nghiên cứu cấu tạo và ứng dụng truyền động SERVO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ  CHƯƠNG TRÌNH CƠ ĐIỆN TỬ VÀ Ơ TƠ BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN THỰC HÀNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SERVO Sinh viên thực hiện: Phạm Quốc Tú Dương Hùng Vĩ Ngô Hoàng Khoa Giảng viên hướng dẫn: TS Huỳnh Minh Phú Môn: Thực hành hệ thống truyền đợng servo Lớp: D19CD01 Khố: 2019 – 2023 BÌNH DƯƠNG , THÁNG 4/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT CHƯƠNG TRÌNH CƠ ĐIỆN TỬ VÀ Ơ TƠ CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Sinh viên thực hiện: Phạm Quốc Tú Dương Hùng Vĩ Ngơ Hoàng Khoa Bình Dương, ngày……tháng……năm…… TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Hiện Cơng nghiệp hố - Hiện đại hố đóng vai trị quan trọng việc nâng cao suất lao động Những thành tựu cách mạng khoa học kỹ thuật áp dụng rộng rãi vào kinh tế đưa đến đổi thay chưa có lịch sử lồi người Nhận thức tầm quan trọng khoa học công nghệ có ảnh hưởng định đến chiến lược phát triển đất nước, Nhà nước ta sức đào tạo nghiên cứu khoa học kỹ thuật, khuyến khích đầu tư nhằm phát triển nhanh khoa học kỹ thuật nước nhà Là sinh viên chuyên ngành điện tử sau thời gian học tập rèn luyện Trường Đại học Thủ Dầu Một, giảng dạy tận tình thầy với cố gắng nỗ lực thân, em hoàn thành tiểu luận kết thúc môn học, xác định cơng việc quan trọng nhằm đánh giá lại tồn kiến thức mà tiếp thu trình học tập trường, em có nhiều cố gắng Đề tài chuyên ngành mẻ Việt Nam, đồ án em tập trung sâu vào công việc nghiên cứu cấu tạo ứng dụng truyền động SERVO Sau tháng tìm hiểu tham khảo, với ý thức nỗ lực thân với giúp đỡ tận tình thầy, cô đặc biệt thầy HUỲNH MINH PHU giúp em tận tình trình làm đồ án Qua đồ án cho em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy HUỲNH MINH PHU thầy cô môn điện công nghiệp dân dụng trường Đại học Thủ Dầu Một Trong q trình hồn thành đồ án, với trình độ kiến thức chuyên môn chưa nhiều, kinh nghiệm thực tế cịn thời gian có hạn nên đồ án em khơng thể tránh thiếu sót Do đó, em kính mong bảo thêm thầy, đóng góp bạn để em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tất thành viên nhóm Chương 1: Mở đầu 1.1 Giới thiệu đề tài: Ngày nay,robotic đạt thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp đời sống.Sản xuất robot nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ USD ngày phát triển mạnh,trong họ robot không nhắc tới mobile robot với đặc thù riêng mà loại robot khác khơng có Mobile robot di chuyển cách linh hoạt, tạo nên không gian hoạt động lớn dần khẳng định vai trị quan trọng thiếu nhiều lĩnh vực, thu hút nhiều đầu tư nghiên cứu Mobile robot chia làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò đường line, robo ttránh vật cản, robot tìm đường cho mê cung,…trong số robot dị đường line, tránh vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều sống Việc phát triển loại robot phục vụ đắc lực cho người 1.2 Mục đích chọn đề tài: Robot dò line tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng thực tế vừa dễ dàng để sinh viên vận dụng kiến thức tiếp thu giảng đường vào nó.Với kết cấu khí đơn giản lại kết hợp với nhiều thành phần điện tử encoder, sensor xác định đường line, sensor đo khoảng cách…nên Robot phù hợp để sinh viên học tập nghiên cứu thêm ngành Tự động hóa cách cụ thể 1.3 Sơ lược bước thực hiện: Trước tiên ta phải chế tạo khung xecủa robot Khung xe phải đảm