Hybrid machine systems:Analysis and control

Abstract

Hibrid sürücülü sistemlerdeki temel ilke volanlı geleneksel motorların servo motorlarla birlikte bir mekanik mekanizma yardımıyla kullanılmasıdır. Hibrid sistemler her iki sürücü sisteminin avantajlarını da içermektedir. Hibrid sistemlerde büyük bir sabit hızlı motor ile küçük bir servo motor birleştirilir ve düzgün olmayan hareket çıktıları esneklik ve azaltılmış güç gereksinimi gibi özelliklerle elde edilir. İki serbestlik derecesine sahip bir yedi çubuk mekanizması sistem yapılanması olarak seçilmiştir. Sistemin kinematik analizi ters ve düz kinematik olarak sunulmuştur. Devre kapalılık denklemlerinden faydalanılmıştır. Hareket tasarım prosedürleri hareket eğrisi örnekleri ile uygulanmıştır. İki farklı koç hareketi tasarlanmıştır. Hareket özelliklerinin elde edilmesinde beşinci dereceden polinomlar kullanılmıştır. Hareket tasarımını gerçekleştirilmesinde Curve Fittting Toolbox Matlab® yardımcı bir araç olarak kullanılmıştır. Denetim sistem tasarımı ve hibrid sistem performansının analizi için bir dinamik model türetilmiştir. Sistem denklemleri enerji ifadeleri ve bu ifadelerin zamana ve genelleştirilmiş koordinatlara göre kısmi türevlerinin kullanılmasıyla elde edilmiştir. Dinamik analizde Lagrange ve Kinetostatic yöntemleri üzerinde çalışılmıştır. PID denetim algoritması her iki eksendeki sürücü dinamik denklemlerine dahil edilmiştir. Sistem benzetimi yaklaşık bir çözüm elde etmek için kullanılan bir entegrasyon tekniği olan 4. dereceden Runge ? Kutta tekniğinden faydalanılanarak gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: hibrid sürücülü sistemler, hareket tasarımı, matematiksel modelleme, kinematik & dinamik analiz, PID denetim.

The main principle in hybrid driven systems is to use the conventional motors with a flywheel and the servo motors via a mechanical linkage mechanism. The hybrid systems include the advantages of the both driving systems. In the hybrid systems, a big constant velocity motor and a small servo motor are combined and non-uniform motion outputs are obtained with flexibility and decreased power requirement. A seven bar mechanism with two degree of freedom is chosen as the configuration of the system. Kinematics analysis of the hybrid driven mechanism is given as forward and inverse kinematics analysis. Loop closure equations are used to analyze them. Motion design procedures are applied with motion curve examples. Two different ram motions are designed. Fifth order polynomials are used to obtain characteristics of the motions. Curve Fitting Toolbox in Matlab® is applied as an auxiliary tool to perform motion design. A dynamic model is derived to design the control system and analyze the performance of the hybrid system. Dynamic analysis of the system is studied by two ways; Lagrangian and Kineto-static. The system equations are derived by using the energy expressions & their partial and time derivatives with respect to the defined generalized coordinates. Actuator dynamics for both axes are included with a PID control algorithm. The system simulation is performed with an explicit method; the fourth order Runge-Kutta method as an integration technique to get an approximate solution. Key Words; hybrid driven systems, motion design, mathematical modeling, kinematic & dynamic analysis, PID control