Luận văn Thiết kế robot di động

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 1 Từ thế kỷ 20 nhân loại đã chứng kiến cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ trên tồn thế giới. Đặt trưng của cuộc cách mạng này là kỹ thuật máy tính, cơng nghệ thơng tin và tự động hĩa. Trong đĩ cơng nghệ tự động hĩa đĩng một vai trị quan trọng trong mọi lĩnh vực ứng dụng và phát triển. Việc ứng dụng cơng nghệ tự động hĩa mang lại những lợi ích to lớn về nhiều mặt như : cải thiện sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất, đĩng vai trị tích cực trong việc gìn giữ và bảo vệ mơi trường. Một trong những ứng dụng tự động hĩa là cơng nghệ chế tạo robot.Robot phát triển mạnh vào những thập niên 80. với hàng loạt các loại robot được ra đời với những tính năng đặc biệt.Ngày nay robot đĩng 1 vai trị hết sức quan trọng trong sản xuất thay thế cho sức lao động của con ngươi, thay thế con người làm những cơng việc cĩ tính chất nguy hiểm như các robot thám hiểm vũ trụ,các hành tinh mới,những cơng việc trong hầm mỏ,và các mơi trường độc hại… Trong cơng nghiệp hiện nay việc sử dụng robot để vận chuyển hàng hĩa từ nơi này tới nơi khác bằng việc thiết lập những đường vạch trong nhà máy hoặc con người cĩ thể gồi tại chỗ điều khiển cho robot làm việv theo đúng yêu cầu của mình. Để đáp ứng nhu cầu thực tế như trên nên em đả nhận đề tài luận văn tốt nghiệp là: THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG robot cĩ thể đi theo một ma trận và cĩ thể điều khiển từ xa.Robot cĩ thể chánh những trướng ngại vật khi đụng phải trên đường đi. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 2 PHẦN I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .CÁC BỘ CẢM BIẾN.ĐỘNG CƠ DC.VÀ HỌ VI XỬ LÝ AT89C51 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI: I.Mục đích chế tạo robot : ROBOT được nghiên cứu và sản xuất chế tạo theo từng ứng dụng khác nhau mà hình dáng kích thước của robot vì thế mà khác nhau.. Thơng thừơng Robot được chế tạo để thay thế sức lao động của con người . Từ những cơng việc nhỏ như dọn dẹp nhà cửa trơng coi nhà cho tới những cơng việc nghiên cứu thám hiểm vũ trụ……vv Đặc biệt trong sản xuất cơng nghiệp hiện nay việc chế tạo robot dần thay thế sức lao động của con người. Đặc biệt là trong nhưng cơng việc làm trong mơi trường ơ nhiểm hay độc hại thì việc ứng dụng robot vào là một nhu cầu cần thiết. Nhất là trong những cơng việc mang tính lặp đi lặp lại cơng việc cụ thể thì robot cĩ thể làm việc rất là chính xác. Phân loại robot theo tính năng Một cách sơ lược, cơng nghệ robot được phân làm 3 nhánh chính theo tính năng robot: - Robot di động (mobile robot): là các robot mà trong đĩ nhiệm vụ chủ yếu của nĩ là di chuyển, định vị ,tìm đường đi tối ưu, và vẽ lại bản vẽ. - Tay máy (manipulator): là các robot hoạt động như những cánh tay con người. Động từ manipulate trong tiếng Anh nghĩa là điều khiển cánh tay, I manipulate my arm! Do đĩ, một con robot hoạt động như một cánh tay con người để cầm nắm, sắp xếp, di chuyển, tương tác với đồ vật được gọi là một tay máy (manipulator) - Haptics (tay điều khiển từ xa): Khái niệm này dường như rất khĩ dịch trong tiếng Việt, đĩ là khi con ngừơi tương tác với các vật thơng qua một hệ thống trung gian. Một đầu bên kia là một robot, hoặc một thiết bị nào đĩ, đầu cịn lại, con người cầm nắm và điều khiển. Thì ci thiết bị mà con người cầm nắm trực tiếp đĩ, được gọi là haptic