Instrukcja dla autorów - Uniwersytet Zielonogórski

prof. dr hab. inż. Andrzej Milecki
Politechnika Poznańska
mgr Marcin Chciuk
mgr inż. Paweł Bachman
Uniwersytet Zielonogórski
ZASTOSOWANIE LINIOWEGO DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO
Z CIECZĄ MR DO STEROWANIA SERWONAPĘDEM
ELEKTROHYDRAULICZNYM W UKŁADZIE Z SIŁOWYM
SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM
W artykule opisano układ sterowania serwonapędu elektrohydraulicznego z dodatkowym siłowym sprzężeniem zwrotnym. Przedstawiono budowę dotykowego dżojstika liniowego z cieczą magnetoreologiczną i zależność momentu hamującego od prądu. Końcowa część artykułu
zawiera wyniki badań doświadczalnych procesu sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną przy pomocy trzech
różnych algorytmów sterowania.
USING LINEAR MOTION HAPTIC JOYSTICK WITH
MAGNETHORHEOLOGICAL FLUID FOR CONTROL
ELECTROHYDRAULIC DRIVE WITH FORCE FEEDBACK
The article describes control system of electrohydraulic servo drive with additional force
feedback. The structure of linear haptic joystick and the research of relation between force
and current are presented. The last section forms results based on the research electrohydraulic servo drive’s control system with magnetorheological haptic joystick by three different control algorithms.
1. Wstęp
Podczas pracy ciężkim sprzętem budowlanym takim jak np. koparki często zdarza się, że na
drodze ruchu elementów maszyny pojawiają się różnego rodzaju przeszkody, które mogą stać
się przyczyną awarii lub same mogą zostać uszkodzone. Dlatego też maszyny te muszą dysponować dodatkowymi zabezpieczeniami, aby nie dopuścić do powstania zniszczeń [7]. Problemy związane z występowaniem przeszkód na drodze ruchu elementu wykonawczego maszyn budowlanych występują przy ręcznym sterowaniu manipulatorami za pomocą różnorodnych dźwigni, pedałów albo dżojstików. Przekazują one zwykle do urządzenia wykonawczego sygnał określający siłę albo prędkość ruchu. W przypadku ograniczonej widoczności operator nie uzyskuje żadnej informacji o kontakcie części roboczej urządzenia z przeszkodą.
Problem ten może rozwiązać zastosowanie dżojstików z tzw. siłowym sprzężeniem zwrotnym, w których stosowane są elementy generujące siłę przeciwdziałającą sile działania operatora. Są to tzw. urządzenia dotykowe (ang. haptic device), które służą do przekazywania
1
bodźców dotykowych ze sterowanego obiektu do użytkownika. Bodźcem tym zazwyczaj jest
siła, z jaką oddziaływuje na przeszkody urządzenie wykonawcze. Podobne badania były już
prowadzone dla dżojstika wahadłowego, a ich rezultaty przedstawiono w publikacjach [2, 3,
4, 5, 6, 8].
2. Budowa dżojstika liniowego
Dżojstik używany do badań zbudowany był na bazie prowadnicy, po której poruszał się suwak
z dźwignią. Na jednym z końców prowadnicy zamocowane było koło pasowe z potencjometrem pomiaru położenia, a na drugim hamulec magnetoreologiczny (MR) [1]. Ruchome elementy połączone były ze sobą za pomocą zębatego paska klinowego. W rękojeści dżojstika
został zamontowany czujnik siły. Widok omawianego dżojstika przedstawiono na rys. 1.
Czujnik siły
(wewnątrz)
Pomiar położenia
Pasek zębaty
Hamulec MR
Rys. 1. Widok dżojstika liniowego
F[N]
Wykres przedstawiony na rys. 2 pokazuje zależność siły na rękojeści dżojstika od prądu płynącego przez cewkę hamulca magnetoreologicznego.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
I[A]
Rys. 2. Zależność siły na dżojstiku od prądu hamulca MR
2
3. Układ sterowania
Układ sterowania został wykonany w pakiecie Matlab-Simulink. Składał się on z dwóch
głównych torów sterujących oraz trzeciego – pomiarowego (rys. 3).
