Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển động cơ ứng dụng cho Robot Rhex

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÂM VŨ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ỨNG DỤNG CHO ROBOT RHEX

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – Năm 2018


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
LỜI CAM ĐOAN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã đọc và tham khảo nhiều tài liệu từ giáo
trình, sách chuyên môn cho đến rất nhiều các bài báo được đăng tải trong và
ngoài
LÂM VŨ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ỨNG DỤNG CHO ROBOT RHEX

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TRUNG TÁ.TS. VŨ VĂN TÂM
PGS. TS TRẦN ĐỨC TÂN

HÀ NỘI – Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những gì tôi đã viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân
thực, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong khóa luận không sao
chép từ bất kì tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi
đã nghiên cứu, tích lũy được trong quá trình làm luận văn này.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài
liệu khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

TÁC GIẢ

LÂM VŨ

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tôi đã nhận được sự
giúp đỡ chu đáo của các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, Trường
Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển động cơ ứng dụng cho
Robot Rhex” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu
được và được ứng dụng trong điều kiện thực tiễn hiện nay.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Đức Tân, thầy Vũ Văn
Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài
với tất cả lòng nhiệt tình chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học
nghiêm túc và thẳng thắn của những nhà khoa học uy tín, mẫu mực. Tôi xin
chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những đóng
góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện
khóa luận này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và nỗ lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................................vii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................................... 1

2. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................................. 1
3. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................................................. 2
6. Kết cấu của luận văn .............................................................................................................. 2
Chương 1...................................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ ROBOT RHEX................................................................................................. 3
1.1. Giới thiệu chung về robot Rhex............................................................................................ 3
1.2. Sự phát triển của Robot Rhex............................................................................................... 4
1.3. Một số phương pháp điều khiển động cơ robot Rhex ............................................................. 6
1.3.1. Khái niệm chung........................................................................................................... 6
1.3.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều ..................................................................................... 7
1.3.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.............................................................. 7
1.3.4. Phân loại động cơ một chiều .......................................................................................... 8
1.3.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn .......................................... 8
1.3.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp................................... 9
1.3.7. Một số phương pháp điều khiển tốc độ và chiều quay dùng Transistor và Thyristor ......... 10
1.3.8. Phương án dùng vi điều khiển ...................................................................................... 13
1.4. Kết luận............................................................................................................................ 15
Chương 2.................................................................................................................................... 16
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ.................................................................... 16
2.1. Yêu cầu xây dựng hệ thống điều khiển động cơ................................................................... 16
2.2. Sơ đồ điều khiển động cơ................................................................................................... 16
2.2.1. Sơ đồ khối .................................................................................................................. 16
2.2.2. Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................................... 17


iv

2.2.3. Lưu đồ thuật toán........................................................................................................ 18

2.3. Phương pháp điều khiển động cơ....................................................................................... 19
2.3.1. Arduino phát PWM điều chỉnh vận tốc động cơ ............................................................ 19
2.3.2. Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) ................................................................. 20
2.4. Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm................................................................................ 25
2.4.1. Tổng quan về Arduino ................................................................................................... 25
2.4.14. Các linh kiện khác trên board Arduino ATMega 2560 ................................................. 27
2.4.2. Thông số kỹ thuật Arduino ATMega 2560 .................................................................... 27
2.4.3. Lập trình cho Arduino ................................................................................................. 31
2.5. Lựa chọn mạch Driver ....................................................................................................... 33
2.6. Lựa chọn động cơ DC........................................................................................................ 36
Chương 3.................................................................................................................................... 43
KẾT QUẢ VÀ THỬ NGHIỆM.................................................................................................... 43
3.1. Kết quả............................................................................................................................. 43
3.2. Thử nghiệm ...................................................................................................................... 44
3.2.1. Thử nghiệm các thao tác vòng trái, vòng phải với các góc độ khác nhau ......................... 45
3.2.2. Thử nghiệm Robot di chuyển tại địa hình bằng phẳng ................................................... 47
3.2.3. Thử nghiệm Robot lên, xuống bậc cao.......................................................................... 48
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 50
1. Kết quả nghiên cứu của đề tài ............................................................................................... 50
2. Hướng phát triển của đề tài: .................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 52
PHỤ LỤC................................................................................................................................... 52


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot Rhex. .................................................................................... 3
Hình 1.2. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển............8
Hình 1.3. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện. ............................................ 9

Hình 1.4. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện. ............................................ 9
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo
chiều quay .................................................................................................... 11
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Transistor và khuếch
đại thuật toán................................................................................................ 11
Hình 1.7. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng điôt và Thyristor . 13
Hình 1.8. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 1 cho chân số 1 của Robot ............. 14
Hình 2.1. Sơ đồ khối quá trình điều khiển động cơ......................................... 16
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý bao gồm 1 Arduino mega 2560, 4 IC driver LM 298,
6 động cơ DC. .............................................................................................. 17
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán .......................................................................... 18
Hình 2.4. Giản đồ thời gian của xung PWM................................................... 19
Hình 2.5. Sơ đồ khối giải thuật P ................................................................... 20
Hình 2.6. Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot Rhex.. ...................... 22
Hình 2.7. Lưu đồ giải thuật hiệu chỉnh PID.................................................... 25
Hình 2.8. Arduino Mega 2560 ....................................................................... 28
Hình 2.9. Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4 ........................................ 29
Hình 2.10. Board mạch mở rộng cho Arduino Mega 256 ................................ 30
Hình 2.11. Ứng dụng của Arduino với IoT..................................................... 31
Hình 2.12. Môi trường lập trình của Arduino ................................................. 32
Hình 2.13. Sơ đồ khối IC LM 298 ................................................................. 33
Hình 2.14. IC LM 298.........................................................................................34
Hình 2.15. Sơ đồ màu dây động cơ DC ..............................................................36
Hình 2.16. Hình ảnh thực tế động cơ..................................................................37


vi

Hình 2.17. Optical Encoder.................................................................................38
Hình 2.18. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder...........................................39

Hình 2.17. Cảm biến la bàn số QMC5883L .......................................................40
Hình 2.19. Cảm biến la bàn số QMC5883L. .................................................. 41
Hình 3.1. Bản vẽ mạch in hai lớp........................................................................43
Hình 3.2. Mạch điện thực tế .......................................................................... 43
Hình 3.3. Lắp ráp các bo mạch vào robot Rhex .............................................. 44
Hình 3.4. Đồ thị hiển thị góc quay ................................................................. 46
Hình 3.5. Thử nghiệm cho Robot tại chỗ vòng trái, vòng phải ........................ 46
Hình 3.6. Đồ thị hiển thị tín hiệu di chuyển trên đường bằng phẳng. .............. 47
Hình 3.7. Thử nghiệm Robot di chuyển trên đường bằng phẳng...................... 47
Hình 3.8. Đồ thị hiển thị tín hiệu lên xuống bậc cao ....................................... 48
Hình 3.9. Thử nghiệm Robot lên xuống bậc cao............................................ 49


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Luật điều khiển PID............................................................................21
Bảng 2.2. Bốn cổng nối tiếp giao tiếp với phần cứng.........................................29


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, có rất nhiều loại robot được chế tạo, đưa vào sử dụng nhằm
mục đích phục vụ, thay thế, giải phóng sức lao động của con người. Có nhiều
lĩnh vực khoa học, kĩ thuật và đời sống bắt buộc phải có robot vào làm việc.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của
khoa học, kỹ thuật và công nghệ, robot đã xâm nhập vào trong đời sống của
chúng ta, nó thực sự là một trợ thủ đắc lực giúp con người giải quyết, xử lý

những công việc phức tạp, có tính chuyên môn hóa cao.
Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng, việc phát minh, sáng chế và chế tạo ra
những chú robot thay thế chiến sĩ và những chú cảnh khuyển thực sự đã trở
thành một ngành khoa học quân sự.
Tình hình tội phạm trong nước diễn biến phức tạp và nguy hiểm, đặc biệt là
tội phạm về ma túy, khủng bố. Chúng thường cố thủ, liều lĩnh làm tăng tính rủi
ro cho cán bộ, chiến sĩ đang thực thi nhiệm vụ.
Xuất phát từ những lý luận và thực tiễn trên, tôi mạnh dạn chọn đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển động cơ ứng dụng cho Robot Rhex
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống mạch điều khiển
động cơ chân robot.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài tiến hành tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot và nghiên cứu các
phương pháp chế tạo mạch điều khiển động cơ chân robot để nâng cao hiệu quả
khi robot di chuyển. Phân tích và so sánh, đánh giá các phương pháp, sử dụng


2

phần mềm chuyên dụng để mô phỏng cách thức điều khiển hoạt động của động
cơ chân robo, từ đó đưa ra các nhận xét và chọn ra phương pháp tối ưu.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống điều khiển động cơ robot.
- Nghiên cứu các phương pháp để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển
động cơ.
- Đánh giá, so sánh hiệu quả giữa các phương pháp.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp điều khiển động cơ, mô phỏng
kiểm chứng lý thuyết và đưa ra nhận xét, so sánh các kỹ thuật điều khiển, tìm ra

kĩ thuật điều khiển tối ưu cho từng điều kiện cụ thể.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Robot Rhex đã được nghiên cứu và sử dụng tại một số nước trên thế giới
do tính ưu việt của nó. Trong khi nhu cầu nội địa hóa và chế tạo robot thực hiện
chức năng chuyên biệt trong nước đang cần thì việc tập trung nghiên cứu chế tạo
ra một mạch điện tử điều khiển động cơ robot Rhex sẽ góp phần lớn vào việc
giải quyết vấn đề di chuyển của robot.
6. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm các phần chính sau đây:
Chương 1: Tổng quan về Robot Rhex
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển động cơ cho Robot Rhex
Chương 3: Kết quả và thử nghiệm


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT RHEX
1.1. Giới thiệu chung về robot Rhex
Rhex là một Robot có 6 chân với khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng
vượt qua được nhiều chướng ngại vật đa dạng như đường bằng, đường dốc, leo
cầu thang, lội nước. Robot có khả năng tiếp cận vào các khu vực có địa hình
phức tạp như hầm ngầm, gầm cầu, gầm cống; khu vực bị ô nhiễm, khu vực có
tính rủi ro cao như: nơi có cháy nổ, nguy cơ sập, sạt nở…Đặc biệt là các địa
hình có nhiều loại vật cản mà chúng ta không biết trước được.

Hình 1.1. Robot Rhex
Robot Rhex có camera đèn led phía trước cho phép điều khiển từ xa bằng
sóng radio, thân của nó được đóng kín chuẩn kháng nước. Robot Rhex đã được
một số quốc gia chế tạo nhằm phục vụ những công việc chuyên biệt.

4

Robot Rhex trong đề tài này có kích thước (dài x rộng x cao): 57 x 31 x
14,5 cm, đường kính chân robot: 19 cm, bản rộng, dày của chân 3cm, trọng
lượng robot xấp xỉ 13 kg.
Trong suốt quá trình nghiên cứu, phát triển, Rhex đã tích hợp các tính năng kỹ
thuật để thực hiện công việc của mình. Trên thực tế nó có khả năng thực hiện rất
nhiều các công việc một cách độc lập, hiệu quả. Lấy mô phỏng từ cách di
chuyển các loại côn trùng Rhex sử dụng chân dạng móc chữ C thay vì bánh xe.
1.2. Sự phát triển của Robot Rhex
Năm 2001, robot Shelly Rhex đã được chạy và trình diễn lần đầu tiên với
khả năng lội nước. Robot này có thể đi trên bãi biển và nổi trên mặt hồ. Nó bơi
bằng 6 chân trên mặt nước và bước trên đất qua những tảng đá. Để bảo vệ các
thiết bị điện tử tác động bên ngoài, bụi bẩn và độ ẩm, một dự án đã được thực
hiện để thay thế vỏ bằng vật liệu composite. Shelley - Rhex là một robot lưỡng
cư được phát triển dựa trên nền tảng robot Platform nhằm cải thiện khả năng
vượt địa hình và có thể bơi được trên mặt nước. Tuy nhiên, Shelly Rhex gặp
phải một số nhược điểm như vật liệu làm thân khá giòn và thiết kế khó, đòi hỏi
độ chính xác cao, chi phí tốn kém.
Robot Rugged Rhex được thiết kế dựa trên sự kế thừa các tính năng của
robot Shelly và được sản xuất để phục vụ trong lĩnh vực thương mại. Điều này
tạo sự quan tâm từ các nhà tài trợ sau khi họ quan sát về các khả năng hoạt động
của phiên bản trước là robot Shelly Rhex. Rugged Rhex được thiết kế với khả
năng mang thêm vật nặng có tải trọng là 2 kg với khoảng cách đi lại là 2 km,
thời gian hoạt động lên đến 6h và có khả năng chống nước mưa. Rugged Rhex là
một robot lưỡng cư có khả năng vượt địa hình rất tốt, được cải thiện kết cấu từ
robot shelly rhex. Robot này được module hóa từng bộ phận nên dễ tháo lắp,
thay thế. Tuy nhiên, Rugged Rhex đã được thương mại hóa nên giá thành cao.

