L ỜI NĨI ĐẦU
4.5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.5.1. Giới thiệu chung
Theo tính tốn, chọn nguồn động lực của tàu đệm khí gồm hai động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu metanol trong đĩ một động cơ cĩ nhiệm vụ cung cấp khí vào váy, duy trì lưu lượng và áp suất khơng khí cần thiết để đảm bảo sức nâng khi làm việc, một động cơ cĩ nhiệm vụ thổi khí tạo nguồn động lực giúp tàu chuyển động về trước. Như vậy, thực chất của việc điều chỉnh năng lượng phát ra từ các động cơ để thay đổi sức nâng và tốc độ tàu là điều khiển vị trí của tay ga để cấp nhiên liệu cho động cơ. Trước đây, thường sử dụng động cơ điện DC hoặc động cơ bước cĩ tín hiệu hồi tiếp về mạch điều khiển gĩc quay rotor thơng qua các cảm biến encoder đặt trên động cơ. Một cơ cấu liên kết cơ khí phù hợp từ đầu ra của các motor này và tay ga của động cơ sẽ cho phép chuyển đổi chuyển động quay của rotor thành chuyển động tịnh tiến của tay ga động cơ và qua đĩ điều khiển chính xác vị trí mong muốn của tay ga động cơ. Tuy nhiên, việc thiết kế những mạch điều khiển (Driver) cho các động cơ điện cĩ thể thỏa mãn được yêu cầu điều khiển một cách chính xác gĩc quay thường rất phức tạp, đồng thời các mạch điều khiển này cũng được bán trên thị trường với giá thành rất cao. Do đĩ hiện nay, đối với những ứng dụng dùng để điều khiển vị trí cho các đối tượng cĩ cơng suất truyền động thấp, nhà thiết kếthường dùng động cơ servo (servo motor), cĩ kích thước nhỏ gọn, đồng thời ưu điểm chính là tốc độ phản ứng nhanh hơn so với loại motor bước và là loại điều khiển vịng kín nên khơng xảy ra hiện tượng bỏ bước. Tín hiệu ra của động cơ sẽ được nối với một mạch điều khiển nên khi động cơ quay, vận tốc động cơ và vị trí điều khiển của nĩ sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu cĩ bầt kỳ một lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp nĩi trên sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn nên mạch điều khiển tiếp tục tự động điều chỉnh sai lệch cho động cơ để đảm bảo đạt được điểm chính xác. Mặt khác, động cơ servo cĩ nhiều kiểu dáng và kích thước, dùng trong nhiều ứng dụng từ các máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mơ hình máy bay và xe hơi và quan trọng nhất là động cơ servo cĩ thể điều khiển được từ xa bằng liên lạc vơ tuyến Vì vậy, lựa chọn sử dụng các động cơ servo điều khiển mơ hình tàu là phù hợp nhất. Các động cơ servo được điều khiển bằng vơ tuyến liên lạc cịn được gọi tên là động cơ servo R/C (radiocontrolled).
Các hình dưới đây mơ tả hình dáng bên ngồi và kết cấu bên trong động cơ servo
Hình 4.11 : Hình dáng bên ngồi Hình 4.1 : Liên kết giữa động cơ servo của động cơ và động cơ đốt trong
Hình 4.12 : Kết cấu bên trong của động cơ servo
Động cơ và vơn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vịng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC, thường khoảng (4,8 ÷ 7,2) V. Để làm quay động cơ servo, các tín hiệu số sẽ được gửi tới mạch điều khiển nêu trên.
1. Động cơ
2. Bo mạch
3. Dây dương nguồn 4. Dây tín hiệu 5. Dây Mass 6. Vơn kế 7. Hệ bánh răng truyền động 8. Trục đầu ra 9. Vỏ động cơ servo 10.Chip điều khiển.
Tín hiệu này sẽ khởi động động cơ servo, thơng qua chuỗi bánh răng nối với vơn kế. Vơn kế trong động cơ servo giữ vai trị chính trong việc cho phép định vị vị trí trục ra. Vơn kế được gắn vào trục ra, trong một vài động cơ servo, vơn kế chính là trục ra. Bằng cách này, vị trí Vơn kế sẽ phản ánh chính xác vị trí trục ra của động cơ servo. Vơn kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển khi cần chạy bên trong Vơn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi như hình 4.13.
Hình 4.13 : Nguyên lý làm việc của Vơn kế
Mạch điều khiển cĩ trong các động cơ servo sẽ so sánh điện thế này với độ dài của các xung số đưa vào và phát ra “tín hiệu sai số” nếu như thấy điện thế khơng đúng. Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vơn kế và độ dài của tín hiệu vào. Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ và khi điện thế Vơn kế và độ dài của các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng. Trục động cơ servo R/C định vị nhờ kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, động cơ servo là đáp ứng của một dãy những xung số ổn định. Cơng suất cung cấp cho các động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nĩ cần đến. Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo động cơ khơng vượt quá điểm định đến Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích, nĩ sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đạt đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc. Tồn bộ quá trình xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn – một servo trung bình cĩ thể quay 60o trong vịng (1/4 1/2) giây.