Tài liệu Cảm biến trong robot(sensor Robot) pdf

Lớp cơ điện tử 2-K47

Động cơ trong robot
I.Động cơ bước :
1.Mở đầu
Lợi ích của động cơ bước :
Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao
năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm
Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động
cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị
làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả
vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta
có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản
hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát
tốc (khác với servo).
Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng
tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không
phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi
momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được
góc quay.
Phân loại động cơ :
Động cơ buớc với roto là nam châm vĩnh cửu
- nhận biết :
+ Khi mất nhãn mác, khi quay trục động cơ bước có rotor là nam châm
vĩnh cửu ta sẽ thấy vướng theo chu kỳ răng cưa.Trong khi đó, nếu là động
cơ từ trở sẽ thấy trơn.
+ Cũng có thể phân biệt bằng đồng hồ vạn năng. Động cơ từ trở thường có
3-4 cuộn dây được đấu chung GND trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu
thì không.

Nhóm : NNT-DR
1
Lớp cơ điện tử 2-K47
- phân loại động cơ :
+)Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra. Đầu 1,2 thường
được nối với cực dương, hai đầu a và b có thể được nối xuống đất hoặc
không sẽ quyết định chiều quay của động cơ.
+)Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn
giản hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua
cuộn dây a,b.
Động cơ bước kiểu từ trở

Nhóm : NNT-DR
2
Lớp cơ điện tử 2-K47
Nguyên lí :
Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung
được nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để
quay rotor.
Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn
trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ
quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục
cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ
như vậy điều khiển quay rotor.
Sơ đồ điều khiển cơ bản của động cơ từ trở :
Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ
trường làm quay rotor. Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị
đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất Tín hiệu điều
khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy
tính.

Vấn đề bảo vệ khóa điều khiển :
Do cuộn dây động cơ có tính chất cảm nên không thể đóng cắt dòng qua
cuộn dây ngay lập tức. Khi đóng, dòng trong cuộn dây tăng từ từ, trễ so với
áp. Khi mở khoá, dòng này có thể gây lên một điện áp lớn đánh thủng tiếp
điểm của khoá.
Để tránh vấn đề này có hai phương cách giải quyết:
+ Mắc vào hai đầu cuộn dây một diode ngược
+ Mắc vào hai đầu cuộn dây một tụ điện
Như hình vẽ:
Nhóm : NNT-DR
3
Lớp cơ điện tử 2-K47
C1: Diode đảm bảo dẫn dòng qua trong một thời gian ngắn. Nếu dùng diode
thường, loại 1N400x cần mắc song song thêm một tụ nhỏ.
C2: Khi mở khoá, năng lượng trong cuộn dây sẽ được nạp vào tụ. Điện áp
trên bản cực tụ cao hơn điện áp nguồn và phải đảm bảo nhỏ hơn điện áp chịu
đựng của khoá chuyển. Từ đó có công thức tính tụ bảo vệ như trên. Khi khoá
đóng, áp từ tụ xả qua khoá và khoá cũng cần chịu được điện áp này.
Điều khiển động cơ bước đơn cực :
Nhóm : NNT-DR
4
2 2
2
2
_ ax
/ 2 / 2
( )
van m ng
P CU LI
LI

C
U U
= =
>
−
Lớp cơ điện tử 2-K47
Mạch thực tế :
Khoá chuyển mạch dùng là transitor SK3180 với hệ số khuếch đại
khoảng 1000 lần. Với điện trở bazơ là 470 Ohm, dòng bazơ khoảng 10 mili
Ampe, nghĩa là có thể cho dòng qua cuộn dây đạt vài Ampe.
Có thể thay 74LS04 bằng một phần tử logic khác có cấu tạo collector
hở, chịu được dòng qua khoảng 10 mili Ampe. Khi khoá chuyển có sự cố,
dòng từ tải không “chảy” quay lại mạch điều khiển.
+ MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor Field Effect Transitor):
Điều khiển bằng điện áp,Ron nhỏ, tự ngắt ở điện áp source-drain quá
cao, có thể bật tắt với tốc độ cao, hoàn toàn tuyến tính.
MOSFET IRC IRL 540 có thể dẫn dòng lên tới 20 Ampe và tự ngắt
tại điện áp 100V. Điều này dẫn đến việc không cần phải có diode bảo vệ khi
gắn switch với một phiến tản nhiệt phù hợp.
Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện trở 100 Ohm. Trong
trường hợp transitor bị hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm hỏng các
linh kiện TTL của mạch điều khiển.
Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mili Ampe,
có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở:
+ ULN2003, ULN2803 ( Allegro Microsystem)
+ DS2003 (National Semiconductor), MC1413 ( Motorola)
Nhóm : NNT-DR
5
Lớp cơ điện tử 2-K47
Điều khiển động cơ lưỡng cực với cầu H:

