thiết kế phương pháp điều khiển robot tự hành dựa trên cơ sở logic mờ, chương 12 pps

Hướng đi của robot sẽ do tốc độ của 2 bánh này quyết định, do vậy nó yêu cầu phải thay đổi chiều quay liên tục, đảo chiều quay.. Có 3 cách để điều khiển tốc độ động cơ là : + Thay đổi từ

Chương 12: Khối mạch công suất

a Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển

Bản chất của việc điều khiển Mobile robot thực ra là điều khiển các động cơ của robot đó Mobile robot được xây dựng bao gồm 2 động cơ dẫn động 2 bánh sau Hướng đi của robot sẽ do tốc

độ của 2 bánh này quyết định, do vậy nó yêu cầu phải thay đổi chiều quay liên tục, đảo chiều quay

Hình 5.10 Mô hình Mobile robot

Động cơ sử dụng ở đây là động cơ một chiều, kích từ độc lập

Có 3 cách để điều khiển tốc độ động cơ là :

+ Thay đổi từ thông động cơ

+ Thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ

+ Thay đổi trở phụ vào phần ứng động cơ

Động cơ sử dụng là loại nam châm vĩnh cửu nên từ thông là không đổi Do đó chỉ có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách

MOBILE ROBOT

Động cơ

Bánh chủ động

Bánh trước Thân robot

là thêm trở phụ vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ Họ đặc tính cơ của hai phương pháp điều chỉnh tốc

độ trên là như sau:

Hình 5.2a là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ mắc vào phần ứng, trong đó: Rf1> Rf2>Rf3>Rf = 0

 Hình 5.2b là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng, trong đó : U1< U2 < U3 < U= Uđm

Hình 5.11 Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi.

a Thêm điện trở phụ; b Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng.

Trong hai phương pháp trên, rõ ràng phương pháp điều chỉnh điện áp là có nhiều ưu điểm hơn vì :

- Thứ nhất: khi thay đổi tốc độ động co bằng thay đổi điện áp thì độ cứng đặc tính cơ không đổi, còn khi thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ thì đặc tính cơ là thay đổi (nhỏ hơn)

0

Rf = 0

R f3

Rf2

Rf1

U = Udm

U3

U 2

U1

0

- Thứ hai: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ không gây ra tổn hao năng lượng, còn khi sử dụng điện trở phụ sẽ gây ra tổn hao trên trở phụ

- Thứ ba: thay đổi trở phụ mắc vào phần ứng động cơ làm cho hằng số thời gian động cơ thay đổi dẫn đến các đặc tính quá độ thay đổi, điều này là không tốt, cần tránh

Từ những điểm trên, ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc

độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ Một phương pháp thường sử dụng ở đây để thay đổi điện áp vào động

cơ là phương pháp băm xung ( điều chế độ rộng xung PWM )

b Thiết kế mạch lực

Điều chỉnh độ rộng xung là sử dụng các xung điện để đóng ngắt nguồn với tải một cách có chu kỳ Phần tử thực hiện nhiệm vụ

đó là các van bán dẫn như Thyristor, Mosfet, IGBT, Tranzitor bipolar Ở đây, 2 động cơ là công suất nhỏ nên ta sử dụng Mosfet

vì điều khiển đơn giản hơn và thông dụng

Nguyên lý của phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM

Hình 5.12 Nguyên lý băm xung điện một chiều

Ur

T

t m

Một xung được phát ra sẽ có chu kì là T, trong đó có thời gian xung ở mức cao là tm và thời gian xung ở mức thấp Khi xung

ở mức cao chính là lúc nó mở các van, cấp điện áp cho động cơ Điện áp cấp trong một chu kì xung được tính :

Ur = Uv tm / T Nguyên lý băm xung có đảo chiều

Hình 5.14 Sơ đồ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều

Theo sơ đồ trên, muốn đảo chiều động cơ chỉ cần đóng/ngắt các van theo một quy tắc như sau:

Khi động cơ làm việc theo chiều thuận thì T3 mở hoàn toàn, T2

và T4 khóa, T1 được đóng ngắt theo chu kì xung vào Chiều dòng điện từ dương nguồn  T1  động cơ  T3  âm nguồn

Khi động cơ làm việc theo chiều ngược thì T4 luôn mở, T2 đóng ngắt theo chu kì xung, T1 và T3 khóa Chiều dòng điện : dương nguồn  T2  động cơ  T4  âm nguồn Trong cả hai chiều quay, trị số điện áp ra được tính theo công thức:

Ur = tm.Uv/ T

T T4

D4

D3

Các điode có nhiệm vụ bảo vệ các van khi ngắt dòng động cơ ra khỏi nguồn

c Sơ đồ mạch cầu H

Mạch cầu H là mạch sử dụng để băm xung điện áp một chiều

và đảo chiều quay động cơ Trong đó được sử dụng 2 MOSFET kênh P và 2 MOSFET kênh N Đặc tính mở của Mosfet phụ thuộc vào sự chênh lệch điện áp giữa 2 chân G và S Nó được mở hoàn toàn ở điện áp từ 10 ÷ 12 V

Hình 5.15 Sơ đô nguyên lý 1 mạch cầu H

Hình 5.16 Đặc tuyến làm việc của Mosfet kênh N

Sơ đồ dùng MOSFET nên việc quan trọng là phải mở bão hòa được các van MOSFET Theo sơ đồ mạch như hình 5.16

- Điều khiển Q1: khi đầu vào được nối lên +5V thì OPTOI 1

mở Điện trở R1 tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa 2 cực S và G của Q1 là 12V làm Q1 mở bão hòa Khi đầu vào 1 nối xuống 0v thì OPTOI khóa làm cực G và S đều treo lên là 12 V, do đó Q1 bị khóa Q2 đóng mở tương tự Q1

- Điều khiển van Q3: khi đầu vào làm OPTOI 3 mở Điện trở R12 làm chênh lệch điện áp giữa G và S là 12V, Q3 mở Khi đầu vào 3 nối xuống 0V (mức logic ‘0’) thì OPTOI 3 đóng, cả cực G

và S đều được nối xuống 0V nên V3 khoá Cách mở Q4 tương tự

Q3

Các linh kiện sử dụng cho mạch cầu H :

+ MOSFET kênh N là loại IRF630N có cường độ dòng điện định mức là 9.3A, điện áp định mức là 200V

MOSFET kênh N

UGS=12V

UGS=9V

UGS=7.5V

UGS=6V

ID

VS

+ MOSFET kênh P là loại IRF 9630 có khả năng chịu dòng 6,5A, điện áp định mức là 200V

+ Diode, tụ gốm, tụ hóa, opto, điện trở, led đỏ, led xanh

a Lựa chọn động cơ

Hình 5.17.Động cơ

- Động cơ sử dụng là động cơ một chiều có tốc độ 500RPM, sử dụng điện áp 12V Có hộp giảm tốc để tăng mô men kéo và giảm tốc