Đồ án Tìm hiểu và đưa ra mô hình điều khiển động cơ bước, ứng dụng phục hồi robots tự hành

ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………..……………….. Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo viên chấm (Ký ghi rõ họ tên) ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ................................................. 4 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC .............................................. 4 1.1.1 Vai trò của động cơ bước ........................................................ 4 1.1.2 Cấu tạo của động cơ bước ....................................................... 4 1.1.3 Hoạt động................................................................................. 5 1.1.4 Ứng dụng ................................................................................. 6 1.1.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước ................................... 6 1.1.6 Một số loại động cơ bước ........................................................ 7 1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN ............................ 11 1.2.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp ........................................... 11 1.2.2 Xác định bài toán và giới hạn của đề tài .............................. 12 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................. 14 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG ............................ 14 2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH .................................................................. 15 2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG .............................................. 15 2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC MODULE .................................. 16 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể ....................................................... 16 2.4.2 Module điều khiển ................................................................. 16 2.4.3 Module động cơ ..................................................................... 17 2.4.4 Module hiển thị ...................................................................... 19 2.4.5 Module cảm biến ................................................................... 19 2.4.6 Module nguồn ........................................................................ 20 2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN .............................................................. 20 2.5.1 Khối điều khiển ..................................................................... 21 2.5.2 Khối nguồn ............................................................................ 23 2.5.3 Khối hiển thị: ......................................................................... 24 2.5.4 IC đệm dòng ULN2803: ........................................................ 25 2.6 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ...................................................................... 27 2.7 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN .................................................................. 28 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ................................................ 29 3.1 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ............................................................. 29 3.1.1 Chương trình nạp vào vi điều khiển AT89C52 .................... 29 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................ 34 3.3 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG ........................................................... 35 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ............................................... 35 3.3.2 Sơ đồ mạch in ........................................................................ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 38 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led ma trận, một đồng hồ thời gian thực….đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển robot, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí... các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của các hệ thống nhúng. Với mong muốn giới thiệu những ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúng trong đời sống hiện đại và để mọi người biết đến một vài ứng dụng cụ thể cũng như tầm quan trọng của các hệ thống nhúng, nhóm chúng em đã tìm hiểu và đưa ra mô hình điều khiển động cơ bước, ứng dụng phục hồi robots tự hành của Bộ môn Kỹ thuật máy tính. Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, do kiến thức còn hạn hẹp cũng như kỹ năng phân tích thiết kế chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô và các bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của chúng em thành công hơn. Nhóm thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Văn Huy – Bộ môn Kỹ thuật máy tính - Khoa Điện Tử đã giúp nhóm hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài: Dương Thanh Hoàng Trần Xuân Kỳ Trần Văn Linh ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 4 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1.1 Vai trò của động cơ bước Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, tự động hóa,… vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với những lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác. Ta cớ thể điều khiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta muốn. Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số Một số ứng dụng như : máy CNC, máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot, … Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao, chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng. 1.1.2 Cấu tạo của động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ không 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 rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các năm châm vĩnh cửu hoăc trong trường hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quaykhá nhanh và với một mộ điều khiển thích hợp cho phép chúng khởi động và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào ta muốn một cách dễ dàng. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 5 Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giản những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. 1.1.3 Hoạt động Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Một số ưu và nhược điểm của động cơ bước:  Ưu điểm: - Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí và vận tốc. - Thích hợp với các thiết bị điều khiển số.với khả năng điều khiển số trực tiếp (động cơ bước trở thành thông dụng trong kĩ thuật robot) - Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,  Nhược điểm: - Công xuất thấp (việc nâng cao công xuất của động cơ bước đang được rất quan tâm hiện nay) ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 6 1.1.4 Ứng dụng Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hóa chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay… Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in … 1.1.