LỜI NĨI ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và cơng nghệ, các thiết bị điện - điện tử được ứng dụng ngày càng rộng rải và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ th
ĐỘNG HỌC ROBOT VÀ ROBOT DI ĐỘNG
Tìm hiểu về Tay máy
Tay máy (Manipulator) là một cơ cấu cơ khí gồm các khớp nối, hình thành một cánh tay robot để thực hiện các chuyển động cơ bản; cổ tay mang lại sự khéo léo và tính linh hoạt, còn bàn tay (end effector) đảm nhận việc trực tiếp thao tác lên đối tượng.
Có nhiều loại tay máy như : tay máy kiểu tọa độ decac, trụ, cầu SCARA, kiểu tay người …
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot công nghiệp; nó là thiết bị cơ khí giúp robot có thể di chuyển trong không gian và thực hiện các nhiệm vụ như nâng hạ vật thể và lắp ráp Ý tưởng ban đầu khi thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng theo cấu tạo và chức năng của bàn tay người, nhưng về sau điều này không còn bắt buộc nữa Hiện nay tay máy rất đa dạng, có nhiều loại với dáng vẻ khác nhau, khác xa so với tay người.
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là một loại tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm hai khớp quay và một khớp trượt, và cả ba khớp này có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng ở phương ngang khi được bố trí, phù hợp cho các công việc lắp ráp với tải nhỏ theo phương thẳng đứng.
Động học tay máy
Theo quan điểm động học, tay máy được biểu diễn bằng một chuỗi động học hở, gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp quay hay khớp trượt Một đầu của chuỗi được gắn lên thân, còn đầu kia nối với phần công tác Thao tác trong quá trình làm việc đòi hỏi phần công tác phải được định vị và định hướng chính xác trong không gian Động học tay máy giải quyết hai lớp bài toán.
Trong bài toán thuận, các biến khớp được dùng làm tham số để xác định vùng làm việc của phần công tác và mô tả chuyển động của phần công tác trong phạm vi làm việc ấy Việc xác định này cho phép phân tích vị trí, quỹ đạo và giới hạn chuyển động của phần công tác dựa trên trạng thái khớp, từ đó hỗ trợ thiết kế và điều khiển hệ thống robot một cách hiệu quả.
Hình 2.1 Một ví dụ về mô hình tay máy
- Lớp bài toán ngược, xác định các biến khớp để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác
Bài toán động học thuận
Hình 2.2 Động học thuận tay máy
Bài toán động học ngược:
1 cos 2 cos 2 cos 2 cos 2 cos 2 tan l l y x l l mà l l y x l l l l y x l l y x l l l l vây y x r mà r l l l l x y w w w w w w w w w w w w
Hình 2.3 Động học ngược tay máy
2 cos 2 tan cos 2 cos 2 cos 2 w w w w w w w w w w w w y x l l l y x w y y x r rl l l y x rl l l y x l rl l r
Robot di động bằng bánh xe (WMR) là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển trong vòng 3 thập kỷ trở lại đây Loại Robot này được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng thực tế do phạm vi hoạt động rất rộng của nó
Mô hình toán học mô tả hoạt động của WMR rất đơn giản so với các loại robot nối tiếp, robot song song và robot humanoid Tuy nhiên, sự đơn giản này chỉ đúng với các robot di động ở mức độ cơ bản; khi thêm cơ cấu trailer vào robot, mô hình sẽ trở nên phức tạp hơn.
WMR có nhiều dạng thiết kế động học và nhiều cấu hình khác nhau, giúp tối ưu hoá cho từng ứng dụng cụ thể Mỗi kiểu cấu hình mang đặc điểm riêng, ảnh hưởng tới khả năng điều khiển, độ ổn định và hiệu quả sử dụng năng lượng Vì vậy, phân loại WMR theo dạng hình học của bánh xe cho phép nhận diện ưu nhược điểm và lựa chọn cấu hình phù hợp với môi trường làm việc, từ các bài toán di chuyển trên mặt phẳng đến các địa hình phức tạp Trong quá trình thiết kế, người ta xem xét các yếu tố như cách truyền động, phân bổ trọng lượng và liên kết giữa bánh xe để xác định cấu hình hình học bánh xe tối ưu cho từng hệ thống WMR, từ đó tối đa hoá hiệu suất và ứng dụng của bạn.
Cấu hình lái vi sai là cấu hình WMR phổ biến nhất nhờ tính đơn giản và linh hoạt, là loại robot dễ lắp ráp và dễ điều khiển nhất Trong WMR lái vi sai, có hai bánh dẫn động và một hoặc hai bánh xe bị động; sự chênh lệch vận tốc giữa hai bánh dẫn động cho phép robot tiến, lùi và quay một cách linh hoạt Các bánh xe bị động chỉ đóng vai trò hỗ trợ khung cấu trúc và nâng cao độ ổn định cho hệ thống.
