Mạch điều khiển chính

Một phần của tài liệu Thiết kế, chế tạo xe lăn điều khiển đa hướng trên mọi địa hình (Trang 59)

Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

4.9 Thiết kế và lập trình điều khiển cho xe lăn

4.9.2.1 Mạch điều khiển chính

Hình 4.12: Sơ đồ mạch điều khiển chính [3].

Tín hiệu điện cơ (EMG) Tín hiệu joystick

Khối xử lí trung tâm

41

Trong sơ đồ mạch điều khiển chính, IC16F876 đóng vai trị quyết định việc điều khiển, là linh kiện quan trọng nhất của bộ nguồn. Các tín hiệu điều khiển được vào các ngõ vào của PIC16F876 để xử lý sau đó xuất các giá trị xung áp điều khiển toàn bộ hệ thống [3].

PIC 16F876A sử dụng thạch anh 20 MHz để tạo xung do vậy ta có một chu kỳ máy là: T = 1

𝐹 = 1

20 = 0.5 ms.

Đồng thời TL431 ( một transistor có khả năng điều chỉnh điện áp, đóng vai trị ổn áp trong mạch kêt hợp với cầu phân áp tạo nên nguồn áp ổn định cho PIC 16F876, tạo một giá trị Vref (điện áp chuẩn) phục vụ cho việc lập trình điều khiển động cơ.

4.9.2.2 Mạch đo tính hiệu quá dòng.

A. Sơ đồ mạch:

42 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:

Đây là mạch khuếch đại DC.

Khi quá dịng, dịng điện được ổn định thơng qua cuộn dây sau đó được đưa qua mạch trừ của opam OP07, tín hiệu sau khi so sánh sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lý, đồng thời vi xử lý ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành thực thi công việc phù hợp để xử lý lỗi.

4.9.2.3 Mạch bảo vệ khi xảy ra quá dòng.

A. Sơ đồ mạch:

43 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:

Khi mạch hoạt động bình thường, Q7 ngưng dẫn tín hiệu ra ở ngõ Protect ở mức 0, nguồn pin cung cấp kích cho Q6, đóng relay cho mạch hoạt động.

Khi có sự cố xảy ra tín hiệu sẽ dưa vào vi điều khiển xử lý, sau đó vi điều khiển xuất tín hiệu ngõ ra chân Protect là mức 1, do vậy Q7 dẫn và Q6 ngưng nên relay bị ngắt, tắt nguồn cung cấp cho mạch. Các linh kiện điện tử được sử dụng như C828, D486 đóng vai trị như các khóa đóng ngắt và kích dẫn bàng tín hiệu điện áp.

4.9.2.4 Mạch chọn lựa các chế độ của xe.

A. Sơ đồ mạch:

• Chọn chế độ chạy nhanh, chậm:

Hình 4.15: Mạch thay đổi chế độ chạy nhanh, chậm [3].

- Với các giá trị điện trở như sau:

44

• Chọn chế độ chạy đường bằng phẳng, đường dốc:

Hình 4.16: Mạch thay đổi chế độ chạy [3].

B. Nguyên lý hoạt động [3]:

Ta có thể chọn các chế độ hoạt động của xe lăn điện bằng cách dùng các công tắc gạt. Đối với mạch khi chọn tốc độ khi gạt công tắt, chân 1 và 2 sẽ được nối lại với nhau, cực B của transistor C828 ở mức 1 nên dẫn, đưa tín hiệu qua bộ điều khiển.

• Đối với chế độ chạy nhanh, chậm :

- Mức logic 0: Chọn chế độ chạy nhanh (26 km/h). - Mức logic 1: Chọn chế độ chạy chậm (6 km/h).

Thông thường nếu khơng chọn chế độ thì mạch tự hiểu là mức 0, tức là ở chế độ chạy nhanh.