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than. Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ. Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở … Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều. Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 7 1.1.6 Một số loại động cơ bước Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator. Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại: ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8 - Động cơ bước từ trở biến thiên. - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu - Động cơ bước lai. Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành hai loại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực. Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương tự để giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 9 Trên đây là một số loại động cơ bước, nhưng trong phạm vi đồ án nhóm em tập trung vào cấu tạo và nguyên tắc của loại động cơ bước được sử dụng trong đồ án, cụ thể là loại: Động cơ đơn cực như hình dưới đây. Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn. Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ. Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của động cơ theo dãy. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 10 Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian  thời gian  *Chú ý : Hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một mô men xoáy lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả kết hợp hai chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt ở các vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau: Mấu 1a 11000001110000011100000111 Mấu 1b 00011100000111000001110000 Mấu 2a 01110000011100000111000001 Mấu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian  ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 11 1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN 1.2.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp a) Khảo sát và phân tích bài toán Hiện nay trong thực tế thì việc điều khiển động cơ bước có nhiều phương pháp, tùy vào mục đích sử dụng , tùy vào yêu cầu mà người ta có những phương pháp điều khiển động cơ bước sao cho phù hợp với yêu cầu công nghệ cũng như tính tối ưu hóa sản phẩm. Trên thị trường cũng có nhiều modul điều khiển được thiết kế sẵn, chuyên biệt phù hợp cho từng sản hẩm riêng Dựa vào nguyên lý hoạt động và các đặc tính của động cơ bước , người ta đã thiết kế sẵn các mạch số, các IC chuyên dụng để điều khiển động cơ bước , kết hợp với các modul khác để có một sản phẩm hoàn thiện. Với các IC chuyên dụng thì người ta thiết kế các mạch điều khiển động cơ bước nhanh gọn , đơn giản, độ chính xác cao. Tuy nhiên ngoài việc sử dụng các vi mạch chuyên dụng để điều khiển nó, ta hoàn toàn có thể dụng vi điều khiển để điều khiển nó, kết hợp với các IC số khác và lập trình ta hoàn toàn có thể điều khiển được động cơ bước tùy theo ý mình, chủ động thiết kế phần cứng hơn, không như việc sử dụng các IC chuyên dụng. Việc thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng vi điều khiển cũng đơn giản, thông qua lập trình ta có thể thiết kế mạch tùy ý sao cho tối ưu nhất, và với việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển động cơ bước thì ta có thể tích hợp thêm cho nó nhiều chức năng khác cho từng ứng dụng cụ thể cũng chỉ với cùng một bộ điều khiển đó mà không cần tốn thêm nhiều modul khác dễ dàng , linh hoạt. Với một vi điều khiển thì ngoài việc dùng nó làm modul điều khiển động cơ ta hoàn toàn có thể dùng nó để điều khiển các modul khác cùng hoạt động song song mà không cần tốn thêm nhiều modul khác. Năng lượng để cấp cho vi điều khiển cũng rất nhỏ, khả năng xử lý của thì tùy vào từng loại mà cho ta tốc độ khác nhau, nhưng đảm bảo yêu cầu để giải quyết bài toán này. b) Lựa chọn giải pháp o Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp điều khiển động cơ bước sử dụng vi điều khiển thông qua việc điều khiển các chuỗi xung đưa đến các cuộn dây của động cơ bước để nó quay được những góc tùy theo ý ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 12 mình, qua đó ta hoàn toàn có thể xác định được góc quay của động cơ, và xác định được vị trí cụ thể của nó khi chuyển động. o Giải pháp thiết kế Để điều khiển ta dùng vi điều khiển để xuất các chuỗi xung và đưa đến các cuộn dây của động cơ, với tần số hợp lý thì động cơ sẽ quay với tốc độ hợ lý, và theo yêu cầu thiết kế. Qua đó, ta xác định được tốc độ thực tế của động cơ. Thông qua việc điều khiển các dãy xung đưa đến các cuộn dây của động cơ thì ta hoàn toàn có thể điều khiển cho động cơ quay được các góc như ý muốn va dừng lại ở vị trí mong muốn. Ứng dụng củ thể trong đề tài là phục hồi robot tự hành, thì ta hoàn toàn có thể điều khiển cho nó chạy theo một lộ trình được đặt sẵn, thiết kế thêm các công tắc hành trình để nó có thể tránh được vật cản khi xảy ra va chạm trong quá trình hoạt động của nó. 1.2.2 Xác định bài toán và giới hạn của đề tài a) Các yêu cầu Điều khiển động cơ quay đến một vị trí xác định, dừng ở vị trí bất kỳ ta muốn - Tốc độ quay điều chỉnh được - Hoạt động với điện áp 12V/DC - Tốc độ ổn định, sai số nhỏ Thông qua điều khiển động cơ ứng dụng vào việc phục hồi robot tự hành : - Điều khiển cho robot di theo một lộ trình đặt sẵn - Có khả năng tránh được vật cản trong khu đang chạy - Có khả năng cải tiến và nâng cấp - Kết nối với các modul khác b) Giới hạn của đề tài Do những đặc thù của động cơ bước nên hệ thống làm việc với tốc độ không cao, momen quay nhỏ Mô men của động cơ nhỏ nên chỉ mang được những tải nhỏ, việc tăng tải trọng làm quá trình chuyển động ko chính xác ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 13 Nguồn nuôi là động cơ là 12V nên việc cấp nguồn cho động cơ gặp khó khăn Việc mở rộng thêm các modul gặp khó khăn do khả năng mang tải của động cơ không lớn. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ tổng thể của hệ thống Khối nguồn: Lấy AC (hoặc DC) đầu vào từ 5 – 15V chỉnh lưu thành nguồn DC cấp cho khối chấp hành đồng thời biến đổi thành nguồn DC 5V cung cấp cho khối điều khiển, hiển thị, cảm biến Khối cảm biến: Nhận ra các vật cản thông qua việc tác động của các công tắc, gửi tín hiệu về khối xử lý. Khối xử lý: Tiếp nhận thông tin từ khối cảm biến, từ đó xuất tín hiệu điều khiển gửi đến khối hiển thị và khối chấp hành theo các chương trình đã lập sẵn. Khối chấp hành: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, thực hiện các lệnh điều khiển do khối xử lý đưa ra để tạo ra sự di chuyển của robot. Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị các vị trí va chạm tương ứng khi khối cảm biến có tín hiệu tác động. Khối xử lý Khối chấp hành Khối hiển thị Khối cảm biến Khối nguồn ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 15 2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH Sơ đồ Callgraph 2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ đặc tả của hệ thống điều khiển động cơ bước Lùi Chạy thẳng