Chuyển động của WMR vi sai rất đơn giản Khi cần chuyển động thẳng,
Robot dùng hai bánh lái đồng bộ với nhau về tốc độ, đảm bảo sự ổn định khi di chuyển Khi cần quay, hai bánh xe quay ngược chiều nhau, tạo mô-men quay cho robot Có thể thực hiện quay bằng cách phanh một bánh trong khi bánh kia tiếp tục quay, cho robot quay quanh bánh xe cố định Bằng cách điều khiển tốc độ của hai bánh xe, robot có thể di chuyển theo một cung tròn hoặc một quỹ đạo bất kỳ, phù hợp với nhiều bài toán di chuyển khác nhau.
2.2.2 WMR kieồu xe hụi (Car-type WMR)
Cấu hình này sử dụng một hay hai bánh lái ở trước và 2 bánh thụ động
Hình 2.4 Robot di động lái vi sai
Hình 2.5 Robot di động lái kiểu xe hơi gồm
2 bánh thu động và 1 bánh định hướng
2.2.3 WMR vô hướng (omnidirectional WMR)
Cấu hình này dễ dàng thay đổi hướng chuyển động ở bất kỳ vị trí nào sử dụng các bánh xe đa hướng
Hình 2.6 Robot di động lái kiểu xe hơi gồm 2 bánh thu động và 2 bánh định hướng lái đồng bộ
Hình 2.7 Robot di động vô hướng và bánh xe đa hướng thường sử dung cho loai robot này
Robot này sử dụng 3 hoặc 4 bánh xe lái, bẻ góc đồng bộ và di chuyển tịnh tiến cùng nhau Các bánh quay đồng bộ để tạo động lực chuyển động nhờ một motor truyền động, trong khi hệ thống lái điều khiển việc bẻ góc của các bánh bằng một motor định hướng, giúp định hướng và di chuyển một cách nhạy bén.
Hình 2.8 Robot di động lái đồng bộ sử dụng 4 bánh xe
Hình 2.9 Robot di động lái đồng bộ sử dụng 3 bánh xe
2.3 Động học của WMR Động học của Robot di động liên quan đến bán kính quay tức thời (Instantaneous rotation of radious) và tâm quay tức thời (Instantaneous rotation of center) Độ lớn của hai giá trị này trong cả 2 trường hợp Robot lái vi sai và Robot lái kiểu xe hơi đều phụ thuộc vào độ lớn của tốc độ bánh xe.
Bán kính quay tức thời (r ir ):
+ Robot lái kiểu xe hơi:
= σ r ir Với σ là góc quay của bánh lái + Robot lái vi sai:
= + Với v r : vận tốc bánh lái phải
V l : vận tốc bánh lái trái
Hình 2.10 Bán kính quay tức thời của Robot lái kiểu xe hơi
Hình 2.11 Tâm quay tức thời của Robot lái vi sai
Robot lái vi sai hoặc robot kiểu xe thường có 3 hoặc 4 bánh để đảm bảo tính cân bằng và ổn định, vì cần tối thiểu 3 điểm tiếp xúc không nằm trên cùng một đường thẳng để tránh lật Tuy nhiên, động học của chuyển động robot được mô tả phổ biến bằng một mô hình tương đương đơn giản hơn, giúp phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả hơn.
Dựa trên các cấu hình robot di động và sự phổ biến trong thực tế, đề tài chọn cấu hình robot dẫn động vi sai và mô tả các bộ phận cơ khí thiết yếu sau: khung máy (chassis) chắc chắn; hai bánh xe dẫn động gắn trên các trục riêng biệt với động cơ hoặc actuator; hệ thống truyền động và vi sai để điều khiển sự quay của mỗi bánh; trục và bạc đạn cho hai trục bánh; bánh xe và hệ thống treo nhằm đảm bảo độ ổn định; cảm biến vị trí hoặc encoder để đo vận tốc và vị trí; nguồn điện và bảng điều khiển điều khiển động cơ; các khớp nối và các phụ kiện đi kèm như ống bảo vệ, và các thành phần hỗ trợ khác tùy biến.
• 2 bánh xe chủ động ở sau được lái bởi 2 motor DC
• 2 bánh xe bị động ở trước sử dụng bánh xe đa hướng, 2 bánh này sẽ di chuyển phụ thuộc vào sự di chuyển của 2 bánh xe chủ động
Tay máy SCARA 2 bậc tự do gắn trên thân robot, di chuyển đồng bộ với chuyển động của robot Mỗi bậc tự do được điều khiển bởi một motor DC.
Hình 2.12 Cấu hình cơ khí Robot sử dụng trong đề tài
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Khoái nguoàn cung caáp
Khối nguồn 5V được thiết kế để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển, mạch giao tiếp và mạch công suất Nguồn 5V được cấp từ ắc quy 12V thông qua IC ổn áp 7805 để duy trì nguồn 5V ổn định Transistor công suất B688 đóng vai trò tăng cường khả năng chịu dòng cho ổn áp 7805, giúp nguồn có khả năng tải cao Các tụ điện đóng vai trò lọc và làm phẳng nguồn, tối ưu hóa sự ổn định của nguồn 5V.
LED gắn ở ngõ ra của nguồn nhằm mục đích chỉ thị nguồn Khi LED sáng, báo hiệu là đã có nguồn 5V ở ngõ ra
Giá trị điện trở R6 được tính dựa trên điện áp rơi trên LED và dòng chạy qua LED Thông thường, dòng chạy qua LED nằm trong khoảng 5–20 mA, và điện áp rơi trên LED dao động từ 1.7–2.2 V, vì vậy R6 được tính để đảm bảo LED hoạt động an toàn và ổn định Việc xác định đúng giá trị R6 giúp tối ưu hiệu suất của mạch và giữ LED bền trong các điều kiện cung cấp điện khác nhau.
Nguồn công suất cấp cho motor được tạo từ hai ắc quy 12V mắc nối tiếp để hình thành nguồn 24V, sau đó qua mạch công suất cung cấp điện cho các motor truyền động.
LED D15 dùng để chỉ thị nguồn 24V
Hình 3.1 Sơ đồ mạch chi tiết của khối nguồn 5V
Hình 3.2 Sơ đồ mạch chi tiết của khối nguồn công suất
Khối vi xử lý trung tâm
Như đã trình bày trong chương 1, Robot sử dụng Vi điều khiển P89V51RD2 thuộc học Vi điều khiển 8051 của Phillips
2.2.1 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051:
2.2.1.1 Giới thiệu khái quát họ IC MCS-51™
MCS-51™ là một họ IC vi điều khiển do Intel phát triển và sản xuất Một số nhà sản xuất được phép cung cấp các IC tương thích với các sản phẩm MCS-51™ của Intel là Siemens, Advanced Micro Devices (AMD), Fujitsu, Philips và Atmel Các IC thuộc họ MCS-51™ có các đặc trưng chung như sau.
Hệ thống vi điều khiển này có 4 cổng I/O 8 bit và khả năng giao tiếp nối tiếp, đáp ứng nhu cầu kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi Nó cung cấp 64K không gian bộ nhớ chương trình mở rộng và 64K không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng để lưu trữ mã nguồn và dữ liệu ở quy mô lớn Đồng thời, hệ thống còn tích hợp một bộ xử lý logic có khả năng thao tác trên các bit đơn, giúp thực hiện các thao tác nhị phân nhanh chóng và hiệu quả.
210 bit được địa chỉ hóa
Ngoài ra, tùy theo số hiệu sản xuất mà chúng có những khác biệt :
Bảng 1.1 So sánh bộ nhớ và bộ định thời/bộ điếm
Số hiệu sản xuất Bộ nhớ chương trình trên chip
Bộ nhớ dữ liệu trên chip
Số bộ định thời (bộ đếm)
AT89C51 là một vi điều khiển 8-bit sử dụng công nghệ CMOS, có tốc độ cao và tiêu thụ công suất thấp, được tích hợp bộ nhớ Flash có thể lập trình Sản phẩm được sản xuất bằng công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của Atmel và tương thích với chuẩn công nghiệp 80C51/80C52 về chân và tập lệnh, nên từ nay chúng ta sẽ dùng thuật ngữ “80C51” (hoặc “8051”) để chỉ dòng vi điều khiển này.
Hình 3.3 Sơ đồ khối của AT89C51
1) NHỮNG ĐẶT TRƯNG CỦA AT89C51
+ Tương thích với các sản phẩm MCS-51
+ 4KByte bộ nhớ Flash có thể lập trình lại với 1000 chu kỳ đọc/xoá
+ Hoạt động tĩnh đầy đủ: 0Hz đến 24MHz
+ Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp
+ 32 đường xuất-nhập lập trình được (tương ứng 4 port)
+ Một port nối tiếp song công lập trình được
+ Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chip
C ấ u hình chân c ủ a AT89C51 nh ư sau:
AT89C51 có tổng cộng 40 chân, mỗi chân đảm nhiệm chức năng I/O để xuất/nhập dữ liệu Đáng chú ý, 24 chân có chức năng kép: chúng có thể hoạt động như đường I/O độc lập hoặc được dùng như đường điều khiển, hoặc ghép thành một phần của bus địa chỉ và bus dữ liệu, mang lại sự linh hoạt cho thiết kế hệ thống.
