đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, thừa kế các kết quả
của những ựề tài ựã ựược triển khai trong và ngoài nước nhằm xác ựịnh các thông số công nghệ, lựa chọn các nguyên lý cho việc thiết kế chế tạo.
2.2.2. Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và xử lý số
liệu
đề tài sử dụng các công cụ phần mềm chuyên ngành nhằm hỗ trợ thiết kế
chắnh xác, khảo sát ựánh giá và chọn vật liệu phục vụ cho việc thiết kế chế
tạo.
đề tài sử dụng các phần mềm:
- Phần mềm Orcad: Hỗ trợ thiết kế mạch ựiện tử
- Phần mềm Proteus: Mô phỏng các mạch logic và thử nghiệm lập trình
ựiều khiển
- Phần mềm Codeversion: Hỗ trợ lập trình cho vi ựiều khiển - Phần mềm Solid Word: Thiết kế giao diện ựiều khiển. - Phần mềm Excel: Xử lý các số liệu thống kê
2.2.3. Tiến hành thực nghiệm và ựánh giá kết quả thực nghiệm
đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm ựơn yếu tốựểựánh giá ựộ chắnh xác của từng bộ phận, kết hợp với phầm mềm Excel ựể xử lý kết quả thực nghiệm
2.3. Phương tiện nghiên cứu
2.3.1.1. ORCAD
OrCAD Ở gói phần mềm dùng ựể tự ựộng hóa thiết kế ựiện tử. được dùng chắnh trong chế tạo các bản ựiện tử mạch in ựể chế tạo mạch in, cũng nhưựể tạo các sơ ựồựiện tử và các chế bản của chúng.
Tên gọi OrCAD ựược tạo ra từ các từ Oregon và CAD.
Các sản phẩm của chuỗi OrCAD thuộc về công ty Cadence Design Systems. Bản cuối cùng của OrCAD có khả năng tạo và hỗ trợ cơ sở dữ
liệu các vi mạch sẵn có. Cơ sở dữ liệu có thểựược bổ sung bằng cách gói các thành phần sản xuất, như Texas Instruments.
Trong gói có các module sau:
Capture Ở biên tập các sơựồ nguyên lý,
Capture CIS Option Ở ựiều hành các thư viện Active Parts, PSpice Analog Didital Ở gói của chế bản tương tự-số, PSpice Аdvanced Аnalysis Ở gói của tối ưu tham số, PSpice SLPS option Ở giao diện liên lạc với gói Matlab, PCB Designer Ở biên tập các mạch in,
SPECCTRA for OrCAD Ở chương trình của tương tác và tựựộng,
Signal Explorer Ở module phân tắch sự nguyên vẹn của các tắn hiệu và của các biến dạng giao.
2.3.1.2. PROTEUS
Proteus ra ựời và phát triển trên 12 năm nay bởi Labcenter Electronics Ờ một công ty CAD của Anh và ựược hàng nghìn người sử dụng trên thế giới, với nhiều gói phần mềm nhỏ. Trong ựó gói phần mềm ISIS chuyên dùng ựể
mô phỏng hầu hết các dạng mạch ựiện tử. ISIS cho phép thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống vi ựiều khiển bao gồm toàn bộ mạch phần cứng giao diện bên ngoài, sau ựó mô phỏng sự tương tác giữa chúng. ISIS còn quan tâm ựến việc thiết kế mạch in (Printed Circuit Borad-PCB) với sự hỗ trợ liên kết xuất mạch
2.3.1.3. CodeVisionAVR
CodeVisionAVR là một phần mềm tắch hợp môi trường lập trình C và Asembly cho vi ựiều khiển AVR, ựược phát triển bởi hãng phần mềm InforTech. Phần mềm này có hỗ trợ rất nhiều tắnh năng cũng như các module
ựể lập trình với vi ựiều khiển AVR. Kèm theo ựó hỗ trợ giao diện sử dụng cho người làm việc với vi ựiều khiển AVR không cần phải nhớ quá nhiều về phần cứng.
2.3.1.4. SolidWork
Hãng SolidWorks ựã ra mắt dòng sản phẩm SolidWorksệ 2010, cho phép giúp việc thiết kế cơ khắ trở lên nhanh tróng và dễ dàng. Trong ựề tài này, phần mềm SolidWork ựược sử dụng ựể thiết kế các giao diện ựiều khiển.
2.3.2. Dụng cụ
2.3.2.1 Máy tắnh
Là một công cụ không thể thiếu ựược trong quá trình làm việc. Nhất là với sự phát triển của các phần mềm giả lập và các phần mềm hỗ trợ thiết kế làm cho máy tắnh có một vài trò quan trong trong công việc làm ựồ án này mà không thể thiếu ựược.
