Đồ án tốt nghiệp Robot tự hành AGV

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay điều khiển tự động hóa đã trở thành một nhu cầu không thểthiếu được của con người ,dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứngdụng cụ thể trong đời sống hang ngày

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-ĐA, KLTN ĐẠI HỌC /CAO ĐẲNG CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG

HÓA

TÊN ĐỀ TÀI ĐA, KLTN

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ROBOT DÒ LINE, VẬN CHUYỂN HÀNG

HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP

CBHD: Thầy QUÁCH ĐỨC CƯỜNG

Sinh viên: LÊ ĐỨC NHÂN :1041040200

PHẠM TIẾN DŨNG:1041040162 NGUYỄNDAI HOÀN:1041040210

Hà Nội- Năm 2019

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay điều khiển tự động hóa đã trở thành một nhu cầu không thểthiếu được của con người ,dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứngdụng cụ thể trong đời sống hang ngày , có thể nói điều khiển tự động hóađang dần chi phối cuộc sống của chúng ta , con người đang cố sáng tạo ra cáccon robot có khả năng làm việc thay thế cho con người , chúng ta thường bắtgặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hayrobot giúp việc trong gia đình Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo là tiền đề để tạo

ra các con robot có khả năng ứng dụng vào thực tế

Cũng chính vì mục đích đó chúng em thực hiện đồ án robot dò linevận chuyển hang hóa trong công nghiệp , nó lại là bước khởi đầu trong lậptrình robot để robot có thể thực hiện các công việc tiếp theo Đây chỉ là côngviệc nhỏ trong việc lập trình điều khiển robot nhưng qua quá trình thiết kế vàthi công đề tài chúng em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quýbáu Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thửnghiệm những kiến thức trong quá trình học tập vào thực tiễn để từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hang ngày cần đến

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành xong đồ án bằng cáckiến thức đã học , một số sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác nhưngcũng không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy chúng em rất mong được sựgóp ý quý báu của các thầy cô để đề tài có thể hoàn thiện ở mức cao nhất Nhân đây chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáoQuách Đức Cường và các Thầy cô bộ môn đã tận tình hướng dẫn để chúng

em hoàn thành tốt đề tài của mình !

MỤC LỤC

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung về đề tài

Tự động hóa là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện và điềukhiển Các lĩnh vực này kết hợp với nhau tạo thành các hệ thống tự độnghóa và cao hơn nữa là tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất Ngành côngnghiệp tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết đểđáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, nhất là quá trình công nghiệp hóa –hiện đại hóa như hiện nay Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độcao để vận hành Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta

và ngày càng trở nên không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng đãgóp phần của mình vào công cuộc lao động, chính robot đã làm nên mộtcuộc cách mạng khoa học, kĩ thuật và đang phục vụ đắc lực cho các ngànhkhoa học như: khoa học quân sự, giáo dục, các ngành dịch vụ ,giải trí,…Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại robot quy mô lớn như: nhữngcánh tay máy trong dây chuyền sản xuất , những hệ thống sản xuất tựđộng,….Nhỏ hơn là các robot có khả năng di chuyển , làm những côngviệc nguy hiểm thay thế cho con người , robot giúp người già, robot bánhang…

Trong đồ án lần này chúng em thực hiện thiết kế robot dò line, đốivới những robot tiên tiến đây chỉ là một phần nhỏ phục vụ cho robot trongcông tác dò tìm đường tự động , nhưng đồ án này sẽ tạo cho chúng em nềntảng để làm những nghiên cứu lớn hơn ,có ích cho quá trình học tập vàlàm việc sau này

• Xây dựng mô hình hóa hệ thống

• Đánh giá chất lượng mô hình

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Robot dò line là một sản phẩm đã được nghiên cứu trên thế giới vàđược ứng dụng nhiều trong các cuộc thi robocon và là một sản phẩm tựđộng hóa, nên trong quá trình làm đồ án nhóm đã áp dụng các phươngpháp nghiên cứu sau: nghiên cứu các mô hình robot dò line trên thế giới

và trong các cuộc thi robocon, tham khảo lý thuyết chuyển động của robot

dò đường Từ đó thiết kế trong giới hạn đề tài.Tính toán thiết kế mô hìnhhóa và mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống, loại trừ các lỗi thiết kế

