Tweet
Thiết kế chế tạo khí cụ bay QuadRotor (phần 2)
Hệ thống cơ khí và truyền động
Hệ thống cơ khí và truyền động bao gồm hệ thống khung, động cơ và ESC.
Khung của quadrotor phải được thiết kế với yêu cầu nhỏ gọn nhưng phải thỏa mãn được độ bền, chịu được mô men uốn cao để dễ dàng cho việc điều khiển.
Trong quadrotor thường sử dụng động cơ không chổi than để truyền động cho cánh quạt vì loại động cơ này có tốc độ cao và không có chổi than nên không bị mòn cổ góp và không bị phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng.
Trên thị trường có nhiều loại động cơ không chổi than với công suất và lực nâng tối đa khác nhau. Động cơ EMAX BL2215/20 có sức nâng tối đa 800g, có thể đạt được tốc độ 12000 vòng /phút rất phù hợp với yêu cầu của bài toán là nâng được khoảng 1kg.
Động cơ EMAX BL2215/20
Loại động cơ này hoạt động dưới điện áp 11.1v, điều đặc biệt là stato (vỏ bên ngoài gắn các nam châm vĩnh cửu) quay tròn theo trục động cơ còn roto mang các cuộn dây đứng yên.
Có 3 dây điều khiển động cơ và được quấn thành 9 cuộn xen kẽ trong roto. Việc điều khiển động cơ dựa trên việc cấp xung cho các cuộn dây (tương tự như động cơ bước). Để đảo chiều động cơ ta chỉ cần thay đổi vị trí cho 2 trong 3 dây điều khiển.
Bảng thông số động cơ
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của động cơ
STT Thông số Giá trị
1 Vận tốc 12000[vòng/ phút]
2 Hiệu điện thế hiệu dụng 12V
3 Dòng điện cực đại 18A
Động cơ một chiều không chổi than có ưu điểm tốc độ cao hơn, bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than. Ngày nay, động cơ không chổi than được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như trong các ổ đĩa máy tính, máy nghe nhạc, các bộ phận máy móc trong công nghiệp quay cao, xe đạp điên, xe máy điện…
Hình 2.10 Mô hình động cơ một chiều không chổi than
Với động cơ một chiều không chổi than, từ trường quay được tạo ra thông qua 1 bộ mạch điện tử điều khiển tốc độ (ESC). Trong kết cấu của động cơ một chiều không chổi than, cuộn dây của mỗi nam châm điện thay đổi độ lớn từ trường tuần tự bằng ESC. Nam châm vĩnh cửu được gắn vào vỏ quay tạo thành các pha sao cho nó quay khi có từ trường quay.
ESC EMAX25A là thiết bị để điều khiển tốc độ động cơ, nó có 3 đầu vào là 2 dây nguồn nối với pin có điện áp 11.1v và 1 dây điều khiển, dây điều khiển được nối với mạch trung tâm và nhận xung điều khiển từ mạch trung tâm, tốc độ của động cơ phụ thuộc vào độ rộng của xung điều khiển. 3 đầu ra được nối với 3 dây điều khiển của động cơ, muốn động cơ quay thuận hay quay nghịch ta chỉ cần đảo vị trí 2 trong 3 đầu nối giữa ESC và động cơ.
Để tạo ra từ trường quay cùng pha với nam châm, ESC phải luôn biết được vị trí của nam châm vĩnh cửu và vận tốc của nó. Có 2 cách để làm điều này:
Cách thứ nhất: Sử dụng cảm biến để nhận biết vi trí của rotor
Cách thứ hai: cảm ứng một trong 3 pha của xung điện từ trường (EMF- Electromagnetic field pluses).
Cả hai cách đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên hầu hết các hệ thông động cơ một chiều không chổi than sử dụng cho mô hình bay đều dùng phương pháp cảm ứng EMF
Khi rotor quay, cuộn dây của nam châm điện còn lại chưa có điện sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu và phát sinh năng lượng giống như máy phát điện. ESC nhận biết xung điện phát sinh này và xung điện phản hồi. Điều khiển vận tốc của động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp cảm ứng dựa trên phát hiện thời điểm của mỗi pha trong khoảng thời gian giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản hồi. Mục đích là tìm thời điểm mà cả cuộn dây của nam châm điện không có điện và từ trường của nam châm vĩnh cửu cũng chưa làm cuộn dây phát điện. Đó là điểm nằm trong khoảng xung giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản hồi, lúc này ESC biết được vị trí của mỗi nam châm vĩnh cửu và sử dụng thông tin này để cấp điện cho nam châm điện đúng lúc tạo nên một từ trường quay sao cho các cặp của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đối diện nhau hoặc là đẩy nhau hoặc là hút nhau để động cơ quay.
