Hình 2. 14 Giản đồ dịng điện tương ứng ba pha của dây quấn stator
29
Động cơ 1 chiều không chổi than BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển tương ứng. Bộ điều khiển này cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu ba pha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dịng điện khơng đổi DC. Tại một thời điểm hoạt động bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua hai cuộn dây của hai pha tương ứng với vị trí của rotor lúc đó.
Có nhiều cách để điều khiển loại động cơ này, trong khuôn khổ đồ án này, chúng em sử dụng phương pháp điều xung PWM, đây cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong điều khiển điện áp hiện nay. Với phương pháp này điện áp cung cấp cho bộ khóa cơng suất khơng đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khóa đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển. Phương pháp PWM có thể dùng cho khóa trên, khóa dưới hay đồng thời cả hai khóa trên và dưới cùng lúc.
Trong khi điều chế PWM ta có thể điều khiển điện áp ra kiểu sóng hình thang hay kiểu sóng sin, do đó phương pháp này được chia thành hai kỹ thuật: Kỹ thuật điện áp hình thang và kỹ thuật điện áp hình sin. Mức điện áp hiệu dụng tương ứng cấp cho động cơ phụ thuộc vào hệ số đầy xung (duty cycle) nên ta dễ dàng điều khiển tốc độ động cơ cho phù hợp.
2.6 Cơ cấu chuyển động
Với yêu cầu giảm đến mức tối thiểu trọng lượng của robot nên việc chọn động cơ để robot di chuyển cũng cần phải được cân nhắc cẩn thận. Hơn nữa, khi di chuyển trên mặt phẳng thẳng đứng, để đảm bảo robot có thể bám được thì lực ép do chênh lệch áp suất phải lớn hơn nhiều so với trọng lực nên bánh xe phải có độ bám tốt và moment xoắn lớn. Robot đang được thiết kế ở chế độ điều khiển bằng tay nên để đơn giản ta sử dụng động cơ giảm tốc để thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trên.
Các động cơ điện bình thường có số vịng quay rất lớn, hàng trăm, thậm chí hàng ngàn vịng/phút nhưng bù lại momen xoắn lại rất nhỏ. Để tăng momen xoắn lên, ta cho chuyển động quay giảm tốc qua các vòng bánh răng, đây chính là tỷ số truyền của động cơ.
30
2.7 Kết luận chương
Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu cơ bản về các mảng lý thuyết liên quan đến đề tài này. Từ các nguyên tắc về động lực học, khí động học, truyền động đến điều khiển… Vì giới hạn kiến thức cịn hạn hẹp nên một số phần chúng em không thể đi chi tiết hơn được, tuy nhiên với chừng ấy kiến thức ta có thể bước sang phần tiếp theo: Thi cơng đề tài.
31
Chương 3:
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Giới thiệu chương
Chúng ta đã tìm hiểu cơ bản về các lĩnh vực liên quan đến robot, bây giờ sẽ đi vào chi tiết thi cơng, tính chọn linh kiện, viết code… Một vài lĩnh vực không thuộc chuyên ngành nên chúng em thi công phần nhiều dựa trên kinh nghiệm và nguyên tắc “thử-sai-sửa” đồng thời tham khảo một số đề tài liên quan để hoàn thiện hơn sản phầm.
KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
KHỐI GIẢI MÃ TÍN HIỆU DTMF
CẦU H ĐIỀU KHIỂN BÁNH XE
ESC ĐIỀU KHIỂN QUẠT HÚT
Hinh 3. 1 Sơ đồ khối
Khối giải mã tín hiệu DTMF: Giải mã tín hiệu DTMF từ điện thoại, qua mạch giải mã đưa tín hiệu điều khiển về khối điều khiển trung tâm để điều khiển Robot.
Khối điều khiển trung tâm: Xử lí tín hiệu từ mạch giải mã, điều xung để điều khiển các động cơ hút, động cơ giảm tốc để điều khiển Robot theo tín hiệu nhận được từ người điều khiển.
Cầu H: Đóng vai trị điều khiển động cơ quay thuận nghịch, nhằm mục đích giúp robot di chuyển một cách linh hoạt.
Esc điều khiển động cơ hút: Đóng vai trị chính trong việc robot có thể bám trên tường để thực hiện nhiệm vụ của mình.
32
3.2 Mạch vi điều khiển
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển phổ biến như 8051 của Intel, AVR, Arduino của hãng Atmel, PIC của Microchip Technology và đặc biệt là dòng MSP430 của hãng TI.
Các yêu cầu kỹ thuật của vi điều khiển dành cho đề tài này:
• Hỗ trợ mạnh mẽ các bộ timer và vector ngắt: Các động cơ đều được điều khiển bằng phương pháp điều xung: Từ động cơ cánh quạt đến 4 động cơ giảm tốc gắn ở 4 bánh xe nên vi điều khiển được sử dụng phải đáp ứng tối thiểu các nhu cầu này. Ưu tiên sử dụng là các bộ timer hoạt động độc lập với chương trình chính, sử dụng năng lượng ít và có thể đưa vào trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng.
• Dung lượng bộ nhớ: Không yêu cầu quá lớn vì thuật toán xử lý khá đơn giản, khơng phải lưu trữ nhiều.
• Tiết kiệm năng lượng: Robot sử dụng pin để hoạt động nên tiêu tán năng lượng là một vấn đề đáng quan tâm.
• Các phần mềm và tool hỗ trợ: Để thuận tiện hơn trong nạp code và debug lỗi, vi điều khiển được sử dụng phải được sự hỗ trợ mạnh mẽ bởi các phần mềm và tool liên quan.
• Phổ biến và giá thành hợp lý
Từ những yêu cầu kỹ thuật trên, cộng với việc đã được làm quen với dòng vi xử lý MSP430 trong các môn học trước nên chúng em chọn chip MSP430G2553 cho đề tài này. Các thơng số điển hình:
• Điện áp cung cấp thấp: Vcc = 1.8 ữ 3.6 V
ã Nng lng tiờu tỏn nh:
ã Active mode: 230 àA ti 1MHz, 2.2V
ã Standby mode: 0.5 àA
33
ã Chuyn t Standby sang Active mode nhanh: 1 às
ã Cung cấp 2 bộ timer A với 3 thanh ghi CCR (Capture/Compare Registers)
• Có các trình biên dịch hỗ trợ nạp và debug trực tiếp: IAR embedded workbench hay CCS (Code Composer Studio)
Hinh 3. 2: Kit MSP430G2553 LaunchPad
34
Bộ mạch Launchpad MSP430G2553 ngoài bộ vi xử lý trung tâm còn được gắn thêm một bộ nạp và hỗ trợ mô phỏng on-chip, giúp cho việc nạp code, kiểm tra biến hoặc thanh ghi ngay khi chip đang hoạt động trên mạch.
Hinh 3. 4 Mạch nguồn 3.3V
3.3 Mạch giãi mã DTMF 8870
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý:
35
Hinh 3. 6 Layout thi công
3.3.2 Nguyên lý hoạt động:
Điện áp tại ngõ vào ST/GT gọi là điện thế Vc. Ban đầu cặp tần số của mã tone được qua bộ lọc tần số (dial tone filter). Bộ này sẽ tách tín hiệu thành hai nhóm. Một nhóm tần số thấp, một nhóm tần số cao. Việc này thực hiện được nhờ bộ lọc thông dãy bậc 6. Nhóm thứ nhất sẽ lọc thơng dãy tần số từ 697Hz đến 941Hz và nhóm thứ hai sẽ lọc thông dãy tần số từ 1209Hz đến 1633Hz. Hai nhóm tín hiệu này được biến đổi thành xung vng bởi bộ dị Zero Crossing. Sau khi có được xung vng, xung này được xác định tần số và kiểm tra chúng có tương ứng với cặp tần số chuẩn DTMF hay khơng nhờ thuật tốn trung bình phức hợp (complex averaging). Nhờ kỹ thuật này mà mạch sẽ bảo vệ được các tone gây ra từ tín hiệu bên ngồi mà tín hiệu này làm cho sai lệch tần số nhỏ. Khi bộ dị cũng nhận đủ có hai tone thích hợp thì ngõ ra EST sẽ lên mức cao. EST lên mức cao sẽ làm cho Vc tăng đến ngưỡng nào đó mà lớn hơn Vtst thì sẽ tác động ngõ vào ST/GT làm cặp tone được ghi nhận. Lúc này điện thế tại Vc tiếp tục tăng lên. Sau một thời gian trễ nhất định thì ngõ ra STD sẽ chuyển lên mức cao. Lúc này cặp tone đã được ghi nhận và sẵn sàng truy xuất ở ngõ ra nếu ngõ TOE ở mức
36
tích cực cao thì 4 bits mã đã giải mã được sẽ truy xuất ra bên ngoài. Sau một thời gian chuyển trạng thái lên mức cao ngõ STD sẽ chuyển xuống mức thấp và Vc giảm xuống, khi Vc < Vtst thì sẽ điều khiển thanh ghi dị cặp tone mới.
