Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ROBOT

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ROBOT

Tải bản đầy đủ - 0trang

6



Hình 2.1: Cảm biến quang và cảm biến vật thể



Các đặc tính của IR sensor

Trong con robot mẫu tự động này, chúng tôi sử dụng 2 linh kiện hồng ngoại (IR):

Một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter) và một linh kiện nhận (IR receiver) tạo

thành 1 cặp cảm biến sensor. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ

truyền tới linh kiện nhận.



Hình 2.2: IR Sensor.



Dòng điện đi qua linh kiện nhận sẽ tỉ lệ với cường độ năng lượng của tia hồng

ngoại mà nó nhận được.



Hình 2.3: Tỉ lệ dòng điện và cường độ năng lượng.



Trong robot mẫu, linh kiện phát và nhận được nối mạch theo sơ đồ hình 2.3. Khi

TX ở trạng thái thấp, dòng sẽ đi qua linh kiện phát và nó sẽ phát ra tia hồng

ngoại. Nếu có 1 vật phản xạ mầu trắng thì năng lượng hồng ngoại sẽ phản hồi lại

và tạo một dòng cao hơn đi qua linh kiện nhận, do đó điện áp trên IRS0 sẽ hạ

xuống. Nếu vật phản xạ có mầu đen, hoặc mầu sẫm hơn thì điện áp trên IRS0 sẽ



7



nâng lên.



Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phân biệt vạch dẫn đường.



IR Sensor điều biến

Độ chính xác của sensor hồng ngoại được miêu tả trên phần trước bị ảnh hưởng

rất nhiều bởi ánh sáng môi trường. Mức điện áp trên đầu ra của sensor IR không chỉ

phụ thuộc vào cường độ ánh sáng phản xạ mà còn bị thay đổi bởi điều kiện ánh sáng

môi trường.

Để giảm bớt sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường, ta dùng 1 sensor hồng

ngoại điều biến thay vì sensor IR thơng thường.

Trong hệ thống sensor IR điều biến, linh kiện phát được bật và tắt bởi 1 đồng

hồ. Tín hiệu nhận được sau đó đi qua 1 mạch khuếch đại một chiều DC như trên hình

vẽ dưới đây. Tụ C2 trong mạch sẽ chặn dòng DC ra khỏi tín hiệu đi qua bộ khuếch đại

này. Chỉ có phần xoay chiều của tín hiệu thay đổi tương ứng với tia hồng ngoại phản

xạ phát ra từ bộ phát là được khuếch đại và tích hợp vào mức 1 chiều ở đầu ra của

mạch. Như vậy mức ra của mạch chỉ phụ thuộc vào tia hồng ngoại mà khơng phụ

thuộc vào ánh sáng mơi trường.



8



Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều biến.



2.2 Hệ thống truyền động

2.2.1 Định nghĩa

Hệ thống truyền động được ví như là chân, tay của robot vậy. Robot di chuyển,

cầm, nắm,...... đuợc là do có hệ thống truyền động. Hệ thống truyền động các bánh xe,

động cơ bao gồm động cơ bước (Stepper Motor) động cơ 1 chiều (DC Motor) động cơ

trợ động (Servo Motor)… ; dây truyền động: dây cuaroa, dây xích (xên nhơng dĩa),

dây kéo, ròng rọc và các vật dụng cơ khí khác.

2.2.2 Các loại động cơ

Có 3 loại động cơ chính :

-



Động cơ 1 chiều (DC Motor).



-



Động cơ bước (Stepper Motor).



-



Động cơ trợ động (Servo Motor).



 Động cơ 1 chiều (DC Motor)



Hình 2.6: Động cơ Planet



Động cơ một chiều có cấu tạo từ hai bộ phận: Bộ phận đứng yên cấu tạo từ

nam châm vĩnh viễn đuợc gọi là Stato và bộ phận quay được cấu tạo từ một nam châm

nhận tạo có cấu tạo từ một cuộn dây đồng có lõi là một thanh kim loại đuợc gọi là

Roto. Động cơ có thể xoay theo chiều thuận hoặc chiều nghịch của kim đồng hồ. Có

gắn thêm Encoder để đếm số vong xoay của động cơ.



9



Hình 2.7: Động cơ quay theo chiều kim đồng hồ.



Xét hoạt động của DC motor:





Như hình trên ta thấy rằng khi cho dòng diện một chiều (tuyệt đối ko dùng

điện xoay chiều) đi qua motor sẽ khiến cho motor quay như trên hình.



Hình 2.8: Động cơ quay theo chiều ngược kim đồng hồ.



Khi ta đảo hai cực của dòng điện thì ta sẽ sẽ đuợc hiện tượng như hình trên, đó là động

cơ sẽ quay theo chiều hoàn toàn ngược lại so với hình truớc đó. Qua đó ta có thể rút

đuợc kết luận như sau:

- Động cơ DC cho dòng diện một chiều chạy qua và làm quay phần Roto dẫn đến

motor quay, nếu ta đổi chiều dòng điện thì motor sẽ quay theo chiều ngược lại. Do đó

ta có thể điều chỉnh được hướng quay của DC Motor. Đặc tính kĩ thuật của hầu hết

động cơ DC là tốc độ quay (vòng/phút) cao và moment ngẫu lực thấp. Nhưng mà hầu

hết robot cần tốc độ quay chậm và moment ngẩu lực cao. Do đó một hộp số có thể

được lắp vào DC Motor nhằm giảm tốc độ quay và tăng moment ngẫu lực. Trên hộp số

thường ghi rõ thì số truyền động giữa trước và sau hộp số, ví dụ tốc độ quay của một

DC Motor là 1000 vòng/phút đuợc gắn vào 1 hộp số 1000:1. Có nghĩa là tốc độ quay



10



của đầu ra hộp số đuợc 1/1000 của tốc độ DC Motor khi chưa gắn hộp số. Vận tốc hộp

số = Vận tốc DC Motor/1000 = 8000/1000 = 8 vòng/phút.

Chú ý: Điện áp V và dòng I khơng nên vượt quá giá trị được ghi trên motor, nếu

không motor sẽ bị hỏng. Tuy nhiên nếu ta đặt một điện áp thấp hơn V hoặc một dòng

điện thấp hơn I, thì tốc độ và độ chịu tải của motor sẽ giảm theo.

- Điều khiển chiều quay của DC Motor:

Trong phần này ta xét 2 cách điều khiển phổ biến nhất đa số đuợc các đội

Robocon sử dụng.





Điều khiển chiều DC Motor bằng mạch cầu H: Mạch cầu H rất được nhiều đội

thi Robocon sử dụng bởi tỉnh đơn giản của nó, sở dĩ nó có tên mạch cầu H vì sơ

đồ của nó có hình chữ H:



Hình 2.9: Mạch cầu H.



Trước hết ta xét trường hợp xoay thuận của DC Motor, ta lấy một ví dụ: Trong

đoạn mạch dưới đây, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem những

transistor Q1, Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điện

đến mass, một chiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ khơng thể qua đựơc do đó người ta

sẽ khơng thể đi qua các điển Q1, Q2, Q3, Q4. Khi mà nhà nước nghe tin cầu gẫy thì sẽ

cho kĩ sư sữa cầu đến sữa cầu bằng đường “thuận” và theo đường “thuận” chỉ sữa được

những điểm Q1, Q4.Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q1,Q4 do đó người



11



ta có thể đi từ nguồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q1 Q4 Mass .

Bây giờ trở lại thực tế.Ta thay thế người điqua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầu

gãy Q1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V được

truyền đến theo đường dây “thuận”, đường thuận là đuờng dây màu đen, như đã mô

phỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thơng sẽ chay qua motor làm motor

quay:

Bây giờ, ta xét trường hợp xoay nghịch của DC Motor, cũng trong đoạn mạch

trên, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem những transistor Q1,

Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điện đến mass, một

chiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ khơng thể qua đựơc do đó người ta sẽ không thể đi

qua các điểm Q1, Q2, Q3, Q4. Khi mà nhà nước nghe tin cầu gãy thì sẽ cho kĩ sư sữa

cầu đến sữa cầu bằng đường “nghịch” và theo đường “nghịch” chỉ sữa được những

điểm Q2,Q3. Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q2, Q3 do đó người ta có

thể đi từ nguuồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q2 Q3 Mass. Bây

giờ trở lại thực tế. Ta thay thế người đi qua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầu gãy

Q1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V được

truyền đến theo đường dây “nghịch”, đường dây nghịch là những đường màu đỏ, như

đã mơ phỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thông sẽ chay qua motor làm

motor quay. Đó là cách mà mạch cầu H – Brigh hoạt động.





Điều khiển DC Motor bằng Role (Relay):



Role (Relay) là một IC đựơc cấu tạo bởi 1 mạch điện có 1 đoạn mạch nối với 1 cái bản

lề đuợc mở hoặc đóng nhờ 1 một cuộn dây nam châm.



Hình 2.10: Rơ le và sơ đồ nguyên lý.



Nguyên lí hoạt động là cuộn dây khi có dòng diện sẽ hút các thanh (mình nghĩ là sắt

nên nó mới hút đựơc) kim loại về phía cuộn dây lập tức 2 thanh kim loại này sẽ rời bỏ



12



2 đầu dây cũ và tiếp xùi 2 đầu dây khác:

- Ta xét hình thứ 1:



Hình 2.11: Cuộn nam châm chưa có dòng điện đi qua.



Lúc này khi chưa có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm (2 cực đều là x ), các thanh

kim loại (thanh màu đen ấy ) đều nối đầu 1 đến đầu a , đầu 2 đến đầu c, do vậy dòng

điện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu a và đầu 2 đến đầu c.

- Ta xét hình thứ 2:



Hình 2.12: Cuộn nam châm có dòng điện đi qua.



Lúc này đã có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm và cuộn dây sẽ hút các thanh kim

loại về phía cuộn dây, do đó các thanh kim loại lúc này sẽ nối từ đầu 1 đến dầu b và

đầu 2 đến đầu c, do vậy dòng điện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu b và đầu 2 đến đầu c.

Qua nhưng gì bạn đã thấy ở trên thì chúng ta kết luận rằng: nguyên lý hoạt động của

Role là biến đổi dòng điện thành từ trường thơng qua quộn dây, từ trường lại tạo thành

lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở cơng

tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động.

Ứng dụng Role vào mạch điều khiển chiều quay cho DC Motor:



13



Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý.



Ta xem đoạn mạch trên có 2 đoạn dây cần nối với nhau là dây ROLE1 nối với

dây ROLE1 và dây PWM1 nối với dây PWM1.dây role là dây điều khiển tín hiệu

chiều của động cơ.Nếu dây ROLE1 chuyền đến tín hiệu 12V thì động cơ quay chiều

thuận.Nếu ROLE1 chuyền đến tín hiệu < 11 V thì Motor quay theo chiều nghịch,Dây

PWM1 là chuyện tínhiệu xung để điều khiển vận tốc của động cơ, cái này thì mình sẽ

nói sau. Ngồi ra trên mạch còncó IRF540 con FET này dùng để bảo vệ cho Role mổi

khi xoay chiều (con này bắt buộc phải có). - Như vậy chúng ta đã được biết 2 cách

phổ biến nhất đến điều khiển chiều quay của động cơ rồi.

 Động cơ bước (Stepper Motor)



Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt

gọi là động cơ bước. Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng

khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động

cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế

tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả

năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết.

Như hình 2.14 minh họa: Bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp

theo cặp đối xứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước

hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường: Các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực

khác dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường

này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dòng thay đổi thì

cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo

chiều).



14



Hình 2.14: Bên trong động cơ bước.



Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều

khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định. Tổng số góc quay

của Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của

Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây

Stator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một

góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Ở đây ta có thể định nghĩa về góc

bước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.

Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor

sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc).



Hình 2.16: Cấu tạo của động cơ bước.



15



Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện hay thiết bị số

(Digital Device) mà ở đó các thơng tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành

chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã

số hóa mà máy tính u cầu.

.



Hình 2.16: Một xung tương ứng với một bước của rơto (1 xung – 1 bước).



Hình 2.17: Mơ tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước.



Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước khơng có cuộn

dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơ

bước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc khơng được kích thích (Rotor thụ

động).

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:



16



Hình 2.18: Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator.



Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây Stator

theo từng cuộn riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số cũng như chiều của

lực điện từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần. Do đó vị trí

Rotor của động cơ bước trong khơng gian, hồn tồn phụ thuộc vào phương pháp cung

cấp điện cho các cuộn dây:



Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Roto 2 cực và các lực điện từ

khi điều khiển bằng xung 1 cực.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ROBOT

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×