2. Tính toán và thiết kế các chi tiết bộ phạn của máy BKM-10
3.2.2. Chọn các thành phần cơ bản của mạch lấy tín hiệu
a. Moodul cảm biến
Cảm biến áp suất có 3 chân trong đó chân xanh đƣa tín hiệu đầu ra, chân đỏ đƣợc cấp nguồn qua 1 điện trở, chân đen còn lại đƣợc nối đất. Trong proteus không có cảm biến áp suất nên ta giả sử nó là cảm biến nhiệt độ LM135. Điện trở R1 đƣợc chọn giá trị là 330Ω dùng để bảo vệ cho cảm biến chống dòng lớn đi qua. Biến trở 10K đƣợc dùng để điều chỉnh áp tại đầu ra khi cảm biến đang đo ở một nhiệt độ nhất định. Do nguyên nhân nhiễu từ bên ngoài vào nên ở đầu ra của cảm biến sẽ đƣợc ghép thêm 1 tụ điện 104 song song nối xuống đất trƣớc khi đƣa vào bộ ADC.
Hinh 3.15 Sơ đồ mạch cảm biến
b. Moodul vi điều khiển
Sử dụng một con vi điều khiển của hãng Atmel có tên là Atmelga16L thuộc dòng vi điều khiển AVR vào việc đọc tín hiệu analog, biến đổi tín hiệu này và truyền dữ liệu vào máy tính qua cổng COM. Đây là loại vi điều khiển
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 122
có tích hợp trên nó nhiều môđul phần cứng nhƣ ADC, UART, TIMER, WATDOG…nên ta có thể dễ dàng sử dụng nó vào nhiều mục đích khác nhau mà không cần thêm quá nhiều những môdul phụ ghép thêm ở bên ngoài. Atmelga16L có 40 chân nhƣ hình vẽ.
Hình 3.16 Sơ đồ chân
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 123
Hình 3.18 Sơ đồ mạch cảm biến và vi điều khiển
3.3.Mạch điều khiển động cơ 1 chiều 3.3.1 Mục đích
Điều khiển vị trí động cơ DC với những yêu cầu sau: - Điều khiển vị trí động cơ DC.
- Điều khiển trực tiếp động cơ bằng giao tiếp máy tính. - Điều khiển đƣợc tốc độ động cơ Servo DC.
3.3.2.Cơ sở lý luận
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 124
phâm loại
Động cơ điện một chiều có 3 loại:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
A - + Eu 1 2 + + Lkt -- Uu Ru Rkt -- Ukt Hình 3.19Sơ đồ nguyên lý ĐC KTĐL
- Động cơ điện một chiều kích từ song song
+ Ru Lkt A - + Eu 1 2 Rkt -- Ukt = Uu Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTSS
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 125
Trong đồ án nhóm chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì: - Làm việc tải nhỏ.
- Điều khiển tốc độ dễ dàng, chính xác.
Cấu tạo động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Cấu tạo động cơ gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (roto), cổ góp và chổi điện. Hình 3.22 Cấu tạo ĐC KTĐL Ud A - + Eu 1 2 + Rkt _ Ru Lkt Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý ĐC KTNT
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 126
Nguồn điện một chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp. Cƣờng độ từ trƣờng 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 + _ A - + Eu 1 2 + Iu Rkt Ikt _ Ru Lkt Hình 3.23Nguyên lý ĐC KTĐL cdkt kt kt R R U Ikt Ru . Iu Eu Uu Mà
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 127
. kt K Eu và kt K Mdt Iu Suy ra : Ru . K Mdt . K Uu kt kt
=> Kết luận : Để thay đổi tốc độ động cơ ta có 2 cách - Thay đổi từ thông
- Thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ: dùng phƣơng pháp PWM hoặc mắc thêm điện trở phụ vào phần ứng.
b. Giới thiệu về Encoder Khái niệm
Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa quang kỹ thuật số là một thiết bị chuyển đổi chuyển động thành một chuỗi các xung kỹ thuật số. Bằng cách đếm một cách đơn lẻ hoặc bằng cách giải mã một tập hợp các bit, xung có thể đƣợc chuyển đổi để đo lƣờng vị trí tƣơng đối hay tuyệt đối. Encoders có cấu hình cả tuyến tính và quay, nhƣng loại phổ biến nhất là quay. Rotary encoders đƣợc sản xuất trong hai hình thức cơ bản: các bộ mã hóa tuyệt đối nơi một từ kỹ thuật số duy nhất tƣơng ứng với mỗi vị trí của trục quay, và mã hóa các gia tăng, trong đó sản xuất xung kỹ thuật số nhƣ các trục quay, cho phép đo vị trí tƣơng đối của trục. Hầu hết các mã hoá quay đƣợc bao gồm một đĩa thủy tinh hoặc nhựa mã với một mô hình xuyên tâm photographically gửi tổ chức theo dõi. Theo đƣờng xuyên tâm trong mỗi ca khúc gián đoạn giữa một chùm photoemitter-cặp máy dò, xung kỹ thuật số đƣợc sản xuất.
