Đồ án Chế tạo mạch điều khiển chạy theo quỹ đạo (sử dụng động cơ bước)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỆ THỐNG VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài: Chế tạo mạch điều khiển chạy theo quỹ đạo (sử dụng động cơ bước ) . GVHD: Trần Văn Hùng SVTH : Nguyễn Văn Thể MSSV : 50131582 LỚP : 50CTU Nha Trang, 20 tháng 05 năm 2011 LỜI NÓI ĐẦU Cơ điện tử là một nghành học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai. Đây là nghành có sự hội tụ và đúc kết của ba chuyên nghành là cơ khí, tin học và điện tử mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người. Kỹ thuật vi điều khiển là một môn học củ nghành cơ điện tử. Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa và còn nhiều lĩnh vực khác nửa. So với kỉ thuật số thì kỉ thuật vi điều khiển nhỏ gọn hơn nhiều do nó được tích hợp một cách tinh vi và có khả năng lập trình được nên việc thay đổi giải thuật điều khiển sẽ dễ dàng hơn. Với tính ưu việt của vi điều khiển, đề tài mà em thực hiện ở đây là sử dụng vi điều khiển và remote tivi để điều khiển một số thiết bị dân dụng. Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự giạy bảo tận tình của thầy giáo cùng sự trợ giúp của các bạn và các tài liệu có liên quan. Em đã hoàn thành xong đề tài. Em xin chân thành cám ơn thầy Trần Văn Hùng đã hướng dẫn em hoàn thành đề tài Đồ án đã hoàn thành xong nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót xin thầy giáo thông cảm cho em và chỉ bảo thêm để đề tài có thể ứng dụng rộng rải trong thực tế. Sinh Viên Thực hiện Võ Ngọc Trần Thái Dương MỤC LỤC Trang Chương 1: NHIỆM VỤ VÀ PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ Nhiệm vụ được giao: Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước. Phân tích nhiệm vụ được giao: Tham khảo các tài liệu về vi điều khiển AVR của thầy Trần Văn Hùng, Ngô Diên Tập, Datasheet của nhà sản xuất, các trang web liên quan trên internet. Hệ thống gồm: + Phần cứng có khối vi điều khiển,khối thu tín hiệu hồng ngoại, khối công suất, khối chuyển động, remotes sony. + Phần mềm là chương trình điều khiển. Thiết bị thực hiện là: + Hai động cơ bước công suất nhỏ. + Một Vi điều khiển Atmelga32 họ AVR. + Một mắt thu hồng ngoại (loại có vỏ bọc kim loại),giá hợp lý,tín hiệu thu được tương đối tốt. + 8 IRF 540N. + Thiết bị ngoài gồm acquy… + Các linh kiện điện tử khác. - Chương trình điều khiển gồm ứng dụng phần nhận tín hiệu từ remost sony và phần điều khiển động cơ bước viết bằng ngôn ngữ lập trình C viết trên phần mềm chuyên dụng CodeVisionAVR. Chương 2: THIẾT KẾ TỔNG THỂ 2.1. Tổng quan về đề tài : Caùc heä thoáng truyeàn ñoäng trong thöïc teá söû duïng raát nhieàu caùc loaïi ñoäng cô khaùc nhau nhö ñoäng cô DC (coù hay khoâng coù choåi than), ñoäng cô AC (ñoàng boä hay khoâng ñoàng boä) , ñoäng cô servo , ñoäng cô böôùc , ñoäng cô hoãn hôïp ,… moãi loaïi ñoäng cô ñeàu coù caùc öu, nhöôïc ñieåm rieâng vaø tuøy vaøo töøng tröôøng hôïp , töøng yeâu caàu cuï theå maø chuùng ta coù theå löïa choïn loaïi ñoäng cô thích hôïp. Trong phaàn naøy chuùng ta seõ nghieân cöùu moät soá khía caïnh chính veà điều khiển ñoäng cô böôùc chạy theo quỹ đạo. Động cơ bước Ñoäng cô böôùc thöïc chaát laø ñoäng cô ñoàng boä hoaït ñoäng döôùi taùc duïng cuûa caùc xung rôøi raïc vaø keá tieáp nhau. Khi coù moät xung ñieän ñaët vaøo cuoän daây (phaàn öùng) cuûa ñoäng cô böôùc thì roto (phaàn caûm) cuûa ñoäng cô seõ quay ñi moät goùc nhaát ñònh goïi laø böôùc cuûa ñoäng cô. Neáu caùc xung doøng ñieän ñöôïc ñaët vaøo cuoän daây (phaàn öùng) cuûa ñoäng cô lieân tuïc thì roto seõ quay lieân tuïc. 