Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản Giáo viên hướng dẫn: TRỊNH TUẤN DƯƠNG Sinh viên thực hiện: DƯƠNG VĂN ĐIỆP Lớp : Cơ điện tử - k51 Mã sinh viên: 1002892 1 Nhiệm vụ Đề tài đặt ra là “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản”. Kết quả đạt được là một robot tự hành bám đường đơn giản có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn. Việc di chuyển của robot sẽ được lập trình sẵn dựa trên vi điều khiển. Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là vi điều khiển PIC18F4550, các đặc tính của vi điều khiển này sẽ được trình bày ở phần sau. Đề tài “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản” chủ yếu tìm hiểu về cách hoạt động và phương pháp điều khiển động cơ bước, giúp cho sinh viên làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ năng lập trình, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động cơ và các mạch phụ trợ khác. 2 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý giá trong suốt bốn năm chúng em học đại học. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trịnh Tuấn Dương, đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Và xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp cơ điện tử - K51, những người đồng hành trong khóa học và có nhiều ý kiến đóng góp. Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc! Hà Nội, ngày 21 tháng 3 năm 2014 Sinh viên thực hiện: Dương Văn Điệp 3 Lời mở đầu Chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên mà mọi thành tựu khoa học và công nghệ đều xuất hiện một cách hết sức mau lẹ và cũng được đổi mới một cách cực kì nhanh chóng. Ngày nay khoa học công nghệ là một trong những hoạt động có tốc độ phát triển nhanh nhất thời đại. Các thành tựu của khoa học công nghệ đã được áp dụng vào mọi lĩnh vực của cuộc sống. Khoa học làm cho xã hội ngày càng phát triển. Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, robot đã trở thành một trong những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống. Robot đã dần dần thay thế con người làm những công việc từ đơn giản đến những công việc đòi hỏi sự chính xác cao. Tầm quan trọng của robot đối với cuộc sống của con người và khả năng chinh phục thiên nhiên đã dẫn tới sự phát triển vượt bậc của công nghệ này. Với ưu điểm của vi điều khiển, em đã ứng dụng để nghiên cứu ứng dụng đề tài “ch t o robot dò ng”ế ạ đườ . Với sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy TRỊNH TUẤN DƯƠNG , em đã hoàn thành được đề tài của mình. Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. 4 Mục lục Contents Nhiệm vụ 2 Mục lục 5 Contents 5 Danh sách bảng biểu, hình vẽ: 8 Tóm tắt hướng thực hiện đề tài 9 Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC 11 1.1 Lịch sử phát triển 11 1.2 Phân loại 12 1.2.1 Họ cấp thấp (low-end) 12 1.2.2 Họ cấp chung (Mid-range) 13 1.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx 13 1.2.4 Họ cấp cao (High- performance) 14 1.3 Ưu thế của PIC 15 1.4 Cấu trúc vi điều khiển PIC 16 1.5 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC18F4550 18 1.5.2 Sơ đồ chân 20 Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước 26 2.1 Giới thiệu động cơ bước 26 2.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại 28 5 2.2.1Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 28 2.2.2Động cơ bước biến trở từ 30 2.2.3Động cơ bước lai (động cơ hỗn hợp) 30 2.2 Nguyên lí hoạt động 32 2.3 Momen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước 33 2.4 Cấu tạo động cơ bước 34 2.5Cơ sở lí thuyết điều khiển động cơ bước 34 2.5.1 Ba chế độ (mode) điều khiển đông cơ bước 34 2.5.2 Điều khiển motor lưỡng cực với cầu H 40 2.6 Động cơ bước sử dụng trong đồ án là step motor 28BYJ-48 5VDC 43 Chương 3: Tìm hiểu về robot dò đường tự động 46 3.1 Robot dò đường tự động 46 3.1.1 Phần cơ khí 46 3.1.2 Mạch điện tử 46 3.1.3 phần lập trình 46 3.2 Nguyên lí hoạt động của robot dò đường tự động: 47 3.2.1 Nguyên tắc điều khiển 47 3.2.2 Xử lí tín hiệu cảm biến 48 Chương 4: Thiết kế - chế tạo robot dò đường tự động 52 4.1 Các yêu cầu về công nghệ 52 4.1.1 Yêu cầu về chức năng: 52 4.1.2 Yêu cầu về mặt kĩ thuật 52 6 4.2 Sơ đồ khối chức năng 53 4.2.1 Khối nguồn 53 4.2.2 Khối điều khiển trung tâm 55 4.2.3Khối sensor 58 4.2.4Khối điều khiển động cơ (step motor) 61 kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài 66 Sau khi hoàn thành đồ án đạt được kết quả sau: 66 Những mặt hạn chế của đồ án 66 Hướng phát triển của đề tài 67 67 78 7 Danh sách bảng biểu, hình vẽ: 8 Tóm tắt hướng thực hiện đề tài.  Tìm hiểu về vi điều khiển, động cơ bước và nguyên lí hoạt động của robot bám đường.  Sử dụng PIC18F4550 là vi điều khiển trung tâm, sử dụng chương trình CCS lập trình C và biên dịch chương trình.  Đối tượng điều khiển là động cơ bước 5V. 9 Nội dung thực hiện đề tài bao gồm các chương sau: Chương 1: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC và cách xây dựng bản mạch điện tử. Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước, cách điều khiển động cơ bước. Chương 3: Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của robot bám đường tự động. Chương 4: Ứng dụng xây dựng robot đơn giản. Kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài. 10 [...]... với động cơ bước nếu một động cơ bước trong hệ thống điều khiển vòng mở bị quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại 27 2.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loại: 2.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước nam châm vĩnh cửu cơ bản gồm 3 loại: - Động cơ bước đơn cực: Hình 2 2: động cơ bước đơn. .. Lối vào Vref+ (cao) thế analog chuẩn Vref- I Lối vào Vref- (thấp) thế chuẩn 25 Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước 2.1 Giới thiệu động cơ bước Hình 2 1: Hình dạng một số loại động cơ bước 26 Các hệ truyền động rời rạc thường được thưc hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là... chiều dòng điện qua cuộn dây - Động cơ bước nhiều pha: Hình 2 4: động cơ bước nhiều pha một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông dụng hơn đó là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực kiểu thông dụng nhất là kiểu 3 pha và 5 pha 29 2.2.2 Động cơ bước biến trở từ Hình 2 5: động cơ bước biến... Động cơ bước có roto không được kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng) - Động cơ bước kiểu hỗn hợp (kết hợp của cả 2 loại trên) 2.5 Cơ sở lí thuyết điều khiển động cơ bước 2.5.1 Ba chế độ (mode) điều khiển đông cơ bước - Chế độ cả bước 34 - Chế độ nửa bước - Chế độ điều khiển vi bước 2.5.1.1 Điều khiển chế độ cả bước (full step) Điều khiển chế độ cả bước gồm:  Điều khiển cả bước. .. là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra Động cơ loại này được điều khiển bằng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass - Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar): Hình 2 3: động cơ bước lưỡng cực 28 động cơ loại lưỡng cực có cấu trúc giống như động cơ đơn cực, nhưng 2 mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm, thường có 4 đầu ra, về cấu tạo đơn giản hơn,... roto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước thì không cần yếu tố này Mặt khác có thể coi động cơ bước là linh kiện số mà ở đó các thông tin số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành... thuật đặc biệt có độ từ hóa cao và momen chịu tải lớn, vì chính roto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các bước trong khoảng từ 0.45 0 đến 150 tùy theo mục đích sử dụng Trong đó thông dụng nhất trên thị trường hiện nay là loại động cơ bước có góc bước 1.80 Xét về cấu tạo, động cơ bước có 3 loại chính: - Động cơ bước có roto được kích thích... chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi mét xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục Động cơ bước có thể được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ... Trị số và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây Thực tế để tăng cường lực điện rừ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây, lúc đó roto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lực điện. .. n1=2: ứng với điều khiển không đối xứng - n2=1: điều khiển bằng xung 1 cực - n2=2: điều khiển bằng xung 2 cực - Bước quay của roto trong không gian là a= 3600/K 2.3 Momen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước Biểu thức momen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức momen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc Sự khác nhau đó là do động cơ bước được cấp bởi dòng diện 1 chiều . và các trang web nói về vi điều khiển này. Tài liệu hỗ trợ cho vi điều khiển PIC chỉ dùng sau máy tính cá nhân PC và về doanh số bán ra thi trường hiện nay. Microchip đã đứng đầu về doanh số. 12C5xx, 16C5x, 16C505, 16HV540  Độ dài từ lệnh 12 bit  Bố chí các thanh ghi: có 32 thanh ghi trên một bank, tối đa có 4 bank Đặc điểm chung: - Rất thích hợp trong các ứng dụng giao diện đơn. 17Cxxx - Gồm các loại 17Cxxx 13 - Độ dài từ lệnh 16 bit - Bố trí các thanh ghi: 224 byte trên một bank, tối đa 8 bank, 48 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR). Đặc điểm chung:  Kiến trúc khác so