(Luận văn) nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động

-i- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC QUÂN lu an NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN n va THỜI GIAN THỰC TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG p ie gh tn to oa nl w Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa d Mã ngành: 62520216 an lu ll u nf va LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT oi m z at nh z NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC m co l gm @ KHOA CHUYÊN MÔN an Lu TS Đỗ Trung Hải va n TS Đỗ Trung Hải ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - ii - PHÒNG ĐÀO TẠO TS Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN 2016 LỜI CAM ĐOAN lu an Tên là: Trần Đức Quân va n Sinh ngày: 26 tháng 03 năm 1986 to gh tn Học viên lớp cao học khoá 16 – Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá - p ie Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái w Nguyên oa nl Hiện công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – d Đại học Thái Nguyên lu va an Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định ll u nf hƣớng giáo viên hƣớng dẫn, không chép ngƣời khác oi m Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn z at nh Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn z m co l gm @ Trần Đức Quân an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - iii - LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn thạc s đƣợc hoàn thành Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Có đƣợc luận văn tốt nghiệp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Khoa Điện, Phịng Đào tạo, đặc biệt thầy giáo TS Đỗ Trung Hải, Trƣởng khoa Điện trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời lu gian thực điều khiển hệ truyền động” an n va Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học trực tn to tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật Tuy nhiên, có hạn chế kiến thức nên Luận văn không tránh p ie gh điều khiển Tự động hóa cho thân tơi năm tháng qua nl w khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp d oa thầy giáo, cô giáo nhà khoa học để tiến an lu Một lần xin chân thành cảm ơn tập thể cá nhân TS Đỗ Luận văn ll u nf va Trung Hải hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành oi m Trân trọng cám ơn./ z at nh Học viên z l gm @ m co Trần Đức Quân an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - iv - MỤC LỤC MỞ ĐẦU ix Tính cấp thiết đề tài ix Mục tiêu nghiên cứu ix Dự kiến kết đạt đƣợc ix Phƣơng pháp nghiên cứu ix Cấu trúc luận văn ix CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN lu an n va p ie gh tn to 1.1 Cơ sở lý thuyết đo lƣờng 1.1.1 Khái niệm đo lƣờng 1.1.2 Lý thuyết đo lƣờng sở 1.1.3 Lý thuyết đo lƣờng ứng dụng 1.1.4 Phân loại cách thức thực phép đo 1.1.5 Các đặc trƣng kỹ thuật đo 1.2 Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu 1.3 Tổng quan điều khiển tự động 11 1.3.1 Lịch sử đời 11 1.3.2 Các khái niệm điều khiển 12 1.3.3 Những nguyên tắc điều khiển 16 1.4 Kết luận chƣơng 18 oa nl w d CHƢƠNG THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN 19 ll u nf va an lu 2.1 Thiết kế phần cứng 19 2.1.1 Yêu cầu thiết kế phấn cứng 19 2.1.2 Khối vi xử lý trung tâm 20 2.1.3 Khối xử lý tín hiệu tƣơng tự 24 2.1.4 Khối xử lý tín hiệu số 25 2.1.5 Khối mạch nguồn nuôi 26 2.1.6 Card điều khiển hoàn chỉnh 26 2.2 Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E 27 2.2.1 Ngơn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E 27 2.2.2 Thuật toán chƣơng trình 28 2.2.3 Thuật tốn chƣơng trình xử lý liệu từ Matlab/Simulink 29 2.3 Phần mềm cho Matlab – Simulink 30 2.3.1 Khối cài đặt – CardTNUT Setup 31 2.3.2 Khối đọc tín hiệu tƣơng tự 32 2.3.3 Khối xuất tín hiệu tƣơng tự 32 2.3.4 Khối đọc tín hiệu số 33 2.3.5 Khối xuất tín hiệu số 33 oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si -v- 2.3.6 Khối xuất tín hiệu PWM 33 2.3.7 Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder 34 2.3.8 Khối xuất tín hiệu điều khiều động servo chiều 34 2.3.10 Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits 35 2.3.11 Khối ghép nối module điều khiển 32 servo 35 2.3.12 Khối xuất xung điều khiển Thyristor 36 2.3.13 Khối giao tiếp nối tiếp 36 2.3.14 Khối điều khiển PID online 37 2.3.15 Khối cài đặt tham số điều khiển PID Card 37 2.4 