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. 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. 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 hoá, 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, 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... 2.2. Thiết kế thiết bị: Sơ đồ khối: Khối chuyển động Khối công suất Khối MCU Melga32 Khối chuyển động Định sẵn quãng đường chuyển động trên remotes sony LED hồng ngoại (thu) 2.3 Mô tả hoạt động và phần mềm: - Hệ thống hoạt động dựa trên chương trình đã nạp sẵn trên ROM của at mega 32L(VĐK). Mắt thu hồng ngoại nhận tín hiệu từ remotes sẽ truyền vào vi điều khiển,vi điều khiển nhận dạng phím nào được chọn và sẽ xuất tín hiệu ra các chân điều khiển,điều khiển các thiết bị theo chương trình mà chúng ta đã thiết lập. - Mắt thu hồng ngoại đặt ở vị trí thuận lợi nhất để có thể nhận được tín hiệu từ remote một cách tốt nhất. - Dựa vào chương trình đã thiết lập trong VĐK mà MCU cho động cơ hoạt động: điều khiển đường đi của rôbôt theo chương trình định sẵn. - Sơ lược chức năng của từng khối: + Vi điều khiển melga32 là phần tử thu nhập xử lý thông tin và đưa ra các tín hiệu điều khiển. + Khối thu hồng ngoại là thu tín hiệu từ remotes và tín hiệu ra của nó là thông tin đưa vào VĐK. + Khối công suất là dùng để kích các cuộn dây của động cơ bước. + Khối chuyển động là động cơ bước. Chương 3: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 3.1. INT: -      Interrupts, thường được gọi là ngắt, là một “tín hiệu khẩn cấp” gởi đến bộ xử lí, yêu cầu bộ xử lí tạm ngừng tức khắc các hoạt động hiện tại để “nhảy” đến một nơi khác thực hiện một nhiệm vụ “khẩn cấp” nào đó, nhiệm vụ này gọi là trình phục vụ ngắt – isr (interrupt service routine ). Sau khi kết thúc nhiệm vụ trong isr, bộ đếm chương trình sẽ được trả về giá trị trước đó để bộ xử lí quay về thực hiện tiếp các nhiệm vụ còn dang dở. Như vậy, ngắt có mức độ ưu tiên xử lí cao nhất, ngắt thường được dùng để xử lí các sự kiện bất ngờ nhưng không tốn quá nhiều thời gian. Các tín hiệu dẫn đến ngắt có thể xuất phát từ các thiết bị bên trong chip (ngắt báo bộ đếm timer/counter tràn, ngắt báo quá trình gởi dữ liệu bằng RS232 kết thúc…) hay do các tác nhân bên ngoài (ngắt báo có 1 button được nhấn, ngắt báo có 1 gói dữ liệu đã được nhận…). * Sơ lược về ngắt trong timer 0 Hình 9 + Bộ ngắt timer0, 8 bít nếu được thiết lập thì nó sẽ hoạt động với 5 tần số chia của thạch anh ngoài đưa vào vi điều khiển. Khi bắt đầu hoạt động thì ta có thể thiết lập 2 chế độ ngắt là ngắt tràn và ngắt so sánh +Ngắt tràn là ngắt mà khi timer hoạt động nó sẽ đếm số xung cấp vào khi nào được 255 xung thì sẽ dừng chương trình chính và đi thực hiện chương trình phục vụ ngắt. Số lần ngắt trong 1s sẽ bằng số xung cấp vào chia cho 255. +Ngắt so sánh là ngắt mà khi timer hoạt động nó sẽ đếm số xung cấp vào khi nào đến giá trị mà ta so sánh thì sẽ dừng chương trình chính và đi thực hiện chương trình phục vụ ngắt . * Sơ lược về ngắt ngoài Ngắt ngoài là chương trình con phục vụ ngắt ngoài sẽ được thực hiện khi có các sự kiện sau xảy ra: + Khi phát hiện sườn lên của xung . + Khi phát hiện sườn xuống của xung . + Khi có bất kì sự thay đổi nào . + Ở mức thấp (low level) . 3.2 ADC: Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN THIẾT BỊ 4.1. Thiết bị phát hồng ngoại: *Remote sony Hình 2 Sơ lược về remote sony + Tín hiệu từ remote Sony có dạng: Hình 3 *Phần đầu tiên của tín hiệu có độ dài 3T bằng 1800ms gọi là header hay satart bit. Các bit còn lại được mã hóa như sau: 500ms im lặng + 700ms hồng ngoại = bit 0 500ms im lặng +1300ms hồng ngoại = bit 1 Hình 4 Bit start đặt là bit B0, bit cuối là B11. Với 7 bit đầu là bit lệnh, 5 bit cuối là bit địa chỉ. Vì các tín hiệu đều lấy từ cùng renote nên ta chỉ cần giải mã 7 bit lệnh đầu tiên. Tín hiệu qua led thu sẽ bị đảo như sau: Hình 5 4.2. Khối thu hồng ngoại -Sơ đồ nguyên lý: + Khối này gồm mắt thu hồng ngoại U5 có võ bọc bằng kim loại để chống nhiểu. + Hình dạng bên ngoài như hình bên - Cấu tạo bằng chất bán dẫn có 3 chân: + Chân đưa tín hiệu ra (OUT). + Chân nối mass (GND). + Chân nối nguồn +5V (VCC). Hình 6 Điện trở R50 và tụ hóa C21 có tác dụng lọc nhiễu. Chân tín hiệu OUT được nối với chân ngắt ngoài của vi điều khiển. - Nguyên lý hoạt động: Khi Remote phát tín hiệu hồng ngoại thì mắt thu sẽ nhận được, tín hiệu thu được nhờ tụ C21 và trở R50 lọc nhiễu rồi đưa tín hiệu về chân ngắt ngoài INT0 của vi điều khiển. 4.3. Khối MCU: Khối nguồn cho VĐK: Nguồn nuôi của vi điều khiển là nguồn DC 5V, sau khi qua acquy 12V, điện áp được đưa qua diode rồi qua IC ổn áp 7805,điện áp ra còn 5V và được đưa vào vi điều khiển. Để cho điện áp trở nên tương đối ổn định,ta dùng các tụ lọc. - Mạch nguyên lý của Atmelga32: Atmega 32 là vi điều khiển họ AVR, có 40 chân, trong đó có 4 PORT:A, B, C, D. Mỗi PORT có 8 chân, có thể khai báo là đầu vào hoặc đầu ra tùy người sử dụng. Các chân còn lại là chân nguồn, đất, reset(như hình), và có chân gắn thạch anh để tạo tần số dao động cho nó. PORTA là kênh vào ADC, dùng để đọc tín hiệu điện áp, biến từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. PORTB là nơi để kết nối LCD hiển thị ra bên ngoài. PORTC chỉ là các chân vào ra bình thường. PORTD có 3 kênh PWM (2,3,4), 2 chân(Mas_RXD, Mas_TXD)kết nối giao tiếp với máy tính qua RS232. + PORTC để kích tranzito điều khiển cuộn dây của động cơ. Để biết rõ hơn về vi điều khiển melga32 ta tìm hiểu thêm trong Datasheet của nó. 4.4. Khối công suất: - Sơ đồ nguyên lý: - Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển (PORTC) đưa vào chân B để kích transitor (IRF 540) làm kích cuộn dây của động cơ. Khi kích thì sẽ có điện áp đi qua cuộn dây làm đảo cực tính nam châm. Điều khiển đóng ngắt các chân dùng IRF 540. 