Tiểu luận cơ cấu chấp hành động cơ servo

Bộ Công Thương Trường ĐH Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh Khoa Cơ Khí Tiểu luận: CƠ - ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Đề tài: CƠ CẤU CHẤP HÀNH ĐNG CƠ SERVO MT CHI!U SVTH: Nguyễn Anh Tuấn 07701781 Nguyễn Trung Phong 07700691 Vũ Văn Dương 07704131 GVHD: T.S. Đào Thái Diệu Giới thiệu : Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi. Ta có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555. Trong bài này ta sẽ tìm hiểu động cơ servo R/C là gì, sử dụng chúng trong robot như thế nào. Mặc dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C được sử dụng nhiều nhất. Để đơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C (radio- controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này. Như vậy có nghĩa là ta không cần phải điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế. Hoạt động của servo 1. Motor 2. Electronics Board 3. Positive Power Wire (Red) 4. Signal Wire (Yellow or White) 5. Negative or Ground Wire (Black) 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case 10. Integrated Control Chip Hình 1: một động cơ servo R/C kích thước chuẩn . Ngoài ra còn có nhiều loại kích thước thông dụng khác. Hình 2: Bên trong của một động cơ servo R/C. Servo bao gồm một động cơ, một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển và một vôn kế Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V). Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ. Như ta dự đoán, động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90 o – 180 o . Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng… Servo điều biến độ rộng xung Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm. Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như Hình 3.) Hình 3: Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển.Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến. Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến. Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc. Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn - một servo trung bình có thể quay 60 o trong vòng ¼ - ½ giây. Vì độ dài xung có thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích. Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu. Vai trò Vôn kế Vôn kế trong servo giữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra. Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo, Vôn kế chính là trục ra). Bằng cách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo. Ta đã biết Vôn kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, như hình 20.4. Khi cần chạy bên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi. Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vào và phát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng. Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kế và độ dài của tín hiệu vào. Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ. Khi điện thế của Vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng. Các loại servo đặc biệt Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot và mô hình điều khiển vô tuyến cón có các loại servo R/C khác: Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo): kích thước gấp khoảng 2 lần servo chuẩn, công suất lớn hơn rõ, được dùng trong các mô hình máy bay lớn nhưng cũng có thể làm động cơ công suất tốt cho robot. Servo nhỏ (mini-micro servo): kích thước nhỏ hơn khoảng 2 lần so với servo chuẩn, không mạnh bằng servo chuẩn, dùng ở những không gian hẹp trong mô hình máy bay hay xe hơi Servo tời buồm(sail minch servo): mạnh