Servo 2

Thông số kỹ thuật của servo Servo R/C có một vài tiêu chuẩn. Sự giống nhau này được áp dụng chủ yếu cho các servo kích thước chuẩn - khoảng 1,6 x 0,8 x 1,4 inch. Với các kiểu servo khác, kích thước thay đổi theo nhãn hiệu vì chúng được thiết kế cho những nhiệm vụ cụ thể.

Bảng 1: cho ta các thông số điển hình cho nhiều kiểu servo, bao gồm kích thước, khối lượng, moment xoắn và thời gian transit. Dĩ nhiên ngoại trừ kích thước của servo chuẩn, các thông số khác có thể thay đổi tùy theo mẫu và nhãn hiệu.

Moment xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra. Đơn vị chuẩn của moment xoắn trong servo R/C là ounce.inch. Các servo có moment xoắn rất cao nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc. Thời gian transit (còn gọi là tỉ lệ quay – slew rate) là thời gian để trục servo quay một góc X (X thường là 60o). Các servo nhỏ quay khoảng 0,25s/60o trong khi các servo lớn quay chậm hơn. Thời gian transit càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh. Từ thời gian transit ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng / phút của trục động cơ. Nhiều servo R/C được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt có thể thích ứng với robot. Ví dụ: servo dùng cho mô hình thuyền buồm sẽ không bị vô nước, vì vậy rất hữu dụng cho robot làm việc trong hay gần nước.

Các kiểu nối và đấu dây Trong khi nhiều đặc điểm của servo được chuẩn hóa thì hình dạng và tiếp điểm điện của connector gắn servo với máy thu lại rất khác nhau giữa các nhà sản xuất. Dù robot có thể không dùng máy thu vô tuyến nhưng ta vẫn phải gắn servo với một 1

connector thích hợp trên mạch điều khiển hay trên máy tính. Nếu thấy quá phức tạp ta có thể đấu cứng connector lên mạch điện tử nhưng điếu này khiến việc thay thế servo khó khăn hơn. Có 3 kiểu đấu dây chính: - kiểu J / Futaba - kiểu A / Airtronics - kiểu S / Hitec-JR Dây ra: Hình dáng của connector cũng đáng quan tâm vì sự đấu dây cho connector (còn gọi là dây ra) cũng có giới hạn. Đa số các servo sử dụng cùng kiểu dây ra như hình 20.5.

Hình 5: các dây ra chuẩn của servo: dây 1 là dây tín hiệu, dây 2 nối nguồn, dây 3 nối đất. Với mô hình này, hư hỏng không thường xảy ra nếu ta lỡ đảo vị trí connector Trong một vài ngoại lệ, connector của servo R/C sử dụng 3 dây: nguồn, đất và tín hiệu điều khiển.

Bảng 2: liệt kê các dây ra của một vài hiệu servo thông dụng. Mã hóa bằng màu: Đa số servo sử dụng màu để biểu thị chức năng của dây nối nhưng màu sử dụng cũng thay đổi tùy theo nhà sản xuất.

2

Bảng 3: liệt kê các màu thông dụng nhất cua một vài hiệu thông dụng. Sử dụng ổ cắm snap-off cho các connector tương thích: Các ổ cắm trên đa số servo R/C được thiết kế để thích hợp với các chấu cắm cách nhau 0,01 inch. Đây là khoảng cách chấu thông dụng trong điện tử và các ổ cắm thích hợp cũng có sẵn. Sự đa dạng các “snap-off” của ổ cắm rất có lợi vì ta có thể mua một sợi dài và tách đúng số chấu cần thiết. Đối với servo, ta tách thành 3 chấu sau đó gắn vào mạch điều khiển như hình sau

Hình 6: Ta có thể tự làm connector cho servo bằng cách dùng ổ cắm snap-off gắn chặt vào mạch điều khiển robot 3

Ta dễ dàng đảo vị trí connector và cắm lại vào ổ cắm mà không làm hư servo hay mạch điện vì đảo vị trí connector chỉ là đảo dây tín hiệu và dây đất. Tuy nhiên đối với servo loại cũ, dây tín hiệu và dây nguồn bị đảo sẽ làm hư cả servo lẫn mạch điện tử.