bảo bền đạt độ xác định việc bố trí bánh xe động Sau có xong mơ hình việc chọn vi xử lí, khối óc mobilerobot, mạch điện tửcần thiết cho việc điều khiển xe Và cuối công đoạn lập trình dựa kiến thức học CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 servo là gì? Là hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vịng kín, nhận tín hiệu thực cách nhanh chóng xác theo lệnh từ điều khiển ( PLC mạch phát xung điều khiển …) Hệ thống servo bao gồm, động servo (Motor Servo) động Servo tích hợp encoder để phản hồi tín hiệu từ động điều khiển, điều khiển servo (servo drive) Hệ thống Servo sử dụng để điều khiển vị trí xác, điều chỉnh mơ-men phù hợp với ứng dụng khác thay đổi tốc độ cực nhanh 2.2 đợng servo là gì? Trong kỹ thuật điều khiển, Servo gọi tắt động Servo Nó thiết bị tự động có cảm biến phản hồi để điều chỉnh hành động Servo phận hệ thống điều khiển, cung cấp lực chuyển động cần thiết cho thiết bị máy móc vận hành Với cơng nghệ Driver Servo cịn biết đến tương tự Driver máy tính Servo hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vịng kín, nhận tín hiệu thực cách nhanh chóng xác theo lệnh từ PLC Bộ servo bao gồm điều khiển servo (servo drive), động servo encoder để phản hồi tín hiệu từ động điều khiển Servo sử dụng để điều khiển vị trí xác, điều chỉnh mơ-men phù hợp với ứng dụng khác thay đổi tốc độ nhanh (đáp ứng ms) 2.3 Cấu tạo và phân loại Động servo thành phần hệ thống servo Động servo nhận tín hiệu từ điều khiển cung cấp lực chuyển động cần thiết cho thiết bị máy móc vận hành với tốc độ độ xác cao Động servo chia thành loại: + Động servo AC + Động servo DC 2.3.1 Động servo AC AC Servo Motor thực chất động xoay chạy điện pha, hoạt động dựa nguyên lý nam châm vĩnh cửu loại động máy bơm hay máy quạt Điểm khác biệt AC Servo Motor so với động thơng thường tích hợp nhiều công cụ điện tử cảm biến để truyền thông tin điều khiển như: khuếch đại, điều khiển, mã hóa hình Điều làm tăng khả xác dễ dàng điều khiển, yêu cầu cho sản xuất công nghiệp thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 AC servo xử lý dịng điện cao có xu hướng sử dụng máy móc cơng nghiệp DC servo khơng thiết kế cho dòng điện cao thường phù hợp cho ứng dụng nhỏ Cấu tạo động AC servo bao gồm phần: stator, rotor (thường loại nam châm vĩnh cửu) encoder • Stator bao gồm cuộn dây quấn quanh lõi, cấp nguồn để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor • Rotor cấu tạo nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh • Encoder gắn sau đuôi động để phản hồi xác tốc độ vị trí động điều khiển Bộ điều khiển (Servo drive) có nhiệm vụ nhận tín hiệu lệnh điều khiển (xung/analog) từ PLC truyền lệnh đến động servo để điều khiển động servo hoạt động theo lệnh, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi liên tục vị trí tốc độ động servo từ encoder • Nguyên lý hoạt động: Về nguyên tắc, động servo thiết bị độc lập Tuy nhiên động servo có ý nghĩa thực tiễn hoạt động hệ thống servo Chế độ hoạt động servo hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín Động servo nhận tín hiệu xung điện (PWM) từ điều khiển để hoạt động kiểm sốt mã hóa (encoder) Khi động vận hành vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển thơng qua mã hóa (encoder) Khi lý ngăn cản chuyển động làm sai lệch tốc độ vị trí mong muốn, cấu hồi tiếp phản hồi tín hiệu điều khiển Từ tín hiệu phản hồi về, điều khiển servo so sánh với tín hiệu lệnh đưa điều chỉnh