Hình 3.4 Sơ đồ chân của AT89C51
Port 0 là một port xuất/nhập song hướng cực máng hở 8 bit Nếu được sử dụng như là một ngõ xuất thì mỗi chân có thể kéo 8 ngõ vào TTL Khi mức 1 được viết vào các chân của port 0, các chân này có thể được dùng như là các ngõ nhập tổng trở cao
Port 0 có thể được định cấu hình để hợp kênh giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu (phần byte thấp) khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình ngoài Ở chế độ này, P0 có các điện trở pullup bên trong
Port 1 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pull_up bên trong Các bộ đệm ngõ ra của port 1 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ nhập TTL Khi mức 1 được ghi vào các chân của port 1, chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pull_up nội và có thể được dùng như là các ngõ nhập Nếu đóng vai trò là các ngõ nhập, các chân của port 1 (được kéo xuống thấp qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng IIL do các điện trở pull_up bên trong
Port 2 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pull_up bên trong Các bộ đệm ngõ ra của port 2 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ vào TTL Khi các mức 1 được ghi vào các chân của port 2 thì chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pull_up nội và có thể được dùng như các ngõ vào Khi được dùng như các ngõ vào, các chân của port 2 (được kéo xuống qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng IIL do có các điện trở pull_up bên trong
Port 2 phát ra byte cao của địa chỉ khi đọc từ bộ nhớ chương trình ngoài và khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 16 bit (MOVX @DPTR)
Trong ứng dụng này, nó dùng các điện trở pullup nội "mạnh" khi phát ra các mức
1 Khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 8 bit (MOVX @RI), port 2 phát ra các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt P2
Port 2 cũng nhận các bit cao của địa chỉ và một vài tín hiệu điều khiển khi lập trình và kiểm tra Flash
Port 3 là một port xuất-nhập song hướng 8 bit có điện trở pull_up nội bên trong
Các bộ đệm ngõ ra của port 3 có thể kéo hoặc cấp 4 ngõ vào TTL Khi các mức 1 được ghi vào các chân của port 3, chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pull-up nội và có thể được dùng như các ngõ vào TTL Khi được dùng làm ngõ vào, các chân của port 3 (được kéo xuống bởi các điện trở pull-down bên ngoài) sẽ cấp dòng IIL do có các điện trở pull-up nội bên trong.
Port 3 cũng cung cấp các chức năng của các đặc trưng đặc biệt như được liệt kê dưới đây:
Chân Tên Các chức năng chuyển đổi
RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD
Port nhập nối tiếp và Port xuất nối tiếp là hai thành phần quan trọng trong giao tiếp serial giữa vi điều khiển và thiết bị ngoại vi, cho phép truyền nhận dữ liệu nhanh chóng và ổn định Ngắt 0 bên ngoài và Ngắt 1 bên ngoài cho phép xử lý các sự kiện bất ngờ hoặc tín hiệu ngắt từ môi trường bên ngoài mà không làm gián đoạn chu trình làm việc của hệ thống Ngõ vào Timer/Counter 0 và Ngõ vào Timer/Counter 1 cung cấp tín hiệu nhịp và đầu vào đếm thời gian cho các ứng dụng điều khiển thời gian thực và đồng hồ Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài và Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài mô tả chu kỳ ghi và đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài, giúp quản lý dữ liệu mở rộng một cách đồng bộ và hiệu quả.
B ả ng1.2 Các ch ứ c n ă ng chuy ể n đổ i trên Port 3
Ngõ vào reset Một mức cao trên chân này khoảng hai chu kỳ máy trong khi bộ dao động đang chạy sẽ reset thiết bị
ALE là xung ra dùng để chốt byte thấp của địa chỉ khi truy cập bộ nhớ ngoài, giúp định vị đúng địa chỉ trên bus dữ liệu multiplexed Chân ALE đồng thời hoạt động như ngõ nhập xung lập trình (PROG) khi thực hiện lập trình Flash, kích hoạt chu trình lập trình và cho phép ghi dữ liệu vào Flash.
