Cấu tạo động cơ SERVO, nguyên lý làm việc, điều khiển động cơ servo và ứng dụng thực tế

Ngày đăng: 25/06/2014, 15:49

Động servo Biên dịch: Lâm Quỳnh Trang – Lê Trọng Hiền – Nguyễn Minh Trung – Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh – Chương trình PFIEV Đây là bản dịch bổ sung từ tài liệu The robot builder’s BONAZA : 99 Inexpensive robotics projects của Gordon McComb Tôi xin chân thành cám ơn các bạn tôi đã ủng hộ giúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổ biến trang web này đến mọi người. Trong tài liệu dịch nhiều điểm sai sót do yêu cầu về thời gian dịch, mong các bạn thông cảm. Giới thiệu Động DC động bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở – ta cấp điện để động quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động bước là động quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một động quay của động hoặc làm động không quay cũng không dễ dàng. Mặt khác, động servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động được nối với một mạch điều khiển. Khi động quay, vận tốc vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu bầt kỳ do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt được điểm chính xác. Động servo nhiều kiểu dáng kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động servo là trong các robot, cùng loại với các động dùng trong mô hình máy bay xe hơi. Các động servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động servo R/C (radio- controlled). Trong thực tế, bản thân động servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động servo nhận tín hiệu từ máy thu này. Như vậy nghĩa là ta không cần phải điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động servo, trừ khi ta muốn thế. Ta thể điều khiển động servo bằng máy tính, một bộ vi xử hay thậm chí một mạch điện tử đơn giản dùng IC 555. Trong chương này ta sẽ tìm hiểu động servo R/C là gì, sử dụng chúng trong robot như thế nào. Mặc dù còn nhiều loại động servo khác nhưng động servo R/C được sử dụng nhiều nhất. Để đơn giản ta gọi động servo R/C là servo. Hoạt động của servo 1. Motor 2. Electronics Board 3. Positive Power Wire (Red) 4. Signal Wire (Yellow or White) 5. Negative or Ground Wire (Black) 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case 10. Integrated Control Chip Hình 1: một động servo R/C kích thước chuẩn điển hình dùng trong mô hình máy bay xe đua. Ngoài ra còn nhiều loại kích thước thông dụng khác. Hình 2: Bên trong của một động servo R/C. Servo bao gồm một động cơ, một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển một vôn kế Động vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển động đều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V). Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ. Như ta dự đoán, động servo được thiết kế để quay giới hạn chứ không phải quay liên tục như động DC hay động bước. Mặc dù ta thể chỉnh động servo R/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhưng công dụng chính của động servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90 o – 180 o. Việc điều khiển này thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng… Servo điều biến độ rộng xung Trục của động servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xác công suất để duy trì servo sẽ giảm. Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như Hình 3.) Hình 3: Điều khiển vị trí của trục ra của động bằng cách điều chế độ rộng xung Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số – chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển. Công suất cung cấp cho động bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến. Nếu servo ở gần vị trí đích, động được truyền động với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo rằng động không vượt quá điểm định đến. Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động giảm tốc. Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn – một servo trung bình thể quay 60 o trong vòng ¼ – ½ giây. Vì độ dài xung thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo máy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích. Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu. Vai trò của Vôn kế Vôn kế trong servo giữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra. Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo, Vôn kế chính là trục ra). Bằng cách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo. Ta đã biết Vôn kế hoạt động nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, như hình 20.4. Khi cần chạy bên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi. Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vào phát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng. Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kế độ dài của tín hiệu vào. Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ. Khi điện thế của Vôn kế độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ động ngừng. Các giới hạn quay Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp. Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới lui từ 90 o – 180 o khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung. Phần lớn servo thể quay được 180 o hay gần 180 o. Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn học của nó, trục ra của động sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ. Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động bị phá hủy. Hình 4: Vôn kế thường được dùng như một cầu chia áp. Khi Vôn kế quay, cần chạy di chuyển dọc theo chiếu dài thanh điện trở. Tín hiệu ra của Vôn kế là một điện thế biến thiên từ 0 -? V Các loại kích thước servo đặc biệt Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot mô hình điều khiển vô tuyến cón các loại servo R/C khác: Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo): kích thước gấp khoảng 2 lần servo chuẩn, công suất lớn hơn rõ, được dùng trong các mô hình máy bay lớn nhưng cũng thể làm động công suất tốt cho robot. Servo nhỏ (mini-micro servo): kích thước nhỏ hơn khoảng 2 lần so với servo chuẩn, không mạnh bằng servo chuẩn, dùng ở những không gian hẹp trong mô hình máy bay hay xe hơi Servo tời buồm(sail minch servo): mạnh nhất, dùng để điều khiển các dây thừng của buồm nhỏ buồm chính trong mô hình thuyền buồm. Servo thu bộ phận hạ cánh(landing-gear retraction servo): dùng để thu bộ phận hạ cánh trong mô hình máy bay vừa lớn. Thiết kế bộ phận hạ cánh thường đòi hỏi servo phải đảm bảo góc quay ít nhất là 170 o. Các servo này thường nhỏ hơn kích thước chuẩn vì không gian giới hạn trong mô hình máy bay. Hệ thống truyền động bánh răng truyền công suất Động bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút. Tốc độ này quá nhanh để thể dùng trực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot. Tất cả các servo đều một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động còn khoảng 50 – 100 v/ph. Các bánh răng của servo thể làm plastic, nylon hay kim loại (thường là đồng thau hay nhôm) Bánh răng kim loại tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao. Các bánh răng thay thế luôn sẵn. Khi một hay vài bánh răng bị hư, servo không khớp ta phải thay bánh răng. Trong một vài trường hợp ta thể “nâng cấp” bánh răng plastic thành bánh răng kim loại. Bên cạnh các bánh răng dẫn động, trục ra của động cũng thường bị mòn xước. Trong các servo rẻ nhất, trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic, miếng đệm này rất dễ mất tác dụng nếu động chạy nhiều. Thực sự thì đây cũng không phải là miếng đệm mà chỉ là một ống lót giúp giảm ma sát giữ trục vỏ của servo. Các ống lót bằng kim loại, cụ thể là ống lót bằng đồng thau thấm chất bôi trơn, bền hơn nhưng cũng đắt hơn. Servo sử dụng vòng bi tuổi thọ cao nhất đắt nhất. Ta cũng thể “nâng cấp” servo bằng vòng bi sẵn. . dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C được sử dụng nhiều nhất. Để đơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo. Hoạt động của servo 1. Motor 2. Electronics Board. 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case 10. Integrated Control Chip Hình 1: một động cơ servo R/C kích thước chuẩn điển hình dùng trong. thước servo đặc biệt Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot và mô hình điều khiển vô tuyến cón có các loại servo R/C khác: Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo) :

Đây là tài liệu về động cơ servoĐộng cơservoBiên dịch:Lâm Quỳnh Trang – Lê Trọng Hiền – Nguyễn Minh Trung – Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phốHồChí Minh Chương trình PFIEV Đây là bản dịch có bổsung từtài liệuThe robot builder’s BONAZA : 99 Inexpensive robotics projects của Gordon McCombTôi xin chân thành cám ơn các bạn tôi đã ủng hộvà giúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổbiến trang web này đến mọi người. Trong tài liệu dịch có nhiều điểm sai sót do yêu cầu vềthời gian dịch, mong các bạn thông cảm.Biên dịch:Quỳnh Trang – Lê Trọng Hiền –Minh Trung – Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh – Chương trình PFIEV Đây là bản dịchbổ sung từ tài liệu The robot builder’s BONAZA : 99 Inexpensive robotics projects của Gordon McComb Tôi xin chân thành cám ơn các bạn tôi đãhộgiúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổ biến trang web này đến mọi người. Trong tài liệu dịchnhiều điểm sai sót do yêuvề thời gian dịch, mong các bạn thông cảm. Giới thiệuDCbước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở – ta cấp điện đểquay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối vớibước làquay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyểnquay củahoặckhông quay cũng không dễ dàng. Mặt khác,được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra củađược nối với một mạchkhiển. Khiquay, vận tốcvị trí sẽ được hồi tiếp về mạchnày. Nếubầt kỳdo nào ngăn cản chuyểnquay củacơ,hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạchtiếp tục chỉnh sai lệch chođạt được điểm chính xác.nhiều kiểu dángkích thước, được sửtrong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiệnbằng máy tính cho đến các mô hình máy bayxe hơi.mới nhất củalà trong các robot, cùng loại với cáctrong mô hình máy bayxe hơi. Cácbằng liên lạc vô tuyến được gọi làR/C (radio- controlled). Trongtế, bản thânkhông phải đượcbằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi.nhận tín hiệu từ máy thu này. Như vậynghĩa là ta không cần phảirobot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sửmộttrừ khi ta muốn thế. Tathểbằng máy tính, một bộ vi xửhay thậm chí một mạch điện tử đơn giảnIC 555. Trong chương này ta sẽ tìm hiểuR/C là gì, sửchúng trong robot như thế nào. Mặc dù cònnhiều loạikhác nhưngR/C được sửnhiều nhất. Để đơn giản ta gọiR/C là servo. Hoạtcủa1. Motor 2. Electronics Board 3. Positive Power Wire (Red) 4. Signal Wire (Yellow or White) 5. Negative or Ground Wire (Black) 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8.Attachment Horn/Wheel/Arm 9.Case 10. Integrated Control Chip Hình 1: mộtR/C kích thước chuẩn điển hìnhtrong mô hình máy bayxe đua. Ngoài ra cònnhiều loại kích thước thôngkhác. Hình 2: Bên trong của mộtR/C.bao gồm mộtcơ, một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạchmột vôn kếvôn kế nối với mạchthành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạchđều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V). Để quaycơ, tín hiệu số được gới tới mạchkhiển. Tín hiệu này khởicơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạchsẽ tắtcơ. Như ta dự đoán,được thiết kế để quaygiới hạn chứ không phải quay liên tục nhưDC haybước. Mặc dù tathể chỉnhR/C quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhưng côngchính củalà đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90 o – 180 o. Việcnàythểđể lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng…biến độ rộng xung Trục củaR/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này,là đápcủa một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạchlà đápcủa một tín hiệu sốcác xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giâymà là chiều dài của các xung.đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xáccông suất để duy trìsẽ giảm. Với độ dài xung 1 ms,đượcquay theo một chiều (giả sử là chiều kimhồ như Hình 3.) Hình 3:vị trí của trục ra củabằng cáchchế độ rộng xung Với độ dài xung xung 2 ms,quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số – chuyểncủatỉ lệ với tín hiệu sốkhiển. Công suất cung cấp chobên trongcũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến. Nếuở gần vị trí đích,được truyềnvới tốc độ thấp.này đảm bảo rằngkhông vượt quá điểm định đến. Nhưng nếuở xa vị trí đích nó sẽ được truyềnvới vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vị trí mong muốn,giảm tốc. Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn – mộttrung bìnhthể quay 60 o trong vòng ¼ – ½ giây. Vì độ dài xungthể thay đổi tùy theo hãng chếnên ta phải chọnmáy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích. Đối với robot, ta phảimột vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu. Vai trò của Vôn kế Vôn kế tronggiữ vai trò chính trong việc cho phép định vị trí của trục ra. Vôn kế được gắn vào trục ra (trong một vàiVôn kế chính là trục ra). Bằng cách này, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo. Ta đã biết Vôn kế hoạtnhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạchkhiển, như hình 20.4. Khi cần chạy bên trong Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi. Mạchtrongso sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vàophát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng. Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kếđộ dài của tín hiệu vào. Mạchsẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quaycơ. Khi điện thế của Vôn kếđộ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏngừng. Các giới hạn quay Cáckhác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp. Cácchuẩn được thiết kế để quay tớilui từ 90 o – 180 o khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung. Phần lớnthể quay được 180 o hay gần 180 o. Nếu tavượt quá những giới hạnhọc của nó, trục ra củasẽvật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ. Hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽbánh răng củabị phá hủy. Hình 4: Vôn kế thường đượcnhư mộtchia áp. Khi Vôn kế quay, cần chạy di chuyển dọc theo chiếu dài thanh điện trở. Tín hiệu ra của Vôn kế là một điện thế biến thiên từ 0 -? V Các loạikích thướcđặc biệt Ngoàikích thước chuẩntrong robotmô hìnhvô tuyến cóncác loạiR/C khác:tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo): kích thước gấp khoảng 2 lầnchuẩn, công suất lớn hơn rõ, đượctrong các mô hình máy bay lớn nhưng cũngthểcông suất tốt cho robot.nhỏ (mini-micro servo): kích thước nhỏ hơn khoảng 2 lần so vớichuẩn, không mạnh bằngchuẩn,ở những không gian hẹp trong mô hình máy bay hay xe hơitời buồm(sail minch servo): mạnh nhất,đểcác dây thừng của buồm nhỏbuồm chính trong mô hình thuyền buồm.thu bộ phận hạ cánh(landing-gear retraction servo):để thu bộ phận hạ cánh trong mô hình máy bay vừalớn. Thiết kế bộ phận hạ cánh thường đòi hỏiphải đảm bảo góc quay ít nhất là 170 o. Cácnày thường nhỏ hơn kích thước chuẩn vì không gian giới hạn trong mô hình máy bay. Hệ thống truyềnbánh răngtruyền công suấtbên trongR/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút. Tốc độ này quá nhanh đểthểtrực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot. Tất cả cácđềumột hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra củacòn khoảng 50 – 100 v/ph. Các bánh răng củathểplastic, nylon hay kim loại (thường làthau hay nhôm) Bánh răng kim loạituổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao. Các bánh răng thay thế luônsẵn. Khi một hay vài bánh răng bị hư,không khớpta phải thay bánh răng. Trong một vài trường hợp tathể “nâng cấp” bánh răng plastic thành bánh răng kim loại. Bên cạnh các bánh răng dẫn động, trục ra củacũng thường bị mònxước. Trong cácrẻ nhất, trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic, miếng đệm này rất dễ mất tácnếuchạy nhiều.sự thì đây cũng không phải là miếng đệm mà chỉ là một ống lót giúp giảm ma sát giữ trụcvỏ của servo. Các ống lót bằng kim loại, cụ thể là ống lót bằngthauthấm chất bôi trơn, bền hơn nhưng cũng đắt hơn.sửvòng bituổi thọ cao nhấtđắt nhất. Ta cũngthể “nâng cấp”bằng vòng bisẵn.. dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C được sử dụng nhiều nhất. Để đơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo. Hoạt động của servo 1. Motor 2. Electronics Board. 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case 10. Integrated Control Chip Hình 1: một động cơ servo R/C kích thước chuẩn điển hình dùng trong. thước servo đặc biệt Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot và mô hình điều khiển vô tuyến cón có các loại servo R/C khác: Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo) :

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments