Đề Tài 1:Điều Khiển Chuyển Động Của Robot pot

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạchđiều khiển động cơ DC và các mạch băm áp.. Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

***********&&&**********

BÀI TẬP LỚN MÔN : Thiết Kế Mạch Logic & Analog.

Đề Tài 1:Điều Khiển Chuyển Động Của Robot.

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Văn Thắng.

1 Nguyễn Viết Việt.

2 Bùi Thanh Thủy

3.Trần Quốc Đạt.

4 Nguyễn Thị Hồng Vân.

5 Phan Thị Hoa.

6 Ngô Quang Huân.

7 Giáp Huy Việt.

Thái Nguyên,tháng 11 năm 2010.

Lời nói đầu 3

Phần I: Phương án thiết kế 4

1/ Phương án thiết kế: 4

2/ Các linh kiện sử dụng trong mạch ………4

3/ Sơ lược về linh kiện sử dụng……… ……… ……5

Phần II: Thiết kế … ……… ……….………12

1/ Sơ đồ khối …… ……… ……… 12

2/ Chức năng của từng khối ……… ………12

a) Khối điều khiển môtơ…… 12

b) Môtơ……… ………15

c) Nguồn……….………….… … 15

d) Khối điều khiển……….… 15

3/ Nguyên lý ……… 16

a) Mạch cầu H 16

b) Sơ đồ nguyên lí……… ……21

c) Sơ đồ mạch in……… … ……… … … 22

4/ Sản phẩm thu được:……… ……… …….23

Phần III: Mở rộng ………….…… ……….………24

Phần IV: Kết luận ……….……….….25

Lời mở đầu:

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử đã đang và sẽ pháttriển ngày càng rộng rãi Việc sử dụng IC số trong các lĩnh vực đời sống xã hội đang được ứngdụng phổ biến.

Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thưc hành, cho thấy nhucầu học tập và nghiên cứu cũng như tự mài mò tìm hiểu về nhiều lĩnh vực trong ngành điện tửnói chung, tự động hóa nói riêng là rất cao

Dựa trên nguyên lí hoạt động của các mạch logic & analog mà các IC số được sử dụngvới những mục đích khác nhau Việc ứng dụng IC số đơn giản không cần lập trình được sử dụngcho các mạch đơn giản nhưng vẫn có khả năng ứng dụng cao

Trong những năm gần đây, công nghệ robot đã đạt được những thành tựu to lớn và ngàycàng được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng năng suất lao động, giảm chi phí sản suất Và dần dầnrobot sẽ thay thế cho con người trong tất cả các công việc Đặc biệt được sử dụng trong cácnghành công nghiệp nặng, công nghiệp vũ trụ, hạt nhân…Tầm ảnh hưởng của công nghệ robothiện nay là rất quan trọng

Dựa trên ứng dụng của công nghệ chế tạo robot trên nhóm chúng em xin trình bày mộtkhâu trong quá trình chế tao robot Đó là điều khiển chuyển động của robot đơn giản Với vốnkiến thức còn hạn chế nên trong báo cáo của nhóm em sẽ không tránh khỏi các sai sót và khuyếtđiểm trong quá trình thi công mô hình

Rất mong thầy và các bạn nhận xét và góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm

ơn !

PHẦN I:PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1/ Phương án thiết kế:

Thực hiện đề tài: ” Thiết kế mạch điều khiển rôbốt ”.

Thực hiện đề tài nghiên cứu khái niệm, nguyên lý làm việc của mach điều khiển chuyểnđộng của robot

Để minh họa cho mạch điều khiển robot, ở đây chúng em sử dụng các môtơ để điều khiểnrobot la ôtô đồ chơi

Điều khiển ôtô chuyển động tiến, lùi, quay trái, quay phải khi ấn các công tắc chip Sau một thời gian nghiên cứu về đề tài dựa trên nguyên lí mạch cầu H để đảo chiều củađộng cơ DC:

Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet Đôikhi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor và Fet là cácvan đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn Tín hiệu điều khiển các van làtín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạchđiều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H

có thể đảo chiều động cơ là đơn giản Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn

2/ Các linh kiện sử dụng trong mạch:

Đề tài thiết kế mạch điều khiển chuyển động của robot bao gồm các linh kiện :

- Tổng dòng DC chịu đựng lên đến 4A.

- Điện áp bão hòa

- Chức năng bảo vệ quá nhiệt

- Điện áp logic “0” từ 1.5V trở xuống ( lề miễn nhiễu lớn)

IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân và PowerSO20(linh

kiện dán công suất) Là IC mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao Nóđược thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC

và động cơ bước Nó có 2 chân enable ( cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động,độc lập với các chân tín hiệu vào Cực phát (emiter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu đượcnối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần

Mô tơ hay motor là một thiết bị tạo ra chuyển động , như một động cơ, nó thường dùng

để chỉ một động cơ điện hoặc một động cơ đốt trong

IC này có tác dụng ổn định nguồn trong mạch có trở kháng cao.

Các thông số cơ bản của IC 7805:

- Dòng cức đại có thể duy trì là 1A

- Dòng đỉnh là 2.2A

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt là 2w

- Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn là :15w

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn ápthường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn áp thường được sửdụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V Việc dùngcác loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi Nếu nguồn điện

có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữđược điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi

Trong mạch chỉnh lưu diode có thể được tích hợp thành diode cầu.

Diode cầu có tác dụng chỉnh lưu dòng điện,nhằm nhận được tín hiệu DC tinh khiết

Trong mạch sử dụng 4 công tắc diều khiển để điều khiển bật, tắt: hoạt động tiến, lùi, quaytrái, quay phải của motor

Là linh kiện điện tử thụ động, có tác dụng hạn chế dòng điện.

Điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tùy theo tỷ lệ pha trộn mà các loai điệntrở có trị số khác nhau Giá trị của điện trở được thể hiện trên các vạch màu

Led có nghĩa là diode phát quang, là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồngngoại,tử ngoạị

Led thường có điện thế phân cực cao hơn diode thông thường, trong khoảng từ 1,5-3V Led được dùng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, đèngiao thông

Kí hiệu:

Kí hiệu gần giống so với kí hiệu của diode, nhưng có hai mũi tên ở phía trên.Led có hình dạng như các hình ở phía trên gọi là led đơn.

Trong mạch sử dụng 1 led báo nguồn để cho biết có dòng điện cho mạch hoạt động

Ta sử dụng 1 diot để chống dòng ngược, đảm bảo an toàn cho mạch khi cung cấp dòngđiện ngược chiều

Cung cấp nguồn điện 1 chiều cho mạch điều khiển hoạt động.(Sử dụng pin 9V)

Là sản phẩm minh họa cho robot trong mạch Các motor được gắn vào 2 bánh sau của oto

để điều khiển chuyển động của oto

PHẦN II: THIẾT KẾ

1/ Sơ đồ khối:

Sơ đồ trên là sơ đồ khối chung miêu tả mạch điều khiển robot

2/ Chức năng của từng khối:

a) Khối điều khiển môtơ: (Modul DK L298).

Trong mạch điều khiển robot, để điều khiển môtơ ta sử dụng IC L298

IC L298 là IC mạch cầu đôi, ta có sơ đồ khối của L298 như sau:

Nguồnn

Điều khiển

Modul

DK L298

Moto

Sơ đồ chân:

Cụ thể các chân như sau:

- Vss: nguồn logic 4,5-7V, mức chuẩn là 5V

- Vs : nguồn cấp cho động cơ ở đầu ra, có giá trị 2,5-46V tùy loại động cơ Trong mạch

ta dùng 5V, vì chỉ điều khiển động cơ nhỏ

- Có 4 đầu vào in1, in2, in3, in4; đây là các đầu vào của 2 mạch cầu H (cầu A và cầu B)nhằm khuếch đại dòng điện Để cho phép hai mạch cầu này hoạt động có các chân tín hiệu EnA

và EnB EnA Điều khiển mạch cầu ứng với 2 đầu vào in1 và in2 (cầu A) EnB điều khiển mạchcầu ứng với đàu vào in3 và in4 (cầu B)

- Các chân SenseA, SenseB: được nối đất qua 1 điện trở Giá trị của điện trở sẽ điềukhiển mức dòng điện chạy qua động cơ

- Có 4 đầu ra out1, out 2, out 3, out 4 tương ứng với các đầu vào Dòng điện ở các đầu raout1 va out 2 được điều khiển bởi điện trở nối vào SenseA, còn dòng điện ở đầu ra out 3 và out 4được điều khiển bởi điện trở nối vào SenseB

Mạch cho phép điều khiển động cơ theo cả hai chiều thuận và nghịch:

- Khi C ở mức cao, D ở mức thấp: động cơ quay theo chiều thuận

- Khi D ở mức cao, C ở mức thấp : động cơ quay theo theo chiều ngược.

- Khi hai đầu vào C và D cùng ở mức cao hoặc mức thấp, điện áp giữa 2 đầu động cơ

bằng 0 nên động cơ dừng lại nhanh chóng

Chú ý:

Khi thiết kế cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF ở cả hai chân Vs và Vss tới GND Gắn tụ điện thật gần với chân GND của IC Khi tụ điện của mạch nguồn quá xa IC, hãy

Về điện trở cảm ứng động, không được dùng loại điện trở dây quấn và phải được nối đát sao cho càng gần chân GND càng tốt.

Mỗi chân điều khiển ngõ vào phải được kết nối với mạch điều khiển sao cho đường dây nối thật ngắn.

b) Môtơ:

Là động cơ điện một chiều, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xungđiện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khảnăng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Các môtơ này quay theo từng bước nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển học Như

đã giới thiệu ở phần trên, các môtơ này được gắn vào hai bánh xe sau của ôtô đồ chơi để điềukhiển chuyển động của ôtô Sử dụng IC L298 để điều khiển chiều quay tiến , lùi của motor

Nếu ta sử dụng động cơ bước, tốc độ của động cơ tương đối nhỏ, mặt khác giá thành củađộng cơ bước khá cao Ưu điểm của động cơ bước là có khả năng hãm, động cơ sẽ dừng lại ngaysau khi tắt nguồn Tuy nhiên ở đây ta sử dụng động cơ một chiều RF 310T, có giá thành rẻ, gọnnhẹ nên được sử dụng phổ biến trong các loại đồ chơi (Do động cơ tương đối yếu nên ta có thểthiết kế thêm hệ thống bánh răng để motor quay khỏe hơn)

Khối điều khiển là công tắc nhấn dùng để điểu khiển oto khối này được tách riêng rẽ đểthuận tiện cho việc điều khiển được dễ dàng.

3/ Nguyên lý:

a/ Mạch cầu H:

Như đã giới thiệu ở phần đầu, mạch cầu H có nhiệm vụ quan trọng trong việc dẫn dòng điện từnguồn xuống tải, nhằm đảo chiều động cơ theo ý muốn

Các dạng cấu tạo của mạch cầu H

Mạch cầu H được cấu tạo bởi 2 dạng chính:

+) Dạng 1:

Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N Sơ đồ nguyên lý mạch được cấu tạo như sau (Chỉ vẽ mạch dùng transitor để mình họa)

Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N và chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển kích mở các transitor.

. Nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H.

Chỉ xét đến nguyên lý hoạt động và hoạt động như thế nào của mạch cầu H con BJT đượcchọn để ví dụ còn Fet thì nó gần tương đương nhau

Ta hãy phân tích một dạng mạch cầu H như trên Hai dạng này có nguyên lý hoạt động giống nhau chỉ khác là linh kiện cấu tạo lên cầu H như thế nào và việc đóng mở các transitor hay Fet như thế nào? Đối với dạng 1 khi dùng Fet cùng kênh thì phải dùng mạch lái đối với công suất

Ta đi phân tích nguyên lý hoạt động của mạch dang 2 như sau:

Mạch cầu H này được điều khiển bởi 4 tín hiệu đóng mở các van đó là các tín hiệu 1 và tín hiệu 2( Như trên hình 2) và điều khiển được 2 chiều (Có nghĩa là đảo chiều dòng điện) Xét từng chế độ thuận và nghịch

Như chúng ta đã bit điều kiện để đóng mở đê các transitor thông là:

- Đối với kênh N để mở thì Ube > 0 và mở transitor bằng dòng điện

- Đới với transitor kênh P để mở thì Ube <= 0 Thường thì bằng 0 là nó sẽ mở

*Điều khiển ở chế độ thuận:

Ở chế độ thuận này cấp 4 tín hiệu điều điều khiển vào 4 con Transitor và điều kiện để có dòng thuận chạy qua tải trong 1 thời điểm là :

+ Tín hiệu 1 = 0 (Tức là mở transitor Q1)

+ Tín hiệu 2 = 0 ( Tức là đóng transitor Q2)

+ Tín hiệu 3 = 1 (Tức là đóng transitor Q3)

+ Tín hiệu 4 = 1 (Tức là mở transitor Q4)

Và dạng đường đi được mô tả như hình vẽ sau:

Đấy là dạng đi của chiều thuận : Dòng điện từ nguồn qua Q1 sau đó qua tải và qua Q2 xuống

*Điều Khiển ở chế độ ngịch:

Ở chế độ này ta cũng cấp 4 tín hiệu điều khiển vào 4 con transitor Và 4 tín hiệu điều khiển này phải thỏa mãn điều kiển sau :

+ Tín hiệu 1 = 1 (Tức là khóa transitor Q1)

+ Tín hiệu 2 = 1 ( Tức là mở transitor Q2)

+ Tín hiệu 3 = 0 (Tức là mở transitor Q3)

+ Tín hiệu 4 = 0 (Tức là đóng transitor Q4)

Và dạng đường đi của chúng được thể hiện như hình vẽ sau :

. Ưu nhược điểm của cầu H.

a ) Ưu điểm : Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và tiếp kiệm chi phí b) Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nửa cầu thì

sẽ mạch động lực của chúng ta bị ngắn mạch nguồn Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn (Quá độ ) Sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất.Tức là mạch

ko có bảo vệ dòng và điện áp

. Chú ý.

Đối với mạch trong thực tế thì phải thiết kế cận thận, tính toán dòng điện qua cầu H, điện áp kích Van! khi thiết kế mạch cầu H cần chú ý những điểm sau: Tín hiệu điều khiển van,dòng điện qua cầu H, bảo vệ cho van, dòng ngược do tải cảm tạo ra làm phá hủy tiếp

giáp

+) Đối với mạch công suất nhỏ:

Đối với tải có công suất nhỏ : Tần số đóng cắt hay tần số điều khiển nhỏ như điều khiểnđộng cơ nhỏ hay tải cảm có công suất nhỏ Thì mạch cầu H thường được thiết kế bằng BJT và chúng ta cần chú ý đến dòng ngược khi điều khiển động cơ, tín hiệu điều khiển để cho BJT mở

và các thông số khác liên quan đến nó như dòng điện, điện áp

( Mạch tham khảo không được vẽ)

+) Đối với mạch công suất lớn:

Đối với tải thiết bị cần tần số đóng cắt lớn (>20Khz) người ta thường không dùng BJT

vì nhược điểm trên mà người ta dùng các linh kiện công suất như Mosfet hay IGBT Và cái này thường dùng để điều khiển động cơ DC lớn và các bộ băm áp có công suất lớn Cái này chúng ta cần chú đến : Tín hiệu điều khiển đóng cắt , bảo vệ các van điều khiển, dòng ngược từ tài có khả năng phá hủy tiếp giáp

Trong thực tế có 1 loại IC bán dẫn được tích hợp luôn cả cầu H trong đó ta chỉ cần cấp xung điều khiển, có bảo vệ dòng:

Nhìn chung đây là đề tài tương đối đơn giản, chỉ mang tính chất minh họa nhờ việc sửdụng các IC và môtơ để tạo ra chuyển động đơn giản của ôtô như quay trái, phải, tiến, lùi.

b/ Sơ đồ nguyên lý:

Nguyên lí hoạt động:

Ban đầu các chân in của L298 ở mức 0, Khi nhấn công tắc điều khiển thì chân in ứng với công tắc đó được set lên 1 làm cho L298 thông Dòng điên đi qua IC L298 cho ra chân out tươngứng đưa dòng đến motor làm cho motor quay theo chiều dòng điện Diot cầu có tác dụng chỉnh lưu dòng Các motor quay truyền chuyển động đến bánh xe Bánh xe được tác động quay cùng chiều với motor đẩy oto chuyển đông theo chiều quay của motor