KHÁM PHÁ
Tìm hiểu về động cơ servo Ngày đăng: 13 tháng 04, 2009
RC servo RC servo là một loại động cơ điện đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành tới một vị trí chính xác và giữ cứng tại vị trí đó ngay cả khi cơ cấu chấp hành bị đẩy trở lại. Dải góc quay chuẩn của đầu trục ra thường là là 90 và 180 độ. Trên thị trường thế giới có rất nhiều loại servo khác nhau do nhiều nước sản xuất. Có nhiều cách phân loại servo: Phân loại về nguồn cấp: có servo 1 chiều, servo xoay chiều 1 pha, servo xoay chiều 3 pha. Phân loại về vật liệu làm hộp giảm tốc có: bằng composit, kim loại, hợp kim. Về phương pháp điều khiển, servo có hai loại cơ bản: analog và digital. Bề ngoài thì không có gì khác nhau và về cơ bản, các phần bên trong cũng không phân biệt nhiều ngoại trừ một vài phần điện tử, digital servo có một bộ vi xử lý. Giới hạn trong bài viết này là đề cập đến servo 1 chiều công suất nhỏ dùng để làm đồ chơi: hobby fly hay humanoid robot, animal robot… Trên thế giới, dòng sản phẩm này có 2 hãng sản xuất lớn, chất lượng cao là: Hitec (Mỹ) và Futaba (Nhật).
Giắc cắm Để có thể hoạt động được được thì servo cần 3 dây: một dây nguồn, một dây nối đất và một dây tín hiệu. Hình 2 là một đầu nối kiểu S của Hitec và một đầu nối kiểu J của Futaba. Thứ tự của các dây là như nhau nhưng màu sắc có thể khác nhau. Dây đỏ thường là dây cấp nguồn (thường là 5V), dây nối đất là dây màu đen và dây tín hiệu vào thường là màu vàng (kiểu S) hoặc màu trắng (kiểu J). Với các loại servo khác, màu sắc có thể thay đổi.
Các phần Các thành Động cơ Biến Hộp Mạch điều - Dây tín hiệu ( signal wire)
của 1 trở giảm
khiển Vỏ
phần
một
servo chính: (motor)
chiều ( tốc
(
(gear Electronic
potentiometer) box) board) (cover)
Hình 3 chỉ ra các phần cơ bản bên trong một servo. Một động cơ DC nhỏ được nối với một trục đầu ra thông qua một bộ các hộp số giảm tốc. Công suất của động cơ là P=kwG, trong đó k là hằng số, w là số vòng trên phút (rpm) và G là moment xoắn. Nếu P không đổi thì việc giảm vận tốc sẽ làm tăng lực xoắn trên trục đầu ra. Động cơ được điều khiển bằng mạch điện tử. Vị trí yêu cầu là tín hiệu vào, biến trở trên trục sẽ đưa ra phản hồi về vị trí (Ưu điểm của servo là biến trở được nối với trục ra nên tại mỗi vị trí của trục ra đều có thể kiểm soát được bằng giá trị trên biến trở). Cơ cấu chấp hành, thường được gọi là cần, có các rãnh then hoa trên đó ăn khớp với các rãnh then hoa trên đầu trục. Các rãnh này giúp cần không bị trượt khi có moment xoắn. Có một ốc vít gắn cần chặt vào trục. Cần có thể có rất nhiều dạng: cánh tay, thanh, đĩa….
Tín hiệu điều khiển: Để điều khiển servo quay theo các góc cố định thì chip điều khiển phải phát xung với độ rộng từ 1ms đến 2ms. Trên hình bên là mô tả về tín hiệu điều khiển này: 1ms ứng với góc quay nhỏ nhất -900 và 2ms ứng với góc quay lớn nhất của servo 900 nên góc quay ở giữa 00 ứng với độ rộng xung là 1,5 ms.
