Cơ cấu chấp hành
Động cơ điện
Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số
các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Ứng dụng
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành: Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay...
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in...
Hình 2.6 Cấu tạo động cơ bước
Cấu tạo của một động cơ bước
Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau. Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cực xếp đối xứng.
Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây.
Ưu điểm của động cơ bước
Động cơ có ưu điểm là khả năng cung cấp moment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình.
Một động cơ bước trên thị trường khá bền, giá thành cũng tương đối thấp.
Việc thay thế cũng khá dễ dàng.
Không nên dùng động cơ bước cho các thiết bị đòi hỏi tốc độ cao.
Nhược điểm
Động cơ hay xảy ra hiện tượng bị trượt bước. Lí do bởi vì lực từ yếu hay nguồn điện cấp vào không đủ.
Khi hoạt động thì động cơ bước thường gây ra tiếng ồn và có hiện tượng nóng dần. Với những động cơ bước thế hệ mới thì việc độ ồn và nóng của động cơ giảm đáng kể.
Hình 2.7 Động cơ bước size 42 1,8o/step
Thông số kỹ thuật của Động cơ bước size 42 1.8o/step.
Kích thước bao: 42mm x 42mm x 38mm.
Kích thước trục: 5mm.
Momen xoắn: 0,46 N.m.
Điện áp làm việc: DC 9-24V.
Dòng điện định mức: 1,2A.
Độ phân giải: 1.8 độ/1 bước.
Loại động cơ bước: 2 pha.
Trọng lượng: 220g.
Sơ đồ dây.
Động cơ bước loại 2 pha 6 dây, tức gồm có 2 cuộn dây, mỗi cuộn có 3 đầu ra. Để sử dụng cần xác định dây chung tính của mỗi cuộn, sau đó nối hai dây này chung lại với nhau. Khi đó động cơ sẽ chỉ còn lại 4 dây theo thứ tự là A+, A-, B+, B-. Sử dụng các dây này để nối vào mạch điều khiển động cơ bước.
Hệ thống cảm biến [3]
Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU 6050
Cấu tạo gồm hai phần
Gia tốc kế (Accelerometer): Đo chuyển động của vật thể trong không gian gồm 3 gia tốc kế đơn giản được đặt theo 3 phương x, y, z.
Con quay hồi chuyển (Gyroscope): Đo sự định hướng (góc nghiêng). Được sử đụng để nhận biết được hướng của hệ thống theo cả phương ngang và phương thẳng đứng.
Như vậy, cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trục góc quay (Gyroscope), 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer).
Hình 2.9 Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050
Cảm biến có khả năng đo
Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250, 500, 1000, 2000 Degree/sec.
Chức năng các chân của cảm biến MPU6050
VCC: Điện áp nguồn cấp (3.3 – 5 V).
GND: 0 V.
SCL: Chân SCL trong giao tiếp I2C.
SDA: Chân SDA trong giao tiếp I2C.
XDA: Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác).
XCL: Chân xung (kết nối với cảm biến khác).
AD0: Bit0 của địa chỉ I2C.
INT: Chân ngắt.
Cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì độ chính xác cao. Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2cm đến 450cm với độ chính xác cao. Cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm các chân: VCC (chân 5V), trig (chân điều khiển phát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (chân nối đất). Cảm biến siêu âm HC-SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module: 1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40KHz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật. Công thức tính khoảng cách như sau:
Hình 2.10 Cảm biến siêu âm HC-SR04 Thông số kỹ thuật Điện áp: 5VDC. Dòng hoạt động: < 2mA. Góc tối đa: 15o. Khoảng cách: 2cm – 450cm. Độ chính xác: 3mm. Hệ thống điều khiển
Arduino nano V3.0 AT mega 328P
Mạch arduino nano V3.0 ATmega328P là bản thu nhỏ của các dòng như arduino uno, nhưng nó có thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt, tiện sử dụng cho các breadboard nhỏ, cũng như cho các dự án đòi hỏi tính nhỏ gọn.