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiều
quay động cơ gặp khó khăn. Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn
dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu
H
Với 4 khoá A,B,C,D có thể thiết lập được 16 chế độ trong đó 7 chế độ ngắn
mạch nguồn
Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế
độ ngược
Chế độ hãm
Cặp khoá A,D đóng, cặp khoá B,C mở, dòng chảy qua
cuộn dây theo chiều mũi tên
Nếu mở nhanh hai khoá A,D dòng tiếp tục duy trì dòng
cũ và đi qua hai diode. Với tác dụng của áp nguồn với
đất, dòng sẽ tắt rất nhanh, khi đó rotor vẫn quay.
Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện
vẫn khép kín qua cuộn dây như hình vẽ. Do điện trở
nhỏ của cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thời gian giảm
dần và có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor
dừng lại.
Chế độ chống ngắn mạch
Nhóm : NNT-DR
6
Lớp cơ điện tử 2-K47
Một vấn đề rất đáng lưu tâm khi điều khiển động cơ loại lưỡng cực là vấn đề
chống ngắn mạch. Giữa AB ( cũng như CD) phải có một liên động về điện.
Dưới đây là một minh hoạ
Nhóm : NNT-DR
7
Lớp cơ điện tử 2-K47
Xét mạch cầu H thực tế :

Nhóm : NNT-DR
XY ABCD Mode


giảm dòng
00 0000
nhan
thuận
01 1001
10 0110
Chạy nghịch
11 0101 Hãm
8
Lớp cơ điện tử 2-K47
Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã
trình bày.
Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai
transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây. Khi cả hai ở mức thấp,
hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ
mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh
động.
Hoặc với một mạch đơn giản (như hình vẽ)

Cũng có thể điều khiển động cơ bước lưỡng cực loại nhỏ bằng IC TTL ba
trạng thái ( vẫn dùng điều khiển đường bus) như 74LS125 hay 74LS244
Mạch hoạt động tốt với cuộn dây có điện trở khoảng 50 Ohm với điện áp sụt
khoảng 4.5V ( nguồn nuôi 5V).
Cách mắc như trên cho phép dòng tăng lên gấp đôi (qua cuộn dây) so với
dòng mà IC có thể dẫn.
Nhóm : NNT-DR

9
XYE Mode

- - 1
Giảm nhanh dòng
000
Phanh động
010
Chạy thuận
100
Chạy nghịch
110
Phanh động
Lớp cơ điện tử 2-K47
Hoặc dùng IC chuyên dùng :
L293: Phải mắc thêm cầu diode bên ngoài.
L293D: Đã có sẵn cầu diode bên trong.
- Để tản nhiệt cho IC có thể thiết kế chân GND rộng hay gắn thêm một phiến
tản nhiệt
Nhóm : NNT-DR
10
Lớp cơ điện tử 2-K47
- Dòng chịu được lên tới 3A
Chip L298 cũng có thể dùng điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây
chừng 2A. Để nâng dòng lên khoảng 4A, giống như trong trường hợp dùng
74LS244 ta mắc song song hai đầu ra như sơ đồ bên phải.
Một điều đáng lưu ý với chip này là tốc độ switch rất nhanh, đến mức diode
loại thường như 1N4007 không kịp dẫn. Vì vậy, phải dùng diode nhanh hơn.
Tương đương với L298 có LMD18200 của National Semiconductor.
Cách dùng IC tạo ra mạch H:

Khi không có được những IC chuyên biệt cho việc cầu H, có thể ghép từ các
IC nửa cầu H trong danh mục sau:
IR2001, IR2002, IR 2003, IR2004, IR2111.
Nhóm : NNT-DR
11
MicroControll
er
V
Analo
g Filter
V*
Lớp cơ điện tử 2-K47
Có thể sử dụng chip chuyên dụng cho điều khiển ba pha nhưng bỏ bớt nhánh
để tạo cầu điều khiển.
TA7288P, GL7438, TA 8400, TA8405
II) Động cơ một chiều (DC)
Trong robot một loại động cơ hay dùng là động cơ một chiều.Ta xét việc
điều khiển động cơ một chiều thông qua việc thay đổi điện áp ,bằng phương
pháp PWM(Pulse Width Modulation)
+ Tần số điều chế là không thay đổi
+ Bề rộng xung là thay đổi.
Sơ đồ vi mạch 555/556:
Tạo ra xung có đều nhau ,tần số :f=1.49/(R
A
+R
B
)C
Nhóm : NNT-DR
12
Lớp cơ điện tử 2-K47

Tạo ra xung có bề rộng ΔT khi có xung vào chân trigger
ΔT=1.1RC
Hoặc ta có thể sử dụng IC555 :
Mạch dùng điều khiển động cơ 6V, 0.5 A với đầu vào Vin=9V
U1: tạo nhịp, chính là tần số làm việc
U2: Chu kỳ làm việc
Nhóm : NNT-DR
13
Lớp cơ điện tử 2-K47
Hoặc sử dụng vi điều khiển :
VD1: Sử dụng hai timer T0,T2 của AT89C52
T0: chu kỳ của xung PWM
T2: thời gian xung làm việc
VD2: Tạo pattern 16 bit (0 tắt, 1 đóng), dùng timer giữ nhịp đẩy các bit ra
cổng.
VD3: Sử dụng thanh ghi CC 80C537, có thể đạt 5kHz.
Nhóm : NNT-DR
14
Lớp cơ điện tử 2-K47
Nhóm : NNT-DR
15