* Bộ điều chế độ rộng xung (PWM)
Một xung mang có thể điều chế theo biên độ thay đổi theo thời gian của nó. Ta nghiên cứu hai trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế xung theo thời gian (Pulse Time Modulation – PTM) là: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) và điều chế vị trí xung (Pulse Poisition Modulation – PPM).
Hình 2.37. Tín hiệu PAM/PWM/PPM
Một tín hiệu PWM có dạng xung mà độ rộng xung của nó tỷ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự đem điều chế.
Tín hiệu PWM còn được dùng để tạo ra tín hiệu PPM. Tín hiệu PPM là một xung mà vị trí của nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu tương tự được điều chế. Các xung PPM thường được khởi phát bởi sường của các xung PWM.
Ta xét quá trình điều chế của hai phương pháp này:
+ Sơ đồ khối
Hình 2.39. Các dạng sóng của bộ điều chế PWM/PPM + Nguyên lý hoạt động
Bộ điều chế PWM có các khối như trong bộ điều chế PAM nhưng nó có thêm tầng so sánh nó được so sánh biên độ của tín hiệu PWM nhận được bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự lối vào với biên độ của tín hiệu xung răng cưa được đồng bộ bởi xung lấy mẫu.
Bộ so sánh sẽ chuyển mạch lối ra khi biên độ của tín hiệu PAM vượt quá biên độ của xung răng cưa. Kết quả là tại lối ra của bộ so sánh có một tín hiệu xung mà khoảng thời gian kéo dài của nó phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu tương tự lối vào.
Từ hình vẽ ta thấy dạng sóng của bộ điều có sườn âm của xung PWM tương ứng với sườn dương của xung lấy mẫu, còn sườn dương của nó tương ứng với sự chuyển mạch của bộ so sánh.
* Bộ điều chế PPM
+ Sơ đồ khối
+ Nguyên lý hoạt động
Quá trình điều chế tín hiệu PPM tương tự như quá trình điều chế PWM. Tín hiệu PPM này được nhận từ tín hiệu PWM bằng cách phát các xung có độ dài cố định, là những xung tương ứng với sườn lên của xung tín hiệu PWM. Cuối cùng sẽ có một chuỗi xung mà vị trí của nó phụ thuộc vào tín hiệu tương tự lối vào.
* Giải điều chế PWM/PPM
+ Bộ giải điều chế PWM
Hình 2.41. Bộ giải điều chế PWM
Tín hiệu từ đường truyền được khuếch đại và sau đó đưa qua hai phần: Bộ phát lại xung lấy mẫu và bộ chuyển đổi tín hiệu PPM thành tín hiệu PWM. Tín hiệu từ đầu ra của bộ chuyển đổi được lọc qua bộ lọc thông thấp, cho ra tín hiệu điều chế.
+ Bộ giải điều chế PPM
Hình 2.42. Bộ giải điều chế PPM
Tín hiệu từ đường truyền tới được khuếch đại và sau đó đưa qua hai phần: Bộ phát lại xung lấy mẫu mà bộ chuyển đổi tín hiệu PPM thành tín hiệu PWM. Tín hiệu từ đầu ra của bộ chuyển đổi sẽ được lọc qua bộ lọc thấp, cho ra tín hiệu điều chế.
Quá trình phát lại xung lấy mẫu cho bộ giải điều chế được thực hiện như sau: Tín hiệu PPM đã được khuếch đại chuyển qua mạch hạn chế làm giảm sự biến đổi của biên độ tín hiệu. Bộ lọc thông giải tiếp theo tách thành phần tần số lấy mẫu. Thành
phần này đi tới mạch PLL, mạch này phát tín hiệu xung đồng bộ với các xung xủa tín hiệu PPM đã nhận được. Sau đó tín hiệu được đưa vào mạch chỉnh pha, tại đây các xung từ mạch PLL phát ra tín hiệu điều chỉnh về pha sao cho chúng thỏa mãn điều kiện là khi không có điều chế, các xung PPM nằm giữa các xung đồng bộ.
