Doğrudan tahrikli robotlar için gerçek zamanda yük simülatörü tasarımı

Abstract

Doğrudan tahrikli hareket kontrol sistemleri yüksek doğruluk ve hız gerektiren, yüksek performanslı sistemlerdir. Bu sistemlerde aktarma elemanlarının bulunma ması backlash, eklem esnekliği gibi doğrusal olmayan etkenlerin ortadan kalkmasını sağlar; ancak, bunun sonucu olarak servosistem-yük etkileşimi önemli bir kontrol problemi olarak belirir. Doğrudan tahrikli robot (DTR) bu sistemlerin en karmaşık yapıda olanıdır ve bu nedenle genel bir örnek teşkil eder. DTR sistemlerinde mafsal ların robot eklemleri üzerinde, özellikle yüksek ivme değerlerinde ortaya çıkan kuplaj etkileri (Coriolis, Merkezkaç) yük ve parametre değişimi ve dış bozucularla daha karmaşık bir etki yaratır. Bu nedenle DTR sistemleri daha ileri kontrol yöntem leri gerektirir. Bu tezde, bir DTR sisteminin model ve parametre belirsizlikleri ve dış bozucular altında yüksek doğruluklu bağımsız eklem kontrolü amaçlanmaktadır. Bu tür bir sis temin tasarım ve kontrolunda karşılaşılabilecek güçlüklere, son ürün üzerinde uygulamadan önce çözüm üretilmesi ve bu çözümlerin uygulamaya geçirilmeden değerlendirilmesi amacı ile gerçek zamanlı (hardware-in-the-loop) bir simülasyon yöntemine başvurulacaktır. Gerçek zamanda robot simülasyonu robot ileri dinamiğinin gerçek zamanda hesaplandığı bir simülasyon biçimidir. Uygun güçte bir motor ve bunu kontrol eden DSP bazlı bir kontrolör, robot dinamiğinin gerçek zamanda oluşan etkisinin aynını üretebilir. Bu yöntem değişik şekillerde gerçekleştirilebilir. Tezde gerçeklenen yapı aym eksen üzerine bağlı biri yük momentini, diğeri hareketlenmeyi sağlayan 2 motor (doğrudan tahrikli uygulamaya elverişli, yüksek moment ve düşük hızlı) ve bunların arasında yer alan bir moment ölçerden ibarettir. Yük momentinin ve kontrol algorit malarının oluşturulması iki ayrı DSP tarafından gerçekleştirilmiştir. Sistemde dSPACE şirketinin ürettiği DSİ 102 DSP kartları kullanılmıştır. Bu kartlar Texas Instruments şirketinin ürettiği TMS320C31 sayısal işaret işlemcileri temellidirler. Kartlar üzerinde ayrıca 4 tane dijital - analog çevirici, 4 tane analog - dijital çevirici, bir tane enkoder arabirimi, bir tane seri iletişim arabirimi ve dijital giriş - çıkış birimleri bulunmaktadır. Bu haliyle kartlar böyle bir kullanım için uygundurlar. Kartların kurulması ve kullanılmaları son derece kolaydır. Kartlarla gelen yazılımlar sayesinde MATLAB ortamında model geliştirilip kolayca kartlara yüklenip çalıştınlabilmektedirler. Sistemde kullanılan ve Yokogawa şirketinin ürettiği motor - sürücü çiftleri de yine bu sisteme son derece uygundurlar. Motorlar çevreleri etrafında 0.001 derecelik bir hassasiyetle konumlandınlabilmektedirler. Bu özellikleri ile bu motorlardan çok yüksek doğrulukta sonuçlar alınabilmektedir. Tasarlanan sistemin etkinliğinin test edilmesi amacıyla tek ve çift eklemli robot kolu için değişken yapılı kontrol kuralları tasarlanmıştır. Değişken yapılı kontrol robust bir kontrol yöntemi olduğundan bu tür sistemlerde iyi sonuçlar vermektedir.

Direct-drive motion control systems like direct-drive robotics (DDR) and machine tools are high performance applications requiring precision and speed. With the removal of gear reduction in those systems, nonlinearities caused by backlash, joint elasticity etc. are eliminated, but the filtering effect also lost as a result, causes the servosystem interaction with load appear as an important problem in their control. DDR' s set an example for the complex direct-drive systems, with the emphsized interaction of load, parameter variations and external disturbances due to the coupling effects (Coriolis Centrifugal) and the increased operation speeds of the higher links on the robot joints; thus, those systems require more sophisticated control methods. In this thesis, development of independent joint control techniques for DDR systems that could achieve precision under modelling and parameter uncertainties and external disturbances was done. For the development of robust control methods, a hardware-in-the-loop simulation system was designed and utilized to create the real time effect of the robot dynamics and to evaluate the performance of the control laws to fullfil the above mentioned criteria. In the system the DS1102 cards which are manufactured by dSPACE Inc. are used. These cards are based on Texas Instruments' TMS320C3 1 digital signal processors. On the cards there are also 4 digital to analog converters, 4 analog to digital converters, one encoder unit, one serial communication unit and digital input - output ports. The setup and use of the cards is very easy. With the programmes that come with the cards, models could be easyly designed under MATLAB and downloaded into the cards. In the system Yokogawa's motor - driver couples are used which are very suitable for a this type of system. The motors could be positioned around their periphary as precise as 0.001 degrees. With the motors this feature very precise simulation results could be obtained from the system. Hardware-in-the-loop simulation is a type of simulation where the hardware under control is simulated in real time. For example here the simulation of a DDR is done. The moments affecting a motor attached to a joint where simulated in real time. For design of control algorithms Variable Structure Control (VSC) methods are used. This control methodology when in so called sliding mode gives robust performance an is generaly used in controller design of nonlinear systems. It also reduces the systems degree when the system is in sliding mode. xn In order to test the designed systems effectiveness variable structure controllers are designed for one and two joint robots. While varible structure control is a robust control method it gives good results in such systems.