1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu

Do điều kiện làm việc trong thời gian ngắn và khả năng kiến thức cóhạn nên đề tài có những giới hạn như sau:

• Nghiên cứu robot dò đường sử dụng hai động cơ công suất nhỏ

• Sử dụng các cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm

• Cho phép hoạt động trong phòng thí nghiệm

Mục tiêu của đề tài là tập trung bài toán nguyên lý dò đường và

có thể dịch chuyển trái, phải 1 góc 90 và bắt ngã tư thông qua cácđường line trên đường đi

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về robot

2.1.1 Lịch sử phát triển của robot

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu vàngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện tại.Chúng đã góp mình vào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên mộtcuộc cách mạng về lao động, khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho cácngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giá dục, các ngành dịch vụ,giải trí,v.v…

Vậy robot xuất hiện khi nào?

Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lênsân khấu vở kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot” theo tiếng Sec

“Robot” nghĩa là “người tạp dịch”.Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởngban đầu về những cỗ máy có khả năng thao tác như con người Đến trướcchiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng máy móc có khả năng thaythế con người ở những môi trường làm việc độc hại đã trở thành một nhu cầucấp thiết Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của ngườivận hành Cấu tạo của cơ cấu máy này bao gồm các thanh và các khớp và hệthống dây chằng Người vận hành điều khiển tay máy thông qua một cơ cấukhuếch đại cơ khí Trong chiến tranh thế giới thứ hai (năm 1945) , xuất hiện

cơ cấu máy được điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ Cho đếnnhững năm 1950 cùng với sự ra đời của kĩ thuật điều khiển chương trình số

NC (Number control) kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp được cả kỹ thuậtđiều khiển xa và điều khiển chương trình số.Sự kết hợp này đã tạo ra nhữngthế hệ may điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo , khả năng tự động hóacao gọi là Robot

Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất tại Mỹ Năm 196o George Devol đưa ra mẫu robot đầu tiên Năm 1961 cũng tại Mỹrobot công nghiệp (IR: Industrial robot ) đầu tiên đưa ra thị trường : RobotUnimat 1990 (do trường đại học Mit chế tạo ) đây là robot phản hồi lực nóđược ứng dụng vào công nghiệp sản xuất ô tô Theo con số thống kê thì đếnnăm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng khoảng 300.000 IR Do sựphát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xủ lý và tin học mà số lượng IR tăngnhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá ,giá thành trên mộtđơn vị IR cũng giảm dần

Đó là về lịch sử ,còn ngày nay robot đã có mặt ở khắp nơi ,ngay cảtrong gia đình chúng ta ,chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thếgiới đều biết đến

2.1.2 Robot trong đời sống sản xuất

2.1.2.1 Robot đi xe đạp

Hình 2.1: Robot đi xe đạp

Với chiều cao chỉ với 50cm ,chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi

là “vua” giữ thăng bằng Vì dù là đạp hay đang dừng xe ,khí cụ con quay sẽ luôngiữ cho chú robot này đứng vững Một số bộ phận đặc biệt khác cho phépMurataboy xác định được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phảichướng ngại vật Murataboy là ví dụ cho loại Robot có khả năng di chuyển bằnghai chân , đang là một trong những thách thức lớn của việc nghiên cứu và sảnxuất robot

2.1.2.2 Robot làm việc nhà

Hình 2.2: Robot làm việc nhà

Được nghiên cứu tại trường đại học Karlsruhe ( Đức ) Nhờ những cử độngcủa đôi cánh tay giống hệt như người ,robot có khả năng đưa đồ ăn ,dọn dẹp nhàcửa Một chiếc camera kỹ thuật số cho phép robot nhận diện được người đang ralệnh và tuân lệnh theo những cử chỉ của người ấy

2.1.2.3 Asimo, robot giống người nhất

Hình 2.3: Robot Asimo

Asimo lần đầu tiên ra đời vào năm 1993 tại Nhật ,đặt tên là P1 ,là thành quảnghiên cứu của tập đoàn Honda, Asimo P1 đã khiến các nước phương Tây phảikinh ngạc vì ý tưởng chế tạo một loại robot giống hệt con người Tuy vậy mụcđích nghiên cứu ban đầu của Honda chỉ là nghiên cứu người máy có thế phục vụcác nhu cầu của con người Ngày nay cả hai ý tưởng này ,robot giống người vàđáp ứng nhu cầu của con người đã trở thành tiêu chí chung trong nghiên cứuAsimo

