Đông cơ Servo

Chương 2: Đông cơ Servo 1. Giới thiệu động cơ RC Servo: - Động cơ RC (Radio Control) Servo đầu tiên được thiết kế để sử dụng trong điều khiển máy bay hoặc xe hơi. Về sau, động cơ này được sử dụng phổ biến như là các cơ cấu chấp hành được điều khiển bằng vi xử lý, vừa nhỏ gọn, vừa tiết kiệm năng lượng lại rẻ tiền. -Động cơ RC Servo có moment xoắn cao so với kích thước của nó, có thể cho vị trí góc chính xác bằng cách cung cấp xung theo phương thức điều biến độ rộng xung (PWM); độ rộng của xung sẽ quyết định vị trí góc của trục động cơ. 2. Cấu tạo bên trong: Gồm 9 phần cơ bản: Hình 4: Cấu tạo chính của RC Servo - Động cơ và vôn kế (hình 5) nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ 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 1. Động cơ chính 2. Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp 3. Dây nguồn (Red) 4. Dây tín hiệu vào (Yellow or White) 5. Dây mass (Black) 6. Volt kế 7. Trục/Bánh răng Output 8. Horn/Wheel/Arm gắn kèm 9. Vỏ Servo 10.Chip điều khiển chính. 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. - Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o. Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng… 3. Cách thức hoạt động và phương pháp điều khiển: - Như đã nói ở trên vị trí góc của động cơ RC Servo điều khiển dựa trên nguyên lý PWM. - Servo đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây – tức là ta sẽ cấp xung mỗi 20ms một lần. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm. - Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài (độ rộng) của các xung, độ rộng của xung cấp sẽ quyết định vị trí góc của trục động cơ. + Với xung có độ rộng 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay đến vị trí góc 90o (thường được gọi là Neutral). (hình 6) + Với độ rộng xung nhỏ hơn 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay gần về vị trí góc 0o và ngược lại nếu lơn hơn 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay gần đến vị trí góc 180o Hình 5: Giản đồ xung kích Servo. - 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 và lui từ 900– 1800 khi được cung cấp toàn bộ chiều dài xung. Phần lớn servo có thể quay được 1800 hay gần 1800. - Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó , trục ra của động cơ 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 cơ bị phá hủy. * Điều khiển: Với nguyên tắc điều khiển như vậy thì ta có một phương án cấp xung cho động cơ như sau: góc quay của một động cơ là 1800, để quay hết 1800 đó, ta cần cấp xung có độ rộng từ 1,25ms cho đến 1,75ms, tức là khoảng 500μs. Càng chia nhỏ khoảng này thì vị trí góc của động cơ đạt được càng nhiều. Ví dụ: nếu ta có thể cấp xung với độ rộng chia nhỏ khoảng 2μs thì trong khoảng 500μs ta thu được 255 vị trí góc của động cơ, điều này có nghĩa là mỗi vị trí góc của động cơ là 0,70, còn nếu ta có thể cấp xung với độ rộng chia nhỏ khoảng 1μs thì trong khoảng 500μs đó, ta có thể thu được 500 vị trí góc của động cơ, tức là mỗi vị trí góc là 0,350. Điều này có ý nghĩa rất lớn đến độ chính xác khi điều khiển hệ PAN-TILT. Trong đề tài này, độ chia đạt được đến 0,320, tức 560 vị trí góc của động cơ. 4. Chọn động cơ Servo: - Servo được chọn trong đề tài này là model S3003 của hãng Futaba. Hình 6: Model s3003 của hãng Futaba - Các thông số kỹ thuật: + Kích thước chuẩn: length x width x height = 1.6 x 0.8 x 1.4 inch. + Tốc độ: 0.23sec/600 (ở 4.8V). 0.19sec/600 (ở 6.0V). + Momen xoắn: 3.2kg-cm (ở 4.8V). 4.1kg-cm (ở 6.0V). + Trọng lượng: 37.2g III. Hệ Pan-Tilt: 1. Giới thiệu Kỹ thuật Panning – Tilting: - Tilting là 1 kỹ thuật quay phim. Trong kỹ thuật này, hệ thống camera đứng yên tại 1 vị trí theo 1 trục ngang và camera sẽ quay theo 1 mặt phẳng thẳng đứng - vertical plane (hay” tilting plane”). Camera di chuyển lên xuống trong 1 mặt phẳng thẳng đứng, sự di chuyển này cũng tương tự như 1 người nào đó đang gật đầu “đồng ý”. Hình 7: Tilting Technique - Cũng tương tự như Tilting, Panning cũng là 1 kỹ thuật quay phim. Chỉ khác ở chỗ hệ thống camera đứng yên tại 1 vị trí theo 1 trục dọc và camera sẽ quay theo 1 mặt phẳng nằm ngang - horizontal plane (hay” panning plane”). Camera di chuyển qua lại trái phải trong 1 mặt phẳng nằm ngang, sự di chuyển này cũng tương tự như 1 người nào đó đang lắc đầu “không đồng ý”. Hình 8: Panning Technique - Hai kỹ thuật này thường được kết hợp với nhau, tạo nên 1 hệ thống Pan-Tilt xoay được lên - xuống, qua - lại và hơn thế là chúng có thể xoay được đến mọi vị trí trong không gian xung quanh. Do vậy, Pan-Tilt ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: làm phim ảnh, camera giám sát (quân sự), hệ thống máy siêu âm (y tế)… 2. Cấu tạo cơ bản 1 hệ Pan-Tilt: Hình 9: Cấu tạo 1 hệ Pan-Tilt Cấu tạo gồm những phần: a. Pan Motor: Động cơ “Pan” được gắn thẳng đứng, trên đầu trục động cơ ta gá hệ “Tilt”, Pan Motor giúp toàn bộ hệ quay trong 1 mặt phẳng ngang. b. Pan Encoder: - Encoder dùng để xác định tốc độ của Pan Motor, từ đó quay chính xác đến vị trí mong muốn. - Thường Pan Motor là 1 động cơ RC Servo nên ta có thể dễ dàng điều khiển chính xác vị trí góc quay mong muốn mà không cần gắn thêm Pan Encoder c. Pan Transmission: Belt and Pulleys: Hệ thống bánh, dây đai giúp truyền chuyển động từ trục động cơ làm cho hệ Pan-Tilt chuyển động. d. Tilt Motor: - Tương tự Pan Motor, động cơ “Tilt” được gắn nằm ngang, Tilt Motor giúp toàn bộ hệ quay trong mặt phẳng đứng (quay quanh 1 trục nằm ngang). e. Tilt Encoder và Tilt Transmission có chức năng tương tự như hệ “Pan”.