phù hợp, đảm bảo động servo hoạt động theo yêu cầu đạt tốc độ vị trí xác Lợi ích sử dụng AC servo • Khả điều khiển tốc độ, vị trí mo-men xác • Tốc độ đáp ứng phản hồi nhanh, quán tính thấp (gần khơng có qn tính) • Hiệu suất hoạt động cao tới 90%, sinh nhiệt khơng dao động • Tốc độ cao tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục • Hoạt động êm ái, nhẹ, tiết kiệm điện Hệ thống AC servo phù hợp với hầu hết ứng dụng cơng nghiệp máy cơng cụ, máy đóng gói, loại máy in, máy cắt, ứng dụng thu xả cuộn, ứng dụng cần chạy dừng vị trí, dây chuyền lắp ráp, máy CNC, cánh tay robot… • Drive Servo Là phận quan trọng hệ thống Servo xem não hệ thống servo Drive servo có nhiệm vụ nhận tín hiệu lệnh điều khiển (xung) từ PLC truyền lệnh đến động servo để điều khiển động servo hoạt động theo lệnh, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi liên tục vị trí tốc độ động servo từ encoder Từ tín hiệu phản hồi về, điều khiển servo so sánh với tín hiệu lệnh đưa điều chỉnh phù hợp, đảm bảo động servo hoạt động theo yêu cầu 2.3.2 Động servo DC Động Servo DC Là loại động servo, DC servo phù hợp xử lý ứng dụng nhỏ thay thiết kế cho dịng điện cao động AC 10 • Encoder tương đối – Encoder tương đối (incremental encoder): phát tín hiệu tăng dần theo chu kỳ + Đĩa mã hóa bao gồm dãi băng tạo xung, thường chia thành nhiều lỗ cách + Chất liệu suốt để giúp ánh sáng chiếu qua 16 + Là Encoder có 1,2 tối đa vịng lỗ, thường có thêm lỗ định vị + Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả vềdễ dàng + Nhược điểm: dễ bị sai lệch xung trả Sẽ tích lũy sai số hoạt động lâu dài 2.6 Encoder động Servo Một thành phần tương đối quan trọng động servo cảm biến hồi tiếp tốc độ hay cịn gọi encoder Lưu ý có số hãng thay dùng encoder dùng resolver, nhiên tính hồi tiếp tốc độ quay Đặc trưng cho độ xác động servo độ phân giải encoder Ví dụ động ac servo có độ phân giải encoder 2000 xung/ vịng bạn điều khiển motor bước quay 1/2000 vòng Khi sử dụng động ac servo ta cần quan tâm tới độ phân giải encoder ảnh hưởng đến sai số máy móc Độ phần giải servo dao động từ 2000 2^17 2^20 xung vòng, độ phân giải encoder cao bạn nên quan tâm tới hộp số điện tử điều khiển motor servo 17 Tuy nhiên thực tế ứng dụng vào máy móc thường bạn cần độ phân giải khoảng 10,000 xung vòng trở xuống đảm bảo, độ phân giải cao gây khó khăn cho bạn tốc độ phát xung plc dòng từ khoảng 100khz trở xuống Đối với số dịng servo cũ tín hiệu encoder nối trực tiếp với driver, số dịng servo sau encoder có độ phân giải cao nên thường tích hợp board mạch để chuyển đổi dạng tín hiệu thành truyền thơng để gửi vị trí encoder cho driver Chính số động servo bạn thường khó tận dụng động để làm encoder 2.7 Ứng dụng servo • Điều khiển vị trí 18 Một loại servo phổ biến có hỗ trợ điều khiển vị trí Thơng thường, cấu servo điện, thủy lực khí nén Chúng hoạt động nguyên lý phản hồi âm, đầu vào điều khiển so sánh với vị trí thực tế hệ thống khí đo lường số loại cảm biến đầu Khoản chênh lệch giá trị thực tế giá trị mong muốn (một "tín hiệu sai số") khuếch đại (và chuyển đổi) dùng để điều khiển hệ thống theo hướng cần thiết để giảm loại bỏ sai số Quá trình ứng dụng sử dụng rộng rãi lý thuyết điều khiển Các servo điển hình cung cấp đầu chuyển động trịn (góc quay) đầu chuyển động thẳng • Điều khiển tốc độ Điều khiển tốc độ thông qua thiết bị điều tốc loại cấu servo khác Động nước sử dụng thiết bị điều tốc khí; ứng dụng ban đầu