nhất, dùng để điều khiển các dây thừng của buồm nhỏ và buồm chính trong mô hình thuyền buồm. Servo thu bộ phận hạ cánh(landing-gear retraction servo): dùng để thu bộ phận hạ cánh trong mô hình máy bay vừa và lớn. Thiết kế bộ phận hạ cánh thường đòi hỏi servo phải đảm bảo góc quay ít nhất là 170 o . Các servo này thường nhỏ hơn kích thước chuẩn vì không gian giới hạn trong mô hình máy bay. Hệ thống truyền động bánh răng và truyền công suất Động cơ bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút. Tốc độ này quá nhanh để có thể dùng trực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot. Tất cả các servo đều có một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động cơ còn khoảng 50 – 100 v/ph. Các bánh răng của servo có thể làm plastic, nylon hay kim loại (thường là đồng thau hay nhôm) Bánh răng kim loại có tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao. Các bánh răng thay thế luôn có sẵn. Khi một hay vài bánh răng bị hư, servo không khớp và ta phải thay bánh răng. Trong một vài trường hợp ta có thể “nâng cấp” bánh răng plastic thành bánh răng kim loại. Thông số kỹ thuật của servo Servo R/C có một vài tiêu chuẩn. Sự giống nhau này được áp dụng chủ yếu cho các servo kích thước chuẩn - khoảng 1,6 x 0,8 x 1,4 inch. Với các kiểu servo khác, kích thước thay đổi theo nhãn hiệu vì chúng được thiết kế cho những nhiệm vụ cụ thể. Bảng 1: cho ta các thông số điển hình cho nhiều kiểu servo, bao gồm kích thước, khối lượng, moment xoắn và thời gian transit. Dĩ nhiên ngoại trừ kích thước của servo chuẩn, các thông số khác có thể thay đổi tùy theo mẫu và nhãn hiệu. Moment xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra. Đơn vị chuẩn của moment xoắn trong servo R/C là ounce.inch. Các servo có moment xoắn rất cao nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc. Thời gian transit (còn gọi là tỉ lệ quay – slew rate) là thời gian để trục servo quay một góc X (X thường là 60 o ). Các servo nhỏ quay khoảng 0,25s/60 o trong khi các servo lớn quay chậm hơn. Thời gian transit càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh. Từ thời gian transit ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng / phút của trục động cơ. Nhiều servo R/C được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt có thể thích ứng với robot. Ví dụ: servo dùng cho mô hình thuyền buồm sẽ không bị vô nước, vì vậy rất hữu dụng cho robot làm việc trong hay gần nước. Mạch điều khiển servo Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ. Một động cơ DC điển hình cần các transistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà không cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết để điều khiển công suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính. Điều khiển servo bằng IC định thì 555: Ta có thể không cần đến cả máy tính để điều khiển servo. Một IC 555 có thể cung cấp các xung cần thiết cho servo. Hình : Một phương pháp phổ biến dùng IC 555 để điều khiển servo. Khi hoạt động, IC 555 sinh ra một tín hiệu xung có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau để điều khiển hoạt động của servo. Chỉnh Vôn kế để định vị servo. Vì IC 555 có thể dễ dàng tạo xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vị trí biên thông thường. Khi servo gặp vật cản và kêu lạch cạch ta phải ngắt nguồn lập tức, nếu không các bánh răng bên trong sẽ bị trờn. Dùng bộ xử lý chuyên nghiệp: Bộ này có thể điều khiển 5, 8 động cơ hay nhiều hơn một cách độc lập, sẽ làm giảm bớt chương trình tổng cộng của máy tính hay bộ vi xử lý mà ta đang dùng. Ưu điểm chính của bộ xử