NOI DUNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG TRONG DẠY HOC

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng Robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc,… với nhiều dòng sản phẩm của các hãng như: Mitsubishi, Siement, Honda, SONY…Các loại

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý do chọn đề tài

Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển tự động vào trong sản xuất Trong sản xuất tự động, robot công nghiệp đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; các công việc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; hoặc các công việc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại, những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ…Nó có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm công nghiệp có năng suất cao, chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu xã hội Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng Robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc,… với nhiều dòng sản phẩm của các hãng như: Mitsubishi, Siement, Honda, SONY…Các loại Robot phổ biến như SCARA, PUMA, ASV, STANFORD,…

Với đà phát triển thực tế đó, các trường Đại học Cao đẳng cũng cần kịp thời đưa môn học Robot công nghiệp vào trong dạy học để bổ sung kiến thức về ngành Robot

và lý thuyết điều khiển Robot để đáp ứng ngày càng nhiều hơn nguồn nhân lực,cán bộ khoa học kỹ thuật cho nền sản xuất công nghiệp hiện đại

Từ thực tế việc ứng dụng Robot vào trong sản xuất công nghiệp thế giới đã phổ biến, còn ở Việt Nam tuy đã bắt tay vào nghiên cứu và ứng dụng nhưng vẫn còn mới

mẻ Do đó, chúng ta cần phải bắt tay đào tạo từ khi còn ở trong nhà trường để giúp ngành này theo kịp với các nước trên thế giới và đóng góp vào công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước

Tuy nhiên, việc trang bị được robot cho công tác phục vụ giảng dạy môn robot công nghiệp với nhiều trường còn khó khăn, phần lớn là học từ lý thuyết, còn thực tập còn thiếu thốn về vật chất và thời gian Do đó, nhóm đã chọn đề tài “ Thiết kế và thi công Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm)” có 3 khớp xoay và

1 khớp tịnh tiến theo phương Z với mong muốn có cơ hội tiếp xúc với điều khiển có hồi tiếp và hai nữa là thực hiện hoàn thiện sản phẩm để đưa vào giảng dạy

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài “ Thiết kế và thi công bộ điều khiển Robot SCARA 4 bậc tự do dùng trong học tập” là: tập trung tìm hiểu, nghiên cứu các vấn đề liên quan, thiết kế và thi công bộ điều khiển; xây dựng mô hình chương trình dạy học cho môn Robot công nghiệp cho ngành Cơ điện tử và Tự động hóa

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Thực hiện được mô hình thí điểm tay máy SCARA đưa vào phục vụ giảng dạy

- Xây dựng tài liệu phục vụ cho môn học thực tập robot công nghiệp

lắp các cảm biến giới hạn hành trình công tác, thi công lại toàn bộ mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển và IC điều khiển động cơ chuyên dùng và mạch công suất lái động

cơ

- Phần mềm: lập trình tạo giao diện điều khiển người – Robot thông qua máy tính

và vi điều khiển qua cáp RS232 bắt tay phần cứng và phần mềm

* Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu tài liệu: Robot có liên quan đến nhiều mảng kiến thức nên nhóm tìm hiểu tài liệu ở các lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học

- Tự nghiên cứu: thông qua các tài liệu và các phương tiện thông tin, nhóm tự xây dựng giải thuật, cách xây dựng chương trình

- Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thực nghiệm trong điều khiển các khớp của tay máy, từ đó rút ra được kinh nghiệm riêng

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về Robot công nghiệp

2.1.1 Giới thiệu Robot SCARA

Robot SCARA được giới thiệu ở Nhật Bản vào năm 1979 và từ đó SCARA được nhiều hãng chế tạo để phục vụ có nhiều mục đích khác nhau như hàn, lắp ráp, vận chuyển, khoan, doa … Các hãng chuyên sản xuất Robot SCARA như General motor, Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY, …Ngày nay, các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để ngày càng được linh hoạt hơn

Tay máy SCARA có vùng không gian hoạt động có dạng hình trụ Đây là loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là khớp trượt Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp hợp lại có nhiều ưu điểm:

- Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn

- Tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao

- Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z

2.1.2 Các công trình nghiên cứu Robot công nghiệp ở Việt Nam

Một số đề tài nghiên cứu và triển khai vào giảng dạy loại Robot này ở một số viện nghiên cứu và trường đại học Việt Nam:

- Robot phỏng sinh RP do Trung Tâm Nghiên Cứu Kỹ Thuật Tự Động Hóa, trường Đại học Bách khoa Hà Nội thiết kế và chế tạo: RPS – 406, RPS – 4102

