NGHIÊN CỨU Cấu Tạo của một động cơ Servo

Cấu Tạo động Servo: Các thành phần chính: Động chiều(motor) Biến Trở (potentiometer) Hộp giảm tốc(gear box ) Mạch điều khiển(Electronic board ) Vỏ(cover) Dây tín hiệu(signal wire) Động servo thiết bị điều khiển chu trình kín Từ tín hiệu hồi tiếp vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số điều khiển họat động động servo Với lý nêu nên sensor đo v ị trí tốc độ phận cần thiết phải tích hợp cho động servo Đặc tính vận hành động servo phụ thuộc nhiều vào đặc tính từ phương pháp điều khiển động servo Có loại động servo sử dụng động servo AC dựa tảng động AC lồng sóoc; Động servo DC dựa tảng động DC; động servo AC không chổi than dựa tảng động không đồng Động Servo động điện thiết kế cho hệ thống điều khiển có hồi tiếp vòng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Động DC động bước vốn hệ hồi tiếp vòng hở-ta cấp điện để động quay chúng quay ta khơng biết,kể với động bước động quay góc xác định tùy vào số xung nhận Việc thiết lập hệ thống điều khiển để xác định ngăn cản chuyển động quay động làm động không quay dễ dàng Mặt khác, động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn c ản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay xe Ứng dụng động servo robot, loại với động dùng trongmơ hình máy bay xe Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến gọi động servo R/C (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo khơng phải điều khiển vơ tuyến, nối với máy thu vô tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu Như có nghĩa ta khơng cần phải điều khiển robot tín hiệu vơ tuyến cách sử dụng động servo, trừ ta muốn Ta điều khiển động servo máy tính, vi xử lý hay chí mạch điện tử đơn giản dùng IC 555 Tín hiệu đặt: Tín hiệu đặt tín hiệu đầu vào thường dòng ện, điện áp, tần số… R, RI , Rw: điều chỉnh, điều chỉnh dòng ện, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh nhận tín hiệu thông báo sai lệch trạng thái làm việc truyền động thơng qua so sánh tín hiệu đặt tín hiệu đo lường đại lượng truyền động Tín hiệu sai lệch qua điều chỉnh khuếch đại tao hàm chức điều khiển cho đảm bảo chất lượng CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠTĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DC SERVO 1.1.Khái quát động DC servo Động DC động bước vốn hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện đểđộng quay chúng quay ta khơng biết, kể động bước động quay góc xác định tùy vào số xung nhận Việc thiết lập hệ thống điều khiển để xác định ngăn cản chuyể n động quay động làm động không quay không dễ dàng Hình Một động DC servo thực tế Mặt khác, động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vậ ntốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn c ản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạ tđược điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiếu máy khác nhau, t máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay xe Hình Các thành phần động DC servo Một động DCservo tiêu biểu gồm có thành phần sau: Stator : gắn liền với vỏ động Rotor : thành phần tạo chuyển động quay Chổi than vành góp: giúp đưa điện vào Rotor Encoder: hay gọi mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vịtính (xung/vòng) Ngồi ra, Dc servo có thêm thành phần sau: Phanh điện từ: giúp hãm động trường hợp cần thiết Tachometer : thành phần phản hổi tương tự, thực chất máy phát điện nhỏ, với điện áp phàn hổi tính (vol/vòng quay) Đ iều k h i ể n đ ộ n g c D C s e r v o Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động thiết phải đọc góc quay motor.Một số phương pháp dùng để xác định góc quay motor baogồm tachometer, dùng biến trở