thiết kế phương pháp điều khiển robot tự hành dựa trên cơ sở logic mờ, chương 12 pps

Chương 12: Khối mạch công suất
a. Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển
Bản chất của việc điều khiển Mobile robot thực ra là điều
khiển các động cơ của robot đó. Mobile robot được xây dựng bao
gồm 2 động cơ dẫn động 2 bánh sau. Hướng đi của robot sẽ do tốc
độ của 2 bánh n
ày quyết định, do vậy nó yêu cầu phải thay đổi
chiều quay liên tục, đảo chiều quay.
Hình 5.10. Mô hình Mobile robot
Động cơ sử dụng ở đây là động cơ một chiều, kích từ độc lập.
Có 3 cách để điều khiển tốc độ động cơ là :
+ Thay đổi từ thông động cơ
+ Thay đổi điện áp đặt l
ên phần ứng động cơ
+ Thay đổi trở phụ v
ào phần ứng động cơ
Động cơ sử dụng l
à loại nam châm vĩnh cửu nên từ thông là
không đổi. Do đó chỉ có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách
MOBILE
ROBOT
Động
cơ
Bánh chủ động
Bánh
trước
Thân
robot
là thêm trở phụ vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt lên phần
ứng động cơ. Họ đặc tính cơ của hai phương pháp điều chỉnh tốc
độ trên là như sau:

Hình 5.2a là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay
đổi điện trở phụ mắc v
ào phần ứng, trong đó: R
f1
> R
f2
>R
f3
>R
f
= 0
. Hình 5.2b là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay đổi
điện áp đặt v
ào phần ứng, trong đó : U
1
< U
2
< U
3
< U= U
đm
.
Hình 5.11. Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi.
a. Thêm điện trở phụ; b. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng.
Trong hai phương pháp trên, rõ ràng phương pháp điều chỉnh
điện áp l
à có nhiều ưu điểm hơn vì :
- Th
ứ nhất: khi thay đổi tốc độ động co bằng thay đổi điện áp
thì độ cứng đặc tính cơ không đổi, còn khi thay đổi tốc độ bằng

thay đổi điện trở phụ th
ì đặc tính cơ là thay đổi (nhỏ hơn).
0
R
f
= 0
R
f3
R
f2
R
f1
U = U
dm
U
3
U
2
U
1
0
- Thứ hai: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ không
gây ra tổn hao năng lượng, còn khi sử dụng điện trở phụ sẽ gây ra
tổn hao trên trở phụ.
- Thứ ba: thay đổi trở phụ mắc vào phần ứng động cơ làm
cho hằng số thời gian động cơ thay đổi dẫn đến các đặc tính quá độ
thay đổi, điều n
ày là không tốt, cần tránh.
Từ những điểm trên, ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc
độ bằng cách thay đổi điện áp đặt l

ên phần ứng động cơ. Một
phương pháp thường sử dụng ở đây để thay đổi điện áp vào động
cơ là phương pháp băm xung ( điều chế độ rộng xung PWM ).
b. Thiết kế mạch lực
Điều chỉnh độ rộng xung là sử dụng các xung điện để đóng
ngắt nguồn với tải một cách có chu kỳ. Phần tử thực hiện nhiệm vụ
đó là các van bán dẫn như Thyristor, Mosfet, IGBT, Tranzitor
bipolar. Ở đây, 2 động cơ là công suất nhỏ nên ta sử dụng Mosfet
vì điều khiển đơn giản hơn và thông dụng.
Nguyên lý của phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM
Hình 5.12. Nguyên lý băm xung điện một chiều
U
r
T
t
m
Một xung được phát ra sẽ có chu kì là T, trong đó có thời
gian xung ở mức cao là t
m
và thời gian xung ở mức thấp. Khi xung
ở mức cao chính l
à lúc nó mở các van, cấp điện áp cho động cơ.
Điện áp cấp trong một chu k
ì xung được tính :
U
r
= U
v
. t
m

/ T
Nguyên lý b
ăm xung có đảo chiều
Hình 5.14. Sơ đồ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều
Theo sơ đồ trên, muốn đảo chiều động cơ chỉ cần đóng/ngắt
các van theo một quy tắc như sau:
Khi động cơ làm việc theo chiều thuận th
ì T
3
mở hoàn toàn, T
2
và T
4
khóa, T
1
được đóng ngắt theo chu kì xung vào. Chiều dòng
điện từ dương nguồn  T
1
 động cơ  T
3
 âm nguồn.
Khi động cơ làm việc theo chiều ngược th
ì T
4
luôn mở, T
2
đóng ngắt theo chu kì xung, T
1
và T
3

khóa. Chiều dòng điện :
dương nguồn
 T
2
 động cơ  T
4
 âm nguồn. Trong cả hai
chiều quay, trị số điện áp ra được tính theo công thức:
U
r
= t
m
.U
v
/ T
T1
T2
T
T4
D
4
D1
D2
D3
Các điode có nhiệm vụ bảo vệ các van khi ngắt dòng động cơ ra
khỏi nguồn.
c. Sơ đồ mạch cầu H
Mạch cầu H là mạch sử dụng để băm xung điện áp một chiều
và đảo chiều quay động cơ. Trong đó được sử dụng 2 MOSFET
kênh P và 2 MOSFET kênh N. Đặc tính mở của Mosfet phụ thuộc

vào sự chênh lệch điện áp giữa 2 chân G và S. Nó được mở hoàn
toàn
ở điện áp từ 10 ÷ 12 V.
Hình 5.15. Sơ đô nguyên lý 1 mạch cầu H
Hình 5.16. Đặc tuyến làm việc của Mosfet kênh N
Sơ đồ dùng MOSFET nên việc quan trọng là phải mở bão hòa
được các van MOSFET. Theo sơ đồ mạch như hình 5.16
-
Điều khiển Q1: khi đầu vào được nối lên +5V thì OPTOI 1
m
ở. Điện trở R1 tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa 2 cực S và G
c
ủa Q
1
là 12V làm Q
1
mở bão hòa. Khi đầu vào 1 nối xuống 0v thì
OPTOI khóa làm c
ực G và S đều treo lên là 12 V, do đó Q
1
bị
khóa. Q
2
đóng mở tương tự Q
1
.
-
Điều khiển van Q
3
: khi đầu vào làm OPTOI 3 mở . Điện trở

R12 làm chênh lệch điện áp giữa G và S là 12V, Q
3
mở. Khi đầu
vào 3 nối xuống 0V (mức logic ‘0’) thì OPTOI 3 đóng, cả cực G
và S đều được nối xuống 0V n
ên V3 khoá. Cách mở Q
4
tương tự
Q
3
.
Các linh ki
ện sử dụng cho mạch cầu H :
+ MOSFET kênh N là loại IRF630N có cường độ dòng điện
định mức là 9.3A, điện áp định
mức là 200V.
MOSFET kênh N
U
GS
=12V
U
GS
=9V
U
GS
=7.5V
U
GS
=6V
I

D
V
S
+ MOSFET kênh P là loại IRF 9630 có khả năng chịu dòng
6,5A, điện áp định mức là 200V.
+ Diode, t
ụ gốm, tụ hóa, opto, điện trở, led đỏ, led xanh.
a. Lựa chọn động cơ
Hình 5.17.Động cơ
- Động cơ sử dụng là động cơ một chiều có tốc độ
500RPM, sử dụng điện áp 12V. Có hộp giảm tốc để tăng mô
men kéo và giảm tốc.