khác để điều chỉnh tốc độ bánh xe nước Trước Thế chiến thứ II cánh quạt tốc độ không đổi phát triển để điều khiển tốc độ động máy bay Điều khiển nhiên liệu cho động tuabin khí sử dụng điều tốc điện thuỷ lực • Khác Các cấu servo vị trí sử dụng điều khiển hỏa lực quân thiết bị điều hướng hàng hải Ngày nay, Cơ cấu servo sử dụng máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị tự động tàu thuyền máy bay, hệ thống điều khiển súng phịng khơng Những ví dụ khác hệ thống điều khiển bay 19 máy bay, sử dụng servo để phát động bề mặt điều khiển máy bay, mô hình điều khiển radio sử dụng RC servo với mục đích Nhiều máy ảnh tự động lấy nét sử dụng cấu servo để di chuyển ống kính cách xác Một ổ đĩa cứng có hệ thống servo từ tính với độ định vị xác đến micromet Trong máy móc cơng nghiệp, servo sử dụng để thực chuyển động phức tạp, nhiều ứng dụng 2.8 Sơ đồ khối : - Sơ đồ khối robot xe tránh vật cản : 2.9 Sơ đờ ngun lí : Nguyên lí hoạt động : Khi xe bắt đầu hoạt động,cả hai động dẫn động hai bánh quay theo chiều thuận,đưa xe phía trước,đồng thời, vi xử lý Arduino se liên tục tính toán khoảng cách từ cảm biến siêu âm robot đến bề mặt phản xạ.Nếu khoảng cách tới bề mặt vận cảm phản xạ cho thấy nhỏ 15cm robot dừng lại,quét phía trái phải,nếu phía trống động quay thuận động dừng cho phép robot hướng trái phải,còn khoảng cách lớn 15 cm robot quay đầu thẳng theo hướng ngược so với lúc đầu 20 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT TRÁNH VẬT CẢN 3.1 Thiết kế robot tránh vật cản Arduino Robot: Thiết kế robot tránh vật cản Arduino Robot xử lý điều khiển vi điều khiển Arduino Gồm 14 chân I/O kỹ thuật số, dùng chân để sử dụng dự án xe Robot Arduino Cảm biến siêu âm kết nối chân: VCC, Echo, GND Trig Trong VCC GND kết nối với +5V GND Arduino Chân Trig ( kích hoạt) kết nối với chân thứ Echo kết nối với chân số Arduino 21 tương ứng Để xoay cảm biến siêu âm sử dụng động Servo kết nối vào chân 11 Arduino, chân VCC GND nối vào chân +5V GND Động bánh xe bên trái nối vào chân L298 Tương tự với động bên phải kết nối vào chân 11 14 Chân VCC1 L298 chân thứ 16, chân VCC2 chân thứ VCC1 kết nối với +5V, chân VCC2 có nối 4.7V 36V Với dự án robot tránh vật cản dùng Arduino nối vào +5V 3.2 Linh kiện thiết kế robot: 3.2.1 Phần cứng linh kiện cần có : +Arduino Uno R3 +Cảm biến tìm dải siêu âm – HC – SR04 + IC điều khiển động – L298N +Động Servo (Tower Pro SG90 180 độ ) + Động giảm tốc x + Khung gầm robot + Nguồn cấp + Đầu nối pin + Giá đỡ pin 3.2.2 Chức - Arduino Uno R3: bo mạch hệ thứ (R3) Vi điều khiển ATmega328 8bit Có 32KB nhớ Flash lưu trữ lệnh lập trình 2KB cho SRAM biến khai báo lưu 1KB cho EEPROM xem ổ cứng mini giúp lưu liệu mà khơng lo Arduino Uno có 14 chân (6 chân hardware PWM) I / O kỹ thuật số Trong sử dụng chân đề tài - Cảm biến tìm dải siêu âm – HC – SR04: cảm biến đo khoảng cách sóng siêu âm Là module nhỏ đo xác khoảng cách từ đến 300cm 22 - IC điều khiển động – L298N: +Module điều khiển motor L298N loại có sẵn ốc gắn sử dụng IC điều khiển L298N điều khiển động chiều động bước pha +Module L298N loại 1: + Được thiết kế chắn, có sẵn chỗ bắt ốc vào mơ hình + Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC điều khiển với dịng đỉnh đạt 2A IC L298N gắn với ốt board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động 23 Động Servo (Tower Pro SG90 180 độ ):là động servo đơn giản, thường dùng thiết kế Robot Có thể quay 90 độ hướng (tổng khoảng 180 