5

Tiếp đến là robot Aqua được phát triển dựa trên nền tảng Rugged Rhex.
Đây là dự án được nghiên cứu tại đại học McGill và trường Đại học York với sự
tài trợ của IRIS/ PRECARN và NSERC. Mục tiêu của dự án là phát triển một
robot có khả năng hoạt động dưới nước. Robot Aqua có thể lặn sâu được 10m,
hệ thống quan sát có khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của các rạn san hô
dưới biển. Aqua là một thiết kế đặc thù để lặn dưới nước. Việc thay thế các chân
thành các mái chèo giúp Aqua di chuyển tốt dưới nước. Tuy nhiên, việc chế tạo
robot Aqua là khó khăn vì các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và thấm nước.
Ngoài ra, việc hoạt động trong môi trường nước yêu cầu vật liệu phải bền vững
và không bị ăn mòn bởi muối. Do vậy, việc chọn lựa vật liệu cũng gặp nhiều
khó khăn.
Robot Edu được phát triển dựa trên robot Rhex Platform được nghiên cứu
bởi IEEE năm 2013. Robot edu được phát triển theo hướng nghiên cứu sự ảnh
hưởng của độ cứng chân so với khả năng di chuyển của robot trên các dạng địa
hình khác nhau. Sự khác biệt này tạo ra một tiền đề cho sự phát triển một dòng
robot Rhex có thể thay đổi độ cứng vững của chân thích ứng với từng dạng địa
hình khác nhau. Tuy nhiên, Edu vẫn tồn tại một số nhược điểm như chưa giải
quyết được mâu thuẫn nội lực nội bộ dẫn đến sự tổn hao về năng lượng. Ngoài
ra, việc chế tạo robot edu cũng khá phức tạp.
Robot Xjus được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên Đại học Princeton năm
2013. Nó là robot 6 chân dạng Rhex đầu tiên được thiết kế với mô hình có thể
điều chỉnh độ cứng cột sống thụ động của thân nhằm lưu trữ năng lượng cơ thể
và giảm hao tổn năng lượng. [6]
Như vậy, trong suốt chiều dài của quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học
đã phát triển robot Rhex theo nhiều hướng khác nhau. Tuy nhiên việc nghiên
cứu chủ yếu dựa vào thế hệ công nghệ cũ, chưa áp dụng những công nghệ mới.

Vì vậy, đề tài quyết định đi sâu vào việc giải quyết bài toán về điều khiển động


6

cơ robot nhằm tối ưu hóa và phát huy sức mạnh khi di chuyển ở những địa hình
khác nhau.
1.3. Một số phương pháp điều khiển động cơ robot Rhex
1.3.1. Khái niệm chung
- Điều khiển động cơ robot một chiều ở đây thực hiện quá trình điều khiển
tốc độ và chiều quay. Hầu hết các loại động cơ đòi hỏi nhiều tốc độ, tùy theo
từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu
hóa quá trình. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên động cơ có thể thay đổi
cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ
truyền động.
- Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định gọi là tốc độ
đặt. Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của
động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải, khi các thông
số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số
về tốc độ và có thể không cho phép. Để khắc phục người ta dùng những phương
pháp ổn định tốc độ.
- Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến dải điều chỉnh (phạm vi
điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì dải
điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mô men quá tải càng lớn.
- Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:
+ Điều chỉnh tham số
+ Điều chỉnh điện áp nguồn
+ Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ

7

1.3.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm stator, rotor và hệ thống chổi
than, vành khuyên, cổ góp. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ,
dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi
sắt. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất
nhỏ có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rôtor (còn gọi là phần ứng) gồm
các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần
ứng. Điện áp một chiều được đặt vào phần ứng qua hệ thống chổi than – cổ góp.
Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động
duy trì áp lực tuỳ theo độ mòn của chổi than. Chức năng của chổi than - vành
góp là để đặt điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện
trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có
cực tính dương và một nửa có cực tính âm).
1.3.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây
quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ
thông ø. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn
phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng
và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị của mômen điện từ được
tính như sau:
𝑚=

𝑝.𝑛
2.𝜋.𝑎

∅𝐼 = 𝑘∅𝐼

Trong đó:

p: số đôi cặp cực của động cơ.
n: số thanh dẫn phần ứng duới một cực từ.
a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.

(1.1)


8

k: hệ số kết cấu của máy.
Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục.
1.3.4. Phân loại động cơ một chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra
các loại như sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ
được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ.
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc
nối tiếp với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được
mắc song song với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích
thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần
ứng.
1.3.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn
Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung
cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động
cơ. Các nguồn điện áp này thường được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có
điều khiển (Thysistor) hoặc không có điều khiển (điôt).
Điểu chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp và bộ chỉnh lưu điôt.

Bộ điều
chỉnh
điện áp

Chỉnh lưu
đi ốt

Chỉnh lưu
đi ốt

Hình 1.2. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển.


9

1.3.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp
một cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được
đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục
của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ.
Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ
năng lượng tích luỹ.
Sơ đồ điều chỉnh xung áp của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương của bộ điều chỉnh xung áp.

Hình 1.4. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện.


10

Trong hệ thống này nhờ một khoá chuyển đổi K (có thể là chuyển mạch cơ
khí hay chuyển mạch điện từ). Mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách
có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi. Trong khoảng thời
gian t1 khoá K đóng, động cơ được cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì
Ut = U. Trong khoảng thời gian t2 khoá K ngắt. Do ảnh hưởng của các điện cảm
phía một chiều (điện cảm phần ứng động cơ và điện cảm phần lọc nếu có) dòng
điện iu tiếp tục chạy qua điôt D. Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận
trên đi ôt nhưng ngược dấu Ut = UD.
Từ đồ thị hình 1.4 ta thấy rằng trị số trung bình của dòng điện trong phần
ứng itb quyết định tốc độ động cơ. Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần
thay đổi trị số của dòng điện trung bình trong phần ứng itb. Để thay đổi dòng
điện trung bình itb có thể thay đổi t1 hoặc thay đổi t2 hoặc thay đổi cả t1 và t2.
Nếu giữ nguyên chu kì đóng ngắt của khoá (Tck = const) thay đổi t1 thì ta có
phương pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời gian đóng
khoá (t1 = const) và thay đổi t2 thì ta có phương pháp điều chỉnh tần số xung.
Phương pháp biến đổi độ rộng xung được sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm
vi điều chỉnh rộng hơn. Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản
hơn nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck

∞ nghĩa là

về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung không còn nữa.
1.3.7. Một số phương pháp điều khiển tốc độ và chiều quay dùng Transistor
và Thyristor
1.3.7.1. Phương án điều chỉnh dùng Transistor
Ở chế độ quay thuận: Người ta đưa xung điều khiển Udk1 vào cực bazơ của
T1 và T4 lúc này cả 2 Transistor T 1 và T4 đều mở do đó có dòng điện đi từ dương
nguồn qua T1 đến phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, động cơ quay theo
chiều thuận.