devices. Trong một hệ thống như vậy, luơn luơn cĩ hai thành phần, thành phần master = haptics, thành phần slave = robot. Mục tiêu của hệ thống là làm sao để haptics di chuyển một đoạn P thì slave di chuyển một đoạn alpha*P, và khi slave nhận một lực F thì haptics cũng tạo ra một lực beta*F trn tay người điều khiển, hoặc ngược lại. Haptics được kể ở đây là một cách quan niệm haptics cũng là robot. Nhưng đối với em, haptics khơng phải là robot (theo quan niệm của em), khi nào đi đến vấn đề này, em sẽ nĩi thêm. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 4 Rất khĩ để cĩ thể hiểu được về robot một cách đầy đủ và tồn vẹn, bởi vì sự 1phat triển 00a cơng nghệ robot là một sự phat triển mạnh mẽ và lin tục. Theo thời gian, khi niệm và định nghĩa cũng dần thay đổi, phụ thuộc vào trình độ phát triển khoa học kỹ thuật Tuy vậy! khái niệm robot cĩ thể được hiểu một cách nơm na là sự tự động hố, cũng giống như khi người ta biết đến từ ngữ robot vậy. Trong cơng nghệ robot, cĩ thể phân chia cơng nghệ robot thành hai lĩnh vực chính. Một là các robot tay máy, các robot này được đặt cố định và thực hiện một số nhiệm vụ nào đĩ. Ứng dụng của các robot này cĩ thể được thấy rõ nhất là cánh tay máy trong cơng nghiệp. Hai là các robot di động, nĩ là sự phát triển của robot tay máy khi nĩ cĩ thể tự di chuyển đến các vị trí khác nhau và thực hiện các tác vụ khác nhau. Người ta vẫn cĩ thể phân chia robot thành nhiều nhĩm khác nhau, dựa vào “trí thơng minh” của nĩ. Một số robot khơng thể tự lập trình lại được, chỉ cĩ thể thực hiện các tác vụ nhất định, một số khác cĩ khả năng tái lập trình dưới sự giúp đỡ của con người. Chúng được xếp vào loại robot thơng dụng. Những ứng dụng của chúng rất phong phú, nhưng đây khơng phải là hướng mà con người muốn hướng tới. Con người mong muốn robot phải thơng minh hơn, giống con người hơn, bởi vì con người là lồi duy nhất trên trái đất này cĩ ý thức. Chính vì vậy, khơng chỉ cĩ khả năng tái lập trình, mà robot ngày nay cũng được trang bị những khả năng tự ra quyết định, hay cao hơn nữa là khả năng tự học hỏi và tự điều khiển. Hoặc thậm chí, con người cũngn muốn robot cĩ thể biểu lộ được cảm xúc như con người, một vấn đề mà ngay cả con người vẫn chưa hiểu rõ bản thân mình. Cũng cĩ cách phân chia khác dựa vào các ứng dụng của nĩ, ví dụ như robot cơng nghiệp, robot phục vụ trong gia đình, robot thương mại…đây là cách phân chia dễ hiểu nhất đối với mọi người. Và tất nhiên, cũng cĩ rất nhiều cách phân chia cơng nghệ robot để cĩ thể nghiên cứu, và thiết kế mà khơng thể kể hết ra đây. Mặc dù vậy, để phục vụ việc nghiên cứu và phát triển cơng nghệ robot, người ta thường dùng hai cách phân chia đầu tiên.Như em đã trình bày ở trên… LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 5 II.Sơ đồ tổng quát điều khiển robot 1. NgườI điều khiển Robot. từ remote của bộ điều khiển từ xa. khi nhận được tín hiệu điều khiển từ xa thì robot sẽ phụ thuộc hồn tồn tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa. Bộ điều khiển từ xa là bộ phát tín hiệu radio 4 lệnh. Trong chương trình lập trình cho robot em quy định: Phím D quy định cho Robot chạy lùi Phím C quy định cho Robot quay trái Phím B quy định cho Robot quay phaỉ Phím A quy dịnh cho robot chạy thẳng Ngồi việc điều khiển từ xa cho robot ngườI điều khiển robot cần thiết lập các lộ trình cho robot chạy bằng việc nhập các mã phím từ bộ nhập là phím số Hex. Việc nhập phím để