Board mạch arduino nano V3 sử dụng chip Atmega 328-AU nên có thêm 2 chân analog A6, A7. Bên cạnh đó trên board có sử dụng opamp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board. Một tính năng đáng chú ý nữa trên arduino nano là sử dụng chip CH340 để giao tiếp, việc này giúp tiết kiệm và hạ giá thành sản phẩm.
Hình 2.11 Board mạch arduino nano V3.0 ATmega328P Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật arduino nano V3.0 ATmega328P
Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Chân digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output) Chân PWM digital I/O 6
Chân đầu vào analog 8 (thêm A6, A7) so với uno Dòng sử dụng I/O pin 20 mA (tối đa 40mA) Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328)
SRAM 2 KB (ATmega328)
Clock speed 16 MHz Chiều dài 43.2 mm Chiều rộng 18.5 mm
Trọng lượng 5g
Board arduino uno R3
Hình 2.12 Arduino uno R3
Arduino uno có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD.
Thông số kỹ thuật
Vi điều khiển: ATmega328.
Điện áp hoạt động: 5 VDC (chỉ được cấp qua cổng USB).
Tần số hoạt động: 16 MHz.
Dòng tiêu thụ: 30mA.
Số chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM).
Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10 bit).
Chức năng các chân
USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi power jack hỗ trợ dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V.
GND: Chân mass chung cho toàn mạch arduino.
Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu.
IOREF: Chân này để cung cấp tham chiếu điện áp cho arduino.
PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11. Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp. Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.
AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
TWI: Chân giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây. Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này.
Serial communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
External interrupts (Ngắt ngoài): Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài.
Mạch điều khiển CNC Shield V4
Mạch điều khiển CNC shield V4 làm việc với Arduino Nano. Nó có thể được sử dụng làm bảng mở rộng trình điều khiển cho máy khắc và máy in 3D. Có tổng cộng 3 khe cắm kênh cho module điều khiển động cơ bước A4988 để điều khiển 3 kênh động cơ bước. Mỗi kênh động cơ bước chỉ cần 2 cổng IO, có nghĩa là 6 cổng IO là đủ để quản lý 3 động cơ bước.
Tương thích với máy khắc laser vi truyền động, máy khắc CNC ba trục.
Hình 2.13 Mạch điều khiển động cơ CNC Shield V4
Thông số kỹ thuật
Tương thích với Arduino nano V3.0.
Tương thích với module A4988 và DRV8825.
Điện áp: DC 5V (Alapter 5V-1A).
Jack nguồn: Chuẩn DC 5.5 V.
Tương tích với kit Arduino Nano CH340.
Kết hợp với tối đa 3 module động cơ A4988.
Giúp xây dựng hoàn thiện bộ máy CNC.
Mạch điều khiển nhỏ gọn dễ sử dụng.
Ứng dụng trong công nghệ CNC, máy CNC mini.
Module bluetooth HM-10
Module bluetooth 4.0 UART CC2541 HM-10 giao tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp UART giúp vi điều khiển có thể giao tiếp và truyền dữ liệu với các thiết bị sử dụng.
Hình 2.14 Module bluetooth HM-10
Thông số kỹ thuật
Nguồn: 3.3 - 5VDC.
Dòng tiêu thụ tối đa: 8,5 mA.
Chuẩn bluetooth 4.0 cho tốc độ truyền nhận cao.
Khoảng cách thu sóng trong môi trường không vật cản: 100m.
Tần số hoạt động: 2.4 GHz.
Sử dụng IC CC2541 để giao tiếp.
Module A4988
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng. Mạch điều khiển A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4, 1/8 và 1/16.
Thông số kỹ thuật
Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng max 2A.
Có 5 chế độ: Full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước.
Điều chỉnh dòng ra bằng triết áp: Current Limit = VREF × 2.5.
Hình 2.15 Module A4988
Cách sử dụng
Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay 1/4… sẽ được thông qua 3 pin MS1, MS2, MS3.
Bật tắt động cơ thì thông qua pin Enable, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt module.
Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin Dir.
Điều khiển bước của động cơ thông qua pin Step, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước).
Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau.
Kết nối giữa một vi điều khiển với A4988.
Kết nối giữa A4988 với Board Arduino.
