Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu thực thi bộ điều khiển robot công nghiệp trên nền tảng FPGA

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu thực thi bộ điều khiển robot công nghiệp trên nền tảng FPGA" nghiên cứu nhằm thực thi bộ điều khiển chuyển động sử dụng Kit SoC ứng dụng nền tảng FPGA của Altera để xây dựng mô hình xe robot. - Kiểm thử và đánh giá kết quả thực thi bộ điều khiển trên đối tượng mô hình giả lập. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu thực thi bộ điều khiển robot công nghiệp trên nền tảng FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------------- NGUYỄN TRUNG TIẾN NGHIÊN CỨU THỰC THI BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP TRÊN NỀN TẢNG FPGA Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn Hà Nội - 2017
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... vi LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG .............................................................. 3 1.1. Giới thiệu về Robot .......................................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu về công nghệ Robot hiện nay .......................................................... 3 1.1.2. Các loại động cơ được sử dụng trong công nghệ Robot .................................. 5 1.1.3. Các loại module điều khiển động cơ .............................................................. 11 1.1.4. Nền tảng FPGA/DSP trong điều khiển Robot................................................ 22 1.2. Các giải pháp và xác định bài toán ................................................................. 33 1.2.1. Phân tích và lựa chọn giải pháp ..................................................................... 33 1.2.2. Kết luận chương ............................................................................................. 34 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................ 35 2.1. Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống ................................................................... 35 2.2. Sơ đồ đặc tả hệ thống ..................................................................................... 35 2.3. Sơ đồ nguyên lý và các module của hệ thống ................................................ 37 2.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thê ................................................................................ 37 2.3.2. Module điều khiển động cơ ............................................................................ 37 2.3.3. Module điều khiển hệ thống ........................................................................... 38 2.3.4. Module dò đường ........................................................................................... 41 2.4. Lựa chọn cấu hình hệ thống ........................................................................... 42 2.4.1. Khối điều khiển hệ thống ............................................................................... 43 2.4.2. Khối điền khiển động cơ ................................................................................ 44 2.4.3. Khối dò đường ................................................................................................ 45 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ............................................................ 46 3.1. Xây dựng phần cứng ...................................................................................... 46 3.1.1. Dự án Quartus cơ bản ..................................................................................... 46 i
3.1.2. Phát triển trên nền tảng dự án cơ bản ............................................................. 47 3.1.3. Biên dịch và chạy chương trình ..................................................................... 53 3.2. Xây dựng phần mềm ...................................................................................... 66 3.2.1. Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) ................................................. 66 3.2.2. Ứng dụng giải thuật PID vào điều khiển robot .............................................. 67 3.2.3. Biên dịch và chạy chương trình ..................................................................... 71 3.3. Kết quả mô phỏng và kiểm thử ...................................................................... 73 3.3.1. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 73 3.3.2. Kết quả kiểm thử ............................................................................................ 73 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..78 ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ: Hình 1. 1 Robot Công nghiệp ..................................................................................... 4 Hình 1. 2 Robot y tế và an ninh quốc phòng ............................................................... 4 Hình 1. 3 Động cơ một chiều ...................................................................................... 5 Hình 1. 4 Cấu tạo động cơ DC .................................................................................... 6 Hình 1. 5 Động cơ Servo ............................................................................................. 6 Hình 1. 6 Cấu tạo động cơ Servo ................................................................................ 7 Hình 1. 7 Động cơ bước .............................................................................................. 8 Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải sử dụng PWM ........................................ 11 Hình 1. 9 Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM............................................... 12 Hình 1. 10 Sơ đồ xung PWM .................................................................................... 13 Hình 1. 11 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh ........................................... 14 Hình 1. 12 Sơ đồ mạch L298 điều khiển động cơ một chiều .................................... 16 Hình 1. 13 Sơ đồ khối chức năng của DRV8833 ...................................................... 17 Hình 1. 14 Sơ đồ mạch FET+relay ........................................................................... 18 Hình 1. 15 Chu kỳ xung PWM trong động cơ Servo ................................................ 19 Hình 1. 16 Module Driver A4988 ............................................................................. 20 Hình 1. 17 Sơ đồ kết nối ........................................................................................... 21 Hình 1. 18 Sơ đồ thực thi hệ thống DSP ................................................................... 26 Hình 1. 19 Kiến trúc bên trong FPGA ...................................................................... 27 Hình 1. 20 Cấu trúc một Logic Block ....................................................................... 27 Hình 1. 21 Sơ đồ tích hợp cứng ................................................................................ 29 Hình 1. 22 Sơ đồ khối tích hợp mềm ........................................................................ 30 Hình 2. 1 Sơ đồ cấu chúc của hệ thống ..................................................................... 35 Hình 2. 2 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................. 36 Hình 2. 3 Sơ đồ thiết kế phần cứng điều khiển hệ thống .......................................... 37 Hình 2. 4 Mạch điều khiển motor ............................................................................. 38 Hình 2. 5 Sơ đồ khối của Kit DE0 Nano ................................................................... 40 Hình 2. 6 Sơ đồ mạch module dò đường .................................................................. 42 Hình 2. 7 Mô hình hệ thống ...................................................................................... 42 iii
