CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
4.5 ĐỘNG CƠ SERVO
Tổng quan về động cơ servo
- Động cơ Servo là một phần của hệ thống vịng kín và bao gồm một số bộ phận cụ thể là mạch điều khiển, động cơ Servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa (encoder) hoặc bộ phân giải.
- Động cơ Servo là một thiết bị điện độc lập, được sử dụng để quay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao.
- Trục đầu ra của động cơ này có thể được di chuyển đến một góc, một vị trí với một vận tốc chỉ định trước mà động cơ thơng thường khơng có.
- Hiểu đơn giản thì động cơ Servo như một động cơ thơng thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí.
- Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ Servo được thiết kế và sử dụng chuyên biệt cho mục đích này.
- Động cơ Servo là một cơ chế vịng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc độ và vị trí quay hoặc tuyến tính.
- Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, analog hoặc digital, xác định chuyển động theo vị trí lệnh cuối cùng của trục.
Mã sản phẩm CMF 31S800
Kiểu ắc quy Ắc quy khơ, kín khí (miễn bảo dưỡng)
Điện áp 12V
Dung lượng 100Ah
Trọng lượng 25.13 kg
Vị trí cọc R
Kích thước 230x 171x 215mm (Dài x Rộng x Cao) Hãng sản xuất Pinaco
50
- Encoder đóng vai trị như một cảm biến cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí. Mạch này được xây dựng ngay bên trong vỏ động cơ thường được lắp với hệ thống bánh răng.
Động cơ dc servo không chổi than
Động cơ DC khơng chổi than: Thường có kích thước nhỏ và trọng lượng nhỏ hơn. Tuy nhiên, loại động cơ này phả ứng rất nhanh, qn tính nhanh nhờ mơ men xoắn ổn định và trơn tru. Nếu so sánh thì động cơ DC servo khơng chổi than sẽ điều khiển phức tạp hơn nhưng chúng lại hoạt động thông minh hơn nhờ chuyển mạch điện tử linh hoạt theo sóng vng hoặc chuyển mạch sóng sin. Động cơ cho ưu điểm tiết kiệm năng lượng, bức xạ điện từ thấp, nhiệt độ thấp và tuổi thọ thấp.
Hình 4. 7: Điều khiển động cơ DC Servo bằng giải thuật PID
Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động cơ dùng giải thuật PID. Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC. Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như
51
vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính tốn hạn chế.
Hình 4. 8: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển vịng kín
Trong hình vẽ trên: - Plant: là hệ thống cần được điều khiển
- Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống.
u=Kpe+ k1∫ 𝑒𝑑𝑡 + 𝐾𝐷 𝑑𝑒
𝑑𝑡
Biến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y). Sai số này (e) sẽ được đưa đến bộ điều khiển PID, và bộ điều khiển này sẽ tính tốn cả vi phân và tích phân của tín hiệu sai số này. Tín hiệu (u) sẽ có giá trị như sau:
Tín hiệu (u) sẽ được đưa đến đối tượng điều khiển và ta sẽ thu được một tín hiệu (Y) mới. Tín hiệu này sẽ lại được đưa đến cảm biến để tính tốn ra sai số mới (e). Bộ điều khiển lại tính tốn các giá trị vi phân, tích phân của sai số này. Quá trình cứ thế lặp đi lặp lại.
Đặc tính của bộ điều khiển P, I và D: Bộ điều khiển tỷ lệ (KP) có tác dụng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm, nhưng không triệt tiêu, sai số ở trạng thái xác lập (steady- state error).
Bộ điều khiển tích phân (KI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại có thể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ.
52
Bộ điều khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và tăng chất lượng đáp ứng quá độ.