- Robot SCARA mini do Trung Tâm Nghiên Cứu Kỹ Thuật Tự Động Hóa, trường Đại học Bách khoa Hà Nội thiết kế và chế tạo dùng trong giảng dạy

- Robot SCARA 4 bậc tự do của đại học Bách học Đà Nẵng được điều khiển bằng máy tính thông qua card LAP-PC+ để điều khiển các động cơ bước truyền dẫn động các khớp (Nghiên cứu thiết kế chế tạo Robot BKDN-01 của Phạm Đăng Phước)

Hình 2 1: Tay máy SCARA của Đại học Bách khoa Đà Nẵng

- Theo tọa độ hoạt động:

+ Tọa độ Decac

Vùng hoạt động là kiểu hộp gồm 3 chiều hoạt động theo 3 trục của tọa độ Decac Robot kiểu này có tất cả các khớp đều là khớp trượt, do đó đầu công tác thực hiện các chuyển động tịnh tiến Robot kiểu này được dùng nhiều trong lắp ráp và vận chuyển Điển hình có robot của hãng Panasonic

Hình 2 2: Robot hoạt động theo tọa độ Decac

Hình 2 4: Robot Seiko hoạt động theo tọa độ trụ

- Điều khiển kín

Điều khiển kín hay còn gọi là điều khiển servo, kiểu điều khiển này giống điều khiển hở nhưng có thêm phần hồi tiếp các thông số làm việc về bộ xử lý trung tâm để điều khiển Thường dùng các loại động cơ servo (DC, AC, thủy, khí …)

Ngoài ra, cũng dựa theo cách phân loại này người ra phân thành: robot điều khiển

tự động, robot điều khiển bằng cách dạy học, robot điều khiển bằng tay, robot điều khiển từ xa, robot tự hành …

2.2.3 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của Robot công nghiệp người ta phân loại thành: robot cấp phôi, robot vận chuyển, robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp…

Hình 2 5: Robot hàn của hãng KUKA 2.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

2.3.1 Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

- Tay máy: là cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu, khớp Chúng hình thành nên cánh tay để tạo ra các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt và bàn tay trực tiếp hình thành thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hay kết hợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết Các cảm biến để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và trạng thái ngoài môi trường

- Hệ thống điều khiển: máy tính hay vi xử lý để giảm sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 2 6: Sơ đồ khối của Robot công nghiệp 2.3.2 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot Đó là các thiết bị

cơ khí đảm bảo cho robot khả năng di chuyển, chuyển động trong không gian và các khả năng thực hiện các thao tác là việc

Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta thường quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng đến khả năng làm việc như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…

- Vùng làm việc

- Khả năng linh hoạt mềm dẻo trong không gian làm việc

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến đầu công tác Các khớp được sử dụng phổ biến là khớp trượt và khớp quay Tùy theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ Decac, tọa độ trụ, tọa độ cầu

2.3.3 Các cơ cấu truyền động

Các kiểu cơ cấu truyền động thường được sử dụng:

- Động cơ điện: động cơ DC servo, AC servo, động cơ bước

- Thích hợp điều khiển, đặc biệt đòi hỏi độ chính xác cao

- Hệ thống bánh răng giảm

- Không rò rỉ hoặc phát điện

- Tương đối rẻ, đơn giản

- Áp suất thấp so với thủy lực

cầu bảo dưỡng

- Dầu bị biến chất khi

nhiệt độ cao

- Độ cứng thấp, đáp ứng không chính xác

- Tỉ số năng lượng/ khối lượng thấp nhất

Bảng 2 1: So sánh giữa các loại cơ cấu truyền động 2.3.4 Truyền động cơ khí

- Truyền động bánh răng

+ Hệ bánh răng thông thường

Hệ bánh răng đơn giản: mỗi bánh răng được lắp trên một trục riêng

Hệ bánh răng phức tạp: nhiều bánh răng có thể lắp trên một trục

Trong hệ bánh răng này, các bánh răng khác nhau về kích thước được lắp đặt nối tiếp nhau Sự ăn khớp các bánh răng làm cho năng lượng được truyền từ bánh răng này sang bánh răng khác

+ Hệ bánh răng hành tinh

Trong hệ bánh răng hành tinh gồm có một dãy bánh răng hành tinh và một bánh răng cố định gọi là bánh răng trung tâm Bánh răng hành tinh quay quanh bánh răng trung tâm và năng lượng được truyền từ bánh răng hành tinh sang hệ thống bánh răng khác