4.5. Khối chuyển động (động cơ bước): Động cơ bước được dùng là động cơ bước đơn cực. -Hình ảnh: - Döïa vaøo daây quaán cuûa ñoäng cô ngöôøi ta phaân ñoäng cô böôùc thaønh ñoäng cô böôùc ñôn cöïc , ñoäng cô böôùc löôõng cöïc vaø ñoäng cô böôùc ña cöïc + Động cơ bước đơn cực : Động cơ bước đơn cực có Rotor được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Chia thành các răng N, S xen kẽ. Stator được cấu tạo bởi 2 cuộn dây bố trí trực giao với nhau. Mỗi cuộn dây lại được chia thành 2 phần bố trí xuyên tâm đối. Giữa các cuộn dây này có một đầu ra để nối với dương nguồn. Động cơ loại này thường có 6 đầu ra. Đầu 1, 2 thường được nối với cực dương. Các đầu 1a, 1b, 2a và 2b được lần lượt nối đất sẽ quyết định chiều quay của động cơ. Máy khoan mạch in tự động sử dụng loại động cơ bước này vì động cơ có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rất rẻ và rất dễ mua trên thị trường. Ñeå coù ñoä phaân giaûi nhoû hôn thì rotor phaûi coù nhieàu cöïc hôn. Khi taêng soá cöïc thì ñoäng cô seõ ñaït ñöôïc ñeán 3,60 , 1,80 thaäm chí laø 0,720/böôùc (500 böôùc/voøng). Có nhiều cách để điều khiển động cơ bước : Điều khiển 1 bước, điều khiển nửa bước và điều khiển vi bước. Loại động cơ đang dùng là động cơ 1.8 độ/1 bước. Điều khiển một bước : Khi cấp điện cho từng pha thì motor sẽ dịch chuyển theo từng bước và dừng tại vị trí A hoặc B. Kích một cuộn dây : Kích hai cuộn dây. Điều khiển nửa bước : Nếu cấp điện đồng thời 2 pha bằng nhau thì motor sẽ dịch chuyển nửa bước và dừng tại vị trí lưng chừng giữa trung điểm 2 cực AB. Điều khiển vi bước : Cùng là chế độ nửa bước nhưng cấp nguồn cho 2 pha không bằng nhau motor sẽ dịch chuyển ít hơn nửa bước và cũng dừng lại ở giữa 2 cực AB nhưng nghiêng về bên A hay B 1 chút tùy theo điện áp cấp cho pha nào cao hơn,đây là chế độ vi bước.Ví dụ : cực A =10v, B=0v --> A=7.5v; B=2.5v --> A=5v;B=5v--> A=2.5v; B=7.5v --> A=0v;B=10v <==== đây là chế độ mỗi xung dịch chuyển được 1/4 bước được gọi chung là vi bước , ta có thể làm nhuyễn các cấp điện áp hơn nữa thì sẽ được chế độ 1/8,1/16....1/n. Chương 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM Giải thuật chương trình con : Tạo các chương trình con i =0 i< num_frame T Thay đổi thứ tự các chân kích để tạo các kiểu chuyển động : chạy thẳng, cua trái, quay góc … i++ T Điều khiển chuyển động hai bánh xe. KẾT LUẬN : Qua đề tài, em đã biết được tầm quan trọng và việc ứng dụng rộng rãi của động cơ bước trong đời sống cũng như trong hoạt động sản xuất. Một trong những ứng dụng của nó là dùng để điều khiển rôbốt chạy theo quãng đường mình mong muốn một cách chính xác (robot tự hành). Đề tài còn nhiều kiến thức em chưa hiểu nên còn hạn chế trong việc sử dụng động cơ bước vào các ứng dụng của nó. Cảm ơn sự dạy bảo tận tình của thầy. Em sẽ cố gắng phát triển đề tài sâu nhất có thể. Tài liệu tham khảo + Kĩ thuật ứng dụng đồ án vi điều khiển ( Trần Văn Hùng). + Kĩ thuật vi điều khiển AVR ( Ngô Diên Tập). + Điện tử công suất (Trần Văn Hùng). + Tài liệu AVR (Ebook, alldatasheet.com). + Các trang Web có tài liệu liên quan: google.com.vn cdtvn.net diendandientu.com.vn alldatasheet.com