I
Pomiar przesunięcia
dżojstika
Wejście
analogowe
Napięcie elektrozaworu
hydraulicznego
+
Pomiar przesunięcia
siłownika
Wejście
analogowe
II
Regulator
_
Wyjście
analogowe
Napięcie hamulca MR
Pomiar siły siłownika
Wejście
analogowe
III
e
Wyjście
analogowe
Regulator
Pomiar siły dżojstika
Wejście
analogowe
Pomiar siły
Rys. 3. Schemat poglądowy układu sterująco-pomiarowego
W torze I następuje sterowanie położeniem siłownika. Napięcia z potencjometru położenia
dżojstika (0-5V) oraz z elektroniki indukcyjnego czujnika położenia siłownika (0-10V) podawane są na wejścia analogowe karty. Następnie sygnały te po odpowiednim przeliczeniu trafiają na sumator, w którym powstaje uchyb regulacji e. Podawany jest on na regulator, a potem sygnał trafia na wyjście analogowe jako napięcie sterujące zaworu.
W torze II odbywa się sterowanie hamulcem MR. Siła mierzona na siłowniku poprzez układy
wzmacniaczy trafia na wejście analogowe, z którego po odpowiednim przeliczeniu (odjęciu
wartości odpowiadającej oporom własnym obciążającego hamulca MR, bez podanego napięcia) trafia na regulator, a następnie na wyjście analogowe, jako napięcie cewki hamulca MR
dżojstika.
Tor III służył jedynie do pomiaru siły na dżojstiku. W badanym układzie sygnał siły z dżojstika podawany jest na wejście analogowe karty, a następnie przeliczany na odpowiednie jednostki (N). Wszystkie sygnały występujące w układzie tzn. położenie dżojstika i siłownika,
siła na dżojstiku i siłowniku, napięcie zaworu oraz prąd hamulca MR dżojstika, rejestrowanie
są w przestrzeni roboczej programu Matlab, a następnie eksportowane do plików Excela.
4. Elektroniczne układy pośredniczące
Aby podłączyć dżojstik do karty wejść/wyjść komputera należało wykonać elektroniczne
układy pośredniczące. Do podłączenia hamulca MR służy operacyjny wzmacniacz mocy opar-
3
ty na układzie OPA549. Schemat tego wzmacniacza przedstawiony jest na rys. 4, a widok
gotowej płytki na rys. 5.
R1
+15V
3
UIN
_
P1
10,11
OPA 549
4
D1
UOUT
1,2
8
+
D2
6
5,7
L
9
+5V
-15V
R1=10k; P1=100k; D1D2=1N5822; L=Hamulec MR
Rys. 5. Widok płytki wzmacniacza wysoprądowego
Rys. 4. Schemat ideowy wzmacniacza
wysoprądowego
Układ pomiaru wychylenia dżojstika zbudowany jest w oparciu o wzmacniacz operacyjny
OP27. Sygnał PIN1 jest to sygnał położenia potencjometru zamontowanego w dżojstiku, informujący o jego położeniu. Aby uniknąć konieczności precyzyjnego mechanicznego ustawiania potencjometru w dżojstiku zastosowano układ sumatora na wejściu nieodwracającym
wzmacniacza operacyjnego. Przy pomocy potencjometru podłączonego do ujemnego zasilania
można doregulować wartość zera dla skrajnego zerowego położenia dżojstika. Potencjometrem na ujemnym sprzężeniu zwrotnym można wyregulować napięcie dla maksymalnego wychylenia dżojstika. Schemat układu pokazany jest na rys. 6.
P2
+5V
R1
+15V
2
R2
PIN1
7
4
3
-15V
6
US1
OUT1
-15V
R3
P1
R1÷R3=10k; P1÷P2=100k; US1=OP27;
Rys. 6. Schemat ideowy pomiaru wychylenia dżojstika
Układ pomiaru siły na dżojstiku zbudowany jest w oparciu o pomiarowy wzmacniacz operacyjny INA128 (US1). Na wzmacniaczu tym sygnał z mostka tensometrycznego PW6KRC-3
firmy HBM wzmacniany jest kilkadziesiąt razy. Wzmocnienie ustala się za pomocą potencjometru P1. Następnie sygnał ten wzmacniany jest na kolejnym wzmacniaczu operacyjnym
pracującym w układzie odwracającym fazę zbudowanym na niskoszumowym układzie OP27
(US2). Z wyjścia tego wzmacniacza sygnał trafia do wzmacniacza (US3) pracującego w układzie różnicowym, w którym przy pomocy potencjometru P2 można zerować sygnał siły.