xoay, dùng e ncoder Trong phương pháp phương pháp analog dùng optiacal encoder (encoder quang)thuộc nhóm phương pháp digital.Hệ thống optical encoder bao gồm nguồn phát quang (thường hồng ngoại – infrared), cảm biến quang đĩa có ch ia rãnh Optical encoder lại đư ợc chia thành loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) encoder tương đ ối (incremental optical encoder) Trong đa số DC Motor, incrementaloptical encoder dùng đa số Hình 3: cấu tạo encoder quang E n c o d e r t h ườ n g c ó k ê n h ( n g õ r a ) b a o gồ m kê n h A , k ê n h B v k ê n h I (Index) Trong hình ý có lỗ nhỏ bên phía đĩa quay vàmột cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ Đó kênh I encoder Cữ lầnmotor quay vòng, lỗ nhỏ xuất vị trí cặp phát -thu, hồng ngoạitừ nguồn phát xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, tín hiệu xuất c ảm biến Như kênh I xuất “xung” v òng quay motor Bênngồi đĩa quay chia thành rãnh nhỏ m ột cặp thu-phát khác dành chocác rãnh Đây kênh A encoder, hoạt động kênh A tương tự kênh I, điểm khác vòng quay motor, có N “xung” xuất trênkênh A N số rãnh đĩa gọi độ phân giải (resolution) encoder.Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có đĩa chĩ có vài rãnh có trường hợp đến hàng nghìn rãnh chia Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải encoder dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độchính xác điều khiển phương pháp điều khiển Không vẽ hình 2,tuy nhiên encoder có cặp thu phát khác đặt đường t r ò n v i k ê n h A n h n g l ệ c h m ộ t c h ú t ( l ệ c h M + , r ã n h ) , đ â y l k ê n h B c ủ a encoder Tín hiệu xung từ kênh B có tần số với kênh A lệch pha 90o.Bằng cách phối hợp kênh A B người đọc biết chiều quay động Hãy quan sát hình Hình 4: Hoạt động mot encoder quang Hình hình thể trí cảm biến kênh A B lệch pha Khi cảm biến A bắt đầu bị che cảm biến B hồn tồn nhận hồng ngoại xuy ên qua, ngược lại Hình thấp dạng xung ngõ kênh Xét trường hợp motor quay chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạnhãy qua n sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) kênh Bđang mức thấp Ngược lại, động quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu“đi” từ phải qua trái Lúc này, cạnh xuống kênh A kênh B mứccao Như vậy, cách ph ối hợp kênh A B xác định đ ợ c g ó c q u a y ( t h ô n g q u a s ố x u n g ) m c ò n b i ế t đượ c c h i ề u q u a y c ủ a đ ộ n g c (thông qua mức kênh B cạnh xuống kênh A).Động Dc servo điều khiển tín hiệu từ vi điều khiển theo nguyên lý điề ukhiển độ rộng xung ( Pulse width modulation – PWM), sử dụng mạch cầu H Hình Hoạt động mạch cầu H Trong hình 5, xem đầu V GND đầu (+) ( -) ắc qui, “đối tượng”là động DC mà cần điều khiển, “đối tượng” có đầu A B, mụcđích điều khiển cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B Bđ ến A Thành phần tạo nên m ạch cầu H “khóa” L1, L2, R1 R2 (L: Left, R:Right) Ở điều kiện bình thường khóa “mở”, mạchcầu H khơng h oạt động.Giả sử cách mà khóa L1 R2 “đóng lại” (L2 R1 vẫnmở), có dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A xuyên qua đối tượngđến đầu B trước qua khóa R2 GND (như hình 2a) Như thế, vớigiả sử có dòng đ iện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B Bây hãygiả sử khác R1 L2 đóng L1 R2 mở, dòng điện lại xuất hiệnvà lần chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND) V ậy dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) Nếu đóng đồng thời khóa bên (L1 L2 R1 R2) chí đóng c ả khóa? Hiện tượng “ngắn mạch” (short circuit), V GND gần nối trực tiếp với hiển nhiên ắc qui bị hỏng nguy hiểm cháy nổ mạch xảy Cách đóng khóa làm hỏng mạch cầu H Đểtránh việc xảy ra, người ta thường dùng thêm mạch logic để kích cầu H, biết rõ mạch logic phần sau.Giả thiết cuối trường hợp khóa phần phần đóng(ví dụ L1 R1 đóng, L2 R2 mở) Với trường hợp này, đầu A, Bcủa “đối tượng” nối với mức điện áp khơng có dòng điện chạy qua, m ạch cầu H không ho ạt động Đây coi cách “thắng” động (nhưng khơng phải lúc có tác dụng).