Nghiên cứu thiết kế robot leo trụ

Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng đểđiều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách x của lò xo, giúp ổn định lựcnén và giữ robot ổn định trên trụ.. 1.2 Phân loại các loại rob

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP HCMngày 16 tháng 08 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 11 /1977 Nơi sinh: Phú Thọ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840020

I- Tên đề tài:

II- Nhiệm vụ và nội dung:

III- Ngày giao nhiệm vụ: ………

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ, Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Thành Trung

LỜI CÁM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để các sinh viên vận dụng những kiến thức màmình đã tích lũy được trong suốt quá trình học và quan sát thực tế Tuy nhiên, cũngcòn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế cũng như thời gian nên mặc dùrất nỗ lực, cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi sai sót, và chưa bám sát vào thựctiễn

Trong luận văn này em rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý từ các thầy cô

và các bạn Để hoàn thành được luận văn này em xin kính gửi đến thầy TS NguyễnThanh Phương lòng biết ơn sâu sắc, thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thờigian thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong khoa Cơ - Điện - Điện Tử đã hếtlòng truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việc ứng dụng các loại robot khác nhau nhằm phục vụ con người trong sảnxuất và sinh hoạt đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nướctrên thế giới Trong đề tài này sẽ trình bày nghiên cứu thiết kế robot leo trụ vớidạng leo liên tục bằng bánh xe với các động cơ DC

Robot được thiết kế bằng 2 hệ thống độc lập Một hệ thống tạo lực nén vớinhiệm vụ giữ robot di chuyển trên trụ và một hệ thống truyền động bằng bánh xe đểrobot di chuyển trên trụ Cơ cấu cơ khí được thiết kế bằng 1 khung với ba bộ nénđặt lệch nhau một góc 1200, tạo ra một mặt phằng vuông góc với trụ và việc phântích tính toán lực sẽ đơn giản hơn Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng đểđiều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách x của lò xo, giúp ổn định lựcnén và giữ robot ổn định trên trụ Bộ điều khiển PID thứ 2 sẽ điều khiển, ổn địnhtốc độ robot di chuyển trên trụ

Các kết quả thực nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điềukhiển của robot đã cho thấy robot leo được trên các trụ tròn, trụ côn

The application of different types of robots to serve people in production and daily life is increasingly attracting the attention of researchers around the world This research will present a design study describing a kind of climing robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors.

The robot is designed with two independent systems A system will generate compressing force to keep the robot moving on the cylinder while another system is a wheel drive system that makes the robot move on the cylinder The gas distribution mechanism is designed on a frame containing three compressors put in a distance of 120 degree, creates a plane perpendicular to the cylinder This helps analyse the compressing force simpler The first PID controler is set up to control the compressing force by adjusting the distance ‘x’ of springs This will control the speed of the robot movement on the cylinder.

The experimental results of designing, mechenical manufacturing as well

as controling board the in the research show that the robot can move on the cylinder and cone.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT

iv MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH HÌNH ẢNH .x CHƯƠNG I: .1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO 1

1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo 1

1.2 Phân loại các loại robot leo trụ 1

1.2.1 Phân loại theo kết cấu: 1

1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo .2

1.2.2.1 Robot dạng rời rạc 2

1.2.2.2 Robot dạng liên tục 3

1.2.2.3 Robot dạng rắn 4

1.3 Đặt vấn đề 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: 6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6