Phương pháp phát tín hiệu điều khiển là phương pháp điều khiển độ rộng xung (Pulse Width Modulated-PWM), như hình 4. Đối với các servo analog, các xung biến đổi trong khoảng 20ms cho tần số 50Hz. Servo digital cũng sử dụng điều khiển độ rộng xung nhưng tần số có thể lên tới 300Hz. Trong hình 4 chỉ ra các độ rộng xung phổ biến, ngoài ra người ta còn sử dụng các độ rộng khác vì thế bạn nên kiểm tra thông số cụ thể của từng nhà sản xuất. Mạch Điện tử servo analog :
Hình 5 là sơ đồ khối mạch điện tử của servo analog, bộ tạo xung (từ xung đầu vào) tạo ra một độ rộng xung tương ứng với vị trí hiện thời. Xung từ bộ tạo xung và xung đầu vào đi vào một bộ so sánh, để so sánh xung điều khiển và xung chuẩn, kết quả cho ra xung sai số. Xung nào rộng hơn sẽ quyết định hướng tín hiệu. Tín hiệu so sánh sẽ đi qua một bộ dãn xung, thực tế là một bộ khuyếch đại. 1% hiệu của độ rộng từ bộ so có thể tạo ra thêm 50% tín hiệu cho mạch cầu H. Mạch cầu H sẽ thiết lập cực điện áp đi vào động cơ theo hướng tín hiệu. Phần trăm điều khiển tới cầu H giảm dần khi tiến tới vị trí mong muốn. Để ngăn chặn những dao động xung quanh vị trí mong muốn, có một dải chết. Khi hiệu giữa vị trí mong muốn và vị trí hiện thời nằm trong dải chết, điều khiển động cơ sẽ chạy về 0. Vật liệu hộp giảm tốc: ( Không dùng khái niệm hộp số) Có 3 loại vật liệu được dùng để làm hộp giảm tốc RC servo: - Nylon: được sử dụng nhiều nhất. Hộp giảm tốc nylon nhẹ, chạy êm và không bị ăn mòn, nhưng độ bền không cao và mômen xoắn không cao. - Kim loại: Là vật liệu có khả năng chịu tải tốt nhất. Hộp giảm tốc kim loại nặng và, do sự mài mòn giữa các bánh răng sẽ dần dần làm lỏng các bánh răng, dẫn đến làm giảm sự chính xác cho vị trí và đôi khi gây ra sự không ổn định hay dao động trong một số trường hợp có tải. Hiện nay hộp giảm tốc bằng titan là khá đặt, nhưng loại hộp số này chống mài mòn rất tốt. - Karbon: Không phải là vật liệu cacbon dễ gây cháy nổ, đây là vật liệu nhựa được gia cố bằng cacbon để trở nên cứng hơn. Hộp giảm tốc karbon của Hitec khỏe hơn và bền hơn hộp số nylon, nhưng hộp số kim loại vẫn khỏe nhất.
Các thông số kỹ thuật của Servo: Hai thông số kỹ thuật quan trọng của servo là tốc độ và moment xoắn. Tốc độ được xác định là thời gian để quay tới một góc cho trước, ví dụ như mất 0.15s để quay một góc 60 độ. Moment xoắn được cho bởi kg-cm. Tốc độ và moment được gắn cho một điện áp nhất định, thường là 4,8V và 6V. Một yếu tố nữa ảnh hưởng tới tốc độ và moment xoắn, đó là vật liệu làm ổ quay, có thể được làm bằng nhựa, vòng bi hay bạc lót kim loại. Loại được làm bằng vòng bi là tốt nhất. Servo có nhiều kích thước và khối lượng, cỡ siêu nhỏ, cỡ mini, cỡ tiêu chuẩn và có cả những servo cỡ lớn. Servo digital và analog. Servo số đắt hơn và có nhiều ưu điển hơn do nó có một chip vi xử lý. Một số servo digital có thể lập trình được các tham số như tốc độ, chiều quay, độ quay và dải chết. Nếu không thích bạn có thể bỏ phần lập trình và sử dụng chúng như bình thường. Vì servo digital có thể nhận lệnh đầu vào nhanh hơn servo analog, chúng có thể cập nhật vị trí động cơ nhanh hơn. Điều đó làm cho phản ứng nhanh hơn, moment xoắn mạnh hơn, dải chết hẹp hơn và moment giữ lâu hơn. Nhược điểm là c húng là tiêu thụ nhiều dòng hơn.
Hình 6: Servo analog (standard) có đường đặc tính đáp ứng chậm hơn servo digital.
Hình 7: trong 1s servo analog nhận 50 xung còn servo digital nhận 300 xung nên độ chính xác và khả năng đáp ứng của servo digital là tốt hơn nhưng nó gây ra nhược điểm là sẽ tốn năng lượng hơn.
