ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, ở Việt Nam hầu hết chúng ta phải nhập các dây chuyền máy móc từ nƣớc ngoài trong đó không thể thiếu phần truyền động. Các hệ thống truyền động này thƣờng sử dụng các bộ điều khiển truyền động và phần công suất có khả năng kết nối truyền thông mạng với nhau nhƣng chúng có giá rất cao. Hệ thống máy móc này thƣờng đƣợc các chuyên gia nƣớc ngoài sau khi lắp đặt và chạy thử tại Việt Nam thì sẽ tiến hành đào tạo và chuyển giao công nghệ cho phía Việt Nam. Mặc dù vậy khi hệ thống gặp sự cố thì do nhiều nguyên nhân mà chúng ta cũng không thể khắc phục đƣợc khi đó lại phải cần đến các chuyên gia nƣớc ngoài.
Việc đó có ảnh hƣởng nhiều mặt, trong đó ảnh hƣởng đến nền kinh tế vẫn là lớn nhất do chúng ta phải nhập dây chuyền máy móc từ nƣớc ngoài cộng với chi phí chuyên gia cực cao. Bên cạnh đó có một bài toán thực tế là nhu cầu về các máy CNC hoặc tay máy công nghiệp tại các phân xƣởng sản xuất ngày càng cao. Tuy nhiên vốn đầu tƣ cho các thiết bị mới rất lớn cũng nhƣ các hệ thống cơ khí chính xác Việt Nam chƣa sản xuất đƣợc nên một giải pháp hợp lý là nâng cấp các hệ thống máy gia công có sẵn thành máy CNC hoặc mua các hệ thống CNC cũ, hỏng của nƣớc ngoài về và sửa chữa, nâng cấp. Do đó, việc tự nghiên cứu sản xuất toàn bộ hệ thống truyền động, hay ít nhất là tự chế tạo đƣợc các bộ điều khiển các hệ thống máy có sẵn hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế cao, có thể tiết kiệm cho ngân sách Nhà nƣớc một khoản tài chính rất lớn.
Xuất phát từ mong muốn xây một hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động, cụ thể là cho các máy CNC hoặc các tay máy công nghiệp, tác giả hƣớng tới việc nghiên cứu một hệ thống điều khiển phân tán và giải quyết một số bài toán đặt ra cho hệ thống điều khiển phân tán, kết quả đƣợc ứng dụng trên một đối tƣợng cụ thể là robot SHEPHENT. Hệ thống điều khiển cần xây dựng có thể không yêu cầu độ chính xác cao hoặc thời gian đáp ứng nhanh, nhƣng phải rẻ tiền, linh hoạt và quan trọng nhất là có thể đƣợc thiết kế, chế tạo tại Việt Nam. Ngoài ra, hệ thống này cần đƣợc xây dựng dựa theo các chuẩn quốc tế, tiến tới hợp chuẩn để có thể kết nối với các thiết bị cao cấp hơn của nƣớc ngoài. MỘT SỐ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.
Hệ thống điều khiển theo cấu trúc tập trung Các hệ thống truyền động truyền thống dựa trên cấu trúc tập trung. Trong cấu trúc này, một bộ điều khiển trung tâm sẽ làm toàn bộ nhiệm vụ thu thập dữ liệu phản hồi trong quá trình hoạt động, trên cơ sở đó đƣa ra tín hiệu điều khiển cho các bộ điều khiển động cơ. Các bộ điều khiển động cơ này chủ yếu là các bộ điều khiển tốc độ hoặc thuần tuý là mạch khuếch đại công suất. Các tín hiệu điều khiển là các tín hiệu tƣơng tự (analog).
Cấu trúc hệ điều khiển tập trung thể hiện trong hình vẽ 1.1 Bộ điều khiển trung tâm Bộ điều Bộ điều Bộ điều Các đầu khiển khiển khiển vào ra động cơ 1 động cơ 2 động cơ 3 số/tƣơng (khớp 1) (khớp 2) (khớp 3) tự động cơ 1 động cơ 2 động cơ 3 Phản hồi Phản hồi Phản hồi vị trí vị trí vị trí Hình 1.1: Cấu trúc một hệ điều khiển truyền động truyền thống Cấu trúc tập trung này yêu cầu một bộ vi xử lý trung tâm cực mạnh nên giá thành cao. Bên cạnh đó, khối lƣợng dây dẫn tín hiệu và chống nhiễu cho các dây tín hiệu cũng dẫn tới nhiều khó khăn khi thiết kế và thi công hệ thống. Một hệ thống điều khiển truyền động điển hình, đang đƣợc sử dụng nhiều tại Việt Nam của hãng TrioMotion thể hiện trong hình 1.2: Một hệ điều khiển truyền động truyền thống Mặc dù không thể phủ nhận tốc độ đáp ứng và độ chính xác cao của các hệ thống này, nhƣng giá thành và kết nối là những nhƣợc điểm lớn, không mang lại hiệu quả cao trong điều kiện Việt Nam. Cấu trúc điều khiển phân tán Cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển phân tán và sự phát triển nhanh chóng của các mạng truyền thông công nghiệp, các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp cũng đã phát triển các hệ truyền động theo cấu trúc phân tán.
Trong cấu trúc phân tán, các bộ điều khiển động cơ đƣợc tích hợp cả chức năng điều khiển vị trí và đƣợc nối mạng với nhau thông qua một mạng truyền thông. Hệ thống có thể có hoặc không cần một bộ điều khiển trung tâm. Tuy nhiên, bộ điều khiển trung tâm này (nếu có) thì chỉ giữ chức năng chính là đồng bộ các chuyển động và truyền dữ liệu về quỹ đạo yêu cầu cho các bộ điều khiển. Cấu trúc điều khiển phân tán hệ truyền động đƣợc thể hiện trong hình 1.3 z 10 Mạng truyền thông Bộ điều Bộ điều Bộ điều Các đầu khiển khiển khiển vào ra động cơ 1 động cơ 2 động cơ 3 số/tƣơng (khớp 1) (khớp 2) (khớp 3) tự động cơ 1 động cơ 2 động cơ 3 Bộ điều khiển Phản hồi Phản hồi Phản hồi trung tâm vị trí vị trí vị trí Hình 1.3: Cấu trúc một hệ điều khiển truyền động phân tán Thị phần về thiết bị truyền động, đặc biệt là các hệ truyền động phân tán tại Việt nam đang thuộc về Siemens.
Tuy nhiên, hệ thống truyền động mà Siemens cung cấp sử dụng là mạng Profibus DP. Công nghệ truyền thông này có những nhƣợc điểm nhất định khi ứng dụng tại Việt Nam. Profibus DP mặc dù là một giao thức truyền thông mở đã đƣợc thiết kế và phát triển cho những ứng dụng trong công nghiệp, nhƣng các thiết bị này khá đắt tiền và các linh kiện không đƣợc cung cấp rộng rãi. Không chỉ khó khăn về mặt kỹ thuật, việc phát triển các hệ thống trong nƣớc dựa trên Profibus DP còn yêu cầu đăng ký với tổ chức Profibus.
Xét về tính năng kỹ thuật và đặc biệt là hiệu quả kinh tế thì các hệ thống truyền động của các hãng khác, đặc biệt là các hãng của Mỹ, với mạng truyền thông CAN, CANOpen, DeviceNet rất thích hợp với điều kiện Việt Nam. Một hệ thống tiêu biểu thể hiện trong hình 1.4: Một hệ điều khiển truyền động phân tán Những hệ thống này có rất nhiều ƣu điểm: Hệ thống thƣờng theo các chuẩn mở nên việc sử dụng rất linh hoạt. Các chức năng điều khiển có thể thay đổi mà không cần đi lại dây. Dễ dàng mở rộng nâng cấp hoặc tích hợp vào các hệ thống khác Các tham số có thể đƣợc cài đặt và thay đổi thông qua giao diện.