Phân loại : Có 2 loại Encoder
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 128
Hình 3.24 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 đếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa.
Cũng giống nhƣ nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suất và đục. Ánh sáng có thể xuyên qua những phần trong suất đến bộ cảm biến quang, khi đĩa quay thì bộ cảm biến bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi phần đục làm cảm biến quang xƣống 0. Nhƣ vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự. - Khi thiết bị mã hóa này đƣợc sử dụng với cùng một thiết bị khác, thì vị trí 0 của trục xam nhƣ góc tọc độ. Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay có thể đƣợc hiển thị trên bộ chỉ thị của máy. Tín hiệu đầu ra của thiết bị mã hóa không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác. Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra khộng thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác đƣợc ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết bị mả hóa bị ngắt. Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bị sử dụng nó.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 129
- Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cáo hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần.
- Incremental encoder:
Incremental encoder Cấu tạo
Hình 3.25 Incremental 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 để đếm xung ra.
Thiết bị mã hóa cho biết vị trí của trục quay bằng số xung đƣợc 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
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 130
tính (xung Z) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay đƣợc 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).
Nguyên lý hoạt động của Incremental encoder
Hình 3.26 Nguyên lý Incremental encoder
Giả sử encoder có 3 xung là A,B,Z nhƣ hình
Khi truc động cơ quay nhờ 3 cặp led thu và phát hồng ngoại sẽ đổi trạng thái liên tục.Do 2 xung A,B lệch pha nhau 1 góc 0
90 và xung Z chỉ có 1 xung trên vòng nên ta có giản đồ xung nhƣ hình trên. Ta dùng bộ đếm để đếm xung này từ đó biết đƣợc vị trí động cơ nhƣ thế nào. Tùy vào từng loại encoder mà ta có các độ phân giải khác nhau.Ví dụ nhƣ encoder ghi
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 131
r / p
200 nghĩa là khi động cơ quay 1 vòng ta đo đƣợc 200 xung. Encoder trong đồ án cũng là loại 200 xung/vòng.Chỉ có 2 xung A và B không có xung Z.
c. Lý thuyết PWM
Để điều khiển tốc độ động cơ nhƣ đã trình bày ở phần nguyên lý động cơ có 2 cách: Mắc điện trở phụ và phần ứng và thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ.Phƣơng pháp PWM chính là cách để thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ.
Điều chế độ rộng xung là phƣơng pháp điều khiển tổng công suất cho tải mà không phải tiêu hao bất kỳ công suất nào trong việc điều khiển tải.
Pulse Width Modulation (PWM) là kỹ thuật làm giảm số lƣợng nguồn phát ra đến động cơ DC, nó đƣợc ứng dụng trong các hệ thống máy móc cơ khí mà không cần hoạt động trong tình trạng đủ nguồn
Thay vì giảm điện áp vân hành cho motor (nghĩa là giảm nguồn cho nó), nguồn motor đƣợc bật on/off một cách nhanh chóng. Phần trăm thời gian mà nguồn đƣợc bật sẽ quyết định phần trăm hoạt động mà nó đƣợc thực hiện
Giảng đồ trình bày khái niệm này, trình bày tín hiệu PWM đến hoạt động motor tại 75%, 50%, 25% nguồn hoạt động.
Một khoảng rộng của tần số có thể đƣợc sử dụng cho tín hiệu PWM Một dạng sóng PWM gồm 8 bit, mà mỗi một dạng sóng có thể là on hoặc off, đƣợc lập lại để sử dụng cho động cơ. Mỗi một phần trăm của giây, bit điều khiển quyết định motor là nạp hoặc ngắt. Mỗi 1/125 của giây dạng sóng đƣợc lập lại.
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 132
Hình 3.27Nguyên lý PWM
Thực chất của PWM là làm thay đổi tổng giá trị áp (trung bình) đặt 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 nhiều phƣơng pháp điều khiển PWM:
Phƣơng pháp tƣơng tự: tác động nhanh và liên tục.
Phƣơng pháp số: có thể điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của hệ truyền động.
IC chuyên dụng.
Dùng con vi điều khiển trện board.