Sự quay liên tục. Vì servo bao gồm mạch cầu H và bánh răng, đôi khi người ta thay đổi cho nó quay liên tục, biến thành một động cơ bình thường. Nhưng servo không được thiết kế để quay liên tục và làm như vậy sẽ làm servo giảm tuổi thọ đi nhiều. Sự thay đổi có thể bằng cách đi lại dây biến trở và tháo bỏ vấu cơ khí dùng để cản sự quay liên tục. Nếu bạn hứng thú, bạn có thể tìm thấy nhiều tài liệu trên Internet dạy cách làm. Bây giờ bạn hãy thử tự làm một mạch điều khiển servo
Hình 8 là sơ đồ nguyên lý mạch servo, sử dụng hai timer CMOS 555. Timer thứ nhất là một oscilator chạy với tần số 50Hz để tạo ra khoảng cách 20ms giữa các xung. IC thứ hai là một timer phát một lần có độ rộng xung đầu xác định bởi biến trở . Sử dụng CMOS bởi vì 555 lưỡng cực thường có một hiện tượng ngắn mạch bên trong từ nguồn tời đất khi chúng chuyển mạch. Hiện tượng này tạo ra một loại nhiễu dưới dạng đỉnh dòng. Bạn cũng có thể sử dụng một con 556 (nó như một con 555 lưỡng) 14 chân DIP. Hình 9 là sơ đồ mạch in (PCB) và hình 10 là một sơ đồ lắp ráp hoàn chỉnh. Chú ý dây dọc theo lề bên dưới hình 9, nó sẽ được hàn nối đất để gắn các thiết bị đo dao động hoặc đo điện áp.
Hoạt động của mạch. Bảng mạch trên được thiết kể để cho một adaptor DC cấp nguồn (nên dùng loại 9V-1A). Điện áp được nối với một bảng đấu dây, D1 dùng để chống đảo cực. Một LM7805 được dùng để ổn định nguồn cấp xuống 5V và đủ để kiểm soát 1 ampe sụt dòng. C2 là tụ 100 uF và cũng được dùng để kiểm soát dòng cao. Đầu nối servo được cắm vào đầu 3 chân, chỗ lề của bảng mạch. Tần số dao động của IC2 được thiết lập bởi C3, R2, R3A và R3B. R3A và R3B được nối với nhau bằng một dăm nối. Khi dăm này không nối, IC2 chạy ở tần số 50Hz đối với servo analog. Khi dăm nối, IC2 chạy ở tần số 250 Hz đối với servo số. Servo digital sẽ làm việc ở tần số 50Hz, nhưng có tần số cao cho phép các tín hiệu đầu vào điển hình có thể kiểm tra được chúng. Sử dụng điện trở R2 và R2B chính xác (có sai số là 1%), tần số chính xác phục thuộc vào sai số của
C3. Tụ monolithic có thể thay đổi ±20 % phụ thuộc vào nhiệt độ, cho nên bạn có thể mua X7R sai số lớn hay NPO bù nhiệt hoặc COG. Do tín hiệu đầu ra của IC2 là xung nên C4, D3 và R4 tạo thành một bộ vi sai có tác dụng tạo ra một lề giảm điện áp để đưa IC3 vào chế độ một lần phát. Đầu ra của IC3 đi ra một đầu nối 3 chân cho nên cần R8 ở đó để phòng trường hợp tín hiệu nối trực tiếp với đất hoặc nguồn. Độ rộng xung đầu ra được xác định bởi R5, R6, R7 vaf C6. R6 là một biến trở có một trục để dễ điều chỉnh (xem hình 9). Nếu bạn muốn điều khiển vị trí servo chính xác hơn nữa thì nên dùng biến trở có điều khiển tinh chỉnh. R5 được mắc nối tiếp với biến trở và song song với R7 cho phép bạn cài đặt độ rộng xung nhỏ nhất và lớn nhất. Các giá trị sử dụng ở đây thay đổi từ 0,8 đến 2,5ms.
Xây dựng Công việc xây dựng một servo rất dễ hiểu. Bạn sẽ cần một đầu nối đực có ít nhất 5 chân. Đối với dăm JP cần loại 2 chân và giắc nối dùng loại 3 chân. Những đầu nối như thế được bán rất nhiều trên thị trường. Mạch servo cũng dễ xây dựng trên một bảng mạch được khoan trước giống như RadioShack 276-150.
Danh sách vật tư 1K, 1/4W, 5%0.1mF, 50V monilithic Tên
Mô tả
R1
Tên Mô tả C1
R2
22.0K, 1/4W, 1% C2 100uF, 10V monilithic
R3A
20K, 1/4W, 5%
R3B
133K, 1/4W, 1% C4 0.001uF, 50V monilithic
R4
10K, 1/4W, 5%
C5 0.1uF, 50V monilithic
R5
33K, 1/4W, 5%
C6 0.022uF, 50V monilithic
R6
100K
C7 0.1uF, 50V monilithic
R7
220K, 1/4W, 5% C8 0.1uF, 50V monilithic
R8
100ჲ, 1/4W, 5% D1 1N4001
IC1
LM7805
IC2,IC3 LMC555
C3 0.1uF, 50V monilithic
D2 Green LED D3 1N914
Bảng mạch in PCB. - Dăm di động (Jameco p/n 112416, Electronix Express p/n 24SHRTBAR hoặc loại tương tự