Phần mềm hỗ trợ phát triển luôn sẵn sàng. Hệ thống có thể đƣợc điều khiển và giám sát một cách liên tục. Khoảng cách truyền xa, khả năng chống nhiễu tốt Chi phí lắp đặt thấp vì thời gian ngắn, số lƣợng dây cáp và chi phí đi dây không nhiều Một mạng có thể kết nối nhiều loại thiết bị nhƣ PLC, màn hình vận hành, biến tần, thiết bị đo, thiết bị chấp hành,… Chuẩn đoán hệ thống từ xa Đã đƣợc chứng minh qua các hệ thống công nghiệp khác nhau. Một số các điểm hạn chế Tốc độ đáp ứng của hệ thống bị giới hạn bởi mạng truyền thông Đội ngũ kỹ thuật vận hành, bảo trì bảo dƣỡng phải đƣợc đào tạo tốt z 12 1.
NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Một hệ thống tryền động mà Việt Nam hoàn toàn làm chủ cần dựa trên các nền tảng đƣợc thế giới công nhận, mặt khác phải tìm cách ứng dụng các chuẩn đó cho phù hợp với các điều kiện hiện có. Các hệ thống ngày càng thông minh và chính xác. Để đạt đƣợc độ chính xác cao thì hệ thống điều khiển vừa phải sử dụng các thuật toán cho độ chính xác cho phép, vừa phải đảm bảo tính năng thời gian. Trong điều kiện Việt Nam, với thế mạnh của các hệ phân tán là linh hoạt, giá thành rẻ và tốc độ ngày càng đƣợc cải thiện, việc ứng dụng các hệ điều khiển phân tán vào điều khiển robot công nghiệp là một hƣớng đi phù hợp.
Tuy nhiên, với cấu trúc phân tán, robot cần một thuật toán tính toán quỹ đạo, vận tốc. có thể đƣợc chia nhỏ cho từng bộ vi xử lý (xử lý song song). Một cấu trúc kết hợp là sử dụng máy tính để tính toán quỹ đạo, vận tốc và truyền các kết quả này xƣống các module điều khiển phân tán thông qua mạng. Thuật toán tính toán quỹ đạo, vận tốc không chỉ đảm bảo điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo liên tục mà còn phải thỏa mãn các giới hạn của các bộ vi xử lý và khả năng truyền thông trên mạng.
Nhằm hƣớng tới một hệ thống điều khiển chuyển động phân tán, không chỉ phát huy ƣu điểm của các hệ thống phân tán nhƣ giá thành rẻ và khả năng mở rộng cao, hệ thống vẫn có khả năng đáp ứng độ chính xác và tính năng thời gian của các hệ truyền động. Luận văn tập trung vào việc xây dựng thuật toán nội suy quỹ đạo, vận tốc và việc thu thập, xử lý, phân chia các kết quả tính toán trong hệ thống điều khiển robot phân tán. Trên cơ sở đó, luận văn đƣa ra một cơ sở có thể sử dụng đƣợc cho phép kết nối máy tính và các thiết bị chấp hành, và hƣớng phát triển để hệ thống có thể kết nối và làm việc đƣợc với các thiết bị theo các chuẩn quốc tế. Kết qủa đƣợc ứng dụng trên robot cụ thể SHEPHENT.
Luận văn đƣợc trình bày thành 5 chƣơng: Chƣơng 1 - Tổng quan: Phân tích các hệ thống điều khiển robot và hƣớng nghiên cứu cho đề tài. Chƣơng 2 - Đối tƣợng ứng dụng - Robot SHEPHENT: Nghiên cứu một đối tƣợng cụ thể là robot SHEPHENT để phục vụ việc nghiên cứu và kiểm chứng hệ thống điều khiển phân tán cần xây dựng. Mô hình hoá robot SHEPHENT. z 13 Cấu trúc điều khiển phân tán cho robot SHEPHENT.
Thuật toán điều khiển và mô phỏng cho hệ điều khiển robot SHEPHENT.