Tài liệu Cảm biến trong robot(sensor Robot) pdf

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, khôn

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

+)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

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:

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 :

2

2 _ ax

/ 2 / 2

LI C

>

−

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)

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

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

Xét mạch cầu H thực tế :

giảm dòng

thuận

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

010 Chạy thuận

Hoặc dùng IC chuyên dùng :

L293: Phải mắc thêm cầu diode bên ngoài

L293D: Đã có sẵn cầu diode bên trong

- 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

er

V

Analo

g Filter V*

+ Bề rộng xung là thay đổi

Sơ đồ vi mạch 555/556:

Tạo ra xung có đều nhau ,tần số :f=1.49/(RA+RB)C

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

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