Truyền động bằng hệ bánh răng hành tinh được sử dụng ở khớp 4 của tay máy SCARA trong đồ án để làm xoay tay gắp vật

- Truyền động trục vít, bánh vít

Một bộ trục vít bánh vít có 2 phần: bánh chủ động được gọi là trục vít, bánh bị động thường gọi là bánh vít Truyền động trục vít bánh vít được sử dụng để đổi phương chuyển động tròn

- Truyền động trục vít đai ốc bi

Hình 2 8: Bộ truyền động trục vít đai ốc bi và truyền đai của tay máy SCARA

Trục vít đai ốc bi là loại truyền động cơ khí là hoạt động theo cách ăn khớp ren để biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng và ngược lại Cơ cấu bao gồm: trục

sơ cấp là chi tiết nối từ khâu dẫn động đến bộ truyền, khối đai ốc là phần nối với tải trọng cơ cấu, vít xoắn là phần của bộ truyền nối với trục sơ cấp cũng là phần truyền động cho khối đai ốc

Khi trục sơ cấp quay theo chiều kim đồng hồ thì đai ốc di chuyển về phía trục sơ cấp, trục dẫn hướng có tác dụng giữ cho khối đai ốc chuyển động được êm trên trục vít Nếu không có trục dẫn hướng, khối đai ốc có xu hướng bị xoay mà không di chuyển theo trục vít Cơ cấu hoạt động dễ dàng khi trục vít quay dựa vào 2 ổ bi đỡ ở mỗi đầu trục vít, các ổ bi cho phép trục vít quay với ma sát ít nhất

Những viên bi được giữ đúng chỗ nhờ một ốc hãm, các viên bi cho phép trục vít xoay một cách dễ dàng trong khi ốc hãm di chuyển dọc trục Loại vít xoắn này có những đường xoắn đặc biệt tạo rãnh trong phần thân của cơ cấu để giữ viên bi nằm đúng vị trí

Trục vít đai ốc bi có thể sử dụng cho trục Robot hoặc trục Z của tay máy Khâu dẫn động được nối với bộ truyền này thông qua bánh răng phân phối lắp ở cuối trục vít, nó truyền năng lượng đến khối đai ốc qua các rãnh ren Trục vít quay sẽ dẫn động khối đai

ốc di chuyển lên xuống hoặc vào ra Khâu gắn với hệ thống này do đó sẽ chuyển động tịnh tiến

Truyền động trục vít đai ốc bi được sử dụng ở khớp thứ 4 để thay đổi trục Z của tay máy SCARA trong đồ án này

- Bánh răng côn

Hình 2 9: Bộ truyền bánh răng sóng của tay máy SCARA

Cơ cấu bánh răng sóng là một kiểu truyền động ăn khớp được sử dụng trong nhiều

hệ thống Robot Cấu tạo bộ truyền động này gồm 3 phần chính: khâu mềm, bánh răng tạo sóng, bánh răng ngoài Bánh răng ngoài có thể là phần cố định hay phần quay của

bộ truyền Đó là chi tiết dạng hình vành khăn có gia công răng ở mặt trong Nó có dạng elip, xung quanh lắp một vòng bi rồi đặt tất cả bên trong một khâu mềm Khi lắp bánh răng hình elip bên trong một khâu hình ống mềm như vậy thì khâu mềm đó cũng có dạng hình elip Khâu mềm elip tiếp xúc với vành răng trong của bánh răng ngoài tại 2

vị trí cách nhau 180 độ, đó cũng chính là vị trí ăn khớp giữa các răng của bánh răng ngoài và khâu mềm

Bộ truyền bánh răng sóng thu gọn được cơ cấu truyền động bánh răng và tạo ra moment lớn do tỉ số truyền lớn 80 : 1 đến 320 : 1 và khe hở dịch chỉnh ở bộ truyền bánh răng sóng bằng 0

Bộ truyền bánh răng sóng được sử dụng cho truyền động khớp 1 và 2 của tay máy SCARA trong đồ án này

- Bộ truyền đai

Các kiểu đai: đai thang, đai răng, đai dẹt

Bộ truyền đai làm cho hoạt động trở nên êm dịu, không ồn và giảm chấn cho Robot tuy rằng bộ truyền đai không truyền được công suất lớn