2.1 Cơ sở thuật toán PID: 6

2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID 6

2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 7

2.1.2.1 Khâu tỉ lệ 7

2.1.2.2 Khâu tích phân 7

2.1.2.3 Khâu vi phân .8

2.2 Vi điều khiển ATmega32 9

2.2.1 Giới thiệu ATmega32 9

2.2.2 Các đặc tính của ATmega32: 10

2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32 11

2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) .12

2.4 Encoder : 13

2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder: 13

2.4.2 Nguyên lý cơ bản: 15

2.5 Động cơ DC 16

2.5.1 Giới Thiệu 16

2.5.2 Cấu tạo: 16

2.5.3 Nguyên lý hoạt động: 18

2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC: 18

CHƯƠNG 3 20

THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 20

3.1 Yêu cầu và chức năng robot 20

3.2 Phân tích thiết kê robot 20

3.2.1 Tính toán lực 20

3.2.2 Thiết kế bộ tạo lực nén 22

3.2.3 Tính toán hệ thống chuyển động robot 24

3.3 Điều khiển robot 25

3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 25

3.3.2 Xác định bộ điều khiển hệ thống lực nén 26

3.3.2.1 Xác định hàm truyền 26

3.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển 28

3.3.3 Xác định bộ điều khiển hệ thống di chuyển 30

3.3.3.1 Xác định hàm truyền 30

3.3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển 32

CHƯƠNG 4: 35

CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 35

4.1 Chế tạo cơ khí 35

4.1.1 Bảng vẽ thiết kế 35

4.1.2 Hình ảnh sau khi chế tạo 35

4.2 Thiết kế mạch điện 36

4.2.1 Yêu cầu 36

4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện 37

4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : 37

4.2.2.2 Board mạch Arduino 38

4.2.2.3 Khối công suất : 41

4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN 41

4.2.2.2 Rờ le 42

4.2.2.3 IC L298 43

4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot 44

4.2.4 Robot sau khi chế tạo 45

4.2.5 Kết quả thực nghiệm 46

Đánh giá kết quả thực nghiệm 46

TỔNG KẾT 47

5.1 Kết quả đạt được 47

5.2 Kết quả chưa đạt được 47

5.3 Hướng phát triển 47

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DC Direct Current

PID Proportional Integral Derivative

GND Ground

LED Light Emitting Diode

MCU Microprocessor Control Unit

PWM Pulse Width Modulation

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver VCC Voltage Common Collector

ADC Analog to Digital Converter

BJT Bipolar Junction Transistor

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor VDC Volts Direct Current

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập……….9Bảng 2 : Thông số động cơ DC cho bộ nén 28Bảng 3 : Thông số của động cơ DC cho hệ thống di chuyển 31

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO

1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo

Robot di động là loại robot có thể di chuyển để thực hiện các chức năng đề

ra Thông thường để thực hiện các di chuyển, người ta hay sử dụng các cơ cấu dạngbánh, dạng xích, dạng chân, Robot di động hoạt động trong các phân xưởng,trong nhà, trong các khu vực che kín, Nhìn chung được gọi là robot di động trongnhà (Indoor Mobile Robot)

Trong những thập niên cuối thế kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khảnăng leo trèo của các robot, phát sinh từ những yêu cầu làm việc trong các môitrường độc hại, nguy hiểm hay những nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe của conngười trong các nhiệm vụ mạo hiểm Robot leo có khả năng thực hiện các nhiệm vụtrên các cây, cột thẳng đứng, đáp ứng các yêu cầu trong công nghiệp hay quốcphòng để thi hành các nhiệm vụ nguy hiểm như chặt cây, phun sơn cột, thực hiệncác công việc trên cao … Như vậy với khả năng của robot leo sẽ không chỉ chophép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm với người công nhân mà còn loại bỏđược những tốn kém do giàn giáo, phương tiện cơ giới

1.2 Phân loại các loại robot leo trụ

1.2.1 Phân loại theo kết cấu:

Một trong những chức năng của kết cấu cơ robot leo là kết hợp được lực bámdính để gắn robot vào trụ chắc chắn và di chuyển linh hoạt Theo nghiên cứu thìhiện có 3 dạng robot leo

- Robot leo di chuyển dạng rời rạc

- Robot leo di chuyển dạng liên tục

- Robot leo di chuyển dạng rắn

1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo.