Hình 2. 8 Khối điều khiển Kit DE0 Nano ................................................................. 43 Hình 2. 9 Khối điều khiển động cơ L298 .................................................................. 44 Hình 2. 10 Khối dò đường ........................................................................................ 45 Hình 3. 1 Thành phần HPS hps_0 trong hệ thống Qsys ........................................... 46 Hình 3. 2 Cổng AXI Master của thành phần HPS .................................................... 47 Hình 3. 3 Tìm và thêm thành phần PIO .................................................................... 48 Hình 3. 4 Cấu hình thành phần PIO .......................................................................... 49 Hình 3. 5 Tạo kết nối giữa HPS và thành phần PIO ................................................. 50 Hình 3. 6 giao diện pio_led của hệ thống ................................................................. 51 Hình 3. 7 ban đầu hóa .pio_led_external_connection_export trong u0 soc_system . 51 Hình 3. 8 các thành phần cơ bản trong Qys của hệ thống ......................................... 52 Hình 3. 9 Các thành phần trong Qys của hệ thống ................................................... 52 Hình 3. 10 Thêm vào một thành phần trong Qys ...................................................... 53 Hình 3. 11 file TCL cho SDRAM DDR3 của HPS .................................................. 66 Hình 3. 12 Sơ đồ khối giải thuật PID ........................................................................ 67 Hình 3. 13 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường ....................... 68 Hình 3. 14 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh PID ........................................................... 70 Hình 3. 15 Biên dịch và copy file vào thẻ nhớ trên Sockit ....................................... 72 Hình 3. 16 Thực thi chương trình trên Putty ............................................................. 72 Hình 3. 17 Kết quả đầu ra mô phỏng qua SignalTap ................................................ 73 Hình 3. 18 Vận tốc của robot khi hiệu chỉnh Kp (với: Kd=0; Ki=0) ........................ 75 Hình 3. 19 Vận tốc của robot khi hiệu chỉnh Kd (với: Kp=30; Ki=0) ...................... 76 Hình 3. 20 Vận tốc của robot khi hiệu chỉnh Ki (với: Kp=30; Kd=5) ...................... 76 iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Bảng chân điều khiển động cơ bước ........................................................ 22 Bảng 1. 2 Tóm tắt các ứng dụng sử dụng của DSP................................................... 25 Bảng 3. 1 Kết quả thực nghiệm hiệu chỉnh PID ...... ………………………………75 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt SoC system-on-a-chip Hệ thống trên một vi mạch Mạch tích hợp các phần tử mảng FPGA Field-programmable gate array logic có thể lập trình được DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số PWM Pulse-width modulation điều chế độ rộng xung IC integrated circuit Vi mạch ADC Analog-to-digital converter Mạch chuyển đổi tương tự ra số HPS hard processor system Hệ thống xử lý phần cứng DC Direct Current dòng điện một chiều PID Proportional Integral Derivative Cơ chế phản hồi vòng điều khiển RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh Complex Programmable Logic CPLD vi mạch có thể lập trình được Device PLA Programmable Logic Array mảng logic lập trình được HDL Hardware Description Language ngôn ngữ mô tả phần cứng vi
LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, công nghệ phát triển robot đã vô cùng mạnh mẽ và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp, các cánh tay lắp ráp, vận tải hàng hóa theo vạch đường đi có sẵn. Ứng dụng robot trong y tế, các cánh tay thao tác phẫu thuật cho người bệnh…. Ứng dụng robot trong an ninh quốc phòng, robot chiến đầu, xe tăng tự vận hành, thiết bị bay tự động…. Ứng dụng trong ngành vũ trụ …. Ngoài ra, công nghệ robot còn được dùng trong các ứng dụng xử lý các tình huống trong các môi trường đặc biệt và rất nhiều các hướng phát triển khác đã được phát triển. Trên cở sở đã được học tôi đã thiết kế và thử nghiệm một robot công nghiệp di chuyển theo vạch đường định trước trên nền tảng công nghiệp FPGA/DSP. Sử dụng phương pháp tạo độ rộng xung PWM để điều khiển động cơ và thuật toán PID để thay đổi hướng đi theo kết quả trả về từ bộ dò đường. Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên đề tài của tôi còn nhiều hạn chế. Mặc dù đã phần nào thiết kế và tính toán chi tiết các mạch và thiết kế phần cứng trên nền tảng FPGA, lập trình phần mềm trên công nghệ SoC, các thông số nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết và thiên về lập trình, chưa có tính ứng dụng cao. Tôi mong sự đóng góp và sửa chữa để đề tài này mang tính khả thi hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn đã hướng dẫn chúng tôi hoàn thành luận văn này. vii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận văn là của riêng tôi và chưa được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào. Hà nội, ngày tháng năm Học viên (Ký ghi rõ họ tên) viii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ robot là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, khả năng ứng dụng vô cùng to lớn. Các ứng dụng nổi bật của công nghệ robot như: Robot công nghiệp giúp phát triển nhanh nền công nghiệp, robot chiến đấu, robot tự hành, robot cảnh sát,… đã đem lại nhiều lợi ích to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ giải trí, học tập, lao động, quân sự, v.v… Trong ứng dụng công nghiệp, robot đã tự động vận hành thực hiện rất nhiều công việc nặng nhọc mà con người cần mất rất nhiều thời gian và công sức để thực hiện. Từ suy nghĩ đó, tôi quyết định nghiên cứu xây dựng mô hình phát triển robot mang tính thực tiễn cao. Mô hình robot này sử dụng nền tảng FPGA/DSP và công nghệ SoC đó là nhưng công nghệ mới và đang được phát triển rất thịnh hành ngày nay. Do vậy tôi chọn nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thực thi bộ điều khiển Robot công nghiệp trên nền tảng FPGA”, và đối tượng được sử dụng trong nghiên cứu để xác định độ chính xác của các tính toán đã đặt ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài là: - Thực thi bộ điều khiển chuyển động sử dụng Kit SoC ứng dụng nền tảng FPGA của Altera để xây dựng mô hình xe robot. - Kiểm thử và đánh giá kết quả thực thi bộ điều khiển trên đối tượng mô hình giả lập 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về nền tảng FPGA và DSP. - Nghiên cứu kỹ thuật lập trình trên công nghệ SoC. - Nghiên cứu thuật toán dò đường PID. - Nghiên cứu phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 1
4. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài - Phân tích và lựa chọn hệ thống chương trình ứng dụng. - Triển khai xây dựng chương trình ứng dụng. - Kiểm tra, thử nghiệm và đánh giá kết quả. 5. Bố cục đề tài Bố cục luận văn được kết cấu thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống Chương 2: Thiết kế hệ thống Chương 3: Xây dựng hệ thống Trong chương 1ss, giới thiệu về nguyên tắc hoạt động chung của động cơ, mạch, công nghệ FPGA và đưa ra được cấu trúc của hệ thiết bị sẽ được xử dụng. Trong chương 2, giới thiệu về hệ thống và các module chính của hệ thống. Còn trong chương 3, đây là chương trọng tâm nêu ra giải pháp và quá trình xây dựng mô hình xe robot dựa vào các lý thuyết đã nghiên cứu trong hai chương đầu. Và đưa ra kết qua thực nghiệm thu được và kết luận. 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài này bao gồm các tài liệu cơ bản như DE0_Nano_User_Manual_v1.9 phát hành bởi Terasic. DS- 5+SoCkit+WorkshopUSA phát hành bở Terasic. Speed Control of Dc Motor By PWM Method Using Microcontroller của Tran Quoc Cuong, Tran Thanh Phong 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1. Giới thiệu về Robot 1.1.1. Giới thiệu về công nghệ Robot hiện nay Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử. Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: rô bốt cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Về lĩnh vực người máy, Nhật Bản là nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này. Ngày nay robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet. Robot ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian. Robot là sản phẩm công nghệ có độ phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ. Theo dự đoán trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một robot cá nhân như nhu cầu một máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet. Với xu hướng này, cùng các ứng dụng truyền thống khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn. Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày càng nhiều các phát minh tiên tiên cho 3
ngành công nghiệp phát triển cánh tay robot cũng như robot tự hành vận chuyển hàng hóa trong các khu công nghiệp. Hình 1.1 minh họa một số hình ảnh về robot công nghiệp ngày nay [Nguồn sản xuất oto của toyota] Hình 1. 1 Robot Công nghiệp Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot. Hình 1.2 minh họa cho những cánh tay robot ý tế đang thực hiện ca phẫu thuật cho bệnh nhân và Robot chiến đấu được phát triển bởi Nhật Bản. Hình 1. 2 Robot y tế và an ninh quốc phòng 4