Trong chế độ hoạt động bình thường, ALE (Address Latch Enable) được phát với tần suất cố định bằng 1/6 tần số bộ dao động và có thể được dùng cho mục đích timing và clocking bên ngoài ALE cung cấp tín hiệu latch địa chỉ giúp đồng bộ hóa quá trình truy cập bộ nhớ ngoài Tuy nhiên, một xung ALE sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài.
Nếu muốn, ALE có thể bị cấm bằng cách thiết lập bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Eh Khi bit này được thiết lập, ALE chỉ được hoạt động khi có một lệnh MOVX hoặc MOVC; ngược lại, chân này được kéo lên cao bởi các điện trở pull_up “nhẹ” Việc set bit cấm-ALE không có tác dụng khi bộ vi điều khiển đang ở chế độ thi hành ngoài.
PSEN (Program Store Enable) là xung đọc bộ nhớ chương trình ngoài Khi AT89C51 đang thi hành mã (code) từ bộ nhớ chương trình ngoài,
PSENđược kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng hai hoạt động PSEN sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài
EA (External Access Enable) phải được nối với GND để cho phép thiết bị đọc mã từ bộ nhớ chương trình ngoài có địa chỉ từ 0000H đến FFFFH; tuy nhiên, lưu ý rằng nếu bit khoá 1 (lock-bit 1) được lập trình, EA sẽ được chốt bên trong khi reset.
Khoỏi coõng suaỏt ủieàu khieồn motor
2.3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
2.3.1.1 Cấu tạo: Động cơ một chiều cấu tạo gồm có hai phần chính starto và roto: a STARTO ( là phần tĩnh):
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt từ và dây quấn kích từ quấn quanh lõi sắt từ Lõi sắt từ được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon, dày 0,5 đến 1 mm, ép lại với nhau Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng có lớp cách điện và mỗi cuộn dây được cách điện thành một khối, các cuộn dây kích từ này đặt trên các cực từ và mắc nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ được đặt ở giữa các cực từ chính và có chức năng cải thiện đổi chiều của từ trường; trên thân của cực từ phụ có đặt dây quấn với cấu tạo tương tự như dây quấn ở cực từ chính, giúp tăng cường hiệu quả điều khiển từ trường và ổn định hoạt động của hệ mạch từ.
Gông từ: dùng để làm mạch nối liền những cực từ, đồng thời làm vỏ máy thường làm bằng thép hay gang
Các bộ phận khác gồm nắp máy và chổi than:
- Nắp máy: để bảo vệ những vật ngoài rơi vào tránh hư hỏng dây quấn an toàn cho người khi chạm vào máy
- Chổi than: để đưa dòng điện, chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt chổi than lên cổ góp b ROTO (là phần quay):
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thường được làm từ các tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic), dày 0,5 mm Các tấm thép này được phủ lớp cách điện và ghép ép chặt với nhau để giảm dòng điện xoáy sinh ra trong lõi, từ đó nâng cao hiệu quả dẫn từ và giảm hao phí.
Trên lá thép có các rãnh được dập trước để sau khi ép có thể đặt dây quấn một cách thuận tiện, đồng thời có thể dập thêm lỗ thông gió, giúp thông gió và làm mát dây quấn cũng như lõi sắt trong quá trình vận hành.
Động cơ điện là phần sinh ra lực điện động và có dòng điện chạy qua Với công suất nhỏ, dây dẫn có tiết diện tròn; với công suất lớn, dây dẫn được thiết kế có tiết diện hình chữ nhật và phải được cách điện cẩn thận Để phòng ngừa dây bị văng ra do lực ly tâm, cần đè chặt hoặc buộc đai quanh dây một cách chắc chắn để đảm bảo an toàn vận hành động cơ.
* Cổ góp(hay vành góp):
Thiết bị này có tác dụng đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp được cấu thành từ nhiều lá đồng ghép lại với nhau và cách điện bằng lớp mica dày, hình thành một hình trụ tròn Hai đầu trụ được cố định bằng hai vòng ốp hình V ép chặt để đảm bảo cách điện tốt và độ bền của cấu trúc.
Các bộ phận khác của máy gồm cánh quạt hút gió để đẩy không khí qua cực từ và lõi sắt, cùng với dây quấn nhằm làm nguội máy Trục máy thường được chế tạo từ thép cacbon chất lượng cao và được tựa trên ổ bi, đảm bảo độ bền và sự ổn định trong quá trình vận hành.