Như vật khi xuất hiện một cặp tần số tone trên đường dây, qua tụ C1 đưa vào ngõ IN thì ngõ ra sẽ xuất hiện dạng nhị phân 4 bits tương ứng.
Các thông số của MT8879 do nhà sản xuất hướng dẫn. Các giá trị điện trở, tụ điện, thời gian an toàn, bảo vệ được nhà sản xuất đưa ra.
R1= R2= 100 kΩ, R7= 33 kΩ, C1= C4= 100nF, Xtal= 3.579545 MHz
3.4 Xây dựng chương trình điều khiển
Chương trình điều khiển được chia làm 3 phần:
• Điều xung cho Ducted fan và 4 bánh xe.
• Giải mã tín hiệu DTMF nhận được từ ICMT8870 để biết được tín hiệu điều khiển.
• Chương trình kiểm tra mật khẩu nhập vào để xác minh xem đúng số thuê bao điều khiển hay không.
Vi điều khiển MSP430G2553 hỗ trợ 2 timer là TA0 và TA1, trong đó TA0 có 2 chế độ ngắt là TA0.0 và TA0.1, timer TA1 có TA1.0, TA1.1 và TA1.2. Để điều khiển động cơ tiến - lùi - rẽ phải - rẽ trái ta phải sử dụng 2 chân điều xung khác nhau nên chọn timer TA1 và dùng TA0 để điều khiển cánh quạt.
37
MAIN
stop watchdog timer
Chọn nguồn xung clock Cấu hình các pin, port PWM cho cách quạt Dùng TA0 PWM cho bánh xe Dùng TA1.1 và TA1.2 KIỂM TRA MẬT KHẨU Kiemtra!=4? ĐIỀU KHIỂN ROBOT S Đ Robot đứng yên
38 ĐIỀU KHIỂN ROBOT
Case 1: Case 2: Case 5: Case 3: Case 4: Dừng tất cả động cơ (1) Robot tiến (2) Robot tăng tốc (3) Robot rẽ trái (4) Robot dừng lại (5) S Đ S S S Đ Đ Đ Đ Case 8: Case 10: Robot lùi (7) Quạt hút vừa (8) Case 11: Case 12: Quạt hút nhẹ (9) Quạt hút mạnh (10) S S S S S Đ Đ Đ Đ END
Case 6: Robot rẽ phải(6)
1 1 S Robot dừng lại (11) Default: Đ S Switch (giatri)
39
(1) Dừng tất cả động cơ, kể cả động cơ hút, sử dụng khi muốn robot ngừng hoạt động.
(2) 4 động cơ cùng tiến, cấp xung điều khiển là ‘10’.
(3) Điều khiển tăng TA1CCR1, giúp tăng điện áp ra trên động cơ. (4) Cho cặp động cơ bên trái quay lùi, cặp động cơ bên phải quay tiến.
(5) Cho 4 động cơ dừng lại, còn động cơ hút vẫn hoạt động, áp dụng trong trường hợp robot gặp chướng ngại vật hoặc xảy ra sự cố.
(6) Cho cặp động cơ bên phải quay lui, cặp động cơ bên trái quay tiến. (7) 4 động cơ cùng tiến, cấp xung điều khiển là ‘01’.
(8) (9) (10) Điều khiển tăng hay giảm TA0CCR1, giúp tăng, giảm điện áp ra trên động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ, mục đích để tăng lực hút của robot lên tường.
(11) Khi nhập giá trị điều khiển không đúng, robot sẽ tự động dừng lại, động cơ hút vẫn hoạt động bình thường nhằm tránh để robot rơi do sự nhầm lẫ của người điều khiển.
3.4.1 Động cơ cánh quạt
Như đã đề cập ở phần trước, động cơ cánh quạt là loại DC khơng chổi than, có 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120 độ. Để điều khiển được chúng ta phải nhận biết được vị trí của từng cuộn dây thơng qua cảm biến Hall. Việc thiết kế mạch thực hiên chức năng này là rất khó nên ta sử dụng một thiết bị chuyên dụng hỗ trợ là bộ điều dòng ESC (Electric Speed Controller).