Bộ truyền đai răng được sử dụng trong tay máy SCARA để truyền từ đầu ra động

cơ khớp 3 để truyền năng lượng sang bộ truyền đai ốc bi giúp khâu 3 chuyển động tinh tiến theo trục Z và sử dụng trong truyền năng lượng từ động cơ 4 sang khớp khâu 3 để xoay tay gắp

- Bộ truyền xích

Trong trường hợp khi cần truyền năng lượng giữa khoảng cách lớn và không xảy ra hiện tượng trượt thì dùng bộ truyền xích Bộ truyền xích không có khả năng giảm chấn nhưng bù lại không bị trượt hay dao động khi làm việc và truyền được năng lượng giữa khoảng cách lớn

+ Cơ cấu cam

+ Cơ cấu malte

2.3.5 Tay gắp và cơ cấu chấp hành cuối

Tay gắp và cơ cấu chấp hành cuối là bộ phận của Robot giao tiếp với môi trường xung quanh Mục đích cuối cùng của nó là thực thi nhiệm vụ với môi trường xung quanh

Có nhiều kiểu tay gắp khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, tùy vào mục đích đơn giản chỉ là gắp vật có hình dạng cố định hay thay đổi Ngày nay, hầu hết các ứng dụng Robot được thiết kế với tay gắp đơn giản để thực hiện nhiệm vụ chuyên môn hóa cho năng suất cao

Phân loại tay kẹp:

+ Theo nguyên tắc hoạt động có tay kẹp cơ khí, chân không, từ trường, tĩnh điện…

+ Theo khả năng điều khiển có tay kẹp không điều khiển, điều khiển cứng, điều khiển thích nghi

+ Theo nguồn năng lượng có tay kẹp có dẫn động và không dẫn động

Nguồn điện một chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp Cường độ từ trường không thay đồi Tốc độ động cơ chỉ có thể điều khiển thông qua dòng roto Có thể đảo chiều chuyển động bằng cách đảo chiều dòng điện qua roto

Hình 3 3: Động cơ DC từ tường vĩnh cửu

ru : điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : điện trở cuộn dây cực từ phụ

ri : điện trở cuộn bù

rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :

(3 4) Phương trình đặc tính cơ điện của động cơ:

u f u

đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính

Hình 3 5: Đặc tính cơ điện của động cơ kích từ độc lập

Hình 3 6: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập 3.3 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

3.3.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uu = Udm = const ;φ φ= dm = const

Muốn thay đổi điện trở phần ứng ta nối điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

va

φβ

Hình 3 7: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với phụ tải MC nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch dũng giảm Cho nên người ta thường

sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

3.3.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Giả thiết từ thông φ φ= dm = const

Điện trở phần ứng Rư = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm ta có:

ϖ

Độ cứng đặc tính cơ:

2 2

K K

const

φφ

(3 12)

Hình 3 8: Đặc tính động cơ DC kích từ độc lập khi thay đổi điện áp phần ứng

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì moment ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm, tốc độ động cơ cũng giảm ứng với phụ tải nhất định Do

đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động

3.3.3 Ảnh hưởng của từ thông

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Udm = const điện trở phần ứng Rf = const Muốn thay đổi từ thông, ta thay đổi dòng kích từ Ikt động cơ

Trong trường hợp này:

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: u

ons

dm nm

ω

2 O

3.4 Các loại encoder

3.4.1 Encoder tiếp xúc

Điểm tiếp xúc thực tế của loại Encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông qua chổi than Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn do mụi than, xuất hiện điện trở tiếp xúc, gây ra rung động… làm giảm độ chính xác và tuổi thọ

Độ phân giải của Encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩa Độ phân giải

có thể tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuống cho trạng thái cao nhất của bit

3.4.2 Encoder từ trường

Đối với Encoder từ trường thì đĩa quay của nó được tráng một lớp vật liệu từ, trong

đó những vạch mẫu không được phủ Các vạch này được đọc bằng một đầu đọc nam châm Rõ ràng với ưu điểm này thì Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc

3.4.3 Encoder quang

Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ có độ chính xác cao và dùng ánh sáng của bán dẫn Encoder có 3 bộ phận : đĩa Segment có những phần trong suốt cho ánh sáng đi qua và những phần không cho ánh sáng đi qua, một nguồn sáng cùng với một

hệ thống hỗ trợ chiếu sáng, bộ phân cảm biến ánh sáng ( Photocell )

Hầu hết Encoder được sản xuất với độ chính xác cao, một Segment có bề dày xấp

xỉ 12 micros Độ phân giải của Encoder quang thông thường có thể đạt đến 14 bits

Hình 3 10: Một số Encoder quang 3.4.3.1 Thiết bị giải mã tuyệt đối (Absolute Encoder)