chọn lộ trình cho robot. ứng vơi 1 phím nhấn từ bàn phím sẽ cĩ một lộ trình. NGƯỜI ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ROBOT DI ĐỘNG KHỐI CẢM BIẾN VẬT CẢN KHỐI CẢM BIẾN DỊ VẠCH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 6 Cấu tạo của bàn phím số HEX và cách giao tiếp VỚI VI XỬ LÝ qua port1: 2.KHỐI CẢM BIẾN DỊ VẠCH: cảm biến sử dụng cho robot là PHOTOTRANSISTOR Khối bao gồm 2 board mạch , MẠCH DỊ VẠCH và MẠCH LÁI hai mạch này giống nhau về sơ đồ nguyên lý, nhưng nhiệm vụ khác nhau về chức năng. Mạch dị vạch sẽ điều khiển cho robot chạy theo đúng vạch. Mạch lái giúp robot quay trái và quay phảI Khối giao tiếp với vi xử lý qua P0. MẠCH DỊ VẠCH. giao tiêp qua P0 từ P0.0 ->P0.4 MẠCH LÁI . giao tiêp qua P0 từ P0.5 ->P0.7 Sơ đồ nguyên lý của khối em sẽ trình bày ở phần phụ lục cuối sách. 3. khối cảm biến vật cản: Nhờ khối này mà robot cĩ thể phát hiện cĩ vật cản phía trước khi robot đụng phải. Khối này gồm 2 cơng tắc hành trình được bố trí phía trước của thân robot Khối vật cản giao tiếp với vi xử lý qua chân P3.5 0 V P3.5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 7 4.KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 4.1.Bộ thu: là khối tích hợp sẵn sử dụng IC PT2272 . IC PT2272 được sản xuất theo cơng nghệ CMOS.Tiêu thụ nguồn thấp.sự chống nhiễu tốt.với 12 chân mã hố địa chỉ.cho phép mã hố tới 2^13 địa chỉ.bằng cách đĩ nĩ giảm đi một vài điểm mã hố bị xung đột. 6 chân dữ liệu. Nhưng dữ liệu đầu ra chỉ được chốt tạm thời.Với khoảng điện áp cung cấp rộng từ 4VDC -> 15VDC. Tạo tín hiệu giao động bằng điện trở. Bằng cách mắc 1 điện trở R=1M vào 2 chân 15 và 16.Loại IC này rất phổ biến trong các ứng dụng điều khiển các thiết bị từ xa.khối mạch nhận tín hiệu từ khối phát và giải mã đễ đưa ra các chân ngõ ra của ICpt2272. và từ ngõ ra này của IC này đưa vào khối xử lý để điều khiển robot. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 8 Sơ đồ mạch thu của bộ thu sử dụng IC 2272 Các họ IC thu sĩng vơ tuyến 18 pin: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 9 4.2.Bộ phát: là khối tích hợp sẵn sử dụng IC PT2262.khối truyền dữ liệu đi trên sĩng mang .tới khối thu. IC này được ứng dụng rất rộng trong các thiết kế remote.một trong những ứng dụng đĩ là bộ phát RF với IC PT2272. Các đặ tính của IC PT2262.Tiêu tốn ít nguồn ,tính ổn định cao,chống nhiễu cao. tầm áp cấp rộng từ 4VDC->15VDC. Tín hiệu giao động bằng điện trở.bằng cách mắc 1 điện trở R=4.7M vào chân số 15 và 16 của IC. Chân số 17 của IC là chân truyền tín hiệu của IC.IC mã hố dữ liệu và địa chỉ từ các chân địa chỉ và dữ liệu.và nĩ sẽ truyền một chuỗi dữ liệu này lên sĩng mang RF.IC PT2262 cho phép mã hố 12 bit địa chỉ.do đĩ cĩ thể cĩ 2^13 địa chỉ được mã hĩa. Mạch nguyên lý remode truyền dữ liệu 4 lệnh LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 10 PT2262 cĩ thể mở rộng để cĩ thể tăng thêm kênh truyền: DướI đây là sơ đồ nguyên lý của mạch truyền DATA 6 lệnh. sơ đồ nguyên lý của mạch truyền DATA 6 lệnh 5.Khối Robot: Robot thực hiện các cơng việc theo nhu cầu của đề tài: + Điều khiển từ xa bằng sĩng vơ tuyến + Chạy tự động bám vạch + Phát hiện vật cản. THÂN ROBOT: Vật liệu được em chọn làm thân robot là nhơm, kích thước thân robot 20x30x20, thân robot được thiết kế phù hợp để bố trí các thiết bị như các bộ cảm biến quang, nguồn nuơi (acquy),các board mạch điều khiển ,mạch điều khiển từ xa, mạch nguồn,bàn phím , động cơ … LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 11 ĐỘNG CƠ: Động cơ em chọn để điều khiển robot là cặp động cơ cùng cơng suất 12V DC cĩ gắn bộ giảm tốc ,cơng suất của một động cơ là 15W. Phần sau em sẽ trình bày sâu hơn về động cơ CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG: Động cơ liên kết hệ truyền động bánh xe bằng dây xích CÁCH BỐ TRÍ CÁC CẢM BIẾN TRÊN BOARD DỊ VẠCH VÀ LÁI: CHƯƠNG II: CẢM BIẾN I.Giới thiệu chung: Các bộ cảm biến đĩng vai trị cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng khơng điện , chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thơng tin về hệ thống đo lường điều khiển , giúp ta nhận dạng , đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng. Cĩ thể vì vai trị của các bộ cảm biến đối với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các giác quan đối với cơ thể sống. Một số bộ cảm biến cĩ cấu trúc tương đối đơn giản, nhưng xu hướng chung ngày nay là triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, các cơng nghệ mới trong điện tử và tin học , của lý thuyết điều khiển hiện đại,nhằm tạo ra các bộ cảm biến thơng minh và linh họat. Đĩ là các bộ cảm biến đa chức năng , cĩ thể lập trình, cho phép đo với độ nhạy và độ chính xác cao, cĩ thể tự động thay đổi 3Cm 4,5 Cm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 12 thang đo, tự động bù các ảnh hưởng của nhiễu, đo từ xa , tự động xử lý kết qủa đo… Các bộ cảm biến ngày nay được xem như một phần tử, được xản xuất hàng lọat và cĩ mặt rộng rãi trên thị trường , bao gồm một chuyển đổi đo lường sơ cấp đặt trong vỏ bảo vệ, cĩ hình dáng và kích thước phù hợp với đối tượng. Các chuyển đổi đo lường sơ cấp họat động theo các hiệu ứng vật lý. Độ nhạy và độ chính xác của các bộ cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chuyển đổi của các hiện tượng vật lý. Ngịai tên thường dùng là bộ cảm biến , người ta cịn gọi chúng là đầu đo, đầu dị, hay sensor. Kỹ thuật cảm biến là kỹ thuật đa ngành cĩ liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật điện , điện tử , hĩa học, nhiệt học , cơ học và các lĩnh vực của vật lý như: Bán dẫn , quang học hạt nhân … 1.Cảm Biến Quang: 1.1.Khái niệm cơ bản về ánh sáng: ánh sáng cĩ bản chất sĩng và hạt . dạng sĩng ánh sáng là sĩng điện từ phẳng.Tại mỗi điểm trong khơng gian vectơ cường độ điện trường E, cường độ từ trường H và phương truyền sĩng , là thành một tam diện thuận Anh sáng lan truyền trong chân khơng với vận tốc v =299792Km/s .Trong vật chất ánh sáng cĩ vận tốc v = c /n , n là triết xuất của mơi trường . giữa tần số  và bước sĩng  của ánh sáng liên hệ bằng biểu thức :  = v/ . trong chân khơng :  = c/ . Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Ánh sáng gồm các hạt nhỏ photon cĩ năng lượng phụ thuộc duy nhất vào tần số qua biểu thức: W=h. h : hằng số planck. Bước sĩng ngưỡng của ánh sáng cĩ thể gây nên hiện tượng giải phĩng điện tử được tính bằng biểu thức : max =hc/W1 W1: là năng lượng liên kết các hạt LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 13 nĩi chung lọai điện tích được giải phĩng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng. Khi chiếu sáng chất điện mơi và bán dẫn tinh khiết , các điện tích được giải phĩng là cặp điện tử , lỗ trống . hiện tượng giải phĩng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu . đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang. 1.2.Các đơn vị đo quang: 1.2.1. đơn vị đo năng