Bộ chuyển đổi PPM/PWM sử dụng một mạch Triger hai trạng thái cân bằng (flip-flop) hoạt động như sau:
-Xung đồng bộ gây ra sự dịch chuyển mức tín hiệu lối ra về mức thấp, trong khi xung PPM xác lập chuyển mức của tín hiệu lên mức cao.
-Do vị trí của các xung PPM thay đổi nên ở lối ra của Triger chúng ta sẽ nhận được các xung với độ kéo rộng thay đổi (PWM).
Tín hiệu PWM nhận được qua sự chuyển đổi PPM được lọc lại lần nữa bằng bộ lọc thông số thấp, lọc lấy tín hiệu điều chế.
Ta có dạng xung của giải điều chế PPM chuyển đổi sang PWM như sau:
Hình 2.43. Các dạng xung tín hiệu
2.2.3.4. Gamepad điều khiển từ xa a. Tổng quan về Gamepad a. Tổng quan về Gamepad
Gamepad bộ điều khiển từ xa là bộ truyền thông không dây bằng sóng radio (RF) gồm có bộ phát sóng, bộ thu sóng và cáp truyền thông với máy tính.
a. Xung đồng bộ b. Tín hiệu PPM c. Tín hiệu PWM
Hình 2.44. Bộ điều khiển từ xa
Hình 2.45. Rx (bộ thu tín hiệu)
Khi trộn tín hiệu đầu ra ở các kênh với nhau ta được tín hiệu PPM.
Hình 2.46. Đầu ra của máy thu sóng
Từ tín hiệu PPM ta suy ra được tín hiệu PWM độ rộng xung của tín hiệu PWM chính là khoảng thời gian giữa 2 sường lên của tín hiệu PPM mà bé hơn hoặc bằng
2ms. Tín hiệu đầu ra của máy thu sóng có chu kỳ không đổi và bằng 20ms. Các khoảng thời gian t1 ứng với kênh 1, t2 ứng với kênh 2, t3 ứng với kênh 3, t4 ứng với kênh 4, t5 ứng với kênh 5, t6 ứng với kênh 6, giữa các phần truyền tải dữ liệu các kênh có 1 khoảng thời gian phân biệt khoảng thời gian này lớn hơn 2ms khoảng thời gian này gọi là khoảng thời gian trống.
b. Tx (Transmitter) máy phát sóng và Rx (Receiver) máy thu sóng
Máy phát có nhiệm vụ mã hóa vị trí của các cần điều khiển (stick) thành một dãy các tín hiệu điện (signal) và phát tín hiệu này ra không gian.
Tx có một số khái niệm sau:
- Channel: Đó là số kênh, số lệnh hay đơn giản là số servo mà nó điều khiển được. tùy vào mục đích sử dụng ta có thể chọ số kênh từ 1 đến 14 hay nhiều hơn nữa.
- AM và FM :T cả các Tx đều sử dụng radio để truyền tín hiệu ra không gian, tần số của sóng được xác định bởi thạch anh. Sóng radio đơn thuần chỉ là sóng mang, một công cụ truyền dẫn, do đó có thể truyền tín hiệu đến máy thu (Rx), sóng radio cần phải được điều chế trước khi phát đi có 2 dạng điều chế là AM và FM: + AM điều biên là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đổi biện độ của sóng mang.
+ FM điều tần là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đổi tần số của sóng mang. Tất cả các máy phát dùng cơ chế mã hóa PCM đều dùng sóng mang là FM.
Sóng FM nếu so sánh với sóng AM thì có khả năng chống nhiễu cao hơn hẳn, với AM thì các thiết bị điện thông đều là nguồn gây nhiễu cho sóng AM, trong khi đó với FM thì các nguồn xung này không thể gây nhiễu trừ trường hợp các thiết bị đó có tần số gần hoặc bằng với tần số mà ta đang dùng.
- PPM và PCM đây là cơ chế mã hóa tín hiệu trước khi phát ra của Tx.
+ PPM là vị trí của servo được quyết định bởi thời gian của 2 tín hiệu xung liên tiếp.
+ PCM là vị trí lớn nhất và nhỏ nhất của servo được chia ra thành nhiều khoảng nhỏ và được đánh số và tùy theo vị trí của tay điều khiển mà Tx gửi đi 1 con số ứng với vị trí đó.
- Module RF với một số máy phát chất lượng cao phần phát sóng được tách rời và người dùng có thể thay đổi dễ dàng. Khi đó với cùng một bộ điều khiển người dùng có thể dùng được ở nhiều băng tần khác nhau bằng cách thay thế module cho tần số tương ứng.
- Rx máy thu sóng có chức năng nhận sóng radio từ Tx và giả mã các tín hiệu điều khiển cho từng servo:
+ Nhằm tăng chất lượng nhận sóng và khả năng kháng nhiễu của các mạch thu thường chuyển tần số sóng mang (cao tần) xuống tần số thấp hơn (trung tần) để khuếch đại và giải mã.
+ Chuyển đổi tần số sóng mang thành tần số 455 KHz chỉ qua một lần chuyển đổi để dễ dàng hình dung có thể xem bài toán sau : gọi tần số sóng mang là F1 bằng 72.550 MHz, tần số định bởi thạch anh của Rx là F2 thì ta có 0.455 MHz=F1-F2 suy ra F2= 72.095 MHz tần số này được định bởi thạch anh Rx. + Chuyển đổi tần số sóng mang thành tần số 455 KHz chỉ qua hai lần chuyển đổi, tần số được chuyển lần 1 xuống còn 10,7 MHz và chuyển tiếp 1 lần nữa thành 455 KHz. Để dễ dàng hình dung có thể xem bài toán sau : gọi tần số sóng mang là F1 bằng 72.550 MHz , tần số định bởi thạch anh của Rx là F2, tần số định bởi thạch anh có sẳn trong Rx là F3 ta có: 10.7 MHz = F1 - F2 từ đó suy ra F2=61.85 MHz , 0.455 MHz = F2 - F3 từ đó suy ra F3 = 10.245 MHz
+ Với F2 là tần số quyết định bỡi thạch anh Rx
c. Cài đặt các thông số của bộđiều khiển từ xa trước khi sử dụng
Để phù hợp với mô hình quadrotor ta cần chỉnh các thông số của bộ điều khiển từ xa bằng phần mềm T6config.
Giao diện chương trình T6config.
Hình 2.47. Giao diện chương trình T6config
Chọn comport để tiến hành cài đặt các thông số cho bộ điều khiển từ xa.
Hình 2.48. Chọn comport
Hình 2.49. Thiết lập độ rộng của các kênh
Để chỉnh đầu ra của các kênh thì ta thay đổi các giá trị của các kênh từ 0 tới 120% dẫn tới độ rộng xung đầu ra của kênh thay đổi.
Hình 2.50. Chỉnh các cần gạt tinh chỉnh của các kênh
Khi chỉnh các cần gạt tinh chỉ của các kênh thì giá trị của kênh ở vị giữa sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi tưng ứng của kênh đó
Ví dụ : để cần gạt tinh chỉ ở mức 0 thì vị trí giữa của kênh là 45, khi thay đổi cần gạt tinh chỉ ở mức 2 thì vị trí giữa của kênh là 47. Tương ứng các vị trí cũng thay đổi theo vị trí giữa của kênh.
Hình 2.51. Chọn vị trí của các kênh
Ta có thể chọn MODEL từ 1 tới 4 để thay đổi vị trí của các kênh sao cho nó phù hợp với mục đích sử dụng.
Hình 2.52. Chọn mô hình máy bay
Hình 2.53. Thiết lập đồ thị kênh ga
Ta có thể thay đổi đồ thị kênh ga theo đường thẳng hay đường cong nhằm mục đích chỉnh khoảng kéo ga cho hợp lý.
d. Hiển thị giá trị các kênh của bộ thu đã qua xử lý bằng LCD
Tín hiệu đầu ra của các kênh ở bộ thu là tín hiệu PWM đã được chuyển thành giá trị số.