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 39 lu an n va p ie gh tn to 3.1 Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 39 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 39 3.1.2 Tổng hợp hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 40 3.1.3 Thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động chiều 44 3.2 Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) 45 3.2.1 Giới thiệu hệ chuyển động robot nhện 45 3.2.2 Thuật toán điều khiển di chuyển robot nhện 46 3.2.3 Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện 52 3.2.4 Kết thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện 54 3.3 Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.1 Mô hình robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.2 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot theo quỹ đạo mê cung 56 3.3.4 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 57 3.3.5 Thực nghiệm 58 3.4 Kết luận chƣơng 60 d oa nl w ll u nf va an lu oi m KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 z at nh Kết luận 61 Kiến nghị 62 z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tƣơng tự - số DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tƣơng tự TBĐK Thiết bị điều khiển ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển Bộ điều khiển TBĐL Thiết bị đo lƣờng DC Direct current, dòng điện chiều AC Alternating current, dòng điện xoay chiều PWM RISC 10 CPU Central Processing Unit, xử lí trung tâm 11 ie JTAG Joint Test Action Group, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý lu Ký hiệu gh Diễn giải nội dung đầy đủ TT an Pulse-width modulation, điều chế độ rộng xung n va tn to p đơn giản hóa Serial Wire Debug, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý SWD Direct memory access, kỹ thuật chuyển liệu từ nhớ DMA đến ngoại vi từ ngoại vi đến nhớ mà không yêu cầu d oa 113 nl w 12 Reduced instruction set computing, máy tính với tập lệnh ll u nf va an lu đến thực thi CPU oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - vii - DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ 14 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám 16 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 16 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 17 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển thích nghi 17 Hình Mơ hình khối mạch điều khiển 20 Hình 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3 .22 Hình Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm 23 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tƣơng tự 24 lu an Hình Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tƣơng tự 25 va Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số 25 n Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi 26 tn to Hình Card điều khiển sau gia công .26 ie gh Hình Giao diện phần mềm Atmel Studio 27 p Hình 10 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình 28 w Hình 11 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình xử lý liệu từ Simulink .29 oa nl Hình 12 Thƣ viện CardTNUT đƣợc cài vào Simulink .31 d Hình 13 Khối CardTNUT Setup 31 an lu Hình 14 Khối đọc tín hiệu tƣơng tự .32 va Hình 15 Khối xuất tín hiệu tƣơng tự 32 u nf Hình 16 Khối đọc tín hiệu số .33 ll Hình 17 Khối xuất tín hiệu số 33 m oi Hình 18 Khối xuất tín hiệu PWM 33 z at nh Hình 19 Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder .34 Hình 20 Khối điều khiều động servo 34 z Hình 21 Khối điều khiển module 16PWM 35 @ gm Hình 22 Khối ghép nối module 32 servo .35 l Hình 23 Khối xuất xung điều khiển Thyristor .36 m co Hình 24 Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp 36 Hình 25 Khối PID online .37 an Lu Hình 26 Khối cài đặt tham số PID 37 va Hình Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động chiều 39 n Hình Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 40 ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - viii - Hình 3 Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 41 Hình Dữ liệu tín hiệu tốc độ quay động (vòng/phút) 42 Hình Đánh giá mơ hình nhận dạng 43 Hình Cấu trúc điều khiển hệ thống động chiều Matlab/Simulink 44 Hình Đáp ứng hệ truyền động động chiều 45 Hình Hình vẽ mơ tả robot nhện 46 Hình Lƣu đồ thuật tốn động tác Đứng vị trí 47 Hình 10 Lƣu đồ thuật toán động tác Tiến 48 Hình 11 Lƣu đồ thuật tốn động tác Quay trái 50 Hình 