4
Schemat tego układu przedstawiony jest na rys. 7, a widok gotowej płytki pomiaru siły i wychylenia na rys. 8.
+5V
P1
1
2
T1 - 350Ω
R2
+15V
7
3
+15V
R1
8
US1
2
7
6
5
4
3
-15V
-15V
R3
+15V
P2
R4
+15V
2
R5
-15V
6
US2
4
6
US3
3
R6
7
4
OUT1
-15V
US1=INA128; US2÷US3=OP27; T1=PW6KRC-3
R1=1kΩ; R2÷R6=10k; P1÷P2=10k;
Rys. 7. Schemat ideowy pomiaru siły
Rys. 8. Widok płytki pomiaru siły i wychylenia
5. Badania doświadczalne
Pomiary zostały wykonane na stanowisku hydraulicznym wyposażonym w siłownik z zaworem proporcjonalnym oraz liniowy sterowalny hamulec magnetoreologiczny stanowiący obciążenie siłownika. Pomiędzy tłokiem siłownika i hamulcem MR zamontowano czujnik siły.
Widok stanowiska pokazany jest na rys. 9.
Indukcyjny
pomiar
położenia
Siłownik
hydrauliczny
PC 2
PC 1
Dżojstik
Czujnik siły
Obciążenie regulowane
Liniowy hamulec MR
Rys. 9. Widok stanowiska pomiarowego
Pierwszy algorytm sterowania oparty był o regulator linearyzujący układ magnetoreologiczny
hamulec obciążający-dżojstik. Na podstawie charakterystyk dżojstika i hamulca MR wyznaczono nieliniową funkcję, która pomijała opory własne obciążenia oraz rozkładała w sposób
5
liniowy przyrosty siły na dżojstiku w zależności od sił uzyskiwanych na siłowniku. Układ
sterowania wykonany w programie Simulink przedstawiony jest na rys. 10.
10
Gain 4
polsilo
Napięcie zaowru
proporcjonalnego
To Workspace1
Położenie siłownika
e
Analog
Input
Analog Input 2
Advantech
PCI-1716 [ auto]
Analog
Output
5
Gain 10
2
Analog Input 3
Advantech
PCI-1716 [ auto]
butter
napzawor
Gain 3
50
Położenie dżojstika
4
Analog Input 4
Advantech
PCI-1716 [ auto]
To Workspace3
Gain 11
siladzoj
To Workspace 7
Analog
Filter Design 1
poldzoj
Gain 5
To Workspace2
Napięcie hamulca MR
Siła z siłownika
Analog Input 1
Advantech
PCI-1716 [ auto]
siladzoj
Analog
Input
Analog
Input
Analog
Input
Analog Output 1
Advantech
PCI-1716 [ auto]
time
Analog
Output
|u|
Abs
silasilo
Gain 7
To Workspace6
Analog Output 2
Advantech
PCI-1716 [auto]
Lookup Table
-10
Clock
.11
To Workspace5
Gain 8
pradhmr
To Workspace4
Rys. 10. Układ sterowania wykonany w programie Simulink
Na rys. 11 przedstawiona jest charakterystyka siły na dżojstiku Fd w odpowiedzi na skok jednostkowy siły na siłowniku Fs.
45
Fs=7kN
40
35
Fs=6kN
30
Fs=5kN
Fd[N]
25
20
15
10
Fs=4kN
5
0
0
-5
0,5
1
1,5
2
2,5
3
t[s]
Rys. 11. Zlinearyzowana charakterystyka Fd=f(t) dla różnych sił obciążenia
Na rys. 12 przedstawiono przebiegi siły i położenia dżojstika i siłownika przy obciążeniu
5kN.