2.1.2.4 Robot là bạn của người khuyết tật

Hình 2.4: Robot hỗ trợ người khuyết tật

2.1.2.5 Một quán cà phê ở khu Akasaka thuộc thủ đô Tokyo - NhậtBản dự kiến đi vào hoạt động từ cuối năm nay, với đội ngũ robotphục vụ do người khuyết tật điều khiển tại nhà

Quán cà phê này sẽ sử dụng robot OriHime-D, cao 1,2 m và nặng 20 kg.Chúng được kiểm soát bởi người mắc các bệnh như xơ cứng teo cơ (một chứngrối loạn thần kinh vận động) Robot phục vụ sẽ gửi video và âm thanh qua mạnginternet, cho phép người điều khiển có thể trực tiếp ra lệnh tại nhà thông quamáy tính bảng hoặc máy tính

"Tôi muốn tạo ra một thế giới mà ngay cả người không thể cử động cơ thểcũng có thể làm việc" - ông Kentaro Yoshifuji, Giám đốc điều hành Công ty OryLab, nhà phát triển robot OriHime-D, giải thích về sự ra đời của quán cà phê nóitrên Theo hãng tin Kyodo (Nhật Bản), bản thân ôngYoshifuji hồi nhỏ mắc mộtchứng bệnh do căng thẳng gây ra và gặp khó khăn trong giao tiếp Từng trải qua

sự cô lập ngoài xã hội, ôngYoshifuji bắt tay phát triển robot tại Trường ĐHWaseda (Nhật Bản) để giúp kết nối mọi người.

Ngoài phiên bản lớn nói trên, mẫu OriHime nhỏ hơn có chiều cao khoảng21,5 cm và nặng khoảng 600 g, được sử dụng để hỗ trợ làm việc từ xa tại khoảng

70 công ty Robot cũng có thể đến lớp thay các học sinh nào vắng mặt do những

lý do như bệnh tật

Công ty Ory Lab đang ấp ủ kế hoạch mở một quán cà phê hoạt động lâu dàivới nhân viên robot OriHime trước thềm Thế vận hội Tokyo vào năm 2020 "Mọingười nên được tự do làm việc theo cách họ thích Tôi muốn gửi thông điệp đếnnăm 2020 rằng ai cũng có thể bày tỏ lòng hiếu khách ngay cả khi họ là ngườikhuyết tật" - ông Masatane Muto, một bệnh nhân mắc chứng rối loạn thần kinhvận động và là một trong những người tổ chức dự án, cho biết

2.2 Giới thiệu về Robot dò đường

2.2.1 Khái quát

Robot dò đường là một biến thể đặc biệt của robot hướng sáng Sở dĩ nóinhư vậy là do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quangđiện (quang trở hoặc diode hồng ngoại ) để so sánh cường độ sáng từ đó điềuchỉnh hướng đi thích hợp Khi robot đi lệch vào vùng có vạch vẽ , ánh sáng phát

ra từ robot không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ một phầnlàm sai lệch độ sáng giữa hai bên cảm biến Việc còn lại là thiết kế sao cho robot

có hành vi khắc phục sự sai lệch đó và ta có được loại robot đi theo đường vẽ Nhiệm vụ của các cảm biến quang trong robot dò đường:

Hình 2.5: Nhiệm vụ của cảm biến trong robot dò đường

Đường đi được vạch sẵn với chiều dài mặt cắt ngang xác định Đường điđược đặt trên nền có vật liệu khác loại Nếu đường đi là vật liệu phản quang thìnền không phản quang và ngược lại

Robot sử dụng các led phát chiếu xuống mặt đường đi hoặc nền Ánh sánghồng ngoại sẽ phản xạ lại khi gặp vật liệu phản quang Sử dụng cảm biến hồngngoại robot xác định được trạng thái của mình trên mặt đường :lệch trái hoặcphải so với mặt đường ,còn hoặc không còn trên mặt đường ,…;từ đó đưa raquyết định điều khiển tương ứng Dựa trên yêu cầu của đề bài và bám sát nộidung môn học , nhóm chọn phương án thiết kế