Trong mạch chọn chế độ chạy đường bằng phẳng / đường dốc thì khi gạt nút điều khiển thì tiếp điểm 1,2 hở ra, tín hiệu áp ở cực B của transistor C828 là mức 1 , do vậy kích dẫn đồng thời đưa tín hiệu vào vi điều khiển xử lý.

• Đối với chế độ chạy đường bằng phẳng, đường dốc(26 km/h):

45 hơn).

- Mức logic 1: chọn chế độ chạy đường dốc(khả năng quá tải nhiều hơn). Tương tự chế độ chọn trên, nếu khơng gạt cơng tắc chọn thì mạch hiểu là đang ở chế độ chạy đường bằng phẳng.

4.9.2.5 Mạch động lực của xe.

A. Sơ đồ mạch:

Hình 4.17: Mạch động lực của xe [3].

B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:

Sau khi lựa chọn các chế độ hoạt động và kiểm tra an toàn và đảm bảo động cơ xe hoạt động tốt, vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu điện áp qua IC LM555 tạo ra tín hiệu xung điều khiển, các tín hiệu xung kích có độ rộng xung lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển của tay ga dưới tác động của Hall_sensor, càng lên ga thì xung áp càng lớn, do vậy tốc độ xe càng cao.Mosfet Z48A đóng vai trị như một khóa cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển của động cơ, đồng thời Mostfet có khả năng chịu dịng cao đảm bảo về mặt cơng suất cũng như khả năng chịu dịng, chịu nhiệt khi

46 động cơ hoạt động.

Diode D2 đóng vai trò “làm nhụt ” điện áp ngược qua Mostfet khi ngưng dẫn, sau đó tụ C5 và R14 làm triệt tiêu toàn bộ điện áp ngược sinh ra, bảo vệ cho Mosfet và động cơ.

4.9.2.6 Mạch điều khiển bóp và nhả thắng xe lăn.

A. Sơ đồ mạch:

Hình 4.18: Mạch điều khiển thắng xe lăn điện [3].

B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:

Khi tác động công tắc thắng (bóp tay thắng), tín hiệu điều khiển đóng ngắt transistor C828 đồng thời cho phép tín hiệu vào vi điều khiển xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành hoạt động.

Việc bóp, nhả thắng cũng là một khâu quan trọng trong quy trình khởi động xe lăn điện, đồng thời thắng hoạt động tốt hay không ảnh hưởng đến sự an toàn cho người sử dụng. Do vậy cần lưu ý và kiểm tra kĩ thắng trước khi vận hành xe lăn điện.

Khi chưa bóp thắng, cực B của transistor C828 ở mức 0, do vậy trasistor Q2 khơng dẫn. Khi bóp thắng, cực B của Q2 ở mức 1 do vậy Q2 dẫn, đồng thời đưa tín hiệu áp vào PIC 16F876A đề xuất tín hiệu điều khiển.

47

4.9.2.7 Mạch tạo tính hiệu từ Hall_Sensor.

Sơ đồ mạch:

Hình 4.19: Mạch tạo tín hiệu từ Hall_Sensor [3]. 4.9.2.8 Mạch tạo nguồn.

A. Sơ đồ mạch:

48 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:

- Nguồn 36 V cung cấp cho động cơ là nguồn có cơng suất lớn, giá trị điện áp 63n định và có dịng định mức cao(trong đề tài này chọn bình acquy có dịng định mức là 5 A), do vậy mạch nguồn cũng phải ổn định.

- R1 là điện trở cơng suất có khả năng chịu dịng lớn, thích hợp với việc thiết kế nguồn có dịng cao , chọn R1 = 100 Ω /10 W.

- D1 là diode Zenner 12 V đóng vai trị ồn áp và tạo nguồn 12 V cho mạch. D1 dẫn bão hòa nếu dịng qua nó lớn hơn định mức (Iz max = 0,45 A)

- Ta chọn R3 = (36 V – 12 V*2)/ 0,45 = 2K2

- Tụ C1 và C2 đóng vai trị lọc áp DC để điện áp ngõ ra được phẳng.

