GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ 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 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 của một servo
Các thành phần chính:
- Động cơ 1 chiều (motor)
- Biến trở ( potentiometer)
- Hộp giảm tốc (gear box)
- Mạch điều khiển ( Electronic board)
- Vỏ (cover)
- Dây tín hiệu ( signal wire)



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.



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.



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	Tên	Mô tả
R1		C1
R2	22.0K, 1/4W, 1%	C2	100uF, 10V monilithic
R3A	20K, 1/4W, 5%	C3	0.1uF, 50V monilithic
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	D2	Green LED
IC2,IC3	LMC555	D3	1N914

- Bảng mạch in PCB.
- Dăm di động (Jameco p/n 112416, Electronix Express p/n 24SHRTBAR hoặc loại tương tự.