2.2 Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ... 11

Hình 2.3 Đồ thị hàm rơ ngƣợc ... 12

Hình 2.4 Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh ... 12

Hình 2.5 Mơ hình cơ bản của hệ thống ... 13

Hình 2.6 Trình tự thiết kế giải thuật ... 14

Hình 2.7 Hệ thống cơ bản ... 15

Hình 2.8 Tính tốn hình học để xác định thơng số độ rơ ... 16

Hình 2.9 Hệ thống đƣợc khử rơ bằng hàm rơ ngƣợc ... 16

Hình 2.10 Mơ hình điều khiển thích nghi theo mơ hình tham chiếu ... 18

Hình 2.11 Sơ đồ MRAS ... 20

Hình 3.1 Các bƣớc nhận dạng hệ thống ... 23

Hình 3.2 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi khơng có rơ và khi có rơ . (Tín hiệu 
vào dạng sóng tam giác) ... 26

Hình 3.3 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi khơng có rơ và khi có rơ . (Tín hiệu 
vào dạng sóng sin) ... 26

Hình 3.4 Đồ thị khử rơ ... 27

Hình 3.5 Đồ thị nhận dạng hàm truyền ... 28

Hình 3.7 Kết quả mơ phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT ... 29

Hình 3.8 Kết quả mơ phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT ... 31

Hình 3.9 Sai số trong quỹ đạo điều khiển ... 32

Hình 3.10 Quỹ đạo từng trục X và Y ... 32

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT ... 33

Hình 3.12 Sai số trong quỹ đạo điều khiển ... 34

Hình 3.13 Quỹ đạo từng trục X và Y ... 34

Hình 4.1 Sơ đồ đồ khối hệ thống thực nghiệm ... 36

Hình 4.2 Sơ đồ xung thời gian ... 38

Hình 4.3 Mơ hình lập trình song song chia sẻ bộ nhớ ... 39

Hình 4.4 Giao diện điều khiển chƣơng trình ... 40

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

Hình 4.6 Frame truyền dữ liệu từ máy tính xuống ... 41

Hình 4.7 Lƣu đồ giải thuật ... 44

Hình 4.8 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ .. 47

Hình 4.9 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ .. 47

Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ ... 48

Hình 4.11 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ ... 48

Hình 4.12 Các giai đoạn của quá trình khử rơ ... 49

Hình 4.13 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù xung .... 50

Hình 4.14 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù
xung ... 50

Hình 4.15 Tín hiệu ra bám theo tín hiệu vào nhƣng dao có sự dao động lớn ... 51

Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID 
khơng khử rơ ... 52

Hình 4.17 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển 
PID khơng khử rơ tính hiện tƣợng trễ ... 52

Hình 4.18 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển 
PID khơng khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ ... 53

Hình 4.19 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID 
không khử rơ kết hợp bộ điều khiển khử rơ ... 55

Hình 4.20 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển 
PID kết hợp khử rơ ... 55

Hình 4.21 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển 
PID kết hợp khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ ... 56

Hình 4.22 Tín hiệu ra với bộ điều khiển PID khơng có khử rơ và kết hợp khử rơ
... 57

Hình 4.23 Đầu ra so với tín hiệu mong muốn của các bộ điều khiển khi đảo chiều
... 58

Hình 4.24 Sai số bộ điều khiển thích nghi ... 59

Hình 5.1 Sơ đồ ngun lý... 64

Hình 5.2 Mơ hình tính lực ... 71

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

xii

Hình 5.4 Bố trí q trình thực nghiệm ... 73

Hình 6.1 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm ... 74

Hình 6.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm thời gian thực ... 74

Hình 6.3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ... 74

Hình 6.4 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm thời gian thực ... 75

Hình 6.5 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ... 75

Hình 6.6 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm ... 75

Hình 6.7 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm thời gian thực ... 76

Hình 6.8 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547 mm bỏ qua độ trễ ... 76

Hình 6.9 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547 mm thời gian thực ... 76

Hình 6.10 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547mm bỏ qua độ trễ ... 77

Hình 6.11 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm ... 77

Hình 6.12 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm thời gian thực ... 77

Hình 6.13 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ ... 78

Hình 6.14 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm thời gian thực ... 78

Hình 6.15 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ ... 78

Hình 6.16 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm ... 79

Hình 6.17 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm thời gian thực ... 79

Hình 6.18 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm bỏ qua độ trễ ... 79

Hình 6.19 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm thời gian thực ... 80

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

Chƣơng 1:

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung 
1.1.

Trong tất cả chuyển động của các thiết bị máy móc, của các bộ truyền động cơ
khí. Độ rơ là một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động cơ khí, ảnh hƣởng rất lớn đến
cách tốn điều khiển vị trí và vận tốc của các hệ thống trong công nghiệp, robot, xe
ô-tô và các ứng dụng điều khiển khác.

Có rất nhiều nghiên cứu về độ rơ đã đƣợc thực hiện từ năm 1940. Đây là bài toán
rất phức tạp, đặc biệt là khi có u cầu độ chính xác cao. Độ rơ xuất hiện khi có khe
hở trong cơ cấu truyền động, gây ra nhiễu khi truyền động, đặc biệt khi có sự đảo
chiều của vận tốc tƣơng đối giữa các khâu. Bài tốn điều khiển hệ truyền động cơ khí
khi có độ rơ thƣờng gây ra sai số xác lập, hoặc xấu nhất, xuất hiện “vòng tròn giới
hạn” (limit circle) và hệ thống ở trạng thái bất ổn định. Do đó, bài tốn khử rơ cho hệ
thống cơ khí là rất cần thiết và quan trọng.

Các phƣơng án khử rơ

1.2.

Từ năm 1993, hiện tƣợng rơ trong hệ thống truyền động cơ khí đã đƣợc chú ý và
có những nghiên cứu để giảm thiểu hoặc loại bỏ vấn đề này. Hai hƣớng tiếp cận bao
gồm: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền động hoặc điều chỉnh
hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Từ năm 2012, một số nghiên cứu mới
đi theo hƣớng lắp đặt các cơ cấu bổ sung (ví dụ nhƣ lắp thêm động cơ đảo chiều, cảm
biến…) và xây dựng bộ điều khiển tƣơng ứng với cơ cấu bổ sung.

1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành trình 
Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí khơng làm thay đổi đặc tính điều
khiển của hệ thống mà vẫn giúp giảm thiểu độ rơ rất hiệu quả. Các chi tiết gây nên độ
rơ chính khi truyền động (nhƣ bánh răng, đai ốc) đƣợc hiệu chỉnh để có thể tự bù đắp
độ rơ khi hệ truyền động đảo chiều. Một số thiết kế cơ khí để khử rơ tiêu biểu:

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

nửa bánh răng tự do chuyển động bám theo nửa bánh răng cố định, đồng thời
ln có ít nhất một trong hai nửa của bánh răng duy trì tiếp xúc với bánh răng kia
của cơ cấu. Thiết kế này ƣu tiên độ chính xác vị trí theo cả chiều thuận và chiều
ngƣợc, tuy nhiên chỉ có thể truyền động tải nhỏ.

 Khử rơ bằng cách truyền động một chiều. Ví dụ khi điểm hoạt động đang di
chuyển hƣớng về phía bên trái, nếu muốn đi đến một điểm nằm phía bên phải
điểm hiện tại, ngƣời sử dụng di chuyển điểm hoạt động về bên phải, vƣợt qua
điểm cần đến, rồi mới di chuyển ngƣợc về phía trái trở lại. Phƣơng pháp này đảm
bảo độ chính xác vị trí và tải theo 1 chiều.

 Giảm độ rơ trong bộ truyền vít me-đai ốc bằng đai ốc chống rơ. Ba cơ cấu đai
ốc chống rơ phổ biến trong công nghiệp: ép hƣớng tâm, kéo hoặc nén cơ cấu bù

độ rơ. Cơ cấu khử độ rơ này rất hiệu quả cũng nhƣ tiết kiệm về kinh tế. Phƣơng
pháp này hữu dụng để hạn chế độ rơ do mài mòn, đƣợc sử dụng phổ biến trong
máy CNC sử dụng vít-me đai ốc ren hình thang.

Phƣơng pháp sử dụng cặp bánh răng đặc biệt gia tăng độ phức tạp khi thiết kế và
gia cơng, chi phí theo đó gia tăng, đồng thời độ bền và khả năng chịu tải giảm đáng kể.
Phƣơng pháp này chỉ có thể áp dụng cho các hệ truyền động có tải và cơng suất trung
bình thấp. Phƣơng pháp bù trừ, gia cơng theo một chiều đảm bảo đƣợc tải và độ chính
xác vị trí theo một chiều, tuy nhiên hành trình gia công luôn bị tăng thêm các khoảng
không cần thiết, kéo theo đó là sự tăng thêm chi phí gia cơng và chi phí thời gian cho
các khoảng dƣ này. Cơ cấu đạt hiệu quả cao nhất là vít me-đai ốc chống rơ chỉ đảm
bảo độ chính xác cho hệ thống chỉ sử dụng cơ cấu này. Trong thực tế, gần nhƣ các hệ
thống đều kết hợp nhiều cơ cấu truyền động khác nhau, chỉ sử dụng một trong các
phƣơng pháp này thì khơng giải quyết đƣợc vấn đề.

1.2.2. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển:

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

Đối với các hệ thống mà hàm rơ không xác định, các giải thuật điều khiển hƣớng
tới việc sử dụng các bộ điều khiển có thể tự cập nhật thông số theo thời gian (điều
khiển đáp ứng, neuron…). Hàm rơ là một hàm phi tuyến không khả vi. Đối với các hệ
phi tuyến không khả vi, các thông số hệ thống thƣờng không xác định trƣớc, từ các
nghiên cứu tham khảo các bộ điều khiển đáp ứng có kết quả hiệu quả nhất.

Tuy nhiên, hầu hết các bộ điều khiển đáp ứng thƣờng chỉ mang lại hiệu quả cao
cho các hệ tuyến tính hoặc hệ phi tuyến nhƣng khả vi. Gang Tao và Kokotovic đã giới
thiệu và sử dụng hàm rơ ngƣợc (Backlash Inverse) trong [16] để khử rơ cho hệ thống
có độ rơ, đồng thời kết hợp một bộ điều khiển đáp ứng để cập nhật thông số của hàm
rơ ngƣợc để đảm bảo tín hiệu của hệ thống vịng kín bị chặn. Kết quả mơ phỏng lý

thuyết cho thấy tính hiệu quả của phƣơng pháp này cao hơn so với các phƣơng pháp
trƣớc đó.

Tính cấp thiết của đề tài 
1.3.

Tự động hóa là xu thế tất yếu của nền cơng nghiệp, trong đó robot sẽ phải đóng
vai trị chủ chốt trong hoạt động này.

Tại Việt nam, việc sử dụng robot cũng đã đƣợc ghi nhận khá nhiều trong các nhà
máy do nƣớc ngoài đầu tƣ và rải rác ở một số doanh nghiệp trong nƣớc. Ở Việt nam
nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, có ba nguồn cung cấp robot cho các
lĩnh vực sử dụng khác nhau:

• Nhập khẩu nguyên chiếc từ các cơng ty chế tạo ở nƣớc ngồi.

• Sử dụng robot đã qua sử dụng thu gom từ các nhà máy ở nƣớc ngồi.

• Các đề tài nghiên cứu ứng dụng khoa học, những sản phẩm đặt hàng cho các
nhà khoa học kỹ thuật, các đơn vị nghiên cứu, sản xuất trong nƣớc.

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

sản phẩm nhựa, robot hàn, ... Đây chính là nguồn cung cấp chính các robot nội địa
cho sản xuất, hiện nay chƣa có một doanh nghiệp chế tạo cũng nhƣ lắp ráp robot cho
thị trƣờng trong nƣớc. Các nhóm nghiên cứu này khơng có trang bị cũng nhƣ đầu tƣ
bài bản, dài hơi cho sản xuất robot làm cho các sản phẩm này chỉ dừng ở mức nghiên
cứu hay đáp ứng yêu cầu trƣớc mắt.

Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc chế tạo robot ở Việt Nam là khả

năng chế tạo chính xác cơ khí. Do đó các thiết bị tự động sản xuất ra đều phải chấp
nhận độ sai số nhất định, đôi khi khá cao, thƣờng do độ rơ (backlash) cơ khí gây ra.

Do những lý do trên, đề tài này đề xuất một giải pháp nâng cao độ chính xác cơ
khí bằng giải thuật điều khiển dựa trên việc giảm tác động của độ rơ trong một hệ
truyền động cơ khí.

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 
1.4.

1.4.1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Có thể giới thiệu một số nghiên cứu đã cơng bố nhƣ sau:

Mơ hình tổng quát của độ rơ thƣờng đƣợc dùng để nghiên cứu điều khiển hệ
thống cơ khí có độ rơ nhƣ sau:

Hình 1.1. Mơ hình độ rơ trong hệ thống hai khối lƣợng (two-mass 
system)

: Moment, moment qn tính, vận tốc góc của trục động cơ.
: Độ cứng trục truyền, hệ số giảm chấn của trục truyền.

