Đề Tài 1:Điều Khiển Chuyển Động Của Robot

Chia sẻ: Nguyen Van Tu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

88
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử đã đang và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi. Việc sử dụng IC số trong các lĩnh vực đời sống xã hội đang được ứng dụng phổ biến. Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thưc hành, cho thấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự mài mò tìm hiểu về nhiều lĩnh vực trong ngành điện tử nói chung, tự động hóa nói riêng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề Tài 1:Điều Khiển Chuyển Động Của Robot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ***********&&&********** BÀI TẬP LỚN MÔN : Thiêt́ Kế Mach ̣ Logic & Analog. Đề Tài 1:Điều Khiển Chuyên ̉ Đông ̣ Cuả Robot. Giáo viên hướng dẫn: Nguyêñ Văn Thăng. ́ Sinh viên thực hiện : 1. Nguyêñ Viêt́ Viêt. ̣ 2. Buì Thanh Thuy. ̉ 3.Trâǹ Quôć Đat. ̣ 4. Nguyêñ Thị Hông ̀ Vân. 5. Phan Thị Hoa. 6. Ngô Quang Huân. 7. Giaṕ Huy Viêt. ̣ Thái Nguyên,tháng 11 năm 2010. 1
Mục Lục: Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805...........................7 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 giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi....................................................7 Lời mở đầu: Ngày nay cùng với sự tiến bộ c ủa khoa h ọc k ỹ thu ật công ngh ệ đi ện t ử đã đang và s ẽ phát triển ngày càng rộng rãi. Viêc̣ sử dung ̣ IC số trong cać linh ̃ vực đời sông ́ xã hôị đang được ứng dung ̣ phổ biên. ́ Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm h ọc t ập th ưc hành, cho th ấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự mài mò tìm hi ểu v ề nhi ều lĩnh v ực trong ngành điện tử nói chung, tự động hóa nói riêng là rất cao. Dựa trên nguyên lí hoaṭ đông ̣ cuả cać mach ̣ logic & analog mà cać IC sô ́ đ ược sử dung ̣ với những muc̣ đich ́ khać nhau. Viêc̣ ứng dung ̣ IC sô ́ đơn gian̉ không câǹ lâp̣ trinh ̀ đ ược s ử ̣ cho cać mach dung ̣ đơn gian̉ nhưng vâñ có khả năng ứng dung ̣ cao. Trong những năm gần đây, công nghệ robot đã đạt đ ược những thành t ựu to l ớn và ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhăm ̀ tăng năng suât́ lao đông, ̣ giam ̉ chi phi ́ san̉ suât.́ Va ̀ dâǹ ̀ robot sẽ thay thế cho con người trong tât́ cả cać công viêc. dân ̣ Đăc̣ biêṭ đ ược sử dung ̣ trong cać ̀ công nghiêp̣ năng, nghanh ̣ công nghiêp̣ vũ tru,̣ haṭ nhân…Tâm ̀ anh ̉ hưởng cuả công nghê ̣ robot hiêṇ nay là rât́ quan trong. ̣ 2
Dựa trên ứng dung ̣ cuả công nghệ chế taọ robot trên nhom ́ chung ́ em xin trinh ̀ baỳ môṭ khâu trong quá trinh ̀ chế tao robot. Đó là điêù khiên̉ chuyên̉ đông ̣ cuả robot đ ơn gian. ̉ V ới v ốn kiến thức còn hạn chế nên trong baó caó của nhóm em sẽ không tránh kh ỏi các sai sót và khuyết điểm trong quá trình thi công mô hình. Rất mong thầy và cać baṇ nhận xét và goṕ ý để đề taì 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 khi ển chuyển động của robot. Để minh họa cho mạch điều khiển robot, ở đây chúng em sử d ụng các môt ơ đ ể đi ều khiển robot 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 mach ̣ câù H để đaỏ chiêù cuả ̣ cơ DC: đông 3
Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet. Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet. Tác d ụng c ủa transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải v ới công su ất l ớn. Tín hi ệu đi ều khi ển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và đi ện áp l ớn đ ể cung c ấp cho tải. Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay đ ược dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp. Đối với mạch đi ều khi ển đ ộng c ơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ là đơn giản. Chỉ cần m ở khóa các van đúng chi ều 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 : - IC L298. - Mô tơ: 2 mô tơ. - IC 7805. - Điôt cầu. - Công tắc điều khiển: 4 công tắc. - Điện trở. - Led. - Diot. - Pin 9V. - Ôtô đồ chơi. 3/ Sơ lược về linh kiện sử dung: ̣ - Điện áp cấp lên đến 46V. 4
- 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. Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, đ ộng c ơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable ( cho phép) để cho phép/không cho phép IC ho ạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emiter) của transistor d ưới c ủa m ỗi m ạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần. Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có th ể ho ạt đ ộng ở đi ện th ế th ấp hơn. Mô tơ hay motor là một thiết bị tạo ra chuyển động , như m ột động cơ, nó th ường dùng để chỉ một động cơ điện hoặc một động cơ đốt trong. 5
Thông số kỹ thuật: - Đường kính: 24.4 mm. - Tốc độ: 2800 vòng/phút. - Dòng điện tối đa: 0.17A (2190 vòng/phút). - Công suất: 0.73W. - Điện áp chuẩn : 2.5V. IC này có tác dụng ổn định nguồn trong mạch có trở kháng cao. Các thông số cơ bản của IC 7805: 6