lượng -năng lượng bức xạ quang Q: là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, và đo bằng jun ( J). -Quang thơng  : là cơng suất phát xạ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oat (W) là đại lượng đặc trưng cho nguồn quang :  = dQ/dt Cường độ ánh sáng I : là quang thơng phát ra theo một hướng dưới một đơn vị gĩc khối, cĩ đơn vị là W/steradian : I = d/d Độ chĩi năng lượng L : là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu vuơng gĩc của phần tử bề mặt dAn, cĩ đơn vị là W/steradian.m L =dI/dAn -độ rọi E : là tỷ số giữa quang thơng thu được bởi một phần tử đĩ, cĩ đơn vị là W/m.m : E =d/dAn Là đơn vị đặc trưng cho mặt được chiếu sáng. Đơn vị đo quang cơ bản Đại lượng quang Đơn vị thi giác Đơn vị năng lượng Quang thơng Cường độ Độ chĩi Độ rọi Lumen (lm) Candela (cd) Candela/metvuong Lux (lx) Oat (W) Oat/Sr (W/Sr) Oat/Sr.m.m Oat/m.m LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 14 Năng lượng Lumen.s (lms) Jun (J) 1.3.nguồn sáng : nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ. Việc sử dụng các cảm biến quang chỉ thực sự cĩ hiệu quả khi nĩ phù hợp với bức xạ ánh sáng: dưới đây giới thiệu tĩm tắt về các nguồn sáng thơng dụng. 1.3.1.đèn sợi đốt đèn cĩ cấu tạo gồm một sợi wonfram đặt trong bĩng thủy tinh hoặc thạch anh chúa các khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt 1.3.2. diode phát quang: LED là nguồn sáng bán dẫn trong đĩ năng lượng giải phĩng do tái hợp điện tử , lỗ trống gần chuyển tiếp P-N của diode sẽ làm phát sinh cac photon. 1.3.3.laser:µ phát ánh sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích…… II.Ứng dụng Cảm biến Quang điện trong đề tài: Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thường được sử dụng như một khĩa chuyển mạch đĩng , cắt mạch điện khi cĩ mặt hoặc khơng cĩ mặt đối tượng cần phát hiện. Tĩm tắt so sánh các bộ cảm biến quang điện TT Lọai bộ cảm biến Độ nhạy Dải phổ 1 2 3 4 Tế bào quang điện Photodiode Phototranzito Tế bào quang điện chân khơng 0.1->10 A/W 0.1->1 A/W 1->100 A/W 10->100mA/W 0.3->30µm 0.4->1.2µm 0.4->1.2µm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 15 CHƯƠNG III : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Động cơ một chiều (cịn gọi là động cơ DC) thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động cần thay đổi tốc độ khởi động, hãm và đảo chiều. một số ứng dụng của động cơ một chiều như chuyền động cho xe điện, máy cơng cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền (trong cơng nghiệp giấy) I.Đặc tính tĩnh của động cơ một chiều Hình 4.1 giới thiệu các loại động cơ DC thơng dụng, bao gồm động cơ DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ tổng hợp. Với động cơ DC kích từ độc lập, dịng phần ứng và dịng kích từ cĩ thể điều khiển độc lập với nhau. Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp. Vì vậy, với loại động cơ này, dịng phần ứng hoặc dịng kích từ chỉ cĩ thể điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ. Tuy nhiên, đây là cách điều khiển cĩ hiệu suất thấp. Với động cơ kích từ nối tiếp, dịng phần ứng cũng là dịng kích từ, và do đĩ, từ thơng động cơ là một hàm của dịng phản ứng. Với động cơ kích từ hổn hợp, cần đấu nối sao cho sức từ động của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 16 Mạch tương đương ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều được trình bày ở hình4.2, điện trở Rư biểu thị điện trở phần ứng. Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song, điện trở này là điện trở phần ứng. Đối với động cơ kích từ nối tiế p hoặc động cơ kích từ hổn hợp, Rư là tổng điện trở của cuộn phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp. Hình 4.2: Mạch tương đương chế độ tĩnh của động cơ DC - + V Iư + -- E = k. Rư Iư + - - + A1 A2 + - F1 F2 Ikt (b) Kích từ song song Vkt V Iư + - - + A1 A2 + - F1 F2 Ikt (a) Kích từ độc lập (c) Kích từ nối tiếp - + A1 A2 V Iư + - S1 S2 F2 F1 (d) Kích từ hổn hợp - A2 V + - A1 Iư S1 S2 + Hình 4.1 Các loại động cơ một chiều thơng dụng LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 17 Phương trình cơ bản của động cơ một chiều là: E = K (4-1) V= E + RƯIƯ (4-2) M = KIƯ (4-3) Trong đĩ: - : từ thơng trên mỗi cực (Wb) - Iư: dịng phần ứng (A) - V: điện áp phần ứng (V) - RƯ: Điện trở phần ứng () -  : tốc độ động cơ (rad/s) - M : momen do động cơ sinh ra (Nm) - K : hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ Từ cơng thức (4-1) - (4-3), ta cĩ: ư ư I K R K V     (4-4) Hoặc:   M K R K V 2 ư     4-5) Lưu ý là các cơng thức (4-1) đến (4-5) cĩ thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể ở trên. Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì khơng đổi, cĩ thể giả thiết rằng từ thơng động cơ khơng đổi khi momen dộng cơ thay đổi. Khi đĩ ta cĩ: K = constant (4-6) Như vậy theo (4-5), đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng, như vẽ trên hình 4-3. Tốc độ khơng tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp V và từ thơng kích từ K. Tốc độ động cơ suy giảmkhi momen tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư. Trong thực tế, do phản ứng phần ứng, từ thơng động cơ giảm khi momen tăng, dẫn đến tốc độ động cơ suy giảm ít hơn là tính tốn theo cơng thức (4-5). Với momen lớn, từ thơng cĩ thể suy giảm đến mức độ dốc đặt tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động khơng ổn định. Vì vậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 18 giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng. Với động cơ cơng suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi khơng tải khoảng 50%. Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thơng  là một hàm của dịng phần ứng. Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hĩa, cĩ thể xem là từ thơng tỷ lệ bậc nhất với dịng phần ứng, nghĩa là :  = KktI (4-7) Thay (4-7) vào (4-1),(4-4) và (4-5), ta được : M = KKktI2ư (4-8) kt ư ưkt KK R IKK V  (4-9) kt ư kt KK R M 1 KK V  (4-10) Lưu ý là Rư lúc này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở cuộn kích từ. Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ trên hình 4.3. Cĩ thể thấy rằng tốc độ động cơ suy giảm nhiều theo momen tải. Tuy nhiên trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại các cánh chỏ (knee- point) của đặt tính từ hĩa khi mang tải định mức. Với tải trên định mức, mạch từ động cơ bảo hịa, khi đĩ từ thơng  khơng thay đổi nhiều theo dịng tải Iư dẫn đến đặt tính cơ tiệm cận với đường thẳng. (a) (b) (c) Hình 4.