6
I
35
III
II
30
Fj
25
20
15
10
yj
5
ys
Fs
0
0
5
10
15
20
25
30
t[s]
Rys. 12. Przebiegi siły i położenia dżojstika i siłownika przy obciążeniu 5kN
(Fj – siła na 10
dżojstiku; yj –polsilo
położenie dżojstika;
Gain
4
To
Workspace
1
Fs – siła na siłowniku; ys – położenie
siłownika)
zawor
polozenie silownika
Clock
Analog
czasie
Output
5
Na rys. 12
I informuje o początku ruchu siłownika.
W
oznaczonym
linią II siłownik
zaczął
pracować
pod
obciążeniem
(załączenie
napięcia
na
liniowy
hamulec
Analog Input 2
Gain 10
Analog Output 1
Advantech
MR). Linią III oznaczono osiągnięcie pozycji skrajnej przez dżojstik.
Advantech
Analog
linia
oznaczona
Input
PCI -1716 [ auto]
PCI -1716 [ auto]
polozenie dzojstika
siladzoj
W następnym
algorytmie sterowania założono, że operator powinien dostaćnapzawor
informację o zbliAnalog
2
żaniu się do Input
przeszkody jeszcze przed uderzeniem w nią. W tym celu na końcu tłoka zamonTo Workspace 3
Analog
Analog
Inputczujnik
3
Gain 3 którego zadaniem był pomiar odległości od przeszkody.
towano laserowy
odległości,
Input
Advantech
Sygnał z PCI
tego
czujnika
wprowadzono do komputera poprzez dodatkowe wejście analogowe
-1716
[ auto]
Analog iInput 4
Advantech
po odpowiednim przeliczeniu50 zsumowano
z sygnałem napięcia wychodzącym na hamulec
poldzoj
PCI -1716 [auto]
MR dżojstika (rys. 13).
Gain 5
To Workspace 2
Odległość od przeszkody
z czujnika laserowego
Analog
Input
-.3
Analog Input 5
Advantech
PCI-1716 [ auto]
Gain 6
0
6 .5
Switch
Constant 3
Constant 2
Napięcie hamulca MR
Siła z siłownika
Analog
Input
Analog Input 1
Advantech
PCI -1716 [ auto]
Analog
Output
|u|
Abs
Lookup Table 1
-10
Gain 7
Analog Output 2
Advantech
PCI-1716 [ auto]
silasilo
To Workspace 5
Rys. 13. Schemat układu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odległości
7
Przebiegi sił siłownika i dżojstika widoczne są na rys. 14. Dodatkowo na tym wykresie naniesiona jest odległość tłoka od przeszkody (L). Linią pionową zaznaczony jest moment zderzenia siłownika z przeszkodą.
45
I
40
35
30
Fd[N]
25
20
15
10
L [mm] 40
5
30
20
Fs[kN]
10
0
0
0,5
1
1,5
10
2
t[s]
2,5
3
3,5
4
polsilo
Rys. 14. Charakterystyki z układu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odleGain 4
To Workspace 1
głości
zawor
położenie siłownika
1
5
PodczasAnalog
badań zauważono,
że czasami zdarza
się, że operator zbytAnalog
szybko przesuwa dźwiInput
Output
2 napęd hydrauliczny
Inputco
Gain 1
Gainza
10 położeniem dżojstika. Zaprojektowano więc
gnią, Analog
przez
nie nadąża
Analog Output 1
Advantech
Advantech
PCI-1716 [sterowania,
auto]
taki układ
w którym dżojstik będzie hamowany w momencie,
uchyb regula]
PCI-1716 [autojeżeli
położenie
dżojstika
cji e (rys. 10) przekroczy założoną wielkość. Schemat tego układu wykonany w programie
Analog
2
Simulink
przedstawia rys.
15. Na rys. 16a widoczne są przebiegi siły i położenia dżojstika i
Input
3
3
Analog
Input
Gain
Display 3
siłownika podczas sterowania tą metodą. Rys. 16b pokazuje rozkład składowych
prądu płynąAdvantech
-1716 [auto
]
cego PCI
przez
hamulec
MR dżojstika z podziałem na część pochodzącą
od
uchybu
(kolor czernapzawor
50
poldzoj
wony) oraz z czujnika siły (niebieski).
To Workspace 3
Gain 5
To Workspace 2
Napięcie dżojstika
e
|u |
Analog
nap
HMR
Output
10
Abs 1
Gain 6
Switch
Saturation
Analog Output 2
Advantech
PCI-1716 [ auto]
0
Constant 2
Siła z siłownika
Analog
Input
Analog Input 1
Advantech
PCI-1716 [ auto]
-KGain 8
| u|
pradhmr
To Workspace 4
Abs
Lookup Table
-K -10
Gain 7
Gain 14
silasilo
silahmr
To Workspace 9
To Workspace 5
Rys. 15. Schemat układu sterowania algorytmem z dodatkowym sprzężeniem od uchybu wykonany w programie Simulink
8
a)
250
yd[mm]
200
150
100
ys[mm]
50
Fd[N]
Fs[kN]
0
0
b)
0,5
1
1,5
2
2,5
3
2,5
3
0,12
Iuchyb[A]
0,1
I[A]
0,08
0,06
0,04
Isiła[A]
0,02
0
0
0,5
1
1,5
2
t[s]
Rys. 16. Przebiegi podczas sterowania algorytmem z dodatkowym sprzężeniem od uchybu:
a) siła i położenie dżojstika i siłownika, b) rozkład składowych prądu hamulca MR
w dżojstiku
0,5
Ruch szybszy
0,45
Id[A]
0,4
0,35
0,3
0,25
Iduchyb[A]
0,2
0,15
Idsiła[A]
0,1
0,05
0
0
0,5
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,4
1,6
Ruch wolniejszy
0,45
0,4
0,35
0,3
Iduchyb[A]
0,25
Id[A]
0,2
0,15
Idsiła[A]
0,1
0,05
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
t[s]
Rys. 17. Porównanie prądów dżojstika dla różnych szybkości jego ruchu
9
Na rys. 17 porównano rozkład prądów pochodzących od uchybu i z czujnika siły dla dwóch
różnych szybkości ruchu dżojstika. Widać na nim, że im szybszy ruch tym szersza jest część
pochodząca od uchybu.
6. Wnioski
Na podstawie przedstawionych w artykule badań można stwierdzić, że zastosowanie dżojstika
dotykowego znacznie poszerza możliwości sterowania. Dzięki zastosowaniu różnych algorytmów sterowania operator za pomocą zmysłu dotyku może doświadczać dodatkowych wrażeń, a przez to w niektórych warunkach precyzyjniej i bezpieczniej obsługiwać maszynę.
Obecnie trwają prace nad opracowaniem jeszcze innych algorytmów sterowania w układzie
dżojstik dotykowy – serwonapęd elektrohydrauliczny oraz poszukiwane są kolejne możliwości zastosowania dżojstików dotykowych np. w układach do wykrywania podziemnych linii
energetycznych lub rur kanalizacyjnych podczas pracy koparką.
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego MNiSW p.t.: " Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy
urządzeń mechatronicznych z napędami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" nr N N502 260737.
Paweł Bachman jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.2.2 „Regionalne Strategie Innowacji”, Działania 8.2 „Transfer wiedzy”,
Priorytetu VIII „Regionalne Kadry Gospodarki” Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa.
Literatura
[1] Paweł Bachman, Zastosowanie cieczy MR w dżojstikach typu "haptic", Ciecze elektro- i
magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań, 2010.
[2] Andrzej Milecki, Paweł Bachman, Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym - podsumowanie
projektu badawczego, Współczesne problemy techniki, zarządzania i edukacji, Zielona Góra,
2008.
[3] Andrzej Milecki , Paweł Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z
interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2010.
[4] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Algorytmy sterowania napędem elektrohydraulicznym przy pomocy wahadłowego dżojstika dotykowego z cieczą MR w układzie
z siłowym sprzężeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2009.
[5] Paweł Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo drive,
Journal of Physics : Conference Series, Vol. 149, 2009.
[6] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Robot sterowany trzyosiowym dżojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2009.
[7] Paweł Bachman, Siłowe sprzężenie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka, nr 2,
2009.
[8] Paweł Bachman, Sterowanie napędem elektrycznym za pomocą dżojstika dotykowego z
cieczą magnetoreologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Budowa Maszyn i
Zarządzanie Produkcją, Poznań 2008, nr 8.
10