- R2 là điện trở cơng suất kết hợp với cuộn L1 có tác dụng ổn định dịng, theo thơ số tính tóan của mạch, ta chọn R2 = 33 Ω /3 W.

- Nguồn 12 V qua ổn áp 7805 tạo nguồn 5 V cung cấp cho mạch.

4.10 Thiết kế chương trình điều khiển.

a. Xây dựng bài tốn lập trình.

Sau khi phần cứng xong ta đi thiết lập chương trình điều khiển. Yêu cầu bài toán là sau khi hệ thống được khởi động ta chọn hai chế độ là nút nhấn hoăc giọng nói. Sau đó chọn một trong hai chế độ thì việc cịn lại là ra lệnh cho xe di chuyển đến các vị trí.

Ngơn ngữ lập trình nhóm sử dụng là lập trình bằng ngơn ngữ C. b. Xây dựng lưu đồ thuật toán.

Xây dựng lưu đồ thuật toán sẽ giúp cho việc lập trình dễ dàng hơn, tường minh hơn. Lưu đồ được chỉnh ra trên khổ giấy A3 sau.

49

50 - Chương trình điều khiển.

Những chú ý khi viết chương trình điều khiển.

Khi viết chương trình điều khiển cần chú ý đến các vấn đề:

• Tn thủ chặt chẽ thuật tốn đã đề ra trước đó, chương trình theo đúng và đủ các bước trong thuật tốn.

• Đảm bảo việc đọc các giá trị tín hiệu đúng kịp thời, tránh nhầm lẫn.

• Các chương trình con thực hiện một cách nhanh gọn chính xác.

Chương trình điều khiển bao gồm chương trình chính và 3 chương trình con:

• Chương trình xử lý sóng điện cơ.

• Chương trình đọc giữ liệu từ joystick.

• Chương trình thuật tốn PID.

51 c. Code nạp cho PIC16F876 [3]:

#include <xc.h>

#define _XTAL_FREQ 20000000 void ADC_Initialize()

{

ADCON0 = 0b01000001; //ADC ON and Fosc/16 is selected ADCON1 = 0b11000000; // Internal reference voltage is selected }

unsigned int ADC_Read(unsigned char channel) {

ADCON0 &= 0x11000101; //Clearing the Channel Selection Bits ADCON0 |= channel<<3; //Setting the required Bits

__delay_ms(2); //Acquisition time to charge hold capacitor GO_nDONE = 1; //Initializes A/D Conversion

while(GO_nDONE); //Wait for A/D Conversion to complete return ((ADRESH<<8)+ADRESL); //Returns Result

}

void main() {

//*****I/O Configuration****//

TRISC=0X00; //PORT C is used as output ports PORTC=0X00; //MAke all pins low

TRISB0=1; //RB0 is used as input //***End of I/O configuration**///

ADC_Initialize(); //Configure the ADC module while(1)

{

int joy_X = (ADC_Read(0)); //Read the X-Axis of joystick int joy_Y = (ADC_Read(1)); //Read the Y-Axis of Joystick

if (joy_X < 200) //Joy moved up {RC0=0; RC1=1;} //Glow upper LED else if (joy_X > 800) //Joy moved down {RC0=1; RC1=0;} //Glow Lower LED else //If not moved

{RC0=0; RC1=0;} //Turn off both led

52 {RC2=0; RC3=1;} //Glow left LED else if (joy_Y > 800) //Joy moved Right {RC2=1; RC3=0;} //Glow Right LED else //If not moved

{RC2=0; RC3=0;} //Turn off both LED if (RB0==1) //If Joy is pressed

RC4=1; //Glow middle LED else

RC4=0; //OFF middle LED }

53

4.11 Tính tốn thiết kế.

4.11.1 Các thơng số của xe lăn điều khiển đa hướng trên mọi địa hình.

➢ Khối lượng của xe: M = 187,5 kg.