Là loại thiết bị mã hóa mà các tín hiệu mã đầu ra song song để chỉ thị góc quay tuyệt đối của trục Loại này không cần bộ đếm để điếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa

Hình 3 11: Đĩa Encoder quang Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suốt và đục Ánh sáng có thể xuyên qua những phần trong suốt đến bộ cảm biến quang (Photo transistor), khi đĩa quay thì bộ cảm biến bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi những phần đục làm cảm biến quang xuống 0 Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự

Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cao hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder )

3.4.3.2 Thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder )

Hình 3 12: Thiết bị mã hoá trong Encoder

Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay Thiết bị mã hóa này không có xung ra khi trục không làm việc Do đó cần có một bộ đếm xung ra Thiết bị mã hóa cho biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm Dạng thiết bị

mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh ngõ ra :

Loại 1 chiều (chỉ có đầu kênh A) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay

Loại 2 chiều (có đầu ra kênh A và B) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ Ngoài ra còn có đầu dây trung tính ( xung Z ) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1

Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2 (A) Ngược lại, khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) nhanh pha hơn xung track 2 (A)

Hình 3 13: Các kênh tín hiệu ra của Encoder

Hình 3 14: Các kênh tín hiệu ra của Encoder khi động cơ quay thuận

Hình 3 15: Các kênh tín hiệu ra của Encoder khi động cơ quay nghịch

Các động cơ trong tay máy đều sử dụng loại Encoder này vì nó phổ biến, dễ sử dụng và tương thích với IC điều khiển LM629

3.5 Giới thiệu và lựa chọn phương pháp điều khiển động cơ DC

3.5.1 Phương pháp điều khiển dùng DAC ( Digital Analog Converter)

Đây là phương pháp điều khiển điện thế DC cấp vào động cơ Với bộ biến đổi DAC được kết nối với ngõ ra số của vi điều khiển

Hình 3 16: Điều khiển động cơ sử dụng bộ biến đổi DAC

Với IC điều khiển động cơ chuyên dùng LM628 có tích hợp ngõ ra số thích hợp với phương án điều khiển này

Hình 3 17: LM628 với phương pháp điều khiển động cơ qua DAC

3.5.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung – PWM (Pulse Width Modulation)

Thực chất của PWM làm thay đổi tổng giá trị áp( trung bình) đăt vào hai đầu cực của động cơ Khi áp trung bình thay đổi tức là làm thay đổi tốc độ động cơ ngay lập tức

Có 2 phương pháp phổ biến nhất làm thay đổi tổng điện áp đặt vào 2 cực động cơ

DC Servo:

Phương pháp 1: Bằng cách thay đổi thời gian TON và TOFF Trong khi chu kỳ không đổi

Hình 3 18: Phương pháp PWM với tần số không đổi Trong đó:

t1, t2: chu kỳ xung

TON: thời gian ON

TOFF: thời gian OFF

Hình 3 19: Quan hệ giữa thời gian TON với điện áp Chúng ta thấy rằng, thời gian TON càng tăng thì điện áp trung bình tương ứng càng lớn và ngược lại

Phương pháp 2: Bằng cách thay đổi tần số xung Do đó trường hợp này làm cho chu kỳ xung bị thay đổi, tức là: t1 ≠ t2

Hình 3 20: Phương pháp PWM với tần số thay đổi

Nhìn chung cả 2 phương pháp trên đều có một điểm chung đó là điều tiết PWM dẫn đến làm thay đổi tổng áp trung bình đặt vào 2 cực Vcc và GND của động cơ Tuỳ theo thế mạnh của từng phương pháp, thế mạnh của người dùng mà ta lựa chọn phương pháp nào là hợp lý, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao

Với IC điều khiển động cơ chuyên dùng LM629 có tích hợp ngõ ra PWM thích hợp với phương án điều khiển này Thông qua ngõ ra PWM để lái IC cầu H chuyên dùng LMD18200

Hình 3 21: LM628 với phương pháp điều khiển động cơ bằng PWM

Trong đề tài này, điều khiển tay máy sử dụng IC chuyên dùng LM629 theo phương pháp điều biến độ rộng xung tần số không đổi với thuật toán PID số 32 bit được tích hợp sẵn trên chíp