11

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo
chiều quay
Ở chế độ quay ngược: khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ngược
lại người ta đưa xung điều khiển Udk2 vào cực bazơ của T2 và T3 dẫn đến cả hai
Transistor T 2 và T3 đều mở, dòng điện đi từ dương nguồn qua T2 đến phần ứng
động cơ rồi qua T3 về âm nguồn. Động cơ quay theo chiều ngược lại.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Transistor và khuếch
đại thuật toán


12

• Tầng 1 là tầng khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng bộ khuếch đại thuật
toán 741.
• Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu
Darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là 12 ± V. Mạch
phản hồi âm được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2
điôt ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác
dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra
khi ta đổi chiều quay. R7 là điện trở mạch phản hồi.
Nguyên lý hoạt động:
Khi Udk có cực tính dương thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có
điện áp âm đặt vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại NPN và T2 là loại PNP do đó
T1 khoá còn T 2 dẫn. Khi T2 dẫn thì âm nguồn (-12V) qua R5, qua T2 (lúc này
dẫn) đặt vào bazơ của T3 và T4. Cũng do T 3 là loại NPN, T4 là loại PNP do đó T3

bị khoá còn T 4 dẫn. Do T2 và T4 dẫn nên có dòng điện đi từ 0 qua động cơ qua
T4 rồi về âm nguồn (-12V) động cơ quay theo một chiều nhất định. Đây là sơ đồ
mạch phản hồi âm điện áp.
Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ như sau : Giả sử tốc độ động cơ giảm dòng
điện Id tăng làm điện áp tại đầu ra là UR giảm. Thông qua điện trở phản hồi R7
điện thế ở đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên vì U2 = Udk - UR mà
Udk = cosnt nên UR giảm thì U2 tăng. Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại
thuật toán tăng thì điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR tăng. UR tăng
làm cho tốc độ động cơ tăng lên.
Ngược lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dương đặt vào
bazơ của T1 và T2. Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khoá, do đó sẽ có dòng đi
từ dương nguồn (+12V) qua T 3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo
chiều ngược lại. Quá trình tự động giữ ổn định tốc độ động cơ giống như trên.


13

1.3.7.2. Phương án điều chỉnh dùng Thyristor
Khi điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao người ta
cũng có thể dùng Transistor nhưng phải sử dụng các Transistor đặc biệt có thể
dùng với điện áp cao và dòng điện lớn. Tuy nhiên phương án dùng Thyristor bị
hạn chế vì giá thành linh kiện rất đắt. Khi điều khiển động cơ có điện áp phần
ứng lớn lúc đó dùng Transistor là không hợp lý ta phải sử dụng phương pháp
điều khiển dùng Thyristor. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ
độc lập quay theo một chiều cố định dùng đi ôt và Thyristor.

Hình 1.7. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng đi ôt và Thyristor
Trong đó: D1, D2, D3, D4 làm thành mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì. L và D5
có tác dụng san phẳng dòng điện. Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra
của bộ chỉnh lưu.

1.3.8. Phương án dùng vi điều khiển
1.3.8.1. Sử dụng vi điều khiển 8051
Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương pháp
khác nhau trong đó có một phương pháp hết sức quan trọng và thông dụng là
phương pháp điều chế độ rộng xung kích (PWM), có nghĩa là thay đổi độ rộng
xung kích để điều khiển đóng ngắt (SCR hay transistor), từ đó điều khiển tốc độ


14

động cơ. Bộ PWM được chế tạo ra từ các linh kiện điện tử. Với yêu cầu dùng vi
điều khiển 8051 để điều khiển động cơ quay thuận – nghịch và thay đổi tốc độ,
ta sử dụng chương trình để tạo xung PWM bên trong vi điều khiển AT89S52 tại
chân P2.6. Tại chân này khi hoạt động sẽ xuất chuỗi xung vuông, độ rộng được
điều chỉnh dễ dàng. Xung ra này dùng để tạo tín hiệu đóng ngắt Transistor trong
mạch động lực, với độ rộng xác định sẽ tạo ra một điện áp trung bình xác định.
Thay đổi độ rộng xung sẽ thay đổi điện áp trung bình và do đó thay đổi được tốc
độ động cơ.
1.3.8.2. Sử dụng vi điều khiển PIC
- Sử dụng 6 động cơ một chiều để robot chạy. Mỗi một động cơ sẽ được
PIC slave điều khiển bởi 2 chân, chân PWMn, DVn ( với n = 1,2,…,6) của robot
có sơ đồ nguyên lý tương tự hình 1.8