Có thể kể đến những loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots), robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và robot vũ trụ (Space robots). Với robot phỏng sinh học, các nghiên cứu trong thời gian qua tập trung vào hai loại chính là robot đi bộ (Walking robot) và robot dáng người (Humanoid robot). Bên cạnh đó các loại robot phỏng sinh học như cá dưới nước, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu, phát triển. 1.1.2. Các loại động cơ được sử dụng trong công nghệ Robot a) Động cơ một chiều DC Hình 1. 3 Động cơ một chiều Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục. Khi chúng ta cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao ( số vòng quay/ phút), và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máy tính, hoặc kiểm soát tốc độ quay của bánh xe.. 5
Để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung (kí hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật và tắt các xung điện. Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiển bằng cơ chế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ. Hình 1. 4 Cấu tạo động cơ DC Ví dụ, một động cơ có nguồn điện xoay chiều ở mức 50% ( tức 50% tắt và 50% bật), thì mô tơ sẽ quay một nửa số vòng quay ở mức 100% (tổng số). Mục đích là để khi các xung nối tiếp nhau với tốc độ rất nhanh thì động cơ vẫn có thể quay liên tục với tần số cao mà không bị vấp lỗi. b) Động cơ servo Hình 1. 5 Động cơ Servo 6
Một động cơ servo (Servo Motors) là một tổ hợp chung cơ bản của bốn bộ phận: một động cơ điều khiển tốc độ DC, một bánh răng, một vi điều khiển và một cảm biến. Khả năng định vị của động cơ servo thường được tính toán để kiểm soát được chính xác hơn so với những động cơ DC thông thường khác. Động cơ servo thường cấu tạo gồm 3 dây: dây nguồn, dây tiếp đất và dây điều khiển. Không giống như động cơ DC hoạt động trên cơ chế xoay chiều bật tắt nguồn, năng lượng (nguồn điện) của động cơ servo được nạp vào liên tục. Động cơ servo hoạt động bằng việc kiểm soát dòng điện, giúp động cơ định hướng chính xác hướng hoạt động của mình. Động cơ servo được thiết kế để dừng tại một vị trí cụ thể. Các vị trí này cần được tính toán chính xác để khiến máy móc hoạt động được đúng với mục tiêu đề ra theo ý đồ của người thiết kế. Ví dụ như kiểm soát các bánh lái trên một chiếc thuyền hoặc cần khiến một cánh tay robot hay chân robot di chuyển trong một phạm vi nhất định. Động cơ servo sẽ không quay như động cơ DC thông thường vốn hoạt động xoay qua lại với góc quay đạt tới mốc 360 độ (hoặc hơn). Trong khi đó, động cơ servo sẽ hoạt động bằng việc nhận một tín hiệu lệnh quyết định góc vị trí ở đầu ra và sử dụng sức mạnh (cơ năng) của một động cơ DC cấu tạo bên trong sẽ quay trục quay đến đúng vị trí. Vị trí này được xác định bởi các vi cảm biến. Hình 1. 6 Cấu tạo động cơ Servo 7
PWM được sử dụng cho các tín hiệu lệnh của động cơ servo. Tuy nhiên, không giống như động cơ DC được PWM điều khiển bằng biến độ rộng xung để kiểm soát tốc độ quay, động cơ servo dùng điều biến độ rộng xung đó để xác định vị trí của trục động cơ, chứ không chỉ đơn thuần là tốc độ. Trung bình một đơn vị xung được tính dựa trên vị trí trục (thường là khoảng 1,5ms), mục đích làm sao để giữ trục luôn ở đúng vị trí. Mỗi khi giá trị xung tăng lên, sẽ khiến cho trục motor lần lượt chuyển động theo chiều kim đồng hồ, và luôn sẽ có một xung ngắn hơn để đảo trục ngược lại chiều kim đồng hồ. Xung điều khiển serco thường được lặp đi lặp lại khoảng 20 mm/s. Có thể nói đơn giản, trục servo di chuyển đến đâu rồi cũng quay về lại vị trí ban đầu. Khi động cơ được lệnh di chuyển, nó sẽ điều khiển trục di chuyển đến vị trí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó, cho dù ngay cả khi có ngoại lực tác động lực đẩy lên nó, các trục động cơ sẽ từ chối di chuyển khỏi vị trí đã thiết lập bởi bộ điều khiển. c) Động cơ bước Hình 1. 7 Động cơ bước Động cơ bước (hay còn có tên là động cơ bước từ tính, động cơ hỗ trợ việc bước), thực chất là một động cơ tăng lực sử dụng một phương pháp khác trong việc lái hướng chuyển động. Cụ thể, động cơ bước vận hành bằng việc sử dụng một 8
động cơ quay liên tục DC, tích hợp cùng mạch điều khiển cùng một động cơ bước hoạt động bằng nam châm từ tính có nhiều răng được sắp xung quanh một bánh răng trung tâm để xác định vị trí. Động cơ bước đòi hỏi phải có một mạch điều khiển bên ngoài hoặc một bộ vi điều khiển (ví dụ như Raspberry Pi or Ardunio) để tiếp thêm năng lượng cho từng nam châm điện và khiến các trục động cơ lần lượt xoay. Khi nam châm từ tính ‘A’ được cung cấp nguồn điện, nó sẽ tác động lực từ tính lên các bánh răng và căn chỉnh chúng hơi xô lệch đến nam châm điện tiếp theo ‘B’. Khi ‘A’ tắt, và ‘B’ bật, các bánh răng theo lực từ tính sẽ hơi lệch một chút so với ‘B’, và thế là các răng xếp quây lại thành vòng tròn quanh bánh răng nguồn và ngắt mạch để quay về chỗ ngoặt ban đầu nhằm tạo dựng một vòng xoay. Mỗi vòng xoay tính từ một nam châm điện tiếp theo được gọi là “bước”, và thế là, động cơ có thể được quay bằng góc bước; góc bước được xác định chính xác từ trước thông qua một vòng xoay hoàn chỉnh với 360 độ. Động cơ bước phổ biến với hai loại: động cơ đơn cực và động cơ lưỡng cực. Động cơ lưỡng cực là loại mạnh nhất của động cơ bước và thường có 4 hoặc 8 chuỗi dây dẫn. Chúng có hai bộ cuộn dây điện từ cấu tạo bên trong, và bước vận hành bằng việc thay đổi hướng của các bánh rang với các dây dẫn bên trong. Động cơ bước đơn cực, được nhận dạng bởi cấu tạo gồm tới 5,6 hoặc 8 đường dây dẫn. Mặc dù chỉ có 2 cuộn cảm biến, nhưng mỗi cuộn lại là một tập hợp trung tâm phức tạp. Động cơ bước đơn cực có thể bước mà không cần phải đảo ngược chiều hiện tại trong các cuộn dây. Tuy nhiên, do cuộn trung tâm lại được sử dụng như để tiếp thêm một nửa lực từ cho mỗi cuộn dây tại một thời điểm xác định, nên chúng thường có ít mô-men xoắn hơn loại động cơ lưỡng cực. Các thiết kế của một động cơ bước thường cung cấp một mô-men xoắn giữ liên tục mà không cần động cơ để được hỗ trợ, đồng thời cũng cung ứng luôn một động cơ khác có chức năng nhất định phù hợp với cấu tạo của nó. Dĩ nhiên, tuy phức tạp như vậy nhưng lỗi định vị lại không xảy ra miễn chỉ cần động cơ bước có tụ cơ năng được xác lập từ trước. 9
d) Kết luận Sau đây là cái nhìn tổng kết chung về những đặc trưng cơ bản của một lĩnh vực động cơ khá phức tạp, vốn luôn gây tranh cãi nhất là khi luận về những ưu điểm và khuyết điểm của động cơ bước và động cơ tăng lực. Nhưng dù sao đi nữa, cũng mong rằng với những nhận định sau sẽ giúp chúng ta lựa chọn được đúng loại động cơ phù hợp để biến thiết kế thêm hoàn thiện. Động cơ điện một chiều DC - Tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục. -Được sử dụng cho các thiết kế cần phải có một thiết bị quay với tốc độ RPM, ví dụ như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy,vv... Động cơ servo - Tốc độ nhanh, mô-đen xoắn cao, luân chuyển chính xác trong một góc giới hạn. - Nói chung, đây là một động cơ có hiệu suất cao để thay thế cho động cơ bước, nhưng có thiết lập phức tạp hơn với PWM điều khiển. Động cơ này thích hợp để ứng dụng cho các cánh tay/ chân robot hoặc ứng dụng để điều khiển các loại bánh lái,vv... Động cơ bước -Tốc độ chậm nhưng xác định chính xác hướng khi xoay, dễ dàng thiết lập và kiểm soát. - Ưu điểm vượt trội của động cơ bước là ở khả năng kiểm soát vị trí chính xác. Trong trường hợp động cơ trợ lực yêu cầu cần có một cơ chế xoay chiều và mạch dẫn trong việc xác lập định vị vị trí, hướng hoạt động của động cơ, một động cơ bước hoàn hảo có thể kiểm soát và giải quyết các yêu cầu này thông qua tính chất đặc trưng của mình khi quay bởi các “bước” ngắt mạch thiết kế bên trong. - Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi cho các máy in 3D và các thiết bị in ấn tương tự, hoặc các máy móc khác hoạt động bằng việc cần xác định cơ bản vị trí đầu ra… 10
1.1.3. Các loại module điều khiển động cơ Trong khuân khổ đề tài này chúng tôi chỉ tập trung đề cấp đến nguyên lý điều khiển các loại động cơ bằng phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation). PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm. Ứng dụng của PWM trong điều khiển PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định . Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ. Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải sử dụng PWM 11