độ) Chương Chế tạo thử nghiệm 4.1 Chế tạo : Bước 1: Các em hàn dây cho mơ tơ sau lắp ráp khung xe lại, phần lắp ráp đơn giản Bước 2: Tiếp theo chúng em lắp động servo lên khung xe Em dùng khung ốc dành cho servo để cố định lên khung robot Động servo có nhiệm vụ xoay cảm biến siêu âm để giúp robot phát vật cản hướng + Sau cố định Servo xong chúng em lắp khung đỡ cảm biến siêu âm lên servo Em dùng keo nến để dán phần khung đỡ cảm biến siêu âm với servo 24 Bước 3: Do phải đặt module L298N lên Broad Arduino nên chúng em bị thiếu chân cắm vào Arduino Vì chúng em phải hàn thêm chân kết nối L298N + Trên module L298N có lỗ chờ sẵn nên tụi việc đặt jump vào dùng mỏ hàn lại Bước 4: Em dán Broad Arduno UNO R3 lên khung robot + Sau đặt Module L298N lên Bước 5: Tiếp theo em nối dây động vào cọc M2 M4 + Sau em nối dây cho cảm biến siêu âm Arduino A1 + Dây GND nối với GND, VCC nối với 5V, Trig nối với A0, Echo nối với + Và cuối nối dây cho Servo hoạt động.Em cắm dây servo vào chân Jump có ghi SER1 Trên mạch có ghi kí hiệu (- + S, S dây tín hiệu servo), dây tín hiệu servo thường có màu vàng cam Bước 6: Em hàn dây cho công tắc + Sau đặt vào khe chờ sẵn khung Bước 7: Dán pin lên khung robot tiến hành nối dây.Em dùng sẵn khung pin tiểu 1.5V mua pin cell 18650 để sạc lại pin sau pin hết + Tiếp theo em nối đầu dây âm pin ( dây màu đen) vào chân GND module L293 Đầu dây dương lại pin nối vào đầu dây cơng tắc Đầu dây cịn lại cơng tắc nối với chân M+ Module L298N Bước 8: quét nối vào servo nối vào arduino uno R3 vào nguồn 5V chân số output, đầu servo gắn với chổi quét 25 - 26 4.2 Ứng dụng: 4.2.1 Ứng dụng Robot tránh vật cản AGV – Robot vận chuyển hàng hóa cơng nghiệp : -Là ứng dụng thực tiễn sử dụng nhiều nhà máy AGV có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa nhanh chóng từ cơng đoạn đến cơng đoạn khác Với khả tìm đường tránh vật cản AGV thực nhiệm vụ xác an tồn Việc sử dụng AGV tăng tính đồng bộ, tăng suất lao động cho doanh nghiệp 4.2.2 Ứng dụng vào tơ : -Các dịng tơ đại ln có hệ thống cảnh báo trước va chạm Với việc thiết lập hệ thống giúp người lái chủ động di chuyển tránh tai nạn ý muốn Ngoài ra, cịn giúp người lái có trải nghiệm lạ Khi lùi xe vào chỗ đậu, cảm biến liên tục đo Nếu gần va chạm báo cho người lái biết, tránh thiệt hại không cần thiết 4.3 Thử nghiệm : 27 28 Chương nhận xét - kết luận hướng phát triển 5.1 Nhận xét Môn truyền động servo mơn học có tính ứng dựng cao đời sống trogng công nghiệp Giúp sinh viên hiểu rõ chế cách thức hoạt động loại động servo thị trường, khả ứng dụng encoder từ hình thành kiến thức để chế tạo mơ hình tương ứng, có độ ứng dụng cụ thể tin cậy phân tính hiểu rõ vận hành tốt máy sử dụng servo thị trường Đề tài chế tạo robot tránh vật cản đề tài tiêu biểu, ứng dụng nhiều cơng nghiệp với độ xác cao, độ tin cậy định Trong trình làm mơ hình với giúp đỡ từ thầy Huỳnh Minh Phú nhóm chúng em hồn thành đề tài robot tránh vật cản , mơ hình cịn chưa thực mong đợi, hồn thành gần hết mục tiêu đặt 5.2 kết luận và hướng phát triển 29 -Kết luậnQua đồ án ta rút ưu điểm khuyết điểm sau: Ưu điểm: +Mạch đơn giản +Dễ thi công lắp đặt Khuyết điểm: +Mạch chưa tối ưu để đáp ứng cho nhiều trường hợp +Cảm biến đo xác với tầm đo xa +Khơng đo vật cản chiều ngang vật cản nhỏ khoảng cách cảmbiến - Hướng phát triển:Từ xe tự hành tránh vật cản ta có phát triển thêm số tính cho xe như:tránh vật cản kết hợp dò line, giao tiếp qua wifi… 30