12 Lƣu đồ thuật tốn động tác di chuyển sang sang phải 51 Hình 13 Giao diện điều khiển Robot nhện 52 lu an Hình 14 Cấu trúc điều khiển Robot nhện Simulink 53 n va Hình 15 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện 53 Hình 17 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung 55 gh tn to Hình 16 Mơ hình robot nhện 54 Hình 18 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung 55 ie p Hình 19 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot theo quỹ đạo mê cung 56 w Hình 20 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 56 oa nl Hình 21 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 57 d Hình 22 Minh họa robot theo quỹ đạo mê cung 58 an lu Hình 23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 58 va Hình 24 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 58 u nf Hình 25 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) 59 ll Hình 26 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) 60 oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - ix - MỞ ĐẦU lu an n va p ie gh tn to Tính cấp thiết đề tài Trong l nh vực điều khiển tự động hóa, có nhiều thuật tốn điều khiển từ kinh điển đến đại đòi hỏi điều khiển phải xử lý khối lƣợng cơng việc lớn, tính tốn phức tạp Matlab phần mềm có khả tính tốn thực tốt thuật toán điều khiển Kết hợp Matlab Card thu thập liệu tạo điều khiển linh hoạt, có khả thực thuật toán điều khiển l nh vực điều khiển tự động thể qua báo cáo [3], [8], [12], [13], [14], nhiên giá thành card hãng thƣờng cao Do đề xuất thiết kế card có khả thu thập xuất tín hiệu đối tƣợng điều khiển để kiểm chứng thuật toán điều khiển để phục vụ cho công tác giảng dạy nghiên cứu cần thiết Qua luận văn giúp tơi có sở phƣơng tiện để tiếp tục đƣờng nghiên cứu l nh vực điều khiển tự động hóa Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Vì chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động” d oa nl w Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính điều khiển thời gian thực (giao tiếp phần mềm MatLab) lu u nf va an Dự kiến kết đạt đƣợc Card điều khiển ll Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đo lƣờng, chuyển đổi tín hiệu - Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao tiếp với Matlab - Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm oi m z at nh z @ m co l gm Cấu trúc luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng Cơ sở lý thuyết đo lƣờng điều khiển Chƣơng Thiết kế card điều khiển Chƣơng Thực nghiệm Kết luận kiến nghị an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si -1- CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cơ sở lý thuyết đo lƣờng [1] 1.1.1 Khái niệm đo lường Theo – D.I.Mendeleev thì: “Khoa học ngƣời ta biết đo Một khoa học xác khơng có ý ngh a thiếu đo lƣờng” Ngay từ thời xa xƣa ngƣời ý đến khái niệm đo lƣờng, ngành khoa học chuyên nghiên cứu phƣơng pháp để đo đại lƣợng khác Và đƣợc nhà khoa học l nh vực quan tâm Đối với quốc gia việc phát triển lu an đo lƣờng phải bao gồm l nh vực đo lƣờng đo lƣờng n va pháp quyền đo lƣờng khoa học gh tn to - Đo lƣờng pháp quyền liên quan đến vấn đề sau: p ie + Xây dựng hệ thống pháp luật đo lƣờng oa nl nƣớc w + Xây dựng tổ chức đo lƣờng để quản lý công tác đo lƣờng d + Xây dựng hệ thống chuẩn đo lƣờng an lu u nf va + Kiểm định phƣơng tiện đo Đo lƣờng pháp quyền l nh vực lớn đặt cho quốc gia để ll oi m hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng đời sống xã hội đƣợc z at nh đảm bảo chất lƣợng số lƣợng sản xuất thƣơng mại nhƣ giao dịch quốc tế Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày phát triển với z nhiều phát minh sáng giá nên quan tâm đến l nh vực đo l gm @ lƣờng thứ hai Đo lƣờng khoa học m co Trong đo lƣờng khoa học ngƣời ta ý đến vị trí nội dung đo lƣờng hệ thống ngành khoa học đại: tập trung phân tích ý an Lu tƣởng, nguyên lý phƣơng hƣớng khoa học đƣợc đặt dƣới tên chung n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 51 - - B4: Nâng chân 2, robot việc quay khớp số chân, lúc robot đƣợc định vị chân 1, 5; - B5: Co chân 1, duỗi chân robot việc quay khớp số chân để đƣa chân theo hƣớng sang phải; Đồng thời duỗi chân co chân 4, robot việc quay khớp số chân để đƣa thân robot di chuyển theo hƣớng sang phải; - B6: Hạ chân 2, robot việc quay khớp số chân theo chiều ngƣợc lại B4, sau lúc robot đƣợc định vị chân; Lặp lại bƣớc từ B1 đến B6 để tiếp tục cho robot di chuyển ngang sang lu phải an Tƣơng tự cho động tác ngang sang trái va n Lƣu đồ thuật toán cho động tác di chuyển ngang sang phải: to ie gh tn Bắt đầu p Yêu cầu sang Phải nl w d oa Điều khiển động [1,2, 3,2] , [5,2] góc 70o lu u nf va an Điều khiển động [1,3, 3,3, 4,3] , [6,3] góc 110o Điều khiển động [5,3, 2,3] góc 70o ll Điều khiển động [1,2, 3,2] , [5,2] góc 90o oi m z at nh Điều khiển động [2,2, 4,2] , [6,2] góc 70o z Điều khiển động [1,3, 3,3, 4,3] , [6,3] góc 70o Điều khiển động [5,3, 2,3] góc 110o gm @ m co l Điều khiển động [2,2, 4,2] , [6,2] góc 90o an Lu Kết thúc n va Hình 12 Lƣu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 52 - 3.2.2.5 Phối hợp động tác Khi phối hợp động tác lại với nhau, ta điều khiển để robot thực di chuyển theo yêu cầu quỹ đạo Ngoài ra, việc quay khớp chân robot, ta điều khiển cho robot thực động tác phức tạp khác 3.2.3 Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện đƣợc thực Matlab/Simulink CardTNUT Từ yêu ngƣời vận hành, Matlab tính vị lu trí góc động servo theo chƣơng trình CardTNUT nhận giá trị góc an n va gửi xuống module điều khiển 32RC servo dƣới dạng mã lệnh p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 13 Giao diện điều khiển Robot nhện an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 53 - Setup CardT NUT COM2 Real -T i me Pacer Speedup = CardT NUT Setup Real -T i me Pacer L1 F forw L11 R11 L12 R12 L13 R13 Left Leg Ri ght Leg R1 L21 R21 L22 R22 L23 R23 B L2 back Left Leg Ri ght Leg R2 L l eft lu an L3 va R L31 R31 L32 R32 L33 R33 Left Leg n Ri ght Leg ri ght tn to R3 Cal cul ator ie gh p Hình 14 Cấu trúc điều khiển Robot nhện Simulink S21 oa nl w d L11 lu S22 an oi T z at nh Time m 300 ll L13 u nf CardTNUT1 RC Servos 21 to 23 S23 va L12 CardTNUT 32RC SERVO z gm @ Hình 15 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện m co l an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 54 - 3.2.4 Kết thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện Mơ hình robot nhện: lu an n va gh tn to Hình 16 Mơ hình robot nhện ie p - Nghiên cứu thiết kế đƣợc thuật toán để robot thực số động nl w tác di chuyển gồm Tiến, Lùi, sang Trái, Phải, quay Trái, Phải d oa - Lập trình cho robot thực số động tác di chuyển phối ll u nf va an lu hợp động tác theo thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.2.2 oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 55 - 3.3 Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 3.3.1 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung lu an n va gh tn to p ie Hình 17 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung nl w 3.3.2 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung d oa B1 CBT va an lu ĐCT BBĐ PIN ll u nf B3 m ĐCP CBP oi z at nh B2 Hình 18 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung z Các thành phần robot @ ĐCP: Động gắn bánh xe bên phải B2, m co ĐCT: Động gắn bánh xe bên trái B1, l gm B1, B2, B3: bánh xe robot, B3 bánh tự lựa hƣớng robot, an Lu CBT, CBP: Khối cảm biến nhận biết vị trí xe mê cung, n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 56 BBĐ: Bộ biến đổi xung áp cấp điện cho động cơ, Pin: Nguồn cấp cho robot hoạt động 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot theo quỹ đạo mê cung Sơ đồ nguyên lý dạng khối hệ thống: PWM0 DO1 I1 O1 ĐCT AI0 CBT Mạch đệm Card TNUT Cảm biến vị trí AI1 lu CBP an PWM2 DO3 ĐCP I2 O2 n va tn to Nguồn ni gh ie Hình 19 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot theo quỹ đạo mê cung p Sơ đồ nguyên lý mạch đệm: nl w d oa +Vcc U2 DCT VCC VS OUT1 OUT2 u nf OUT3 ll GND 104 13 DCP 14 C4 104 z at nh OUT4 C3 oi SENSA SENSB m 15 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB va 10 12 11 an lu PWM0 DO1 PWM2 DO3 L298 z @ Hình 20 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm l gm L298 chip tích hợp hai mạch cầu H với chuẩn điều khiển TTL Chịu tải tối đa cầu 2A, điện áp 40VDC Sử dụng dạng đóng gói m co Multiwatt15 Rất thích hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ nhƣ động an Lu chiều loại nhỏ vừa Trong hệ thống dùng chip L298 để n va làm mạch đệm cho 02 động ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 57 - Khối cảm biến: gồm 02 cảm biến đo khoảng cách cặp led thu phát hồng ngoại GP2D12 hãng Sharp (Sharp IR Distance Sensor) GP2D12 đo đƣợc