- 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, s ử d ụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch đi ện khá đơn giản. Các lo ại ổn áp th ường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví d ụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V. Việc dùng các 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 c ấp thay đổi.. Nếu ngu ồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao m ạch điện vẫn ho ạt đ ộng ổn đ ịnh nh ờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi. 7
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 ti ến, lùi, quay trái, quay phải cuả 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 điện trở có trị số khác nhau. Giá trị của điện trở được thể hiện trên các vạch màu. 8
Led có nghĩa là diode phát quang, là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia h ồng ngoại,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 thi ết bị điện, đi ện tử, đèn qu ảng cáo, đèn giao 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. ̣ sử dung Trong mach ̣ 1 led baó nguôǹ để cho biêt́ có dong ̀ điêṇ cho mach ̣ hoaṭ đông. ̣ 9
Ta sử dung ̣ 1 diot để chông ́ dong ̀ ngược, đam ̉ baỏ an toaǹ cho mach ̣ khi cung câṕ dong ̀ điêṇ ngược chiêu. ̀ Cung cấp nguồn điện 1 chiều cho mạch điều khiển hoạt động.(Sử dung ̣ pin 9V). 10
Là sản phẩm minh họa cho robot trong mạch. Cać motor được găń vaò 2 banh ́ sau cuả oto để điêù khiên̉ chuyên̉ đông ̣ cuả oto. PHẦN II: THIẾT KẾ 1/ Sơ đồ khối: 11
Nguồ nn Điêù khiên̉ Modul DK L298 Moto Moto r1 r2 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: 12
Sơ đồ chân: 13
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 tr ị 2,5-46V tùy lo ại đ ộng c ơ. 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 m ạch c ầu H (c ầu A và c ầu B) nhằm khuếch đại dòng điện. Để cho phép hai mạch c ầu này ho ạt đ ộng 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 mạch cầu ứng với đàu vào in3 và in4 (cầu B). - Các chân SenseA, SenseB: được nối đất qua 1 điện trở. Giá tr ị c ủa đi ện tr ở sẽ đi ều khiển 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 ra out1 va out 2 được điều khiển bởi điện trở nối vào SenseA, còn dòng điện ở đầu ra out 3 và out 4 được 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, đi ện áp gi ữa 2 đ ầu đ ộng cơ bằng 0 nên động cơ dừng lại nhanh chóng. Chú ý: 14
Khi thiết kế cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF ở cả hai chân Vs và Vss t ới GND. Gắn tụ điện thật gần với chân GND của IC. Khi t ụ đi ện c ủa m ạch ngu ồn quá xa IC, hãy them một tụ nhỏ gần IC. 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 hi ệu điều khi ển d ưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển đ ộng c ủa rôto có khả năng 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 đ ồ ch ơi đ ể điều khiển chuyển động của ôtô. Sử dụng IC L298 để điều khiển chi ều quay ti ến , lùi c ủa motor. Nếu ta sử dụng động cơ bước, tốc độ của động c ơ tương đối nh ỏ, m ặt khác giá thành của động cơ bước khá cao. Ưu điểm của động cơ bước là có khả năng hãm, động cơ sẽ dừng lại ngay sau khi tắt nguồn. Tuy nhiên ở đây ta sử dụng động c ơ m ột chi ều RF 310T, có giá thành rẻ, gọn nhẹ nên được sử dụng phổ biến trong các lo ại đ ồ ch ơi. (Do đ ộng c ơ t ương đ ối yếu nên ta có thể thiết kế thêm hệ thống bánh răng để motor quay khoẻ hơn). c) Nguồn: Khối này tuy đơn giản nhưng cực kỳ quan trọng, để ổn định điện áp trên nguồn ta sử 15
dụng IC LM7805. Nguồn sử dụng ở đây là phin 3v, cung cấp nguồn điện 1 chiều cho toàn mạch. d) Khôí điêu ̀ khiên: ̉ Khôí điêù khiên̉ là công tăć nhâń dung ̀ để điêủ khiên̉ oto khôí naỳ được tach ́ riêng re ̃ đê ̉ ̣ tiêṇ cho viêc̣ điêu thuân ̀ khiên̉ được dễ dang. ̀ 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 từ nguồn 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: ̣ 1: +) Dang 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) 16
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. ̣ 2: +) Dang Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (THuận Ngược). Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nó được cấu tạo như sau :(Tôi cũng dùng transitor mình họa. 17
Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định đối với điện áp đầu vào nhỏ khoảng 24V. Đối với mạch công suất lớn thì các FET công suất lớn thường ko có kênh P nên ta ko dùng được theo cách này mà phải dùng theo cách 1. . 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 được chọn 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 lớn và điện áp lớn. Còn dạng 2 dùng với công suất nhỏ với điện áp đầu vào nhỏ. 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
Đấy là dạng đi của chiều thuận : Dòng điện từ nguồn qua Q1 sau đó qua tải và qua Q2 xuống GND. ̀ Khiên *Điêu ̉ ở chế độ ngich: ̣ 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 : 19
. 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 khiển động 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) 20