1.2.2.1 Robot dạng rời rạc

Robot được thiết kế trên ý tưởng giống như một người lên cột, phần taybám vào cột, phần thân sẽ di chuyển chân lên và phần chân bám vào cột và phầnthân đưa tay lên … và cứ liên tục như vậy mà leo lên cột

Robot thường được thiết kế thành 2 khung cánh tay kẹp (1 trên + 1 dưới)được liên kết bằng hệ thống thanh trượt Các tay kẹp được giữ trên cột bằng các hệthống động cơ DC hoặc khí nén Khi robot di chuyển một khung kẹp được điềukhiển để bám giữ robot trên trụ, khung kẹp còn lại sẽ được hệ thống truyền độngkhác nâng di chuyển trên trụ Cứ như thế Robot sẽ được di chuyển trên trụ một cáchrời rạc

Ưu khuyết điểm :

- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khácnhau trên trụ, leo được trên trụ, trên cây…

- Robot có khả năng vận chuyển được khối lượng lớn

- Tốc độ chậm và tiêu hao nhiều năng lượng

- Kết cấu cơ khí và điều khiển phức tạp

Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering

Advancements 2014

1.2.2.2 Robot dạng liên tục

Robot được thiết kế leo liên tục trên trụ bằng các bánh xe Các bánh xe đượcbám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ và ép các bánh xe vào trụ, bánh xe sẽlàm 2 nhiệm vụ là vừa giữ robot trên trụ và vừa di chuyển robot trên trụ

Ưu khuyết điểm :

- Thiết hợp cho các trụ tròn, cây …

- Có thể leo nhanh và có khả năng leo cao

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Không thích hợp với các bề mặt cột thường xuyên thay đổi

- Hạn chế về khối lượng trên robot

Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa

Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki )

Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping

principle ( Cengiz Yilmaz)

1.2.2.3 Robot dạng rắn

Robot thiết kế với dạng như rắn, nó được kết cấu bằng các khớp nối dichuyển không có bánh xe có gắn các camera và sensor điện tử, được kiểm soátbằng một cần điều khiển, nó sẽ uốn éo với sự trợ giúp của các động cơ DC

Ưu khuyêt điểm:

- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khácnhau trên cột, leo được trên cột, trên cây, di chuyển qua các cành cây,linh hoạt trong các môi trường leo thích hợp

- Tốc độ leo chậm, khó điều khiển được tốc độ

- Không mang được khối lượng lượng, thường chỉ để thực hiện các côngviệc quan sát

Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon 1.3 Đặt vấn đề

Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạngRobot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh,chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạpkhi lập trình và thiết kế mạch điều khiển Tôi chọn phương án leo liên tục để chếtạo robot leo trụ

Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điềukhiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định

trên trụ Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ralực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yêntrên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưarobot di chuyển đều trên trụ.

Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập Điều khiển lựcnén và điều khiển tốc độ Cụ thể:

- Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di chuyển robot

- Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống

- Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều khiển hệ thống

- Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, cácđộng cơ DC …

- Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất củađộng cơ

- Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có

o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu

o Tiếp cận lý thuyết điều khiển

o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động

cơ DC

- Tiếp cận, xây dựng mô hình thực:

o Thiết kế mô hình cơ khí

o Phân tích và thiết lập hàm truyền

o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab

o Thiết kế mạch điều khiển

o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở thuật toán PID:

2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trìnhquá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

lớn

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân,phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bùkhâu tỉ lệ càng lớn Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định.Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làmcho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quáthấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.

Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID

2.1.2.2 Khâu tích phân

Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID

đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác địnhbởi độ lợi tích phân Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổilại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứngquá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái

ổn định

2.1.2.3 Khâu vi phân.

Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặctính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển

vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tíchphân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phâncủa một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu

Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập

i a

s a i

Đ

ộ ổ

GiảGiảK

Giả

GiảK

Vềl

Cảit

2.2 Vi điều khiển ATmega32

2.2.1 Giới thiệu ATmega32

ATmega32 là vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, đượcchế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), đây làcấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex InstructionSet Computer) Tần số hoạt động của vi điều khiển AVR bằng với tần số của thạchanh, trong khi với họ vi điều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạtđộng bằng tần số thạch anh chia cho 12 Hầu hết các lệnh được thực thi trong mộtchu kỳ xung nhịp, do đó ATmega32 có thể đạt được tốc độ xử lý đến một triệu lệnhmỗi giây (với tần số 1MHz) Đặc điểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệmtối đa mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý

o 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy.

o 32 thanh ghi 8 bit đa năng

o Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz)

- Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu:

o 32Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống

- Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa

o Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập

o Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot

o Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ

o 1024 Byte EEPROM

- Ghép nối ngoại vi:

o 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ sosánh

o 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh vàchế độ bắt mẫu (Capture)

o Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập

o Bốn kênh PWM

o Bộ ADC 8 kênh 10 bit

o Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART

o Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI

o Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt

o Bộ so sánh Analog

- Các đặc điểm khác:

o Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình

o Bộ tạo dao động nội

o Nguồn ngắt nội và ngoại

- Điện áp hoạt động:

o 2.7V – 5.5V đối với ATmega32L

o 4.5V – 5.5V đối với ATmega32

- Tần số hoạt động:

o 0 – 8MHz đối với ATmega32L

o 0 – 16MHz đối với ATmega32

2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32

Hình 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32

- GND: chân nối mass

- VCC: điện áp nguồn

- Port A (PA0…PA7): ngõ vào/ra Port A

- Port B (PB0…PB7): ngõ vào/ra Port B

- Port C (PC0…PC7): ngõ vào/ra Port C

- Port D (PD0…PD7): ngõ vào/ra Port D

- XTAL1: ngõ vào khuếch đại dao động đảo và cũng là ngõ vào mạch tạoxung nội.

- XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch đại dao động đảo

- AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D Nên nốichân này với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC Nếu dùngADC thì nên nối chân này với chân VCC qua 1 tụ lọc thông thấp

- AREF: chân tham chiếu điện áp analog của bộ chuyển đổi A/D

2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).

tượng

Mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.

Trong hình 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động

cơ DC cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là chophép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A Thành phầnchính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L:Left, R:Right) Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạtđộng

thiết kế Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le(relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal OxideSemiconductor Field-Effect Transistor).

2.4 Encoder :

2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder:

Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ

và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳthiết bị quay nào cần xác định vị trí góc Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng vớimột đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối vớiencoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ) Ở đây tachỉ đề cập tới encoder quang Encoder được chia làm 2 loại, là encoder tuyệt đối vàencoder gia tăng

Hình 2.8 Một số loại encoder trên thị trường

Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường làLED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát ( thường là photodiotdehoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát

và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đotốc độ hay vị trí

B Z

Hình 2.10 Dạng sóng ngõ ra của LED thu.

Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khiđĩa encoder quay 1 vòng

Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ(rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có

lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếuxuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với cáctín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led cóchiếu qua lỗ hay không Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị

đo đếm lên 1 Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo Ví dụ đĩa củabạn có 1 lỗ tức là khi bạn quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩacủa bạn khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng bạn thu được N xung Như vậy khi đo tốc độbạn đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó bạn tính được số vòng trên 1 đơn vịthời gian (hoặc bạn có thể đo chu kì xung) Nếu đo tốc độ cao thì số lỗ khoét càngnhiều càng chính xác

Hình 2.12 Quá trình đọc Encoder.

điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như côngnghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khinối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động

cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạtđộng với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điệnmột chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầuthay đổi tốc độ trong phạm vi rộng ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dândụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống

Hình 2.13 Một số loại động cơ trên thực tế.

2.5.2 Cấu tạo:

Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:

 Phần ứng hay Rotor (Armature)

 Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet)

 Cổ góp (Commutat)

 Chổi than (Brushes)

 Trục motor (Axle)