2.3.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ DC
Khi cấp điện áp U cho hai chổi điện A và B, dòng điện I chạy qua dây quấn phần ứng; các thanh dẫn AB, CD mang dòng điện trong từ trường và chịu lực làm rotor quay Lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (lực Lorentz) Khi phần ứng quay nửa vòng, các thanh dẫn AB, CD đổi chỗ cho nhau do phím góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi và động cơ quay theo một chiều liên tục.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động
Eư , chiều sức điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều
Eư ngược chiều với dòng điện Iư, nên Eư còn gọi là sức phản kháng
Phương trình điện đáp là:
2.3.1.3 CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ Động cơ điện một chiều lấy công suất điện vào và truyền công suất cơ ra đầu trục.Công suất điện mà động cơ điện nhận được từ lưới vào, bằng:
Trong đó:I=(Iư +It ) là dòng điện từ lưới điện vào (Iư là dòng điện vào phần ứng, It là dòng điện kích thích)
- U là điện áp ở đầu cực máy
Hình 3.15: Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều a) lực từ lúc đầu b) lực từ lúc khi phần ứng quay được nửa vòng
Trong hệ thống điện động, công suất đầu vào P1 được phân bổ thành ba phần: một phần cấp cho mạch kích thích với điện áp kích thích UIt, phần lớn còn lại đi vào mạch phần ứng và một phần nhỏ bị tiêu hao trên dây quấn đồng của mạch phần ứng (pCu); phần lớn công suất còn lại là công suất điện từ (pđt) sinh ra từ từ trường và tác động lên tải Ta có thể tóm tắt bằng công thức P1 = P_kích_thích + pđt + pCu, trong đó P_kích_thích đại diện cho công suất dành cho mạch kích thích.
Công suất điện từ sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một lượng để bù đắp tổn hao cơ và tổn hao sắt (gọi chung là tổn hao không tải Po) Phần công suất còn lại là công suất đưa ra ở đầu trục, ký hiệu P2 = M2 Ta có:
Pđt = pcơ + pFe + P2 Giản đồ năng lượng theo hình: pcu Po=pcơ
Ta có công suất điện trong mạch phần ứng bằng:
UIư= Pđt + pCu.ư = EưIư + Iư 2 Rư Chia hai vế cho Iư ta có phương trình:
Động cơ điện một chiều (DC motor) có đặc tính điều khiển tốc độ rất tốt, cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ và giao thông vận tải Động cơ điện một chiều được phân loại theo cách kích thích từ thành các loại động cơ kích từ độc lập, kích từ song song (kích từ shunt), kích từ nối tiếp (kích từ series) và kích từ hỗn hợp Ở động cơ kích từ độc lập, dòng điện kích từ (I_f) và dòng điện của mạch kích thích (I_a) làm việc độc lập; ở động cơ kích từ song song và kích từ hỗn hợp, mối quan hệ giữa I_f và I_a phụ thuộc vào đặc tính và cấu hình của từng loại.
Pt Giản đồ năng lượng động cơ điện một chiều
Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích từ độc lập và động cơ kích thích song song hầu như giống nhau ở các điều kiện làm việc thông thường; tuy nhiên khi cần công suất lớn, người ta thường chọn động cơ kích từ độc lập để việc điều chỉnh dòng kích thích thuận lợi và kinh tế hơn, dù loại động cơ này đòi hỏi nguồn điện phụ bên ngoài.
2.3.1.4 ĐẶC TÍNH CƠ TĨNH CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Động cơ DC kích từ độc lập cho phép dòng phần ứng và dòng kích từ được điều khiển độc lập với nhau Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp; vì vậy việc điều khiển có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ, đây là cách điều khiển có hiệu suất thấp Với động cơ kích từ nối tiếp, dòng phần ứng cũng là dòng kích từ, và do đó từ thông động cơ là một hàm của dòng phản ứng Động cơ kích từ hỗn hợp yêu cầu đấu nối sao cho sức từ động của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song.
Mạch tương đương ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều được trình bày ở hình
Trong bài 3.17, điện trở Rư biểu thị điện trở phần ứng của động cơ DC Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song, Rư là điện trở phần ứng Đối với động cơ kích từ nối tiếp hoặc động cơ kích từ hỗn hợp, Rư bằng tổng điện trở của cuộn phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp.
Phương trình cơ bản của động cơ một chiều là:
- Φ: từ thông trên mỗi cực (Wb)
- RƯ: Điện trở phần ứng (Ω)
- ω : tốc độ động cơ (rad/s)
- M : momen do động cơ sinh ra (Nm)
- K : hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
Từ công thức (2-1) - (2-3), ta có:
Hình 3.17 : Mạch tương đương chế độ tĩnh của động cơ DC
Lưu ý là các công thức (2-1) đến (2-5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể ở trên
Khối Giao tiếp máy tính
Khối giao tiếp máy tính bao gồm 2 phần:
- Mạch nạp ISP cho chip Vi điều khiển P89V51RD2 từ phần mềm Flash
Magic trên máy tính Sử dụng IC Max232 để nạp cho Vi điều khiển qua cổng COM của máy tính
Giao tiếp giữa robot và máy tính được thiết kế nhằm giám sát quỹ đạo di chuyển của robot trên máy tính và cho phép ra lệnh cho robot thực hiện các thao tác từ phần mềm điều khiển Hệ thống sử dụng chuẩn RS485, kết nối dây giữa robot và máy tính với khoảng cách lên tới 1,5 km, đáp ứng nhu cầu điều khiển từ xa hiệu quả Việc dùng RS485 giúp đường truyền ổn định và ít nhiễu, nâng cao độ tin cậy của quá trình giám sát và điều khiển.