Các chi tiết cơ khí a. Trụ đồng
Trụ đồng cái cái M3 (Brass Hexagonal F-F) được sử dụng để gắn nối tầng PCB, làm chân trụ cho board mạch hoặc ứng dụng linh hoạt với các thiết kế robot, trụ được làm bằng đồng cho độ bền và độ ổn định cao, thích hợp với ốc và vít chuẩn M3 (ren 3mm).
Hình 2.16 Trụ đồng
b. Gá động cơ
Hình 2.17 Giá đỡ động cơ bước size 42
Mô tả chung:
Giá đỡ động cơ bước size 42.
Vật liệu: Gang.
Chiều ngang: 50mm.
Chiều cao: 51,5mm.
Độ dày: 3mm.
c. Bánh xe
Hình 2.18 Bánh xe V2 65mm
Thông số kỹ thuật
Chất liệu: Nhựa, mút, cao su.
Đường kính: 65mm.
Độ rộng bánh: 27mm.
d. Khớp nối trục động cơ
Hình 2.19 Khớp nối trục động cơ
Khớp nối trục động cơ lục giác (Hexagon Motor Coupling) 18mm được sử dụng để nối giữa trục động cơ với bánh xe hoặc các phần cứng có chuẩn khớp nối lục giác 12 mm một cách chắc chắn, khớp nối được làm bằng đồng, chất lượng gia công tốt, độ bền cao.
Thông số kỹ thuật
Vật liệu: Đồng.
Khớp lục giác: 12mm.
Chiều dài: 18mm.
e. Hộp pin
Hộp đựng pin 18650 với dây dẫn đặt 2 kích thước tiêu chuẩn 18650 pin cạnh nhau để tạo thành một pin 7.4 V có thể sạc lại.
Thông số kỹ thuật
Hộp ghép đựng 2 pin 3.7 V 18650 đầu ra 7.4 V.
Chất liệu: Nhựa cứng ABS dày dặn, chịu lực tốt, không độc hại.
Kích thước hộp: 40mm x 75mm x 22mm.
Hình 2.20 Hộp pin 18650 2 cell
f. Công tắc KCD1-101
Thông số kỹ thuật
Kích thước:15x20mm.
Điện áp chịu đựng: 6A-250VAC –> 10A-125VAC.
Số chân: 2.
Chế độ: 2 chế độ on/off.
Chất liệu: Vỏ bằng nhựa.
Hình 2.21 Công tắc KCD1-101
g. Tấm Mica
Mica được làm từ nhựa dẻo, sản xuất bằng cách đúc theo dạng từng tấm từ hợp chất nhựa poly methyl methacrylate (thủy tinh hữu cơ).
Ưu điểm của tấm mica
Mica có độ bền cao, phù hợp với cả những công trình ngoài trời, chịu nhiều tác động và ảnh hưởng của thời tiết.
Độ dẻo tốt nên có thể ghép hoặc uốn tùy vào nhu cầu.
Chịu được nhiệt độ cao lên đến 80oC, không bị ăn mòn kể cả các môi trường như muối và xà phòng, không dẫn điện, chống thấm tốt.
An toàn đối với sức khỏe của người tiêu dùng vì trong quá trình thi công cắt ghép không tạo ra khói bụi hay các chất khí độc hại.
Kết luận:
Trong chương 2, nhóm đã tìm hiểu được rõ nguyên lí làm việc của robot thông qua việc lập các phương trình động học và động lực học cho robot hai bánh tự cân bằng. Bên cạnh đó, nhóm cũng tìm hiểu được các thành phần cơ bản của robot hai bánh tự cân bằng như mạch arduino, lập trình cho arduino, cảm biến góc nghiêng MPU6050, động cơ bước, module bluetooth. Các chi tiết cơ khí cũng được nhóm tìm hiểu và khái quát để chế tạo cho hệ thống cân bằng. Từ đó tạo cơ sở cho việc mô hình hóa và mô phỏng cho robot hai bánh tự cân bằng.
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
Để khảo sát hệ thống có điều khiển được hay không và có thể quan sát được các biến trạng thái hay không cũng như tính ổn định của hệ thống ta sử dụng phần mềm tính toán và mô phỏng Matlab.