Hình 1.8. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 1 cho chân số 1 của Robot [1]
Các IC PC817, 6N137 dùng để ghép tín hiệu DRV1, PWM1 vào mạch điều
khiển động cơ, IC 4001 có tác dụng chống trùng dẫn (bảo vệ mạch); 2 IC IR
2184 làm nhiệm vụ đóng mở các mosfet; 4 IC IRF 3205 tạo thành cầu H để
đóng/ mở nguồn cho động cơ 1. DRV11, PWM11 là các tín hiệu DRV1, PWM1 đã

15

ghép quang. Nguyên lý mạch điện được mô tả ngắn gọn bằng công thức như
sau:
PWM1 = On và

DRV1= 1

Động cơ 1 quay thuận;

PWM1 = On và

DRV1= 0

Động cơ 1 quay ngược;

PWM1 = Off

Động cơ 1 phanh (với mọi giá trị của DRV1);

Sơ đồ mạch điều khiển các động cơ 2, động cơ 3, động cơ 6 cho các chân
số 2, chân số 3, chân số 6 của robot Rhex cũng có nguyên lý hoạt động tương tự
như trên. [1]
1.3.8.3. Giới thiệu về Arduino
Trong khuôn khổ đề tài, chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560, bao gồm
54 chân digital, robot sử dụng 6 chân, cần 3 mạch driver, mỗi mạch tích hợp 2
mạch cầu LM 298, được điều khiển bởi 1 Arduino 2560.
Theo yêu cầu bài toán điều khiển đặt ra thì động cơ của các chân phải có
encoder để kết nối với mạch driver. Ngoài ra, động cơ cần đảm bảo công suất đủ
để cho robot hoạt động ổn định. Sau thời gian tìm hiểu, chọn động cơ Planet

20W có encoder 7 xung 2 kênh AB.
1.4. Kết luận
Từ các phương pháp trên ta thấy rõ ràng Arduino là một bo mạch vi xử lý,
được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động
cơ, đèn, hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát
triển ứng dụng cực kì dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có thể học một cách
nhanh chóng ngay cả những kĩ thuật viên không chuyên, mức giá thấp và tính
chất mã nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Từ đó, đề tài tập trung vào việc
lập trình, ứng dụng vi mạch tích hợp Arduino để điều khiển chân robot.


16

Chương 2
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
2.1. Yêu cầu xây dựng hệ thống điều khiển động cơ
Robot Rhex có 6 chân, cho nên cần 6 động cơ để điều khiển. Chíp điều
khiển phải đảm bảo điều khiển đồng thời, độc lập 6 động cơ tương ứng với 6
chân của robot và phải đáp ứng được tính ổn định trong quá trình di chuyển của
robot. Driver điều khiển động cơ phải đảm bảo việc các chân hoạt động ổn định
và xử lý được tín hiệu đàn hồi về từ động cơ để điều chỉnh tốc độ khi di chuyển.
Rhex là robot nhỏ gọn và yêu cầu điều khiển chính xác. Vì vậy, động cơ
trên các chân phải nhỏ gọn, có encoder để điều chỉnh tốc độ và vị trí các chân.
2.2. Sơ đồ điều khiển động cơ
2.2.1. Sơ đồ khối

RF thu

Khối vi
điều

khiển

Driver

Động cơ

Hình 2.1. Sơ đồ khối quá trình điều khiển động cơ
Khối RF thu: Nhận tín hiệu vô tuyến từ khối phát tín hiệu RF, sau đó giải
mã tín hiệu rồi xuất tín hiệu qua khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển: Nhận tín hiệu từ khối thu RF để xuất tín hiệu đến khối
điều khiển động cơ, qua đó điều khiển 6 bánh xe tùy theo mã lệnh được thu từ
khối RF. Khối này cũng tiếp nhận tín hiệu từ công tắc hành trình đưa về để nhận
biết các vị trí của camera, từ đó điều khiển camera hoạt động chính xác.