Có hai phƣơng pháp phổ biến nhất làm thay đổi tổng điện áp đặt vào hai cực động cơ Servo DC:
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 133
Hình 3.28 Các phương pháp PWM cho động cơ Servo
Hình trên minh họa phƣơng pháp PWM cho Servo chuẩn (phƣơng pháp 1) và Servo số (phƣơng pháp 2)
+Phƣơng pháp 1: Bằng cách thay đổi thời gian Ton và Toff. Trong khi chu kỳ xung vẫn giữ nguyên (không đổi)
Ví dụ: Chúng ta mong muốn mức logic ngõ ra PWM dùng điều khiển tốc độ động cơ Servo DC. Khi đó, động cơ đạt tốc độ Minimum thi tƣơng ứng với tín hiệu PWM là 100% off 0% on và khi động cơ đạt tốc độ Maxi- mum thì tƣơng ứng với tín hiệu 0% off 100% on. Tuy nhiên điều này chỉ là lý thuyết, trong thực tế phƣơng pháp PWM không bao giờ đạt con số 100% off 0% on (hoặc 0% off 100% on) mà nó chỉ mang tính gần đúng .
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 134
Hình 3.29 Phương pháp PWM với tần số không đổi
t1 = t2 = TON + TOFF = const Trong đó:
t1, t2: chu kỳ xung Ton: thời gian On Toff: thời gian Off
Theo tiêu chuẩn động cơ Servo, ta nên chọn chu kỳ xung t1=t2 =20ms Chúng ta thấy rằng, thời gian Ton càngtăng thì điện áp trung bình tƣơng ứng càng lớn, đồng nghĩa với tăng tốc độ động cơ và hoàn toàn ngƣợc lại nếu Ton càng nhỏ thì điện áp trung bình tƣơng ứng càng giảm, đồng nghĩa với giảm tốc độ động cơ
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 135
+ Phƣơng pháp 2: Bằng cách thay đổi tần số xung. Do đó trƣờng hợp này làm cho chu kỳ xung bị thay đổi, tức là: t1 ≠ t2
Hình 3.30 Phương pháp PWM với tần số thay đổi
Nhìn chung cả 2 phƣơng pháp trên đều có một điểm chung đó là điều tiết PWM dẫn đến làm thay đổi tổng áp trung bình đặt vào hai cực VCC và GND của động cơ Servo DC. Tùy theo thế mạnh của từng phƣơng pháp, thế mạnh của ngƣời dùng mà lựa chọn phƣơng pháp nào là hợp lý, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 136
3.4. Mạch xử lý giao tiếp với máy tính a. Lý thuyết chung a. Lý thuyết chung
- Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ. Cần chú ý rằng khái niệm USART (hay UART nếu chỉ nói đến bộ truyền nhận không đồng bộ) thƣờng để chỉ thiết bị phần cứng (device, hardware), không phải chỉ một chuẩn giao tiếp. USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó. Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UART thƣờng theo mức TTL: mức logic high là 5, mức low là 0V. Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thƣờng là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low Chú ý là các giải thích trong tài liệu này theo mức logic TTL của USART, không theo RS232.
- Truyền thông nối tiếp: giả sử bạn đang xây dựng một ứng dụng phức tạp cần sử dụng nhiều vi điều khiển (hoặc vi điều khiển và máy tính) kết nối với nhau. Trong quá trình làm việc các vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu cho nhau, ví dụ tình huống Master truyền lệnh cho Slaver hoặc Slaver gởi tín hiệu thu thập đƣợc về Master xử lí…Giả sử dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bits, bạn có thể sẽ nghĩ đến cách kết nối đơn giản nhất là kết nối 1 PORT (8 bit) của mỗi vi điều khiển với nhau, mỗi line trên PORT sẽ chịu trách nhiệm truyền/nhận 1 bit dữ liệu. Đây gọi là cách giao tiếp song song, cách này là cách đơn giản nhất vì dữ liệu đƣợc xuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào và vì thế tốc độ truyền cũng rất nhanh. Tuy nhiên, nhƣ bạn thấy, nhƣợc điểm của cách truyền này là số đƣờng truyền quá nhiều, bạn hãy tƣởng tƣợng nếu dữ liệu của bạn có giá trị
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 137
càng lớn thì số đƣờng truyền cũng sẽ nhiều thêm. Hệ thống truyền thông song song thƣờng rất cồng kềnh và vì thế kém hiệu quả. Truyền thông nối tiếp sẽ giải quyết vần đề này, trong tuyền thông nối tiếp dữ liệu đƣợc truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đƣờng truyền. Vì lý do này, cho dù dữ liệu của bạn có lớn đến đâu bạn cũng chỉ dùng rất ít đƣờng truyền. Hình 3.16 mô tả sự so sánh giữa 2 cách truyền song song và nối tiếp trong việc truyền con số 187 thập phân (tức 10111011 nhị phân).
Hình 3.33 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp
- Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận. Vì dữ liệu cần đƣợc “chia nhỏ” thành từng bit khi truyền nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm. Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ phận cần