Hình 3.31 Sơ đồ mạch chi tiết mạch công suất điều khiển Motor Tay máy 2
2.4.2 MẠCH GIAO TIẾP CHUẨN RS485
* Mạch RS485 gắn trên Robot
Có chức năng chuyển đổi tín hiệu giữa chuẩn TTL của Vi điều khiển và RS485 để truyền thông sử dụng IC MAX485
* Mạch RS485 gắn với máy tính
Hình 3.32 Sơ đồ mạch chi tiết mạch nạp Vi điều khiển
Hình 3.33 Sơ đồ mạch chi tiết mạch chuyển đổi RS485 ↔ TTL
Có chức năng chuyển đổi tín hiệu giữa chuẩn RS485 và RS232 sử dụng kết hợp IC MAX485 và IC MAX232.
Giới thiệu về Encoder
Trong mô hình Robot, Encoder được sử dụng gắn cùng với 2 bánh xe chủ động, nhằm mục đích tính toán tốc độ di chuyển và vị trí của Robot
Có nhiều loại encoder: encoder tiếp xúc, encoder từ trường, encoder quang
Encoder tiếp xúc có điểm tiếp xúc thực tế giữa đĩa và đầu đọc thông qua chổi than Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có trên đĩa; độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩa và có thể tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa.
Encoder từ trường dùng đĩa quay được tráng lớp vật liệu từ, trong đó các vạch mẫu không được phủ, và các vạch này được đọc bằng một đầu đọc nam châm Nhờ thiết kế không tiếp xúc giữa đầu đọc và bề mặt đĩa, tín hiệu từ được thu thập ổn định và tăng độ tin cậy cho hệ thống Vì không có phần tiếp xúc mòn và bẩn, encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn encoder tiếp xúc.
Encoder quang là loại phổ biến nhất nhờ độ chính xác cao, gồm 3 bộ phận chính: đĩa quang có những phần trong suốt cho ánh sáng đi qua và những phần không cho ánh sáng đi qua, một nguồn sáng cùng với hệ thống hỗ trợ chiếu sáng, bộ phận cảm biến ánh sáng (Photocell) Hiện nay trên thị trường có 2 loại Encoder số: bộ giải mã tuyệt đối và bộ mã hoá tăng.
Hình 3.34 Sơ đồ mạch chi tiết mạch chuyển đổi RS485 ↔ RS232
Encoder dạng Absolute có đầu ra là tín hiệu được mã hoá nhị phân Bên trong Encoder là một đĩa tròn có các vạch trong suốt xen kẽ với các vạch tối theo đường tròn đồng tâm Tuỳ thuộc vào độ phân giải của Encoder mà số vòng đồng tâm càng nhiều hay ít, từ đó xác định độ chính xác và phạm vi đo vị trí của thiết bị.
Xét một vòng quay có các đường vạch, một diode phát quang chiếu chùm tia qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở các vạch tối Ở phía đối diện, song song với diode phát, là một diode thu đảm nhận vai trò cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát gửi tới Có bao nhiêu đường vạch trên vòng quay thì sẽ có đúng bấy nhiêu diode thu tín hiệu.
Các tín hiệu đo được từ diode thu sẽ được đưa ra dưới dạng tín hiệu điện, phản ánh vị trí của trục quay Encoder ở dạng nhị phân Để thuận tiện trong chế tạo, các vạch sáng tối được mã hóa theo mã Gray, và để ứng dụng trong các hệ thống dùng mã Binary ta cần một chương trình chuyển đổi từ Gray sang Binary Một ưu điểm của mã Gray là giữa hai vị trí liền kề chỉ có một bit thay đổi, nên sai số ở ngõ ra tối đa là một đơn vị Ngược lại, mã Binary có thể gây sai số lớn hơn vì khi thay đổi vị trí, một bit có trọng số cao có thể đổi trước trong khi các bit ở vị trí thấp hơn chưa kịp cập nhật.