Sơ đồ chuỗi xung
Nếu ta cần nam châm quay nhanh hơn, ta sẽ tăng lực từ trường. Bằng cách tăng độ rộng xung (PWM), từ trường sẽ mạnh hơn và làm mô men xoắn tăng, rotor quay nhanh hơn. ESC tăng tần số cấp xung điện cho nam châm điện để đáp ứng đúng thời điểm cùng với sự tăng tốc của rotor. Do đó ESC phải tăng độ lớn của từ trường trước rồi tiếp theo phải tăng tần số xung.
Hệ thống điều khiển
Yêu cầu của hệ thống điều khiển là đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi một loại vi điều khiển mạnh, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như RF, cảm biến góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các modul khác nữa.
Các dòng chip trên thị trường rất đa dạng và nhiều chủng loại như chíp PIC, Atmel, ARM,… Mỗi loại có một ưu điểm riêng song chip Atmel nổi tiếng là một dòng chíp mạnh với tốc độ xử lý khá cao, phù hợp với yêu cầu đề tài. Còn chíp ARM là loại chíp rất mạnh nhưng giá thành cao, nếu sử dụng loại này sẽ gây lãng phí.
Vi điều khiển AVR do hãng Atmel ( Hoa Kì ) sản xuất được gới thiệu lần đầu năm 1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR ( chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ). Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau. Đặt biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó. Có thể nói XmegaAVR là dòng MCU 8 bit mạnh mẽ nhất hiện nay.
Hệ thống cảm biến
Trong quadrotor hệ thống cảm biến là quan trọng số 1, nó được coi là các giác quan của quadrotor. Nó cho hệ thống biết được góc nghiêng và vận tốc, gia tốc của quadrotor. Yêu cầu của hệ thống này là có độ đáp ứng nhanh để hệ thống có thể kịp thời điều chỉnh đẻ có thể cân bằng. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến góc và gia tốc, có thể là tách rời từng cảm biến góc, gia tốc hoặc tích hợp đầy đủ trên cùng một board mạch. Để hệ thống mạch gọn gàng và có được đáp ứng nhanh, nhóm đã chọn Cảm biến 10 bậc tự do 10 DOF SENSOR.
10 DOF cho biết trạng thái của quadrotor, cụ thể là nó cho biết vận tốc góc tức thời theo 3 trục x,y,z( pich, roll, raw) và gia tốc thẳng theo 3 trục x,y,z( AccX, AccY, AccZ).
Để Quadrotor có thể bay cân bằng được thì cần phải lấy được tín hiệu và xử lý tốt tín hiệu của DOF. Đây là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế, chế tạo mô hình bay quadrotor
Tham số của cảm biến:
Tốc độ Baud 115200
Setup các đặc tính của DOF
1) “%” theo bảng mã ASCII là 37, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 1.5g
2) “&”,theo bảng mã ASCII là 38, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 2g
3) “ ’ ” (dấu nháy), theo bảng mã ASCII là 39, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 4g
4) “ ( “,theo bảng mã ASCII là 40, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 6g
5) “ ) ”, theo bảng mã ASCII là 41, đặt tần số lấy mẫu là 50Hz
6) “ * ”, theo bảng mã ASCII là 42, đặt tần số lấy mẫu là 100Hz
7) “+”,theo bảng mã ASCII là 43, đặt tần số lấy mẫu là 150Hz
8) “ , “,theo bảng mã ASCII là 44 đặt tần số lấy mẫu là 200Hz
9) “ – “,theo bảng mã ASCII là 45, đặt tần số lấy mẫu là 250Hz
10) “#”,theo bảng mã ASCII là 35, khởi động chế độ nhị phân với sự hoạt động của tất cả các kênh.