CHƯƠNG IV: ĐỘNG HỌC TAY MÁY 4.1 Động học thuận tay máy SCARA

Hình 4 1: Các biến khớp tay máy SCARA

Tay máy SCARA có 4 bậc tự do với 4 khâu và 4 khớp

4 4

θ1

γ

O0

Nếu r > 0 thì θ2 = ± r

Xét :

y arctg

- Xung hoạt động lên đến 16MHz

- 8 kênh ADC 10 bit

- Giao tiếp truyền nhận nối tiếp 2 dây I2C

- USART nối tiếp lập trình được

- Giao tiếp nối tiếp truyền thông SPI master/slave

Các chân và ngõ vào ra:

- 32 chân ngõ vào ra và một số chức năng đặc biệt

- Đóng gói dạng 40 chân kiểu PDIP hoặc 44 chân kiểu TQFP hay QFN/MLF Điện áp hoạt động: 4.5 - 5.5V

Hoạt động với xung nhịp: 0 - 16 MHz

Bộ đệm Port C Bộ đệm Port B

Ngõ vào ADC Chốt &

Bộ đếm chương trình

Con trỏ ngăn xếp

Bộ đếm/Bộ

Bộ nhớ chương trình Flash

Lệnh thanh ghi

Giải mã lệnh.

Định thời Watdog

Thanh ghi

đa năng X Y Z

Đơn vị ngắt

Bộ đệm Port D Ngõ vào số PortD

SPI

Bộ Logic chươg trình

Ngõ vào

so sánh

XtLA1 XtLA2

5.2.1 Chuẩn giao tiếp RS-232

5.2.1.1 Khái niệm chung

Là giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ (asynchronous receiver transmitter), chậm hơn so với giao tiếp nối tiếp đồng bộ vì mỗi khung truyền bao gồm thêm Start bit để bắt đầu khung truyền, Stop bit để kết thúc và vì là bất đồng bộ nên tốc độ không thể đẩy lên quá cao được như nối tiếp đồng bộ Giữa Start bit và Stop bit là các bit data và bit kiểm

ra chẵn lẻ (Parity bit) Vì là bất đồng bộ nên chấp nhận một sai số nhất định trong khi truyền

Hình 5 2: Giản đồ một khung truyền của giao thức RS 232

5.2.1.2 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232

Các yêu cầu về điện được qui định trong RS- 232C như sau:

- Mức logic 1: nằm trong khoảng -3V÷ -12V

- Mức logic 0: nằm trong khoảng +3V ÷ +12V

- Trở kháng tải về phía bộ nhận của mạch phải lớn hơn 3000 và phải nhỏ hơn 7000

- Tốc độ truyền / nhận dữ liệu cực đại là 100 Kbit/giây

- Các lối vào của bộ nhận phải có điện dung nhỏ hơn 2500 pF

- Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ghép nối qua cổng nối tiếp không được vượt quá 15m nếu không sử dụng modem

5.2.1.3 Sơ đồ chân trên máy tính

Hầu hết các máy tính cá nhân được chế tạo gần đây đều có hai cổng nối tiếp

RS-232, đôi khi có 3-4 cổng Cổng đầu tiên có tên là COM1 tiếp theo là COM2, COM3, COM4 Có hai kiểu đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS-232 là loại 25 chân và

9 chân Trong đồ án này sử dụng loại 9 chân, còn gọi là đầu DB9 Sơ đồ chân như sau:

Hình 5 3: Sơ đồ chân cổng COM

STT

chân

3 TxD – Transmit data Truyền dữ liệu

7 RTS – Request to send Yêu cầu gửi

5 GND - Signal Ground Mass tín hiệu

1 DCD - Data carrier

detect

Phát tín hiệu mang dữ liệu

4 DRT - Data terminal Đầu cuối sẵn sàng

FG – Frame Ground Đất vỏ máy, dây bọc kim

Hình 5 4: Chức năng các chân của cổng COM

Cụ thể là ATMEGA32, có tích hợp sẵn phần cứng cho UART, bao gồm chân TxD

và RxD cùng các thanh ghi hỗ trợ cho chuẩn giao tiếp này

Điểm lưu ý là máy tính sử dụng RS232 ở mức điện áp CMOS, còn AVR lại sử dụng ở mức điện áp TTL, như vậy cần phải có sự chuyển đổi mức điện áp cho phù hợp, tương thích

Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ sử dụng trong đồ án là RS-232 với định dạng khung truyền: tốc độ Baud 57600, 1 Start bit, 8 bit data, 0 bit chẵn lẻ, 1 Stop bit

5.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI (SERIAL PHERIPHERAL INTERFACE)

5.2.2.1 Khái niệm chung

Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ (synchronous receiver transmitter) dùng kết nối giữa các thiết bị ngoại vi với nhau…Theo đó, có ít nhất là một đường xung clock đồng bộ tín hiệu và một đường data để truyền dữ liệu theo mỗi nhịp xung clock

5.2.2.2 Đặc tính kĩ thuật và nguyên tắc hoạt động

Tốc độ truyền tối đa lớn khoảng 3Mbit/s với Atmega32 Truyền nhận theo phương thức nối tiếp trên một nguồn xung clk chung

Với cách giao tiếp này sẽ có một Master thiết lập và điều khiển kết nối với một Slave nhận và truyền dữ liệu ngược về Master

Hình 5 5: Trạng thái hai thanh ghi dịch trước khi truyền

Hình 5 6: Quá trình truyền nhận dữ liệu

Điều mấu chốt của SPI là thanh ghi dịch ở cả Master và Slave và nguồn xung clock tạo bởi Master Master truyền một byte dữ liệu (gọi là A) cho Slave và cùng lúc đó nó cũng nhận một byte khác (gọi là B) từ Slave Trước khi truyền, Master ghi A vào thanh ghi dịch của mình và Slave cũng ghi B vào thanh ghi dịch của mình Sau đó Master tạo

ra 8 xung clock, tương ứng mỗi xung clock thì một bit trong thanh ghi dịch của Master được truyền sang thanh ghi dịch của Slave và ngược lại Sau khi xung clock cuối cùng thì Master hoàn thành nhận B còn Slave hoàn thành nhận A Có thể nhận thấy rằng quá trình truyền và nhận diễn ra đồng thời do đó đây được gọi là truyền “song công” Có 2 định dạng trao đổi dữ liệu: trao đổi bit thấp trước hoặc bit cao trước

5.2.2.3 Chức năng các chân của chuẩn SPI:

Có 4 đường tín hiệu sử dụng cho chuẩn SPI (tương ứng với 4 pins): MISO, MOSI,

SCK, SS\ Dưới đây là chức năng của từng chân:

MISO (Master in Slave out): đây là ngõ vào thanh ghi dịch của Master đồng thời là

ngõ ra từ thanh ghi dịch của Slave

MOSI (Master out Slave in): đây là ngõ ra từ thanh ghi dịch của Master đồng thời

là ngõ vào thanh ghi dịch của Slave

SCK (Serial Clock): chân tạo xung clock của Master và là chân ngõ vào xung clock

của Slave

SS\(Slave select): Để giao tiếp nhiều Slave trên cùng bus SPI ta cần có phương

pháp chọn Slave nào mà ta muốn kết nối ngay lúc đó Đây chính là chức năng của chân

SS Nếu SS treo lên mức cao thì các chân SPI của thiết bị đó là các ngõ vào bình

thường và sẽ không thể nhận dữ liệu qua SPI Nếu SS ở mức thấp, SPI ở chế độ Slave

và có thể truyền nhận dữ liệu qua SPI Nếu giao tiếp đồng thời hai Salve, chân SS ở

mỗi Slave nối với một ngõ ra bất kỳ của Master Khi muốn truyền SPI với Slave nào

thì cho ngõ ra tương ứng với SS của Slave đó xuống mức thấp, các ngõ ra tương ứng

với các chân SS của các Slave khác đưa lên mức cao Do các chân của chuẩn SPI được

nối chung giữa Master và tất cả các Slave nên việc quản lý quá trình truyền nhận với

một Slave nhất định phải được quy định chặt chẽ (mỗi lần chỉ giao tiếp với “một”

Slave) nếu không có thể xảy ra tình trạng xung đột đường truyền

Hình 5 7: Sơ đồ kết nối master slave

Các thanh ghi sử dụng trong SPI: (xem rõ hơn trong datasheet)

- SPCR (SPI Control Register): thanh ghi điều khiển SPI

- SPSR (SPI Status register): thanh ghi trạng thái SPI

- SPDR (SPI Data Register): thanh ghi dữ liệu SPI

5.2.3 Ngắt ngoài

Atmega32 cung cấp cho người điều khiển 3 chân ngắt ngoài :

- INT0 ( pin 16) nằm ở port D.2

- INT1 ( pin 17) nằm ở port D.3

- INT2 ( pin 3) nằm ở port B.2

Các ngắt ngoài này được cung cấp bởi 4 thanh ghi 8 bit để điều khiển:

- SREG ( status register): dùng bit 7 để cho phép tất cả các ngắt hoạt động

- MCUCR ( MCU control register):

Hình 5 8: Thanh ghi MCUCR +Bit 2 và 3 – ISC10 và ISC11: điều khiển ngắt 1

+Bit 0 và 1– ISC00 và ISC01: điều khiển ngắt 0

- MCUCSR (MCU control and status register):

Hình 5 9: Thanh ghi MCUCSR +Bit 6 – ISC2: điều khiển ngắt 2: khi có sự thay đổi ở bit ISC2, một ngắt có thể

sẽ xảy ra Do đó, cần phải vô hiệu hóa INT2 trước bằng cách xóa bit cho phép trong

thanh ghi GICR Sau đó, bit ISC2 mới có thể thay đổi được Cuối cùng, cờ ngắt INT2 nên được xóa bằng cách ghi bit logic1 vào bit cờ ngắt INTF2 trong thanh ghi GIFR trước khi ngắt được cho phép lại

- GICR ( General Interrupt Control Register):

Hình 5 10: Thanh ghi GICR

+Bit 7- INT1: cho phép ngắt ngoài 1

+Bit 6- INT0: cho phép ngắt ngoài 0

+Bit 6- INT0: cho phép ngắt ngoài 2

LM628 hay LM 629 đều hoạt động ở tần số tối đa là 6 hay 8 MHz tùy loại có hậu tố - 6 hay – 8

LM629 là bộ PID số Bộ lọc PID có phản hồi, đặc biệt với hệ thống động học không biết trước đặc tính hàm truyền Đáp ứng của bộ PID là tổng của 3 bộ: bộ tỉ lệ, bộ tích phân, bộ vi phân 5 biến hệ thống: KP, KI, KP, IL (giới hạn tích phân), dS (hệ số lấy mẫu vi phân)

Các thông số cơ bản:

- Tần số dao động tối đa fCLK = 6MHz

- Chu kỳ tính toán của bộ PID: 2048/fCLK Chu kỳ lấy mẫu encoder: N*2048/ fCLK

N phụ thuộc vào cáh chọn bộ chia (Xem lệnh LFIL)

- Bộ xử lý số học ALU 32 bit

- Gia tốc, vận tốc, vị trí đều chứa trong thanh ghi 32 bit

- Chương trình bộ lọc PID số với các hệ số bộ lọc 16 bit

- 8 hay 12 bit DAC (LM628)

- Ngõ ra PWM 8 bit và chân điều khiển hướng (LM629)

- Vận tốc, vị trí và các thông số bộ lọc có thể thay đổi lúc chuyển động

- Hoạt động ở mode vị trí hay vận tốc

- Cho phép lập trình ngắt theo thời gian thực

- Giao tiếp song song đồng bộ 8 bit với bộ xử lý chính

6.2 Kiến trúc phần cứng LM628/629

Có 4 chức năng làm nên LM628/629 gồm: bộ phát quỹ đạo, bộ lọc PID, bộ giao tiếp dữ liệu và bộ mã hóa encoder Có 8 ngõ giao tiếp vào ra và 6 đường điều khiển được giao tiếp thông qua vi điều khiển, ngõ ra điều khiển động cơ

Bộ nhớ thuật toán PID được lưu trong ROM 1k x 16bit Các biến và thông số quỹ đạo được lưu trong RAM dạng 32 bit ở thanh ghi đôi 16 bit Bộ xử lý số học ALU 32 bit Các thành phần được giao tiếp với nhau qua cấu trúc bus nội 16 bit

Hình 6 1: Sơ đồ khối của LM629

Hình 6 2: Mô tả cấu trúc phần cứng của LM628/629

Hình 6 3: Sơ đồ khối bộ PID số của LM629 6.3 Chức năng các chân LM629N-6

Hình 6 4: Sơ đồ chân LM629

Chân 1 IN\, ngõ vào: nhận lựa chọn chỉ dẫn xung ngõ vào encoder Phải đặt mức 1 nếu không dùng Chỉ dẫn được đọc khi các chân 1, 2, 3 ở mức thấp

Chân 2, 3, ngõ vào tín hiệu encoder A, B: nhận tín hiệu 2 pha vuông góc được tạo

ra bởi encoder incremental Khi motor quay, tín giệu 2 pha lệch 90 độ Chú ý chân 2 và

3 chỉ được thay đổi trạng thái ít nhất là sau 8 kỳ xung clock.Vì 4 trạng thái là cơ sở để giải mã encoder