robot công nghiệp
99
Chơng 9

Truyền động và điều khiển robot.

9.1. Truyền động điện trong robot:
Truyền động điện đợc dùng khá nhiều trong kỹ thuật robot, vì có nhiều
u điểm nh là điều khiển đơn giản không phải dùng các bộ biến đổi phụ, không
gây bẩn môi trờng, các loại động cơ điện hiện đại có thể lắp trực tiếp trên các
khớp quay...
Tuy nhiên so với truyền động thuỷ lực hoặc thuỷ khí thì truyền động điện
có công suất thấp và thông thờng phải cần thêm hộp giảm tốc vì thờng các
khâu của robot chuyển động với tốc độ thấp.
Trong kỹ thuật robot, về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại
khác nhau, nhng trong thực tế chỉ có hai loại đợc dùng nhiều hơn cả. Đó là
động cơ điện một chiều và động cơ bớc.
Ngày nay, do những thành tựu mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ
điện xoay chiều, nên cũng có xu hớng chuyển sang sử dụng động cơ điện xoay
chiều để tránh phải trang bị thêm bộ nguồn điện một chiều. Ngoài ra, loại động
cơ điện một chiều không chổi góp (DC brushless motor) cũng bắt đầu đợc ứng
dụng vào kỹ thuật robot.
9.1.1. Động cơ điện một chiều :
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần :
+ Stato cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm
vĩnh cữu. Phần nầy còn đợc gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong
khe hở không khí.
+ Roto với các thanh dẫn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với
dòng từ thông xác định, roto sẽ quay. Phần nầy gọi là phần ứng.
Tuỳ cách đấu dây giữa phần cảm so với phần ứng, ta có những loại động
cơ điện một chiều khác nhau :

ứng.
Số vòng quay của động cơ điện một chiều :



=
k
IrU
n

Mômen động C xác định từ phơng trình cân bằng công suất :
EI = 2

nC
Hay :

Ik
2C

=

Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng
cách :
- Thay đổi từ thông

, thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ.
Trong trờng hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ
định mức, thì công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ.
- Điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong trờng hợp từ thông không đổi, khi
tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức thì mômen sẽ không đổi, còn công suất


' thì roto sẽ dừng ở vị trí mà dòng từ qua
cuộn dây là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuộn dây

' thì roto sẽ quay đi

90
0

(Phụ thuộc chiều dòng điện cấp vào). Khi đồng thời cấp điện cho cả 2 cuộn dây

và

thì roto sẽ dừng ở vị trí giữa 0
0
và 90
0
, và nếu dòng điện vào 2 cuộn dây
hoàn toàn nh nhau thì roto sẽ dừng ở vị trí 45
0
.
Nh vậy vị trí của roto phụ thuộc vào số cực đợc cấp điện trên stato và
chiều của dòng điện cấp vào.
Trên đây là sơ đồ nguyên lý của động cơ bớc loại có ít cực và dùng nam
châm vĩnh cửu. Trên cơ sở đó ta có thể tìm hiểu các loại động cơ có nhiều cực và
dùng nam châm điện có từ tính thay đổi.
Nh vậy tuỳ theo cách cấp điện cho các cuộn dây trên stato ta có thể điều
khiển các vị trí dừng của roto. Việc cấp điện cho các cuộn dây có thể số hoá, cho
nên có thể nói động cơ bớc là loại động cơ điện chuyển các tín hiệu số đầu vào
thành chuyển động cơ học từng nấc ở đầu ra.

60
=
(f : bớc/phút)/(s : bớc /vòng)
Tong đó : n - tốc độ quay (vòng/phút)
f - tần số xung (Hz)
s - Số bớc trong một vòng quay.
TS. Phạm Đăng Phớc

robot công nghiệp
102
Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác nh độ chính xác vị trí,
momen và quán tính của động cơ...

Các loại động cơ bớc :
Tuỳ theo kiểu của roto, động cơ bớc đợc chia thành các loại sau :
+ Động cơ bớc kiểu từ trở biến đổi (VR : Variable Resistance)
+ Động cơ bớc nam châm vĩnh cữu (PM : Permanent Magnet )
+ Động cơ bớc kiểu lai (Hybrid)
Tuỳ theo số cuộn dây độc lập trên stato động cơ bớc đợc chia thành các
loại : 2 pha, 3 pha hoặc 4 pha.
Roto động cơ bớc có nhiều cực (còn gọi là răng). Số cực của roto phối
hợp với số cực của stato xác định giá trị góc bớc

. Góc bớc lớn nhất là 90
0

ứng với động cơ có số bớc s = 4 bớc/vòng. Phần lớn những động cơ bớc hiện
nay có số bớc s = 200, nên

= 1,8


robot công nghiệp
103
loại van điều chỉnh, đờng ống ... làm hệ truyền động cho robot khá cồng kềnh
so với truyền động khí nén và truyền động điện.
Nhìn chung, hệ truyền dẫn thuỷ lực vẫn đợc sử dụng khá phổ biến trong
robot, nhất là trong trờng hợp tải nặng.
Các phần tử trong hệ truyền động bằng khí nén và thuỷ lực đã đợc tiêu
chuẩn hoá.
Các tính toán thiết kế hệ truyền dẫn khí nén và thuỷ lực đã đợc nghiên
cứu trong các giáo trình riêng.

9.3. Các phơng pháp điều khiển Robot :
Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của việc điều khiển robot là bảo đảm cho
điểm tác động cuối E (End-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ
đạo định trớc. Không những thế, hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối còn
phải đảm bảo hớng trong quá trình di chuyển. Giải bài toán ngợc phơng trình
động học ta có thể giải quyết về mặt động học yêu cầu trên. Đó cũng là nội dung
cơ bản để xây dựng chơng trình điều khiển vị trí cho robot.
Tuy nhiên việc giải bài toán nầy cha xét tới điều kiện thực tế khi robot
làm việc, nh là các tác động của momen lực, ma sát ... Tuỳ theo yêu cầu nâng
cao chất lợng điều khiển (độ chính xác) mà ta cần tính đến ảnh hởng của các
yếu tố trên, và theo đó, phơng pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phong
phú hơn.

9.3.1. Điều khiển tỉ lệ sai lệch (PE : Propotional Error):
Nguyên tắc cơ bản của phơng pháp nầy rất dễ hiểu; đó là làm cho hệ
thống thay đổi theo chiều huớng có sai lệch nhỏ nhất. Hàm sai lệch có thể là

=


d
-

. Chúng ta hãy áp dụng một tín hiệu điều khiển mà nó tỉ lệ với

:

F = K
p
(

d
-

(t)) (9.1)

Qui luật nầy xác định một hệ điều khiển phản hồi và đợc gọi là hệ điều
khiển tỉ lệ sai lệch.

TS. Phạm Đăng Phớc