Đó ngun lý mạch cầu H Như thành phần mạch cầuH “khóa”, việc chọn linh kiện để làm khóa phụ thuộc vào mụcđích s dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ đối tượng hiểu biết, điều kiện người thiết kế Nhìn chung, khóa mạch cầu H thư ờng đ ược chế tạo rờ le (relay), BJT (Bipolar J unction Transistor)hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) Hinh 6: mạch cầu H dùng rơle Trong mạch cầu H dùng rờ le hình 4, diode dùng để chống tượngdòng ngược (nhất điều khiển động cơ) Các đường kích solenoid khơng n ố i t r ự c t i ế p v i c h i p đ i ề u k h i ể n m t h ô n g q u a c c t r a n s i s t o r , v i ệ c k í c h c c transistor lại thực qua điện trở.Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt thay r le lin h kiện tương đương contactor, dòng điện tải lênđến hàng trăm ampere Tuy nhiên, thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở củarờ le chậm, đóng mở nhanh dẫn đến tượng “dính” tiếp điểm hư hỏng Vì vậy, mạch cầu H rờ le không dùng phương phápđiều khiển tốc độ động PWM Người ta thay rờ le mạch cầu H, tranzitor gọi “khóa điện tử” với khả đóng/mở lên đến hàng nghìn triệu lần giây Hinh : mạch cầu H dung BJT Do BJT kích tốc độ cao nên chức đảo chiều, mạch cầuH dùng BJT dùng điều khiển tốc độ motor cách áp tín hiệu PWM vàocác đường N h ượ c đ i ể m lớ n n h ấ t c ủ a m c h c ầ u H d ù n g B J T l c ô n g s uấ t c ủ a B J T thường nhỏ, với motor cơng suất lớn BJT sử dụng Mạch điện kích cho BJT cần tính tốn kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, khơng sẽhỏng BJT Mặt khác, điện trở CE BJT bão hòa tương đối lớn, BJT vìvậy bị nóng… Hình : Mạch cầu H dung Mosfet Hình minh họa mạch cầu H dùngMOSFET điển hình với cặp IRF9540 vàIRF540Mạch cầu H dùngMOSFET, hoạt động tương tự mạch cầu H dùng BJT, tuynhiên ưu điểm Mosfet tốc độ đóng mở nhanh, dòng tải lớn dung nhiều thực tế Nguyên lý điều xung PWM PWM (pulse width modulation) biến điệu độ rộng xung, l phương phápđiều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Trong cácthiết bị điện tử, thường dùng PWM để điều tốc, mơ-men động DC cóhiệu quả.PWM (Pulse Width Modulation) đóng vai trò gần tuyệt đối trongcác h ệ c ô n g s u ấ t chuyển m ch SMPS (Switch Mode Power Supply) g ọ i l nguồn xung Nói cách khác, nhắc tới nguồn xung người ta nghĩ đếnPWM.PWM tạo dựng nguyên tắc chuyển lải lượng từ A đến B dạngcác xung vng tồn p (biên độ xung gần với điện p nguồn cung cấ p) liên tiế p.Trong mức lượng tỷ lệ thuận v i thời gian mở xung (độ rộng xung tínhtrên đơn vịthới gian.Tần số xung PWM cố định hay biến đổi (thường cố định tầnsố xung chuyển mạch) Với tần số cố định, chu kỳ t tổng thời gian mở xungt(on) với thời gian tắt xung t(off).t = t(on) + t(off) = t1 + t2Tỷ lệ thời gian mở chu kỳ xung độ sâu điều biến độ rộ ng xung,đặc trưng thành thuật ngữ"% duty".Vídụ, tần sốxung KHz > t = ms.Với t(on) = 0,5 ms > ta có độrộng xung T=(T1/T2).100% = 50% Như • Đối với PWM = 25% Ut = Umax.25%(V) • Đối với PWM = 50% Ut = Umax.50% (V) • Đối với PWM = 75% Ut = Umax.75% (V) Trong vi điều khiển PIC16F887 có sẵn module PWM ( kênh) Sử dụng kênh PWM này, ta điều khiển tốc độ động theo ý muốn KênhPWM1 dùng cho chiều thuận động cơ, PWM2 dùng cho chiều cònlại động CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠTĐỘNG CỦA MƠ HÌNHĐIỀU KHIỂNĐỘNGCƠ DC SERVO 2.1 Cấu tạo mơ hình động DC Servo