2.3.2.2. đồng hồ vạn năng
Là công cụ sử dụng ựể kiểm tra, ựo ựạc và ựánh giá các thông số trong quá trình thực nghiệm và chế tạo của ựề tài. đồng hồ vạn năng là ựồng hồ do viện
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE đIỀU KHIỂN VÀ
HỆ THỐNG đIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT
3.1. Phân tắch các phần tử của mô hình MiniCIM của trường đại Học
Phương đông
Các phần tử máy của mô hình ựã có phần cơ khắ ựược chế tạo sẵn trong mô hình MINI CIM ban ựầu. Trên nền cơ khắ ựó tôi tiến hành thiết kế hệ
thống ựiều khiển nhằm nâng cao hiệu quả của toàn bộ hệ thống MINI CIM.
để ựánh giá chi tiết về thiết kế cơ khắ của mô hình ban ựầu và rút ra phương án thiết kế cải tiến, tôi tiến hành phân tắch hiện trạng như sau:
Ớ Robot:
o 1 ựộng cơ DC_Secvol: Công suất 200W; ựiện áp hoạt ựông 24V
o 1 ựộng cơ bước: ựiện áp cơ bản 7V; dòng ựiện cơ bản là 2Ampe
o 3 xilanh khắ nén: Có van ựiều khiển bằng ựiện 24V, cuộn hút 200Ω
Ớ Máy CNC:
o 3 ựộng cơ bước: ựiện áp cơ bản 5V; dòng ựiện cơ bản là 1.8Ampe
o 1 ựộng cơ DC: Công suất 30W; ựiện áp hoạt ựông 24V
o 1 xilanh khắ nén: Có van ựiều khiển bằng ựiện 24V, cuộn hút 200Ω
Ớ Băng tải vận chuyển
o 1 ựộng cơ DC: Công suất 60W; ựiện áp hoạt ựông 24V
o 4 xilanh khắ nén: Có van ựiều khiển bằng ựiện 24V, cuộn hút 200Ω
Dựa trên các thiết bị ựã thống kê ở trên tôi thấy rằng ựa số các phần tử
máy có những thiết bị mang ựặc ựiểm giống nhau. Vậy phải có phương án thiết kế module ựiều khiển phải có công suất phù hợp ựể ựiều khiển chung
Cần thiết có các module ựiều khiển cơ cấu chấp hành là:
Ớ Module ựiều khiển ựộng cơ DC
Ớ Module ựiều khiển ựộng cơ bước
Ớ Module ựiều khiển van khắ nén
Tuy nhiên, ựây là phần ựiều khiển kết cấu chấp hành, mỗi máy cần phải có thiết bịựiều khiển trung tâm, màn hình hiển thị, giao tiếp kết nối với máy tắnh và thiết bị khácẦNên cần thêm các module sau:
Ớ Module ựiều khiển trung tâm: Cần có chức năng xử lý tắn hiệu và ựưa ra lệnh ựiều khiển; có các ựầu vào Ờ ra; giao tiếp; hiển thị
Ớ Module sử lý tắn hiệu nút bấm: Cần phải sử lý tắn hiệu các phắm bấm và truyền tắn hiệu về module ựiều khiển trung tâm.
3.2. Thiết kế chế tạo các module
3.2.1. Thiết kế Module phần cứng
3.2.1.1. Thiết kế Module ựiều khiển ựộng cơ DC
Phần cơ khắ của mô hình MiniCIM của trường đại học Phương đông ựã
ựược thiết kế trước có sử dụng 3 loại ựộng cơ DC, nhưng ựều có chung một mức ựiện áp ựiều khiển là 24V, công suất của 3 loại ựộng cơ DC khác nhau,
ựộng cơ công suất lớn nhất là 200W và nhỏ nhất là 30W (trình bầy ở phần 3.1). Vậy ựể thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ phải phù hợp với 3 loại ựộng cơ DC trên ta nên thiết kế với ựộng cơ có công suất lớn nhất, vì nếu phù hợp với ựộng cơ công suất lớn, thì cũng phù hợp với ựộng cơ công suất nhỏ.
Như vậy, vấn ựề cần ựặt ra ở ựây là thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ
DC có công suất là 200W và ựiện áp ựiều khiển là 24V.
Thiết kế nguyên lý module ựiều khiển ựộng cơ DC
Việc thiết kế module ựiều khiển phải ựáp ứng ựược yêu cầu là ựiều khiển tốt các ựộng cơựã có sẵn trong mô hình do phần cơ khắ ựã thiết kế trước.