Hệ thống cơ khí và truyền động bao gồm hệ thống khung, động cơ và ESC.
Khung của quadrotor phải được thiết kế với yêu cầu nhỏ gọn nhưng phải thỏa mãn được độ bền, chịu được mô men uốn cao để dễ dàng cho việc điều khiển.
Trong quadrotor thường sử dụng động cơ không chổi than để truyền động cho cánh quạt vì loại động cơ này có tốc độ cao và không có chổi than nên không bị mòn cổ góp và không bị phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng.
Trên thị trường có nhiều loại động cơ không chổi than với công suất và lực nâng tối đa khác nhau. Động cơ EMAX BL2215/20 có sức nâng tối đa 800g, có thể đạt được tốc độ 12000 vòng /phút rất phù hợp với yêu cầu của bài toán là nâng được khoảng 1kg.
Động cơ EMAX BL2215/20
Loại động cơ này hoạt động dưới điện áp 11.1v, điều đặc biệt là stato (vỏ bên ngoài gắn các nam châm vĩnh cửu) quay tròn theo trục động cơ còn roto mang các cuộn dây đứng yên.
Có 3 dây điều khiển động cơ và được quấn thành 9 cuộn xen kẽ trong roto. Việc điều khiển động cơ dựa trên việc cấp xung cho các cuộn dây (tương tự như động cơ bước). Để đảo chiều động cơ ta chỉ cần thay đổi vị trí cho 2 trong 3 dây điều khiển.
Bảng thông số động cơ
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của động cơ
STT Thông số Giá trị
1 Vận tốc 12000[vòng/ phút]
2 Hiệu điện thế hiệu dụng 12V
3 Dòng điện cực đại 18A
Động cơ một chiều không chổi than có ưu điểm tốc độ cao hơn, bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than. Ngày nay, động cơ không chổi than được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như trong các ổ đĩa máy tính, máy nghe nhạc, các bộ phận máy móc trong công nghiệp quay cao, xe đạp điên, xe máy điện…
Hình 2.10 Mô hình động cơ một chiều không chổi than
Với động cơ một chiều không chổi than, từ trường quay được tạo ra thông qua 1 bộ mạch điện tử điều khiển tốc độ (ESC). Trong kết cấu của động cơ một chiều không chổi than, cuộn dây của mỗi nam châm điện thay đổi độ lớn từ trường tuần tự bằng ESC. Nam châm vĩnh cửu được gắn vào vỏ quay tạo thành các pha sao cho nó quay khi có từ trường quay.
ESC EMAX25A là thiết bị để điều khiển tốc độ động cơ, nó có 3 đầu vào là 2 dây nguồn nối với pin có điện áp 11.1v và 1 dây điều khiển, dây điều khiển được nối với mạch trung tâm và nhận xung điều khiển từ mạch trung tâm, tốc độ của động cơ phụ thuộc vào độ rộng của xung điều khiển. 3 đầu ra được nối với 3 dây điều khiển của động cơ, muốn động cơ quay thuận hay quay nghịch ta chỉ cần đảo vị trí 2 trong 3 đầu nối giữa ESC và động cơ.
Để tạo ra từ trường quay cùng pha với nam châm, ESC phải luôn biết được vị trí của nam châm vĩnh cửu và vận tốc của nó. Có 2 cách để làm điều này:
Cách thứ nhất: Sử dụng cảm biến để nhận biết vi trí của rotor
Cách thứ hai: cảm ứng một trong 3 pha của xung điện từ trường (EMF- Electromagnetic field pluses).
Cả hai cách đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên hầu hết các hệ thông động cơ một chiều không chổi than sử dụng cho mô hình bay đều dùng phương pháp cảm ứng EMF
Khi rotor quay, cuộn dây của nam châm điện còn lại chưa có điện sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu và phát sinh năng lượng giống như máy phát điện. ESC nhận biết xung điện phát sinh này và xung điện phản hồi. Điều khiển vận tốc của động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp cảm ứng dựa trên phát hiện thời điểm của mỗi pha trong khoảng thời gian giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản hồi. Mục đích là tìm thời điểm mà cả cuộn dây của nam châm điện không có điện và từ trường của nam châm vĩnh cửu cũng chưa làm cuộn dây phát điện. Đó là điểm nằm trong khoảng xung giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản hồi, lúc này ESC biết được vị trí của mỗi nam châm vĩnh cửu và sử dụng thông tin này để cấp điện cho nam châm điện đúng lúc tạo nên một từ trường quay sao cho các cặp của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đối diện nhau hoặc là đẩy nhau hoặc là hút nhau để động cơ quay.