Robot vận hành có 4 bánh ,2 bánh sau chủ động ,hai bánh trước xoay trònđịnh hướng (bánh đa hướng) Robot dẫn động bằng hai động cơ một chiều đặt ởhai bánh sau Phần dò đường dùng 8 cặp cảm biến ( 8 led phát và 8 led thu ),cảmbiến siêu âm nhằm phát hiện vật cản Phần xử lý chọn Arduino Mega 2560

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của robot dò đường

Robot dò đường hoạt động độc lập dựa vào cảm biến dò đường gắn trênthân robot và đường đi là vạch trắng dán trên nền Cảm biến được hiểu như làcon mắt của robot

2.2.3 Ứng dụng của robot dò đường

Được ứng dụng vào công nghệ dò đường di chuyển tự động trong vậnchuyển hàng hóa Tuy còn sơ khai về nguyên tắc điều khiển nhưng robot dòđường đã tạo một bước ngoặt quan trọng trong công nghệ thiết kế và chế tạorobot , mở ra một kỉ nguyên mới về ngành công nghệ kỹ thuật tự động hóa vàđưa tự động hóa vào sản xuất

Chương 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT DÒ ĐƯỜNG

3.1 Giới thiệu các linh kiện

3.1.1 Khối Arduino Mega 2560

Hình 3.6: Arduino Mega 2560 (nguồn muabanlinhkien.com)

Giới thiệu chung:

Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý,nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường đượcthuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trênnền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện

tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O

kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắngmang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích,sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tácvới môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụphổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản,điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trườngphát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và chophép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.Giá của các board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27 hoặc 574468VNĐ, nếu được "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9 Các boardArduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những aimuốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mãnguồn mở) Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạchArduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng

700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng

Cấu hình:

• Vi điều khiển chính: ATmega2560

• IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

• Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn

DC (khuyên dùng 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, nếu bạn cắm12VDC thì IC ổn áp rất dễ chết và gây hư hỏng mạch)

• Số chân Digital: 54 (15 chân PWM)

• Số chân Analog: 16

• Giao tiếp UART : 4 bộ UART

• Giao tiếp SPI : 1 bộ ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI của Arduino

• Giao tiếp I2C : 1 bộ

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ(tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châmvĩnh cửu Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trongnhóm này ta có thể chia thành 2 loại: -Động cơ (sóng) hình sin -Động cơ (sóng)hình thang

Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại làđộng cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor).Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định

để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor,

bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), v.v Như nhiều người vẫn

nghĩ

Hình 3.8: Sức phản điện động dạng hình thang

- Cấu tạo

-Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau)

và dây quấn Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoaychiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạnghình thang mà ta thấy Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ,

• Khoảng cách lớn nhất đo được : 6m

• Khoảng cách nhỏ nhất đo được : 3 cm

• Góc quét : 45 °

• Kích thước module: 45x20mm.

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi 1 xung tín hiệu và đo thờigian nhận được tín hiệu trở vể Sau khi đo được tín hiệu trở về trên cảm biếnsiêu âm, ta tính được thời gian từ lúc phát đến lúc nhận được tín hiệu Từ thờigian này có thể tính ra được khoảng cách

Nếu đo được chính xác thời gian và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu

âm trả về kết quả cực kì chính xác Điều này phụ thuộc vào cách viết chươngtrình không sử dụng các hàm delay

3.1.4 Cảm biến hồng ngoại

• Điện áp 12v

• Dòng 0.3A

• Góc hoạt động 30 độ

• Khoảng cách phát hiện hiệu quả <2cm

Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường với một cặp LEDthu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại Tia hồng ngoạiphát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát

nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module

sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt

Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cáchnày có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từngứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản, …

Hình 3.10: Cảm biến hồng ngoại (lin hkiendientu.com)

3.1.5 Module Thu RF315 PT2272-M4 R06A CDR04

Hình 3.11: Module Thu RF315 PT2272-M4 R06A CDR04

Thông tin kỹ thuật:

Chú ý: nguồn sử dụng tốt nhất của RF là các nguồn biến áp, nguồn Acqui,nguồn Pin,… tránh sử dụng các nguồn xung sẽ gây ra nhiễu cho việc thu tínhiệu.