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DC M(%Mđm) 100 100  (%đm) (a) Động cơ DC kích từ độc lập (b) Động cơ DC kích từ nối tiếp (c) Động cơ DC kích từ hỗn hợp LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 19 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng địi hỏi momen khởi động cao và cĩ thể quá tải nặng. Với momen tải tăng, từ thơng động cơ cũng tăng theo. Như vậy với cùng một lượng gia tăngcủa momen như nhau, dịng phần ứng Iư của động cơ một chiều kích từ nố tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập. Do đĩ, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập. Theo cơng thức (4.10) , tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của momen. vận tốc động cơ khi khơng tải cĩ thể tăng lên rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và cĩ thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức. Điều này là khơng cho phép với máy điện–thường chỉ cho phép hoạt động gấp 2 lần tốc độ định mức. Do đĩ, động cơ kích từ nối tiếp khơng được dùng với các ứng dụng trong đĩ momen tải cĩ thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt quá mức giới hạn cho phép. Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp cĩ dạng như biểu diễn trên hình 4.3. Tốc độ khơng tải của động cơ phụ thuộc vào dịng kích từ qua cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song và cuộn nối tiếp. Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần cĩ đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ khơng tải ở một giá trị giới hạn thich hợp. Cũng cần lưu ý các đặc tính cơ đề cập trên hình 4.3 là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nghĩa là các đặc tính này nhận được khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thơng định mức, và khơng cĩ điện trở phụ nào trong mạch phần ứng hoặc kích từ. II.Sơ lược về các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều Từ cơng thức (4-5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ–momen động cơ, cĩ thể thấy rằng tốc độ động cơ cĩ thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau: 1.Điều khiển điện áp phần ứng 2.Điều khiển từ thơng 3.Điều khiển điện trở phần ứng LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 20 1.Điều khiển điện áp phần ứng Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ được vẽ trên hình 4.4(a) và (b). Các đặc tính này suy ra từ cơng thức (4-5) với điện áp V thay đổi. Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ cĩ thể làm việc tại bất kì tốc độ, momen nào nằm giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục momen. Vì điện áp phần ứng chỉ cĩ thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Tính chất quan trọng của phương pháp này là độ cứng đặc tính cơ khơng thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh. Điều này khiến hệ cĩ khả năng đáp ứng với tải cĩ momen hằng số vì dịng phần ứng cực đại cho phép Iưmax- tương ứng với nĩ là momen tải cực đại cho phép–của động cơ khơng đổi với mọi tốc độ. Điện áp phần ứng động cơ cĩ thể đươc điều khiển bằng cách sử dụng: - Máy phát DC (Hệ Máy phát- Động cơ) - Bộ chỉnh lưu cĩ điều khiển (AC DC) - Bộ Chopper (Bộ biến đổi xung áp) (DC DC) Giảm  V=const Giảm V =const Đặc tính cơ tự nhiên Giảm  V=const Giảm V =const (a)Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối tiếp Hình 4.4 : Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ DC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP : THIẾT KẾ ROBOT DI ĐỘNG 21 2. Điều khiển từ thơng Điều khiển từ thơng được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn tốc độ định mức. Cĩ thể thấy điều đĩ qua cơng thức (4-5). Đặc tính tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều khiển từ thơng được biểu diễn lần lượt trên hình 4.4 (a) và (b) bằng các đường nét đứt. Lưu ý là độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh