Đồ án 1 điều khiển động cơ servo

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ************************* ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO Nguyễn Bá Đức - 20200169 Duc.nb200169@sis.hust.edu.vn Nguyễn Nam Khánh - 20200320 Khanh.nn200320@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển – Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS TSKH Trần Hoài Linh Trường: Điện – Điện tử Khoa: Tự động hóa Hà Nội 6/2023 -1- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, lời em xin chân thành cảm ơn thầy cô Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung thầy trường Điện – Điện tử nói riêng tận tình truyền đạt kiến thức giúp đỡ em trình thực đồ án suốt thời gian trước Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh người trực tiếp giúp chúng em định hướng đề tài thực hiện, hỗ trợ kiến thức chuyên môn động viên tinh thần chúng em gặp khó khăn Bên cạnh đó, q trình làm đồ án gặp nhiều khó khăn giúp đỡ bạn ngành giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên trình thực đồ án làm báo cáo, sai sót điều chúng em khơng thể tránh khỏi Vì vậy, chúng em kính mong q thầy góp ý để chúng em chỉnh sửa hoàn thiện để đồ án thêm hoàn thiện hơn! Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 06 năm 2023 Sinh viên thực Nguyễn Bá Đức Nguyễn Nam Khánh -2- TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, chúng em thiết mạch điều khiển động Servo, chúng em thực vấn đề sau: • Tìm hiểu vấn đề động Servo hệ thống điều khiển servo, phân loại, ứng dụng tiêu biểu, kinh điển động Servo Tại động servo lại dùng nhiều thực tế • Tìm hiểu cấu tạo chi tiết động servo, ngun lý hoạt động • Tìm hiểu vi điều khiển ardunio sử dụng arduino việc điều khiển động Servo • Tìm hiểu thêm thiết bị liên quan breadboard, chiết áp, … • Thiết kế mạch điều khiển động servo để thực công việc cụ thể: - Điều khiển servo trực tiếp arduino để servo quay từ 0→1800 - Điều khiển servo trực tiếp arduino để servo quay từ 0→900 →1800 - Điều khiển servo quay cách thay đổi giá trị chiết áp mạch điều khiển bao gồm Arduino - Thiết kế mạch điều khiển thiết bị tự động mở có vật cản sử dụng động servo - Xây dựng nhiệt kế analog sử dụng động servo • Lựa chọn linh kiện phù hợp với thông số - Lựa chọn động servo: SERVO SG90 - Lựa chọn vi điều khiển: ARDUINO UNO R3 - Lựa chọn breadboard, chiếp áp: 10𝑘Ω - Cảm biến nhiệt độ TMP36 - Cảm biến siêu âm HC-SR04 • Thiết kế mạch điều khiển động servo lập trình cho vi điều khiển arduino điều khiển servo thực chức thông qua phần mềm Arduino IDE -3- MỤC LỤC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO LỜI CẢM ƠN - TÓM TẮT ĐỒ ÁN - MỤC LỤC - DANH MỤC HÌNH VẼ - DANH MỤC BẢNG BIỂU - CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG - I.Giới thiệu chung - 1.Động servo - 2.Hệ thống servo - 10 3.Ứng dụng động Servo hệ thống điều khiển servo - 10 II.Giải vấn đề - 12 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - 13 I.Động R/C servo (micro servo) - 13 II.Hoạt động hệ thống servo - 17 III.Mạch/thiết bị điều khiển hệ thống Servo - 22 IV.Lựa chọn linh kiện - 26 Lựa chọn động servo - 27 Lựa chọn vi điều khiển - 28 Bảng mạch bánh mỳ - Bộ cắm dây (breadboard) - 32 Chiết áp (biến trở) - 33 Cảm biến nhiệt độ TMP36 - 35 Cảm biến siêu âm HC-SR04 - 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM - 41 I.Chương trình điều khiển servo quay từ 0→90𝑜 với độ chia 1𝑜 - 45 II.Chương trình điều khiển servo quay tới 0, 90𝑜 , 1800 sau giây (1000ms) 49 III.Chương trình điều khiển servo quay tới góc tùy ý (trong khoảng 0→1800 ) sử dụng chiết áp - 53 -4- IV.Thiết kế mơ hình thiết bị tự động mở có vật cản sử dụng động servo cảm biến siêu âm - 57 V.Building an Analog thermometer (xây dựng nhiệt kế analog) - 61 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ - 68 I.Chương trình điều khiển servo quay từ → 900 với độ chia 10 - 68 II.Chương trình điều khiển servo quay tới 0, 90𝑜 , 1800 sau giây (1000ms) 69 III.Chương trình điều khiển servo quay tới góc tùy ý (trong khoảng 0→1800 ) sử dụng chiết áp - 69 IV.Thiết kế mơ hình thiết bị tự động mở có vật cản sử dụng động servo cảm biến siêu âm - 70 V.Building an Analog thermometer (xây dựng nhiệt kế analog) - 70 CHƯƠNG TỔNG KẾT - 73 I.Kết luận - 73 II.Hướng phát triển đề tài - 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 75 - -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các loại servo motor thơng dụng Hình 1.2: Hoạt động hệ thống servo Hình 1.3: Ứng dụng cánh tay robot Hình 1.4: Ứng dụng định vị ăng-ten Hình 1.5: Mạch điều khiển động servo Hình 2.1: Động servo R/C điển hình dùng mơ hình máy bay xe đua Hình 2.2: Bên động servo R/C Hình 2.3: Cấu tạo chi tiết động servo Hình 2.4: Hoạt động động servo Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động động servo Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống servo Hình 2.7: Mạch cầu H bên Motor Driver Hình 2.8: Chiết áp Hình 2.9: Các góc quay động servo tương ứng với độ rộng xung Hình 2.10: Mạch điều khiển hệ thống servo sử dụng hệ Arduino Hình 2.11: Hình ảnh kết nối biến trở động servo với IoT Maker Hình 2.12: Board mạch Arduino Hình 2.13: Đầu nối USB nguồn Hình 2.14: Vi điều khiển ATMEGA Hình 2.15: Ổ cắm nguồn analog Hình 2.16: Các chân đầu vào/ra kỹ thuật số Hình 2.17: Các đèn LED bo mạch Hình 2.18: Nút RESET Hình 2.19: Động SERVO SG90 Hình 2.20: Kích thước thơng số kĩ thuật SG90 Hình 2.21: Xung PWM điều khiển góc quay Hình 2.22: Cấu tạo Arduino Uno R3 -6- Hình 2.23: Các thơng số Board Hình 2.24: Các chân vi điều khiển Atmega328 Hình 2.25: Breadboard circuit dùng để kết nối thành mạch kín thiết bị Hình 2.26: Cấu tạo bên breadboard circuit Hình 2.27: Cấu tạo chiết áp Hình 2.28: Chiết áp sử dụng loại 10k Hình 2.29: Cảm biến nhiệt độ TMP36 Hình 2.30: Cảm biến siêu âm HC-SR04 Hình 2.31: Nguyên lý truyền sóng cảm biến siêu âm HC-SR04 Hình 2.32: Thơng số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04 Hình 2.33: Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04 Hình 3.1: Màn hình làm việc chúng phần mềm Arduino IDE Hình 3.2: Kết nối mạch điều khiển servo quay từ 00 → 900 Hình 3.3: Kết nối mạch điều khiển servo quay từ 00 → 900 → 1800 Hình 3.4: Kết nối mạch điều khiển servo quay góc tùy ý sử dụng chiết áp Hình 3.5: Kết nối mạch tự động mở có vật cản Hình 3.6: Các cổng kết nối tương ứng thiết bị Hình 3.7: Mạch xây dựng nhiệt kế analog Hình 3.8: Tay quay servo đến nhiệt độ tương ứng hiển thị bảng Hình 4.1: Kết thực nghiệm Hình 4.2: Kết thực nghiệm Hình 4.3: Kết thực nghiệm Hình 4.4: Kết thực nghiệm -7- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số Board Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật Atmega328 Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật chiết áp -8- CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG I Giới thiệu chung Động servo - Động điện servo hay gọi servo motor loại động máy móc chuyên dùng để cung cấp cho số thiết bị, dây chuyền hay cấu hoạt động quy trình sản xuất chế tạo Chúng đóng vai trị đầu tàu cung cấp lực kéo, giúp cho dây chuyền hay cấu động khác hoạt động theo - Thiết bị thường sử dụng từ trường để biến đổi điện thành dạng xoay nhằm mục đích kéo tải Hình 1.1: Các loại servo motor thơng dụng - Servo loại động dễ điều khiển vị trí điều khiển xác (có độ xác cao) Servo có có ưu điểm nhanh xác cơng suất thấp Vì servo khơng phải loại động có momen lớn dùng để làm công việc số loại động dùng với ứng dụng đẩy, kéo, nâng, hạ vật có khối lượng lớn,… Sử dụng servo với ứng dụng u cầu độ xác cao, servo phổ biến -9- - Trục đầu động servo di chuyển đến góc, vị trí vận tốc cụ thể mà động thơng thường khơng có Hệ thống servo Hình 1.2: Hoạt động hệ thống servo - Hệ thống động Servo phần hệ thống vịng kín bao gồm số phận cụ thể mạch điều khiển, động Servo, trục, chiết áp, bánh truyền động, khuếch đại mã hóa (encoder) phân giải - Servo hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng 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 momen phù hợp với ứng dụng khác thay đổi tốc độ nhanh (đáp ứng ms) - Hệ thống servo chế vịng kín kết hợp phản hồi vị trí để kiểm sốt tốc độ vị trí quay tuyến tính - Động servo điều khiển tín hiệu điện, tương tự số Ứng dụng động Servo hệ thống điều khiển servo - Với nhiều tıń h bật, hiệu suất cao, khả điều khiển xác vị trí, tốc độ, lực căng, vận hành mạnh mẽ hoạt động ổn định thời gian dài, động servo - 10 -