Mạch điều khiển servo Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ. Một động cơ DC điển hình cần các transistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà không cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết để điều khiển công suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính. Điều khiển servo bằng IC định thì 555: Ta có thể không cần đến cả máy tính để điều khiển servo. Một IC 555 có thể cung cấp các xung cần thiết cho servo.

Hình 7: Một phương pháp phổ biến dùng IC 555 để điều khiển servo. Khi hoạt động, IC 555 sinh ra một tín hiệu xung có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau để điều khiển hoạt động của servo. Chỉnh Vôn kế để định vị servo. Vì IC 555 có thể dễ 4

dàng tạo xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vị trí biên thông thường. Khi servo gặp vật cản và kêu lạch cạch ta phải ngắt nguồn lập tức, nếu không các bánh răng bên trong sẽ bị trờn. Dùng bộ xử lý chuyên nghiệp: Các máy thu R/C được thiết kế với tối đa 8 servo. Máy thu nhận xung số từ máy phát, bắt đầu bằng một xung dài đồng bộ, sau đó là các xung của 8 servo, mỗi xung dành cho một servo. 8 xung cộng với xung đồng bộ mất khoảng 20 ms. Điều này có nghĩa là dãy xung có thể lặp lại 50 lần / giây, ta gọi đó là tỉ lệ lặp lại (refresh rate). Khi tỉ lệ này giảm, các servo không cập nhật đủ nhanh và sẽ bị mất vị trí. Trừ khi mạch điện tử ta dùng có thể cung cấp xung đồng thời cho nhiều servo (đa nhiệm vụ - multi-tasking), mạch điều khiển sẽ không thể cung cấp các xung lặp lại đủ nhanh. Vì vậy ta có thể dùng bộ xử lý servo chuyên nghiệp. Bộ này có thể điều khiển 5, 8 động cơ hay nhiều hơn một cách độc lập, sẽ làm giảm bớt chương trình tổng cộng của máy tính hay bộ vi xử lý mà ta đang dùng. Ưu điểm chính của bộ xử lý servo chuyên nghiệp là ta có thể điều khiển đồng thời nhiều servongay cả khi máy tính, bộ vi xử lý không “đa nhiệm vụ”. Ví dụ: giả sử robot cần 24 servo, có thể là một robot hình nhện 8 chân, mỗi chân có 3 servo, mỗi servo điều khiển một bậc tự do của chân. Phương pháp ta sử dụng là phân chia công việc cho 3 bộ xử lý servo, mỗi bộ có thể điều khiển 8 servo. Mỗi bộ xử lý chịu trách nhiệm cho một loại bậc tự do: một cho sự quay của cả 8 chân, một cho “độ linh hoạt” của các chân và một cho sự quay của đốt cuối của chân. Các bộ xử lý servo chuyên nghiệp phải được dùng với máy tính hay bộ vi xử lý vì chúng cần được cung cấp dữ liệu thời gian thực để điều khiển servo. Dữ liệu này thường được gửi trong một công thức dữ liệu chuỗi. Một dãy các byte gửi từ máy tính hay bộ vi xử lý được bộ xử lý servo giải mã, mà mỗi byte sẽ tương ứng một servo. Những bộ xử lý servo điển hình có ghi chú các ứng dụng và các chương trình mẫu của các máy tính và bộ vi xử lý thông dụng nhưng để đảm bảo ta cần có kiến thức về lập trình và truyền chuỗi. Sử dụng lớn hơn 7,2V: Các servo được thiết kế để sử dụng với bộ pin R/C recharge, có điện thế từ 4,8 – 7,2V, phụ thuộc vào số pin sử dụng. Các servo cho phép khoảng điện thế vào khá rộng và bộ 4 pin AA 6V đã cung cấp đủ điện. Tuy nhiên khi pin hết, điện thế giảm, servo không còn nhanh như lúc đầu. Khi điện thế khoảng 4 hay 4,5V, servo thậm chí không chạy.

5

Nếu điện thế cao hơn thông thường thì sao? Thực ra, nhiều servo có thể chạy tạm khi điện thế lên đến khoảng 12V mà không hoặc ít gây hậu quả. Tuy nhiên đasố servo bắt đầu nóng lên ở 9 hay 10V và chúng sẽ không thể hoạt động lâu nếu không được nghỉ để làm nguội. Trừ khi ta cần tăng moment xoắn hay tăng tốc độ, tốt hơn là giữ điện thế cung cấp cho servo không vượt quá 9V, tốt nhất là trong khoảng 4,8 – 7,2V. Ta cũng cần tham khảo bảng dữ liệu của servo để xác định các yêu cầu điện thế đặc biệt khác. Làm việc với dải chết và tránh dải chết: Tất cả servo đều thể hiện cái gọi là dải chết. Dải chết của servo là thời gian sai lệch lớn nhất giữa tín hiệu điều khiển ngõ vào và tín hiệu tham chiếu nội sinh ra bởi vị trí của Vôn kế. Nếu thời gian sai lệch nhỏ hơn dải chết – 5 hay 6 ms – servo không cần phải điều chỉnh động cơ để sửa sai lệch. Nếu không có dải chết, servo phải liên tục dò tới lui để tìm điểm tương thích chính xác giữa tín hiệu vào và tín hiệu tham chiếu nội của nó. Dải chết cho phép servo giảm thiểu sự dò tìmnày và sẽ lấy điểm lân cận điểm cần tìm mặc dù không được chính xác lắm. Dải chết thay đổi tùy theo servo và được coi như một thông số của servo. Dải chết điển hình dài 5 µs. Nếu servo quay 180o trong dải 1000 µs thì dải chết 5 µs chỉ chiếm 1/200. Ta không cần lưu ý tới ảnh hưởng của dải chết nếu mạch điều khiển có độ phân giải thấp hơn dải chết. Tuy nhiên nếu mạch điều khiển có độ phân giải cao hơn dải chết, một sự thay đổi nhỏ về giá trị độ rộng xung có thể không ảnh hưởng. Ví dụ: nếu bộ xử lý có độ phân giải là 2 µs và nếu servo có dải chết 5 µs thì sự thay đổi 1 hay 2 giá trị - tức là 2 hay 4 µs trong bề rộng xung - sẽ không ảnh hưởng lên servo. Như vậy ta nên chọn servo có dải chết hẹp nếu ta cần độ chính xác và mạch điều khiển hay môi trường lập trình có độ phân giải đủ lớn. Ngược lại ta không cần lưu ý tới dải chết. Dải xung lớn hơn 1 – 2 µs: Servo điển hình đáp ứng cho tín hiệu từ 1 – 2 µs. Trong thực tế, nhiều servo có thể được cung cấp bởi xung ngắn hay dài hơn để tối đa hóa giới hạn quay. Dải 1 – 2 µs thực ra có thể quay servo theo hai hướng nhưng không thể quay toàn bộ theo cả hai hướng. Tuy nhiên ta không biết giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của servo cho đến khi ta chạy thử. Cần lưu ý: thử nghiệm này có thể nguy hại vì vận hành động cơ servo ở

6

giới hạn có thể làm cơ cấu đụng vật cản bên trong, nếu để lâu các bánh răng của servo sẽ bị hư. Nếu ta chỉ cần quay servo tới vị trí max, hãy chọn lực mạch điều khiển. Bắt đầu bằng cách thay đổi bề rộng xung một lượng nhỏ hơn 1 ms, có thể là 10 µs. Sau mỗi lần thay đổi, dùng chương trình điều khiển đẩy servo trở lại vị trí giữa / vị trí trung hòa. Khi nghe thấy servo gặp vật cản bên trong (tiếng lạch cạch), lúc đó ta đã tìm được giá trị biên dưới của servo. Lặp lại quá trình để tìm giá trị biên trên. Có những servo có cận dưới là 250 µs, cận trên là 2200 µs. Tuy nhiên các servo khác bị hạn chế đến nỗi chúng thậm chí không thể hoạt động trong dải 1- 2 ms. Các giá trị biên này cũng khác nhau đối với từng loại và từng nhãn hiệu servo.

7