➢ Trọng lượng của xe: G = 100×9.81 = 1839 N.

➢ Vận tốc lớn nhất: Vmax = 26 (km/h) = 7,22 m/s.

➢ Bán kính bánh xe sau: Rs = 300 mm.

➢ Bán kính bánh xe trước: Rt = 100 mm.

➢ Kích thước xe : 1450 x 1000 x 1150 mm ( dài x rộng x cao ).

➢ Góc dốc tối đa của mặt đường : α = 15°.

➢ Khối lượng riêng của khơng khí : p = 1,25 kg/m³.

➢ Hệ số cản gió : Cₓ = 0.3 Ns²/m^4.

➢ Hệ số cản lăn : fr = 0.01.

Lực kéo tiếp tuyến Fk = Ff + Fi + Fw + Fj

- Ff : Lực cản lăn.

- Fi : Lực cản lên dốc.

- Fw : Lực cản gió.

- Fj : Lực cản qn tính.

Vì xe chuyển động đều nên Fj = 0, xe chuyển động với tốc độ chậm nên Fw = 0.

4.11.2 Thiết kế khung xe lăn. 4.11.2.1 Tìm tọa độ trọng tâm. 4.11.2.1 Tìm tọa độ trọng tâm. Trọng lượng dự tính của : • Người: 100 kg = 981 N. • Bình: 12 kg = 118 N. • Motor: 12.5 kg = 123 N. • Xe: 63 kg = 618 N.

54

Hình 4.23: Vị trí các chi tiết trên xe Tính tọa độ trọng tâm theo chiều cao.

a. Tính tọa độ trong tâm theo chiều cao:

55

- Trọng tâm của acquy đặt tại A.

- Trọng tâm của xe đặt tại B.

- Gọi C là điểm đặt lực tại trọng tâm của cả xe (bao gồm : người, bình, motor, xe).

- Trọng tâm của người đặt tại D.

- Trọng tâm của motor đặt tại E.

Ta thực hiện phương pháp dời lực để tính tọa độ trọng tâm của xe:

Hình 4.25: Mơ phỏng lực theo chiều cao.

- Gọi x (mm) là khoảng cách từ trọng tâm của cả xe tới trọng tâm của xe.

- EF là khoảng cách từ motor tới mặt đất. Khi đó ta có:

Xét momen tại C, ta có :

mc = 58( 100+ y) + 118(80+ y) +118y - 687 (200 - y) = 0  981y = 122160

 y = 125 mm

56 b. Tính tọa độ trọng tâm theo chiều ngang:

Hình 4.26: Lực phân bố trên xe theo chiều ngang.

- Trọng tâm của ắc quy đặt tại A.

- Trọng tâm của xe đặt tại B.

- Gọi C là điểm đặt lực tại trọng tâm của cả xe (bao gồm : người, bình, motor, xe).

- Trọng tâm của người đặt tại D.

- Trọng tâm của motor đặt tại E.

Ta thực hiện phương pháp dời lực để tính tọa độ trọng tâm của xe:

57

- Gọi x (mm) là khoảng cách từ trọng tâm của cả xe tới trọng tâm của người. Khi đó ta có: Xét momen tại C, ta có : mᴄ = 118( 180+ x) + 118 (40 - x) – 687x – 58 (220 - x) = 0  981x = 13200  x = 13 mm

Hình 4.28: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô [4].