Cấu hình chân tín hiệu:

• Chân 5V : nối nguồn 5V

• Chân GND : nối đất

• Các chân D0, D1, D2, D3 : là các chân tín hiệu digital output Khichưa có tín hiệu các chân ở đầu ra ở mức 0, khi có tín hiệu thì cácchân ra có mức 1

• Chân VT: chân báo tín hiệu khi nhận tín hiệu Khi có tín hiệu thì đầu

ra mức 1, khi không có tín hiệu nó xuống mức 0)

Hoạt động:

Tần số bên phát phải đồng bộ với bên thu

Mã hóa bên phát phải giống bên thu hoặc bạn có thể thả tự do cả, tuy nhiênbạn nên mã hóa để tránh ảnh hưởng nhiễm từ các nguồn phát khác

3.1.6 BLDC Driver

Hình 3.12: BLDC Driver( muabankinhkien.com)

• Điện áp : DC 18V- 50V.

• Dòng hoạt động <= 10A

• Phạm vi tốc độ: 0-6000 vòng/phút

• Chức năng bảo vệ : bảo vệ ngắn mạch ,bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp

• Môi trường :tránh môi trường ăn mòn ,dễ cháy, phát nổ và khí điện ,chấtlỏng và bụi

• Hall motor style: 60 degree ,300 degree, 120 degree, 240 degree

BLDC là một bộ điều khiển động cơ DC hiệu suất cao , đa chứcnăng và chi phí thấp hơn , trong đó bao gồm cảm biến Hall Có đầy đủ kỹthuật số thiết kế làm cho nó linh hoạt và đa dạng đầu vào chế độ điềukhiển , tiếng ồn thấp ,cải thiện phần cứng và phần mềm chức năng bảo

vệ Bộ điều khiển kết nối với máy tính qua giao tiếp nối tiếp , tự độngnhận ra các thông số PID điều chỉnh ,thông số bảo vệ ,các thông số động

cơ ,gia tốc và giảm tốc thời gian và các thông số khác có thể được thiết lập

Ứng dụng điều khiển động cơ: CNC sewing machine ,động cơBLDC

3.2 Cấu trúc cơ bản của robot dò đường

Hình 3.13: Sơ đồ cấu trúc cơ bản của robot dò đường

Trong đó:

• Khối hiển thị: là 8 led hiển thị cho cảm biến dò đường và 2 led báo trạngthái của robot

• Khối cảm biến: bao gồm cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm

• Khối điều chỉnh: là khối giao tiếp giữa người điều khiển và robot Đó làcác nút nhấn chọn chương trình và các vi trở điểu chỉnh độ nhạy của cảmbiến

• Khối vi điều khiển : quan trọng nhất là khối arduino 2560 điều khiển toàn

bộ hoạt động của robot , nhận tín hiệu từ khối điều khiển và khối cảm biến,sau đó gửi tín hiệu qua khối hiển thị và điều khiển khối cơ cấu chấp hành

• Khối cơ cấp chấp hành: là mạch công suất dùng để diều khiển động cơbánh xe

3.3 Các khối cơ bản của robot

3.3.1 Khối nguồn cấp cho robot

Hình 3.14: Sơ đồ mạch nguồn cấp cho robot

Dùng nguồn 12v để cấp điện áp vào ,sau đó thông qua khối lọc ,hạ áp dùng

7805 ta lấy ra điện áp 5v ổn định để cung cấp cho các khối còn lại

3.3.2 Khối cảm biến dò đường

Cảm biến hồng ngoại dò đường là phần không thể thiếu trong điều khiển ộtrình chạy của robot một cách chính xác Sơ đồ mạch được lựa chọn là kiểuthông dụng do đơn giản nhưng để nâng cao khả năng nhận dạng vạch trắng vàphù hợp với việc dùng chung nguồn vi điều khiển +12v ,ta sẽ nâng cao điện ápcung cấp cho cảm biến ,tăng số led phát sáng trắng