40
Hinh 3. 9 Bộ điều dòng ESC (của hãng TURNIGY)
Trong đồ án này, chúng em sử dụng bộ TURNIGY Plush 60amp Speed Controller
Các thông số đáng quan tâm:
• Dịng cung cấp liên tục: 60A
• Dịng xung: 80A
• Đầu vào: 5.6V-22V
• Phương pháp điều khiển: Tuyến tính
• Trọng lượng: 60g
• Kích thước: 80x31x14mm
• Và động cơ phản lực được dùng là COMBO EDF 70mm kèm motor 3200KV Ducted Fan.
41
Hinh 3. 10 Ducted fan sử dụng trong đề tài
Thơng số kĩ thuật của ducted fan:
• Đường kính: 70 mm, 6 cách quạt.
• Tốc độ quay: 3200 Kv.
• Điện áp sử dụng: 14.8 V.
• Dịng điện sử dụng: 45-48A
• Lực đẩy tối đa (dùng trong máy bay mơ hình): 1200g
Để thay đổi tốc độ động cơ, ta dùng phương pháp điều xung để thay đổi duty cycle của nó. Mức hoạt động là duty cycle từ 5-10% và chu kỳ là 20ms. Khi cung cấp xung 5% (1ms) motor sẽ được thiết lập và sẵn sàng hoạt động nếu độ rộng xung tăng lên (<2ms). Nguồn cung cấp cho động cơ này là pin Lipo TURNIGY 4cells (4*3.7V = 14.8V).
42
Hinh 3. 11 Pin Li-po 4 cell cung cấp cho cánh quạt
Hinh 3. 12 Kết nối giữa Pin-ESC-ducted fan
43 Cơng thức tính điện áp trung bình trên tải:
Ut = Umax * (t1/T) Hay Ut = Umax * D Trong đó:
• t1: Thời gian xung ở sườn dương.
• T: Thời gian của cả chu kì.
• Umax : Điện áp cung cấp cho tải.
• D = t1/T : Hệ số điều chỉnh và được tính bằng %.
Như vậy, theo đồ thị điều chế xung thì ta có được điện áp trung bình trên tải sẽ là (lấy Umax=12V):
• Ut = 12*20% = 2.4V (với D = 20%)
• Ut = 12*40% = 4.8V (với D = 40%)
44
3.4.2 Động cơ và bánh xe
Đối với 4 động cơ bánh xe, chúng em sử dụng loại động cơ giảm tốc.
Hinh 3. 14: Động cơ giảm tốc được sử dụng trong đề tài.
Thông số kĩ thuật của động cơ:
• Động cơ có gắn hộp giảm tốc.
• Sử dụng điện áp: 6-12Vdc
• Tốc độ sau bộ giảm tốc: 160 vịng/phút.
• Đường kính trục động cơ: 5mm
• Chiều dài trục động cơ: 12mm
• Chiều dài động cơ kể cả phần giảm tốc: 54mm.
45
Hinh 3. 15 Bánh xe được sử dụng trong đề tài
Thông số kĩ thuật:
• Lốp xe cải tiến, chất lượng tốt, độ ma sát cao.
• Đường kính bánh: 65mm
• Độ dày lốp xe: 6.5mm
• Chiều rộng bánh xe: 27mm
Trong sản phẩm này sử dụng loại pin 3 cells 11.1 Vdc.
46
3.4.3 Driver điều khiển động cơ DC ( Mạch cầu H ) [6]
Hinh 3. 17 Kit mạch cầu H
47
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng cơng suất nhỏ như động cơ DC loại vừa
Tóm tắt chức năng các chân của L298:
• 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
• 4chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.
• Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động.
Với bài tốn của mình ở trên, chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:
• Khi ENA = 0: Động cơ khơng quay với mọi đầu vào.
• Khi ENA = 1: Động cơ quay với mọi đầu vào.
• INT1 = 1, INT2 = 0: Động cơ quay thuận.
• INT1 = 0, INT2 = 1: Động cơ quay nghịch.
• INT1 = INT2: Động cơ dừng ngay tức thì.
• Khi ENB = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào.
• Khi ENB = 1: Động cơ quay với mọi đầu vào.
• INT3 = 1, INT4 = 0: Động cơ quay thuận.
• INT3 = 0, INT4 = 1: Động cơ quay nghịch.
48
Hinh 3. 19 Nối song song hai cầu H để điều khiển động cơ lên đến 4A.
Trong thực tế ứng dụng này, động cơ DC chỉ có dịng tải 200mA khi hoạt động bình thường, và lên đến tối đa 2A khi quá tải. Tuy nhiên, cũng cần thiết kế một bộ điều