lý servo chuyên nghiệp là ta có thể điều khiển đồng thời nhiều servongay cả khi máy tính, bộ vi xử lý không “đa nhiệm vụ”. Ví dụ: giả sử robot cần 24 servo, có thể là một robot hình nhện 8 chân, mỗi chân có 3 servo, mỗi servo điều khiển một bậc tự do của chân. Phương pháp ta sử dụng là phân chia công việc cho 3 bộ xử lý servo, mỗi bộ có thể điều khiển 8 servo. Mỗi bộ xử lý chịu trách nhiệm cho một loại bậc tự do: một cho sự quay của cả 8 chân, một cho “độ linh hoạt” của các chân và một cho sự quay của đốt cuối của chân. Các bộ xử lý servo chuyên nghiệp phải được dùng với máy tính hay bộ vi xử lý vì chúng cần được cung cấp dữ liệu thời gian thực để điều khiển servo. Dữ liệu này thường được gửi trong một công thức dữ liệu chuỗi. Một dãy các byte gửi từ máy tính hay bộ vi xử lý được bộ xử lý servo giải mã, mà mỗi byte sẽ tương ứng một servo. Những bộ xử lý servo điển hình có ghi chú các ứng dụng và các chương trình mẫu của các máy tính và bộ vi xử lý thông dụng nhưng để đảm bảo ta cần có kiến thức về lập trình và truyền chuỗi. Ví dụ :Bộ Điều Khiển Servomotor DC Hình 1. Sơ đồ khối Đây là một thử nghiệm hệ thống điều khiển servomotor (SMC). Được sử dụng trong thực tế không có một vài thay đổi nào . Hệ thống servo là những hệ thống hồi tiếp vòng kín hoạt động theo thời gian thực, như kiểm soát vị trí, kiểm soát tốc độ và kiểm soát mô-men xoắn. Nó sẽ được thực hiện để phù hợp với bất kỳ bộ xử lý nhúng 32 bit RISC như một middleware. Trong thử nghiệm , các hoạt động này được thực hiện chỉ với một vi điều khiển 8 bit giá rẻ. Gần đây, các hệ thống servo thường sử dụng động cơ không chổi than gọi là "động cơ AC servo" để giảm chi phí bảo trì. Động cơ servo AC với PM rotor là một loại động cơ DC, khác biệt giữa servo AC và DC servo chỉ là động cơ điều khiển. Hardware Phần cứng Hình 2. sơ đồ mạch (Obsolated) Hình 3: bảng mạch điều khiển servo Hình 1 cho thấy sơ đồ khối cho SMC.Điều này được xây dựng với một vi điều khiển chỉ AVR và một chế độ điện PWM amplifire Toàn bộ hoạt động servo được xử lý bằng phần mềm xử lý servo. Bất kỳ thành phần analog cho các hoạt động servo không được sử dụng. Hình 2 cho thấy sơ đồ mạch cho SMC. Các tiến trình AVR là chức năng chính của servo , chẳng hạn như xác định vị trí, hoạt động servo, đầu ra PWM và các lệnh điều khiển chuyển động từ máy chủ. Nó có thể chạy một động cơ lên tới 50W ở điện áp 12V. JP1 là một kết nối ISP đến chương trình AVR, và nó có thể cũng được sử dụng kèm một bảng hiển thị LED . P2 là giao diện lưu trữ hổ trợ kiểm soát bởi bất kỳ điều khiển của máy chủ, nó có thể được kết nối trực tiếp với PC . P4 là một xung dòng lệnh giao diện giống như bộ điều khiển servo nhất. Hình 3 cho bảng mạch điều khiển servo . Phần mềm Hình 4 cho thấy lý thuyết về cơ chế định vị servo. Hình 4. Hoạt động định vị servo Vị trí hiện tại của động cơ được đưa trở lại bộ điều khiển servo qua một Vôn kế hoặc một bộ mã hóa vòng quay. Vị trí của động cơ được so sánh với vị trí đã được lập trình sẵn, động được dẫn động theo lỗi vị trí, di chuyển đến và được giữ cố định theo vị trí đã được lập trình sẵn. Tác vụ servo bao gồm các bộ khuếch đại lỗi và các bộ lọc PID. Cho đến những năm 80, tác vụ servor mới được hiện thực với op-amps, bộ chuyển F-V, bộ đếm khác biệt, bộ chuyển D-A và nhiều thành phần tương tự. Sau những năm 90, việc xử lý tín hiệu số làm phổ biến bộ điều khiển servo, và các giải pháp servo mới, chẳng hạn như điều khiển AI, điều khiển thô, điều khiển mờ cũng đã được phát triển và áp dụng. Điều khiển các vòng lặp servo đơn được chỉ ra trong hình 4 được gọi là “cơ chế servo thông thường”. Vì hiệu suất servo của nó không cao nên nó không được dùng cho bộ điều khiển servo hiệu suất cao. [...]...Hình 5 Sơ đồ hoạt động cho SMC Hình 5 cho thấy các hoạt động servo cho SMC Nó được cấu hình đa liện hệ với các servo phổ biến nhất và cơ chế cơ bản của servo hiện tại Các thao tác servo có đa liên hệ , được gọi là " kiểm soát theo tầng" Nó là một loại "cơ chế servo Nâng cao" Kiểm soát theo tầng, một hoặc nhiều kỳ kiểm soát phản ứng nhanh... đĩa động cơ ở điện áp không đổi Chế độ 1 (chế độ kiểm soát mô-men xoắn) ổ đĩa có động cơ tại mô-men xoắn không đổi độc lập với quay Chế độ2 (chế độ kiểm soát tốc độ) ổ đĩa có động cơ tại vận tốc không đổi độc lập với mômen xoắn Chế độ 3( chế độ định vị) ổ đĩa có động cơ được lập trình vị trí và giữ ở đó Đây được gọi là "hệ theo dõi servo" được sử dụng điển hình cho hệ thống điều khiển chuyển động. .. tổng thể servo sẽ tăng lên Bây giờ, các tác vụ servo được tiến hành bằng phần mềm điều khiển servo kỹ thuật số Để thực hiện rời rạc của các hoạt động servo, thời gian cập nhật được đầy đủ đáp ứng nhanh hơn hệ đáp ứng cơ khí là bắt buộc Thông thường, tốc độ cập nhật từ 1 kHz đến vài kHz Nó được xử lý bằng các vi điều khiển mà không có DSP Quá trình SMC hoạt động tốc độ cập nhật 1 kHz, mọi hoạt động được... của servo, có thể thay đổi năng động However, SMC doesn't have automatic tuning feature, so that you have to tuneup the servo parameters manually for the properties of actual motor and load Tuy nhiên, SMC không có tính năng điều chỉnh tự động, cho nên có thể điều chỉnh thông số servo bằng tay cho các thuộc tính của thực tế và tải của động cơ AVR có 128 byte bộ nhớ không mất dữ liệu, các thông số servo. .. thức hoạt động servo Nghĩa là để thay đổi dữ liệu hoạt động servo được thể hiện trong hình 5.Thanh ghi vị trí dòng lệnh, Thanh ghi lệnh con và bộ đếm vị trí cũng như xóa cùng một lúc Sự tương ứng giữa số chế độ và phương thức hoạt động được hiển thị trong bảng bên phải L - Hiển thị vị trí truy cập L L L Bộ đếm vị trí này là một thanh ghi bộ nhớ 24 bit để giữ được vị trí động cơ hiện hành. Lệnh... hoạt động servo trong thời gian thực Dòng lệnh trực tuyến SMC được điều khiển bởi các lệnh điều khiển từ máy chủ lưu trữ trực tuyến thông qua hình thức giao diện nối tiếp Có định dạng dữ liệu nối tiếp là N81 và dữ liệu RETE có 38.4k bps Nó có thể được kết nối với cổng nối tiếp của PC Sau là chi tiết các lệnh trực tuyến M - Thay đổi chế độ hoạt động servo Chế độ # 00 11 22 33 Hình thức hoạt động Servo. .. đ xử lý servo một cách dễ dàng SMC có thể hoạt động ở bốn chế độ servo khác nhau , định vị , vận tốc không đổi, phương thức mô-men xoắn không đổi và chế độ điện áp không đổi Các chế độ làm việc được xác định bởi dữ liệu của quá trình servo Mỗi chế độ làm việc được điều khiển bởi một bộ điều khiển máy chủ thông qua giao tiếp của SMC Hơn nữa, nó còn có thể hoạt động như là bộ điều khiển chuyển động không... chuyển đến vị trí mới cách nhanh chóng G - Tạo một chuyển động Hình 9 Dữ liệu chuyỷen động của lệnh G G0 G0 G1 G1 P - Thay đổi tham số servo P [] P [] . hiểu động cơ servo R/C là gì, sử dụng chúng trong robot như thế nào. Mặc dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C được sử dụng nhiều nhất. Để đơn giản ta gọi động cơ servo. chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo. Bộ Công Thương Trường ĐH Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh Khoa Cơ Khí Tiểu luận: CƠ - ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Đề tài: CƠ CẤU CHẤP HÀNH ĐNG CƠ SERVO MT CHI!U SVTH: Nguyễn Anh Tuấn 07701781 Nguyễn