Hình 4. 9: Sơ đồ khối phần cứng
Hình 4. 10: Sơ đồ khối của hệ thống trackinh hai truc
53
Hình 4. 12: Phần cứng tự động theo dõi NLMT
Incremental encoder cũng là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống, nó cung cấp thơng tin về trạng thái hiện thời của hệ thống cho vi điều khiển. Encoder có độ phân giải càng cao thì cho chất lượng điều khiển càng tốt. Tuy nhiên, encoder có độ phân giải cao thì cũng yêu cầu khả năng xử lý của vi điều khiển cao hơn. Khối công suất nhằm cung cấp điện áp chính xác điều khiển động cơ hoạt động dựa trên việc xử lý, tính tốn của vi điều khiển. Tùy theo công suất của động cơ cần điều khiển mà ta phải thiết khối này cho phù hợp.
Ứng dụng của động cơ servo vào hệ thống điều hướng pin MT
Động cơ servo điều chỉnh góc của các tấm pin mặt trời trong suốt cả ngày hướng về phía mặt trời, để thực hiện việc khai thác tối đa năng lượng từ mặt trời đem lại
Ứng dụng động cơ servo vào hệ thống điều hướng pin mặt trời hai trục xoay: Dùng hai động cơ servo cho hệ thống có hai trục điều hướng, mỗi động cơ điều khiển một trục, trục ra động cơ được gắn trực tiếp vào cơ cấu bánh 53ang như hình. Về mặt cơ khí, hai động cơ hoạt động động lập và xen kẽ nhau, nhằm đảm bảo cho tấm pin
54
Chọn động cơ servo cho hệ thống
Hình 4. 13: Động cơ servo DC
Thông số kỹ thuật: Động Cơ DC RS775-150W Hình thức: Mới 100%
- Điện áp sử dụng: 12V - Tốc độ: 18000RPM/1 15A - Momen xoắn: 85mN.m - Công suất tối đa: 150W - Đường kính trục: 5mm - Chiều dài trục: 16mm - Chiều dài động cơ: 65mm - Trọng lượng: 400G
4.6 Quang trở
- Quang trở còn được gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào. Về cơ bản, bạn có thể hiểu nó là một tế bào quang điện được hoạt động dựa theo nguyên lý quang dẫn. Hay có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường độ ánh sáng.
55
- Cấu tạo của quang trở: Cấu tạo của quang trở gồm 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực. Linh kiện này được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với 2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và có thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
- Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là Cadmium Sulphide (CdS) được sử dụng là chất quang dẫn, thường khơng chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào.
- Nguyên lý hoạt động: Quang trở được là bằng chất bán dẫn có trở kháng rất cao và khơng có một tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài MΩ. Cịn khi có ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở có thể giảm xuống mức một cho đến vài trăm Ω.
- Nguyên lý hoạt động của quang trở: Dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong một khối vật chất. Khi mà các photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ khiến cho các electron bật ra khỏi các phân tử và trở thành các electron tự do trong khối chất và từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện của quang trở tùy thuộc vào phần lớn các photon được hấp thụ. Khi ánh sáng lọt vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện sẽ được tăng lên. Tùy thuốc vào chất bán dẫn mà các quang trở sẽ có những phản ứng khác nhau với các loại sóng photon khác nhau.
- Ưu nhược điểm và một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản
- Ưu điểm: Quang trở với một số ưu điểm như giá thành rẻ, đa dạng về kích cỡ có thể áp dụng với nhiều các bo mạch khác nhau, kích thước phổ biến có đường kính mặt là 10mm. Cùng với đó là năng lượng tiêu thụ và điện áp hoạt động nhỏ.
- Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm nên độ chính xác sẽ khơng cao. Thời gian phản hồi của quang trở nằm trong khoảng từ hàng chục cho đến hàng trăm mili giây.
56
- Quang điện trở làm việc ở chế độ thụ động, khi được chiếu sáng sẽ xuất hiện các hạt dẫn tự do làm độ dẫn điện tăng 1 lượng :
∆σ = e (µn∆n + µp∆p) (4.5) ∆n và ∆p : độ gia tăng nồng độ khi được chiếu sáng .
µn và µp : độ linh động của điện tử và lỗ trống Các đặc tính quan trọng của Quang điện trở
Độ dẫn quang điện σ quang
Độ nhạy quang theo bước sóng ánh sáng vào.
Tốc độ làm việc: thời gian cần thiết để quang điện trở thay đổi 65% giá trị của nó khi chuyển từ chế độ chiếu sáng sang chế độ tối và ngược lại. Điện trở lúc tối hệ số nhiệt điện trở của quang điện trở (nhiễu nhiệt độ) là không đổi
Hình 4. 14: Đồng hồ vạn năng và quang điện trở
Chuyển thang đo của đồng hồ vạn năng VOM (Đồng hồ KIM- Không phải đồng hồ số đâu nha) về chế độ đo điện trở (thang đo ôm) Đặt 2 que đo của đồng hồ VOM vào 2 chân của quang điện trở, kim VOM sẽ lên khi bạn dùng tay hay bất kì vật gì che đi. Vì ánh sáng càng yếu, điện trở sẽ càng cao, nên khi bạn che đi, kim sẽ lên cao. Ngược lại cho chiếu sáng vào bề mặt quang trở càng mạnh, số Ohm đo
57
được càng giảm. Quan sát sự thay đổi kim trên đông hồ chúng ta sẽ biết được Quang trở đó cịn tốt hay khơng.
Bốn điện trở quang được bố trí trên các cạnh của tấm pin mặt trời. Điện trở quang tạo ra điện trở thấp khi ánh sáng chiếu vào chúng. Động cơ servo được kết nối với tấm pin sẽ quay tấm pin theo hướng Mặt trời. tấm pin được định hướng theo cách so sánh mà ánh sáng trên hai điện trở quang được và tấm pin được xoay về phía điện trở quang có cường độ cao tức là điện trở thấp so với bTrường hợp này ứng với quỹ đạo mặt trời thay đổi theo hướng Bắc – Nam.
Đặt RUP = (RLDR1 + RLDR2) / 2 là giá trị trung bình cộng của quang trở 1 và quang trở 2,
RDOWN = (RLDR3 + RLDR4) / 2 là giá trị trung bình cộng của quang trở 3 và quang trở 4, và giá trị chênh lệch tối thiếu A = 20 (trục ngang). Ta xét 2 điều kiện: RDown – Rup > A
Rup - RDown >A (1)
Nếu điều kiện (1) thõa mãn, chứng tỏ phần bên dưới của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối do bị che khuất bởi vách vách ngăn.
.
Hình 4. 15: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Bắc
Lúc này, Arduino sẽ cấp xung từ chân tín hiệu D2, điều khiển động cơ Servo 1 xoay góc 50. Thơng qua truyền động của cơ cấu bánh răng, tấm pin xoay về hướng ánh sáng 1 góc đúng bằng góc xoay của Servo.
58
Nếu điều kiện (2) thõa mãn thì ngược lại, chứng tỏ phần phía trên của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối. Lúc này, Arduino sẽ cấp xung điều khiển động cơ Servo 1 xoay góc -50.
Trong trường hợp cả 2 điều kiện (1) và (2) trên đều không thõa mãn, động cơ Servo 1 ngừng lại.
Điều khiển động cơ Servo 2 (trục dọc)
Trường hợp này ứng với quỹ đạo mặt trời thay đổi theo hướng Đông – Tây. Đặt RLEFT = (RLDR1 + RLDR3) / 2 là giá trị trung bình cộng của quang trở 1 và quang trở 3, RRIGHT = (RLDR2 + RLDR4) / 2 là là giá trị trung bình cộng của quang trở 2 và quang trở 4, và giá trị chênh lệch tối thiếu B = 20 (trục dọc). Ta xét 2 điều kiện:
RRight - RLeft > B RLeft - RRight > B (3)
Nếu điều kiện (3) thõa mãn, chứng tỏ phần bên phải của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối do bị che khuất bởi vách vách ngăn.
Hình 4. 16: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Tây
Lúc này, Arduino sẽ cấp xung từ chân tín hiệu D3, điều khiển động cơ Servo 2 xoay góc +50. Thơng qua truyền động của cơ cấu bánh răng, tấm pin xoay về hướng ánh sáng 1 góc đúng bằng góc xoay của Servo.
Nếu điều kiện (5.4) thõa mãn thì ngược lại, chứng tỏ phần bên trái của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối. Lúc này, Arduino sẽ cấp xung điều khiển động cơ Servo 1 xoay góc -50.
59
Trong trường hợp cả 2 điều kiện (5.3) và (5.4) trên đều không thõa mãn, động cơ Servo 1 ngừng
Tóm lại, Arduino sẽ liên đọc các giá trị điện trở từ bộ cảm biến hướng sáng và tiến hành so sánh, xử lý. Cả 2 động cơ Servo sẽ chỉ ngừng hoạt động khi thõa mãn đồng thời 2 điều kiện:
Điều kiện cân bằng trục ngang: Điều kiện cân bằng trục dọc: RDown – Rup < A
Rup - RDown < A
Điều kiện cân bằng trục dọc:
Thực tế, do hạn chế về cơ khí và động cơ Servo chỉ hoạt động từ 0 ÷ 1800 nên ta giới hạn khoảng hoạt động cho hai Servo như sau:
Động cơ Servo 1: 30o < Goc1 < 150o Động cơ Servo 2: 5o < Góc 2 < 175o RRight - RLeft < B
RLeft - RRight < B
Khi cường độ ánh sáng giảm trên điện trở bên phải nhiều hơn, bảng điều khiển từ từ di chuyển về phía bên phải và nếu cường độ ánh sáng trên điện trở bên trái nhiều hơn, tấm pin từ từ di chuyển sang trái. Vào buổi trưa, Mặt Trời ở phía trước và cường độ ánh sáng trên cả hai tấm là như nhau. Trong những trường hợp như vậy, tấm pin có vị trí khơng đổi và khơng quay.
60
Thông số kỹ thuật
- Điện áp tối đa 150V
- Công suất tối đa: 100mW
- Giá trị đỉnh phổ: 540 nm
- Trở sáng (10Lux) 10 ~ 20 (KΩ)
- Trở tối: 1 (MΩ)
- Nhiệt độ hoạt động: -30 ~ 70oC
- Giá trị γ (1000 | 10): 0.6
- Thời gian đáp ứng (ms): + Tăng: 20ms + Decrease: 30ms
4.7 Vi xử lý aduino
61
Hình 4. 19: Datasheet của Arduino Nano CH340. Thơng số kỹ thuật
Thơng số kỹ thuật chính: IC chính: ATmega328P-AU.
IC nạp và giao tiếp UART: CH340.
Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw. Dòng GPIO: 40mA.
Số chân Digita: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM. Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân). Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).
SRAM: 2KB EEPROM: 1KB
Tần số hoạt động: 16Mhz. Kích thướ: (18.54 x 43.18) mm
Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.
Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX. Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117
62
Hình 4. 20: ATmega328P-AU Control
Hình 4. 21: ATmega328P-AU (Mạch in)
- Mạch điều khiển động cơ Servo với “bộ não” là vi xử lý Arduino thực hiện việc đọc các tín hiệu đầu đầu vào là giá trị điện trở từ bộ cảm biến hướng sáng, sau
63
đó tiến hành xử lý số liệu, tính tốn góc quay và truyền tín hiệu điều khiển động cơ Servo, đồng thời truyền dữ liệu thơng số góc quay lên màn hình hiển thị LCD. Trong sơ đồ hình , ta sử dụng 4 chân ngõ vào (Analog) của Arduino từ A1 đến A4 kết nối với 4 quang trở từ bộ cảm biến hướng sáng. Hai chân ngõ ra (Digital) D2, D3 của Arduino được nối đến dây tín hiệu của hai động cơ Servo.