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

: Moment, moment qn tính, vận tốc góc của trục tải trọng.

Tùy thuộc vào hệ cơ khí xung quanh nơi xuất hiện độ rơ và môi trƣờng làm việc
của hệ truyền động, một số mơ hình tốn học cho độ rơ đƣợc giới thiệu.

a. Mơ hình vùng chết (dead zone model):

Mơ hình thƣờng đƣợc sử dụng trong điều khiển khử độ rơ, đƣợc sử dụng cho
phân tích và mơ phỏng hệ thống trục biến dạng có độ rơ (elastic shaft with backlash)
[3, 4, 5, 6, 7]. Khi :

(1.1)

Trong đó, : góc xoắn, : góc chuyển vị của trục.
Hàm vùng chết đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

{ | |

(1.2)

b. Mơ hình chính xác (exact model):

Khi tính đến giảm chấn của trục, , moment trên trục cho bởi

(1.3)

với ̇ [7,8]. Trƣờng hợp này, định nghĩa góc

̇
{

( ̇ )

̇ | |

( ̇ )

(1.4)

c. Mơ hình hàm mơ tả (describing function model):

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

+ Tính dual-input describing function (DIDF), với hàm sin wave input 
đƣợc cho bởi:

(1.5)

: hằng số offset

+ Tính moment ngõ ra bằng các xấp xĩ:

( ̇ ) (1.6)

Từ đó suy ra:

(1.7)

Và .

+ Với là một biến độc lập, hàm có dạng:

(1.8)

d. Mơ hình độ trễ (hysteresis model):

Độ trễ liên hệ với góc quay ngõ ra, , và góc ngõ vào, với giả thiết trục
không biến dạng:

̇ { ̇ ̇ ̇ ̇

(1.9)

Dựa trên các mơ hình độ rơ đã liệt kê trên, các hƣớng điều khiển khử rơ đƣợc kể
đến nhƣ sau:

 Điều khiển vận tốc hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (speed
control of elastic systems with internal backlash).

 Điều khiển vị trí hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (position
control of elastic systems with internal backlash).

 Điều khiển hệ truyền động xét đến độ rơ tại ngõ vào và độ rơ tại ngõ ra
(control of systems with backlash at the plant input or output).

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

 Tác động nhanh tại khu vực xuất hiện độ rơ (strong action in the backlash gap)
[8, 9, 10]. Ý tƣởng chính của điều khiển là tăng tốc đáp ứng khoảng cách hở do
độ rơ tạo ra. Phƣơng pháp này bao gồm inverse compensation và preload

 Tác động chậm tại khu vực xuất hiện độ rơ (weak action in the backlash
gap)[10]. Các thí nghiệm trong [11] chứng tỏ điều khiển tác động nhanh tại khu

vực xuất hiện độ rơ không cho kết quả tốt và đề xuất tác động chậm tại khu vực
xuất hiện độ rơ trong vấn đề điều khiển khử độ rơ.

Từ các kết quả khảo sát cho đến hiện tại, có thể kết luận vấn đề điều khiển khử rơ
chƣa thật sự đƣợc giải quyết trọn vẹn.

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho các hệ truyền động cơ khí /
Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM; Nguyễn Duy Anh. – 2013.

Luận văn tốt nghiệp Phùng Vũ Lâm – PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

1.5.

Luận văn đề xuất một phƣơng án khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Trong đó,
 Bộ điều khiển dựa trên cơ sở mơ hình toán học của rơ, rơ ngƣợc và bộ điều
khiển thích nghi theo hàm mẫu.

 Bộ điều khiển này có thể áp dụng cho nhiều loại hệ truyền động cơ khí khác
nhau và giải quyết hai loại chuyển động nhiều nhất trong thực tế là hệ chuyển
động tuyến tính và chuyển động quay.

Nội dung nghiên cứu:

 Phân tích mơ hình rơ, và truyền động cơ khí để tìm ra bộ điều khiển khả thi cho
hệ thống.

 Cơ sở lý thuyết và thiết kế giải thuật nhận dạng độ rơ, bộ điều khiển thích nghi

 Mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi để giảm độ rơ cơ khí trên MatLab

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20></div>