- Kênh CH1
Hình 2.55. Giá trị của kênh CH1 khi ở vị trí giữa
Khi ta đặt cần gạt kênh CH1 và và kênh CH1 ở vị trí giữa thì giá trị hiển thị trên LCD là 66.
Hình 2.56. Kênh CH1 ở vị trí bên trái
Hình 2.57. Kênh CH1 ở vị trí bên phải
Khi ta gạt cần CH1 về vị trí bên phải thì giá trị hiển thị trên LCD là 49.
- Kênh CH2
Hình 2.58. Kênh CH2 ở vị trí giữa Kênh CH2 khi ở vị trí gữa thì giá trị hiển thị trên LCD là 67.
Hình 2.59. Kênh CH2 ở vị trí phía trước
Hình 2.60. Kênh CH2 ở vị trí phía dưới
Khi kênh CH2 ở vị trí phía dưới thì giá trị kênh CH2 hiển thị trên LCD là 54.
- Kênh CH3 (kênh ga)
Hình 2.61. Kênh CH3 ở vị trí thấp nhất
Chỉnh kênh CH3 ở vị trí thấp nhất và cần gạt tinh chỉnh kênh CH3 ở vị trí thấp nhất thì giá trị kênh CH3 hiển thị trên LCd là 46.
Hình 2.62. Kênh CH3 ở vị trí cao nhất
2.2.4. Motor Brusless, Electric speed controller (ESC) và cánh quạt
2.2.4.1. Motor Brusless và cánh quạt
a. Motor Brusless
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC. Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường
Động cơ một chiều không chổi than có ưu điểm tốc độ cao hơn, bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than. Ngày nay, động cơ không chổi than được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như trong các ổ đĩa máy tính, máy nghe nhạc, các bộ phận máy móc trong công nghiệp quay cao, xe đạp điên, xe máy điện…
Động cơ BLDC (Brushless DC Motor) mặc dù có tên là “động cơ một chiều không chổi than” nhưng nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia thành 2 loại:
- Động cơ (sóng) hình sin. - Động cơ (sóng) hình thang.
Với động cơ một chiều không chổi than, từ trường quay được tạo ra thông qua 1 bộ mạch điện tử điều khiển tốc độ (ESC). Trong kết cấu của động cơ một chiều không chổi than, cuộn dây của mỗi nam châm điện thay đổi độ lớn từ trường tuần tự bằng ESC. Nam châm vĩnh cửu được gắn vào vỏ quay tạo thành các pha sao cho nó quay khi có từ trường quay.
Dựa vào cách sắp đặt phần quay rotor, động cơ BLDC được chia thành 2 loại là inrunner và outrunner.
Hình 2.63. Động cơ BLDC inrunner
Hình 2.64. Động cơ BLDC outrunner
Hình 2.65. Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC
Đối với động cơ dạng hình thang thì sức điện động gây ra trên cuộn dây stato có dạng hình thang và pha của nó cần cung cấp dòng điện để tạo ra momen hoạt động hầu như không có gợn sóng. Với động cơ hình sin thì sức điện động có dạng hình sin và dòng điện pha yêu cầu momen trơn. Hình dạng của sức điện động được xác định bởi hình dạng của nam châm Roto và cách phân bố cuộn dây Stato.
Động cơ hình sin cần cảm biến vị trí có độ chính xác cao bởi vị trí Roto phải được biết ngay tức thời tại mọi thời điểm để tối ưu cho hoạt động của động cơ. Nó cũng yêu cầu phải tổ hợp nhiều hơn cả về phần cứng và phần mềm kèm theo. Động cơ hình thang lại khá hấp dẫn cho các ứng dụng để đơn giản hóa, rẻ hơn và hiệu suất cao hơn.
Hình 2.66. Các dạng sức điện động của động cơ một chiều không chổi thang Motor sử dụng trong đề tài là loại motor một chiều không chổi than không cảm biến vị trí (sensorless BLDC). Đây là loại động cơ có công suất và hiệu suất cao, tuổi thọ dài thích hợp cho các mô hình bay cần trọng lượng nhẹ.
Motor BLDC thuộc dạng motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu (rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) sức phản điện động hình thang. Do đó, cần có cơ chế xác