Hình 3.15: Sơ đồ mạch cảm biến dò đường

Điện áp đặt trên các led là 2v ,dòng qua led từ 10 đến 15mA Ta có thể chọnđiện trở hạn dòng cho led :

Chọn led 270

Ở đây ta dùng một cặp led thu phát hồng ngoại để cảm biến dò đường Khiled phát tín hiệu và có tín hiệu phản lại thì led thu sẽ thay đổi điện trở sau đó sosánh đưa vào vi điều khiển để vi điều khiển xử lý và đưa lệnh điều khiển độngcơ

3.3.3 Khối động lực

Loại động cơ ta sử dụng là 2 động cơ BLDC -24v,phục vụ điều khiển xechạy với các cấp tốc độ khác nhau

Hình 3.16: Sơ đồ mạch động lực

- Nguyên lý làm việc:

Phần ứng trong động cơ điện BLDC

Như các bài viết động cơ điện hoạt động như thế nào sẽ giải thích chổi thanbên trong động cơ hoạt động ra sao Trong động cơ một chiều, gồm có các namchâm vĩnh cửu bên ngoài và một phần ứng điện quay ở bên trong Những namchâm này thì cố định nên được gọi là Stator (Phần tĩnh) Phần quay thì được gọi

là Rotor (Phần động).

Phần ứng gồm các nam châm điện Khi bạn tải điện vào nam châm điện thì

sẽ tạo ra từ trường trong phần ứng tạo thành lực hút và đẩy nam châm

trong Stator (Phần tĩnh) Nên Rotor (phần động) quay được 180 độ Để giữ Rotor

(phần động) quay, bạn phải đổi các cực của nam châm điện trong Stator (Phầntĩnh) Chổi than sẽ xử lý sự thay đổi phân cực này bằng cách tiếp xúc với hai bảncực quay được gắn vào phần ứng và đảo chiều cực từ của nam châm điện khiRotor quay

Sự thiết lập này hiệu quả và đơn giản, giá thành rẻ trong sản xuất, nhưng lại

có nhiều vấn đề:

• Chổi quét sẽ bị hao mòn do ma sát

• Do chức năng chổi là kết nối & ngắt kết nối bằng cơ nên sẽ phátsinh ra tiếng ồn & tia lửa điện

• Chổi quét sẽ làm giới hạn tốc độ tối đa của động cơ

• Khiến cho nam châm điện ở trung tâm động cơ điện khó giải nhiệt

• Sử dụng chổi than làm giới hạn số lượng cực từ của phần ứng

3.3.4 Khối xử lý trung tâm

- Điện áp vào ( nên dùng): 7-12V

- Điện áp vào ( giới hạn) : 6-20V

- Chân số (Digital I/O) : 54 chân trong đó có 15 chân ra PWM

- Chân tương tự (Analog): 16

- Dòng DC cho ngõ vào/ra: 40mA

- Dòng DC cho chân 3.3V: 50mA

- Jack nguồn: Sử dụng nguồn từ 9 – 12V, vì qua jack đã có IC 7805 chuyểndòng

- Có 14 chân vào/ra đánh số từ 0 đến 13, ngoài ra có các chân nối đất(GND), chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch, mỗi mẫuArduino khác nhau thì con chip khác nhau, ở đây Uno sử dụng chip điều khiểnATMega328

Chức năng chân:

- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùngcác thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải đượcnối với nhau

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thểđược đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy, ta không được lấynguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấpnguồn

- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao

tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Nếu không cần giao tiếp Serial,

ta không nên sử dụng 2 chân này

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độphân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ởchân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chânkhác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài cácchức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giaothức SPI với các thiết bị khác

3.3.5 Khối led hiển thị

LED hiển thị các trạng thái hoạt động của robot, cho phép ta xử lý tìnhhuống khi có sự cố

Hình 3.17: Sơ đồ led báo lỗi

Led nhận tín hiệu từ cảm biến dò đường đã qua khối so sánh trong khối xử

lý cho thấy được trạng thái bám vạch dò đường của robot

Hình 3.18: Sơ đồ led báo cảm biến

3.3.6 Mạch công suất

Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóamạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơdựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về

Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ như sau:

Hình 3.19: Sơ đồ mạch công suất

Hình 3.20: Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC

Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 120o Đây là chế độ điềukhiển cơ bản của BLDC, các chế độ khác tạm thời chưa xét đến

Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện, do

đó ta còn gọi đây là chế độ điều khiển 2 pha dẫn Chế độ khác (3 pha dẫn) cũngchưa xét ở đây

Dưới mỗi pha dẫn ta thấy đều có dòng điện 1 chiều và sức điện động 1chiều, do đó động cơ BLDC có đặc tính cơ và đặc tính điều khiển giống vớiđộng cơ 1 chiều Chính vì thế mà động cơ này có tên gọi là “động cơ một chiềukhông chổi than” chứ thực ra nó là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnhcửu

Hình 3.21: Đặc tính momen –tốc độ của động cơ BLDC

Ta xem trước hình ảnh một kết quả mô phỏng (sẽ trình bày mô phỏng ởphần sau) để thấy rõ hơn điều vừa nói:

Hình 3.22: Sức phản điện động và dòng điện 3 pha

Trên hình vẽ là quá trình khởi động, chạy không tải và sau khi đóng tải củađộng cơ BLDC Ta thấy rõ ràng các pha (với các màu khác nhau) thay nhau dẫn

và tính chất “một chiều” của chúng

Để thực hiện nguyên lý điều khiển trên, cấu hình điều khiển dải trễ dòngđiện (Hysteresis Current Control – HCC) được thực hiện và đó là cấu hình điềukhiển kinh điển cho động cơ BLDC

Hình 3.23: Nguyên lý điều khiển dải trễ dòng điện – HCC

Vòng điều khiển tốc độ ở ngoài giống với động cơ một chiều Sai số giữa tốc độđặt và tốc độ thực được đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ G, đầu ra của bộ điều chỉnh

G là lượng đặt dòng điện Id*

Tín hiệu Hall sensor đưa về được giải mã thành thông tin về dòng điện yêu cầu ở

3 pha Ia, Ib, Ic được kết hợp với giá trị dòng Id* qua khâu logic và đưa ra cáclượng đặt dòng điện Ia*, Ib*, Ic*

Ba khâu relay 2 trạng thái được sử dụng để đóng cắt các khóa mạch lực nhằmbơm các dòng điện này vào động cơ – phương pháp điều khiển dải trễ dòng điện.Dòng điện trong các pha có dạng như sau:

Hình 3.24: Dòng điện, sức phản điện động trong nguyên lý điều khiển dải trễ

Dễ nhận thấy rằng với phương pháp điều chỉnh dòng HCC, dòng điệnchuyển mạch 6 lần trong 1 chu kì Sự chuyển mạch không lý tưởng (không tứcthời, thời gian lên và xuống không bằng nhau) gây nên những hạn chế của động

cơ BLDC: -Nhấp nhô moment -Quỹ đạo từ thông không tròn, khó xác định

Nhấp nhô moment (torque ripple) là điểm yếu của động cơ BLDC, một sốlượng lớn các nghiên cứu về động cơ BLDC là làm sao giảm được sự nhấp nhônày

Thông thường, quỹ đạo từ thông của động cơ phải có hình tròn, nhưng do

sự chuyển mạch không lý tưởng của dòng điện nên quỹ đạo từ thông của động cơBLDC có 6 “gai”, “bậc” trong 1 chu kì Việc ước lượng từ thông tại các “bậc” đó

là rất khó khăn, do đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC Việc điềukhiển động cơ BLDC cho đến nay đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó

Hình 3.25: Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 “bậc” trong 1 chu kì

Nguyên lý điều khiển BLDC với Driver mua sẵn:

Dựa vào cảm biến hiệu ứng Hall, bộ driver sẽ biết được vị trí cực nam châmcủa rotor Tín hiệu này là cơ sở để bộ driver đóng cắt các khóa công suất cấpdòng DC cho cuộn dây stato tương ứng

Nguyên lý MCU điều khiển BLDC:

Trong bộ bộ driver cho đọng cơ BLDC đã tích hợp sắn việc điều khiển bằngtín hiệu analog Từ đó ta có thể điều khiển BLDC thông qua phương pháp PWM

để điều khiển động cơ cho tốc độ chính xác tốt