Ta có:

➢ Chiều dài cơ sở của xe lăn: L = 500 (mm) Vậy - La = 267 mm

- Lb = 233 mm

4.11.2.2 Tìm phản lực pháp tuyến.

58

Qua việc lấy momen lần lượt đối với điểm O2, O1 (O1, O2 là giao điểm của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục của bánh xe cầu trước, cầu sau):

Z1 = [G × cosα (Lb – f ×Rt) – (G×sinα +Fj+Fw)hg] / L

= [1839 × cos15 (233 – 0.01 ×70) – 1839×sin15×525] / 500 = 326 N

Z2 = [G × cosα (La + f ×Rs) + (G×sinα +Fj+Fw)hg] / L

= [1839 × cos15 (267 +0.01 ×300) + 1839×sin15×525] / 500 = 1459 N

4.11.2.3 Thiết kế khung.

Khi thiết kế xe lăn các kích thước được lấy dựa theo kích thước trung bình của cơ thể con người, do đó nhất thiết phải đảm bảo các điều kiện sau:

• Bề rộng (nhìn thẳng từ mặt người sử dụng).

• Về ngang (nhìn từ bên hơng người sử dụng).

• Chiều cao (từ đất đến sàn, từ sàn đến tỳ tay, từ mặt sàn đến phần tựa lưng).

Thiết kế sao cho kích thước của chiếc xe phải lớn hơn kích thước bề ngang, bề rộng, độ dài của cơ thể con người sử dụng và tuân theo các tiêu chuẩn về kích thước khơng gian sử dụng xe (phải là tối thiểu để xe có thể đi vào các địa hình hẹp như: cửa ra vào, ngõ, hẻm phố, hành lang…).

Để thuận tiện cho người sử dụng xe, thì các kích thước từ tay người xử dụng đến các bộ phận điều khiển (phanh, lái, nâng hạ dựa lưng, tỳ chân) dễ điều khiển nhất, tốn ít lực nhất…

Chiều cao của mặt sàn tới đất là: l = l1 - l2 -Trong đó:

l: khoảng cách từ mặt sàn đến trục bánh sau. Điểm cần chú ý là trong q trình tính tốn khoảng cách từ mặt sàn tới trục bánh sau sao cho khi điều khiển lực dồn lên bánh xe phải là lực đẩy (do lực đẩy thường lớn hơn lực kéo).

59

l1: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến trục bánh sau khi người sử dụng cúi xuống phía trước 10 → 150 (do trong quá trình điều khiển vành lăn, để dồn, tang sức vào vành lăn thường có

xu hướng nhào người về phía trước):

l1 = H/(2,14 .2) + (80 → 120) mm chọn l1 = 420mm

l2: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến mặt sàn, khi lái xe tay vươ ra ngoài, thành tỳ tay nằm giữa cánh tay và thân do đó ta chọn l2 < H (2,14 .2), mặt khác điểm tỳ tay không nên cao hơn hoặc thấp hơn khuỷu tay (tạo tư thế thoải mái cho người sử dụng khi dừng xe) chọn l2 = 280mm. Do đó l = 140mm

Hình 4.29: Mơ hình xe lăn [1].

Mặt khác do đại hình, đoạn đường đi rất khác nhau do đó trong q trình tính khung khoảng cách giữa các trục phải đảm bảo xe khơng bị lật, đổ trong q trình sử dụng trên những đoạn đường dốc và nghiêng, do đó trang q trình tính tốn khoảng cách giữa các trục (trục bánh trước và trục bánh sau) khoảng cách giữa hai bánh sau phải đủ rộng, dài để sao cho trọng tâm bị khống chế trong diện tích của bốn bánh xe [4].

Chọn vật liệu chế tạo khung xe lăn: - Thép hộp C45 30 x 30 mm dày 3 mm.

60

Hình 4.30: Bản vẽ Khung Xe Lăn.

Hình 4.31: Khung xe lăn điện.

61

4.11.3 Tính tốn và chọn motor.

( Vì xe chuyển động đều nên lực qn tính Fj = 0, chuyển động với tốc độ chậm nên lực cản gió Fw = 0)

Một phần của tài liệu Thiết kế, chế tạo xe lăn điều khiển đa hướng trên mọi địa hình (Trang 59)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(162 trang)