Sơ đồ chuỗi xung
Nếu ta cần nam châm quay nhanh hơn, ta sẽ tăng lực từ trường. Bằng cách tăng độ rộng xung (PWM), từ trường sẽ mạnh hơn và làm mô men xoắn tăng, rotor quay nhanh hơn. ESC tăng tần số cấp xung điện cho nam châm điện để đáp ứng đúng thời điểm cùng với sự tăng tốc của rotor. Do đó ESC phải tăng độ lớn của từ trường trước rồi tiếp theo phải tăng tần số xung.
Hệ thống điều khiển
Yêu cầu của hệ thống điều khiển là đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi một loại vi điều khiển mạnh, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như RF, cảm biến góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các modul khác nữa.
Các dòng chip trên thị trường rất đa dạng và nhiều chủng loại như chíp PIC, Atmel, ARM,… Mỗi loại có một ưu điểm riêng song chip Atmel nổi tiếng là một dòng chíp mạnh với tốc độ xử lý khá cao, phù hợp với yêu cầu đề tài. Còn chíp ARM là loại chíp rất mạnh nhưng giá thành cao, nếu sử dụng loại này sẽ gây lãng phí.
Vi điều khiển AVR do hãng Atmel ( Hoa Kì ) sản xuất được gới thiệu lần đầu năm 1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR ( chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ). Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau. Đặt biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó. Có thể nói XmegaAVR là dòng MCU 8 bit mạnh mẽ nhất hiện nay.
Hệ thống cảm biến
Trong quadrotor hệ thống cảm biến là quan trọng số 1, nó được coi là các giác quan của quadrotor. Nó cho hệ thống biết được góc nghiêng và vận tốc, gia tốc của quadrotor. Yêu cầu của hệ thống này là có độ đáp ứng nhanh để hệ thống có thể kịp thời điều chỉnh đẻ có thể cân bằng. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến góc và gia tốc, có thể là tách rời từng cảm biến góc, gia tốc hoặc tích hợp đầy đủ trên cùng một board mạch. Để hệ thống mạch gọn gàng và có được đáp ứng nhanh, nhóm đã chọn Cảm biến 10 bậc tự do 10 DOF SENSOR.
10 DOF cho biết trạng thái của quadrotor, cụ thể là nó cho biết vận tốc góc tức thời theo 3 trục x,y,z( pich, roll, raw) và gia tốc thẳng theo 3 trục x,y,z( AccX, AccY, AccZ).
Để Quadrotor có thể bay cân bằng được thì cần phải lấy được tín hiệu và xử lý tốt tín hiệu của DOF. Đây là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế, chế tạo mô hình bay quadrotor
Tham số của cảm biến:
Tốc độ Baud 115200
Setup các đặc tính của DOF
1) “%” theo bảng mã ASCII là 37, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 1.5g
2) “&”,theo bảng mã ASCII là 38, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 2g
3) “ ’ ” (dấu nháy), theo bảng mã ASCII là 39, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 4g
4) “ ( “,theo bảng mã ASCII là 40, đặt cảm biến gia tốc lên độ nhạy 6g
5) “ ) ”, theo bảng mã ASCII là 41, đặt tần số lấy mẫu là 50Hz
6) “ * ”, theo bảng mã ASCII là 42, đặt tần số lấy mẫu là 100Hz
7) “+”,theo bảng mã ASCII là 43, đặt tần số lấy mẫu là 150Hz
8) “ , “,theo bảng mã ASCII là 44 đặt tần số lấy mẫu là 200Hz
9) “ – “,theo bảng mã ASCII là 45, đặt tần số lấy mẫu là 250Hz
10) “#”,theo bảng mã ASCII là 35, khởi động chế độ nhị phân với sự hoạt động của tất cả các kênh.