B ả ng 1.7 chuy ể n đổ i gi ữ a mã Binary và Gray
Hình 3.35 Cấu tạo dĩa quang trong Absolute Encoder
Thập phân Mã Binary Mã Gray
• Encoder loại Incremental:Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn
Trên bề mặt đĩa tròn của Encoder có hai vòng đồng tâm, mỗi vòng được chia thành các vạch trong suốt xen kẽ với các vạch tối Giống như ở Absolute Encoder, một diode phát quang sẽ chiếu sáng và tín hiệu ánh sáng xuyên qua các vạch trong suốt tới hai diode thu Hai diode thu sẽ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và đưa ra ngoài Vị trí của các vạch trong suốt trên hai vòng lệch nhau 90 độ, và dựa vào lệch pha giữa hai tín hiệu ra (sớm pha hay trễ pha) để xác định chiều quay là thuận hay nghịch.
Hình 3.36 Cấu tạo dĩa quang trong Incremental Encoder
Dạng xung ngõ ra : Ư u và khuy ế t c ủ a lo ạ i Incremental Encoder và Absolute Encoder:
Incremental Encoder có cấu tạo đơn giản nên giá thành thấp; khi ứng dụng, chỉ cần bộ đếm xung để xác định khoảng dịch chuyển Tuy nhiên Incremental Encoder không thể lưu kết quả khi mất nguồn; ta khắc phục bằng cách sử dụng bộ lưu điện để lưu trữ kết quả đếm xung do bộ counter đưa ra Incremental Encoder thích hợp cho các khoảng dịch chuyển lớn.
Absolute Encoder cho kết quả vị trí dịch chuyển chính xác ngay cả khi mất nguồn điện và khi nguồn cấp trở lại vẫn cho kết quả đúng Tuy nhiên phạm vi đo bị giới hạn trong một vòng quay; nếu cần đo khoảng dịch chuyển lớn hơn, nên dùng thêm bộ đếm hoặc chuyển sang loại Incremental để rẻ tiền Do cấu tạo phức tạp nên cần phần mềm chuyển đổi tín hiệu Gray code nhận được thành các giá trị đo lường dịch chuyển (góc quay, chiều dài).
3 GIẢI THUẬT DÒ ĐƯỜNG CỦA ROBOT
Hình 3.37 Giản đồ xung Encoder Incremental
Sử dụng 6 cảm biến được bố trí theo hàng ngang đặt trước thân Robot
Chia cảm biến thành 13 vùng:
Lưu ý: sen n : Cảm biến n tích cực
/sen n : Cảm biến n không tích cực
+ Vuứng trung taõm: sen 3 + sen 4
+ Vùng trái 1: /sen 2 + sen 3 + /sen 4
+ Vùng trái 3: /sen 1 + sen 2 + /sen 3
+ Vùng trái 6: bit nhớ trái + /sen 1
+ Vùng phải 1: /sen 3 + sen 4 + /sen 5
+ Vùng phải 3: /sen 4 + sen 5 + /sen 6
+ Vùng phải 6: bit nhớ phải + /sen 6
Bit nhớ =1 khi tất cả cảm biến lệch ra khỏi đường line theo hướng trái (bit nhớ phải) và theo hướng phải (bit nhớ trái)
Hình 3.38 Sơ đồ bố trí cảm biến trên Robot Ứng với mỗi vùng ta xây dựng một hàm vận tốc tương ứng để có thể điều khiển vận tốc linh hoạt
Giải thuật Chương trình dò đường:
4 GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN VỊ TRÍ CỦA ROBOT
Sử dụng 2 Encoder 100 xung gắn tại 2 bánh trái và bánh phải của Robot để tính vị trí của Robot so với vị trí gốc Đường kính bánh xe: Dcm Đường kính bánh Encoder: d\m Ỉ Chu vi bánh xe: C=π D Ỉ Chu vi bánh Encoder: c=π d
Do D- ặ C=2π c=6.28c Điều đó có nghĩa là khi bánh xe quay 1 vòng, bánh xe Encoder sẽ quay 6.28 vòng, tương ứng với số xung Encoder là 6.28 x 100 b8 xung
Dựa vào số xung Encoder đọc được, ta xác định khoảng cách dịch chuyển của bánh xe trái và bánh xe phải Từ hai giá trị này, ta tính được vị trí của robot trên mặt phẳng và định hướng di chuyển Quá trình này cho phép giám sát quỹ đạo di chuyển trên máy tính, hỗ trợ theo dõi và điều khiển robot một cách chính xác trong các ứng dụng tự động hóa và robot di động.
Chọn tốc độ bánh trái, bánh phải tương ứng với mỗi vùng