điều khiển ựộng cơ sẽ cần phải ựiều khiển hai thông số cơ bản là tốc ựộ
và tọa ựộ. Nhưng ựể có thểựiều khiển ựược tọa tộ và tốc ựộ chắnh xác cần có bộ phận phản hồi và bộ phận sử lý thông tin.
Thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ là phải phân tắch ựược nguyên lý làm việc và tắnh năng của linh kiện. Trên cơ sở ựó ựể chọn các thông số của linh kiện, ựảm bảo ựiều khiển ựược một cách chắnh xác, không bị quá tải, ựiều khiển ựộng cơ an toàn.
Ở công trình này ựối tượng ựiều khiển là ựộng cơ DC-24V, tắn hiệu ựiều khiển có dải ựiện áp vào từ 0 ựến 24V (do phần cơ khắ ựã thiết kế trước), và cần 3 trạng thái ựiều khiển: Quay thuận; Quay ngược; Dừng.
Dựa trên những phân tắch trên ựưa ra ựuợc sơựồ khối sau:
Hình 3.1: Sơ ựồ khối module ựiều khiển ựộng cơ DC
Phân tắch nguyên lý ựiều khiển chiều quay của ựộng cơ một chiều theo phương pháp Mạch cầu H (H Bridge) như hình 3.2 [9]: SW1 nut1 SW2 nut2 SW3 nut4 SW4 nut3 VCC MG1 MOTOR DC 1 2 Hình 3.2: Nguyên lý cầu H [9]
Sơ ựồ nguyên lý trên cho thấy:
+ đểựộng cơ chạy thuận thì nút 1 và nút 4 ựóng và nút 2 và nút 3 mở. + đểựộng cơ quay ngược ta thì nút 2 và nút 3 ựóng, nút 1 và nút 4 mở. Vậy với sơ ựồ trên ựã giải quyết ựược vấn ựề chiều quay của ựộng cơ, 2 trạng thái cấm là nút 1 nút 2 không ựược ựóng cùng một lúc; nút 3 nút 4 không ựược ựóng cùng một lúc vì khi ựó dòng ựiện sẽ không ựi qua ựộng cơ, nút bấm và ựường dây sẽ phải chịu tải với dòng ựiện rất lớn.
Thực tế mô hình không ựòi hỏi chất lượng ựiều khiển quá cao nên tôi sử dụng relay ựể giải quyết vấn ựềựảo chiều dòng ựiện cho ựộng cơ.
12V Q10 IRF250 12V PWM1 24V CS1 CS2 Q8 a1015 relay C8 104 CS3 CS4 DC1_DC1 CON2 1 2 D19 FR107 Q7 c945 D20 DIODE 1A 12V FR107D21 R24 4k7 LS1 RELAY 3 2 4 6 7 5 1 8 R55 4k7
Hình 3.3: Sơ ựồ nguyên lý ựiều khiển ựộng cơ DC
Ở nguyên lý như hình 3.3 ta thấy ựược chỉ cần một tắn hiệu ựiều khiển ta có thểựiều khiển ựược cả chiều thuận và ngược cho ựộng cơ nhờ một relay 2 cặp tiếp ựiểm. Có thểựiều khiển cuộn hút qua một tranzitor C945
Việc ựiều khiển chạy dừng của ựộng cơ do một tran trường là IRF250.
Vậy với nguyên lý như trên sẽựã ựảm bảo ựược tắnh logic của vấn ựề ựiều khiển ựộng cơ. Nguyên lý này có hai Bit ựiều khiển ựộng cơ theo tổ hợp như trong bảng 3.1.
Theo bảng trạng thái này rất an toàn cho mạch công suất vì không có trạng thái cấm.
Ưu ựiểm của nguyên lý này: Hiệu suất cao vì chỉ bị tổn hao ựiện áp qua một tầng bán dẫn; Không có trạng thái cấm nên rất an toàn cho hệ thống.
Bảng 3.1: Trạng thái ựộng cơ DC
Bit chiều Bit Chạy Trạng thái
0 0 Dừng ựộng cơ
0 1 Chạy thuận
1 0 Dừng ựộng cơ
1 1 Chạy ngược
Tắnh toán chọn linh kiện cho module ựiều khiển ựộng cơ DC:
động cơ cần ựiều khiển có công suất ựộng cơ là: 200W hoạt ựộng
ở ựiện áp 24V.
Vậy dòng ựiện ựịnh mức là 200/24 = 8.4Ampe
Dòng ựiện lúc khởi ựộng bằng 2,5 ựến 3 lần dòng ựiện ựịnh mức. Vậy dòng ựiện khởi ựộng khoảng 24A.
Trên cơ sở ựó ta có thể chọn ựược relay ựiều khiển có giá trị
khoảng 8.4*1.3 = 10.92 ≈ 11A (1.3 là hệ số an toàn)
Loại tran trường ta cần chọn là Ich ≥ 24A trở lên ựiện áp là Uch ≥
24V. Theo như sơ ựồ trên thì loại tran trường tôi chọn là IRFP250. Nếu xét về
tiêu chắ dòng ựiện và ựiện áp thì loại tran trường này ựủ tiêu chuẩn ựể có thể ựiều khiển ựược ựộng cơ như tắnh toán ở trên.
Các thông số cơ bản ựược lựa chọn trong bảng trắch dẫn (Bảng 3.2)
Vậy ta ựã chọn ựược 2 linh kiện chịu công suất là Relay và tranzitor trường IRFP250.
Theo bảng 3.2 cho thấy: Loại tran IRFP250 thông số chịu áp rất lớn, nhưng thông số dòng ựiện cũng chỉ vừa ựủ và hơn ựịnh mức tắnh toán là 9A.
Tran IRFP250 ựã ựược chúng tôi thử nghiệm và kết quả cho thấy hoạt
ựộng rất tốt trong mô hình trên. động cơ làm việc có chịu tải, phát nhiệt trên bán dẫn và tản nhiệt theo ựồng hồ ựo là 600C. Hoàn tòan trong giới hạn làm việc của linh kiện
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của IRFP250
Như trong hình 3.4, ựể ựiều khiển ựược tran IRFP250 ta cần thêm các linh kiện hỗ trợựểựiều khiển mắc theo sơựồ:
Q10 IRF250 PWM1 Q8 a1015 Q7 c945 D20 DIODE 1A 12V R24 4k7
Hình 3.4: Nguyên lý ựiều khiển tran trường chất lượng cao
Tran trường ựiều khiển bằng áp, trong trường hợp này chỉ cần ựiều khiển ở chếựộựóng mở, cực G của tran trường là cực ựiều khiển, cực G cũng
ựược coi như một con tụ dung lượng nhỏ. Ta có thể xem thông số ựiện dung và ựộ tự cảm của tran trường ở bảng phụ lục 6.5
Vậy ựể ựiều khiển tran trường với hiệu xuất cao trong trường hợp cần phải băm xung tần số cao ta cần phải có mạch hỗ trợ nạp tụ và xả tụ thật nhanh trên cực G.
Với nguyên lý của mạch hình 3.4 ta có:
+ Q8(A1015) giúp xảựiện áp trên cực G thật nhanh.
+ Diode D20 giúp cho Q7 và Q8 không dẫn ựiện cùng một lúc.
+ R24 giúp cho khi ở mức logic thấp thì ựiện áp trên cực G = 0 hoàn toàn.
Q7 và Q8 không phải chịu công suất, nhưng lại ựòi hỏi ựộ khuếch ựại lớn. Chắnh vì vậy nên chọn những loại tran công suất bé, chịu tần số cao, và
ựộ khuếch ựại lớn. Có thể xem thông số kỹ thuật của chắnh của tran C945 và A1015 ở phụ lục 6.6 và 6.7
Cũng theo hình 3.3 trên ta ựiều khiển ựóng mở cuộn hút relay bằng tranzitor C945 R54 1k Q9 c945 relay
Hình 3.5: Tranzitor ựiều khiển relay
Cuộn hút của relay có ựiện trở trong là 200Ω, ựiện áp ựiều khiển cuộn hút là 12V. Vậy dòng ựiện qua cuộn hút là 12/200 = 0.06A = 60mA. Theo như bảng trong phụ lục 6.6 ta biết tran C945 có thể chịu ựược dòng ựiện là 100mA = 0.1A. Vậy hoàn toàn có thể sử dụng ựược tran này trong ựiều khiển relay.
Tóm lại: Qua quá trình phân tắch và tắnh toán như trên, tôi ựã ựi ựến quyết ựịnh lựa chọn 2 linh kiện phù hợp với công suất thiết kế. đó là Relay 11A và tranzitor trường IRFP250 và ựã chế tạo thành công Modul ựiều khiển
ựộng cơ DC.
Kết quả chế tạo module ựiều khiển ựộng cơ DC (hình 10)
Sau khi hoàn thành module ựiều khiển ựộng cơ DC, tôi ựã tiến hành thực nghiệm bằng cách viết một chương trình ựiều khiển cho ựộng cơ thay ựổi tốc ựộ và ựảo chiều liên tục, và cho ựộng cơ vận hành trong chếựộựó liên tục