khoảng từ 1÷80cm, tích hợp xử lý tín hiệu mạch tạo tín hiệu analog tỷ lệ với khoảng cách đo đƣợc GP2D12 sử dụng nguồn ni có điện áp 4.5 ÷ 7.5V Hình 21 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 lu Công thức xác định khoảng cách: an n va l  35.909  u  94.364 (3.7) gh tn to Trong đo : l – khoảng cách (cm) p ie U – điện áp đầu cảm biến (V) oa nl w 3.3.4 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung d Mục tiêu điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung: Robot theo quỹ va an lu đạo mê cung với tốc độ nhanh u nf Nguyên tắc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung: Khối cảm biến nhận ll biết robot theo quỹ đạo gửi tín hiệu điều khiển trung tâm CardTNUT; m oi CardTNUT tính tốn điều khiển tốc hai bánh xe robot để điều khiển hƣớng di z at nh chuyển robot, cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh bên z trái, ngƣợc lại để rẽ phải tốc độ bánh xe bên trái nhanh tốc độ bên phải, để m co l gm @ thẳng tốc độ hai bánh xe Lệch trái an Lu Đũng quỹ đạo Lệch phải n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 58 Hình 22 Minh họa robot theo quỹ đạo mê cung Sơ đồ cấu trúc điều khiển: Động Phải Bộ điều khiển Sp CB Phải Tốc độ max (-) (-) (-) Động Trái CB Trái lu an Hình 23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung n va Bộ điều khiển có nhiệm vụ tính tốn độ lệch tốc độ hai bánh xe để lái tn to robot theo quỹ đạo Bộ điều khiển đƣợc thực theo luật điều khiển PID ie gh với tham số đƣợc xác định theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols p 3.3.5 Thực nghiệm w oa nl Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung d Matlab/Simulink: an lu va Setup CardTNUT1 COM2 CardTNUT1 PWM Real-Time Pacer Speedup = CardTNUT PO Real-Time Pacer CardTNUT1 Digital Output CardTNUT1 ADC u nf Sat CardTNUT Setup ll 4095 PID Controller Max Speed Const CardTNUT DO CardTNUT ADC Phai CardTNUT1 Digital Output CardTNUT1 ADC z at nh SP PID(s) oi m z CardTNUT DO1 Sum m co l CardTNUT PO1 Scope gm Sat1 Fcn CardTNUT ADC Trai @ CardTNUT1 PWM f(u) an Lu Hình 24 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 59 - Trong 4095 giá trị PWM ứng với độ rộng xung điều khiển tốc độ động 100% Xác định tham số điều khiển PID: - Thiết lập cho khối PID với điều khiển P, điều chỉnh hệ số khếch đại KP đến giá trị Kth= 14.56 sai lệch vị trí robot so với tâm mê cung có dạng dao động điều hịa với dạng sau (độ lệch mang dấu (+) có ngh a robot lệch sang trái, độ lệch mang dấu (-) có ngh a robot lệch sang phải so với tâm mê cung): Do lech robot so voi tam me cung (cm) lu an n Do lech (cm) va Tth to tn -2 ie gh -4 -6 p -8 10 15 20 25 30 35 40 45 time (s) oa nl w Hình 25 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) d Chu kì dao động: Tth = 33-23.9 = 9.1 (s) lu va an Theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols ta xác định đƣợc tham số điều khiển PID: ll u nf Kp = 0.6·Kth = 0.6·14.56 = 8.736 oi m KI = 2·KP/Tth = 2·8.736/9.1 = 1.92 z at nh KD = KP·Tth /8 = 8.736·9.1/8 = 9.9372 Đáp ứng Độ lệch robot so với tâm mê cung với tham số điều khiển vừa tìm z đƣợc: m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 60 Do lech cua robot so voi tam me cung (cm) 10 Do lech (cm) -2 -4 -6 -8 -10 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 26 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) lu an Nhƣ robot theo quỹ đạo mê cung n va 3.4 Kết luận chƣơng gh tn to Chƣơng trình bày việc thực nghiệm sử dụng card điều khiển CardTNUT p ie việc điều khiển hệ thống: Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập; w Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot); Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo oa nl mê cung Tổng hợp thuật toán điều khiển xây dựng cấu trúc điều khiển hệ d thống đƣợc thực khối thƣ viện CardTNUT phần mềm an lu Matlab/Simulink Kết thực nghiệm cho thấy card điều khiển CardTNUT cấu u nf va trúc điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển hệ thống Nhƣ CardTNUT làm việc đƣợc ll oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 61 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế chế tạo card giao tiếp với máy tính điều khiển thời gian thực (giao tiếp phần mềm MatLab) với tên gọi CardTNUT Nhiệm vụ cụ thể Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chƣơng sau: Chƣơng Cơ sở lý thuyết đo lƣờng điều khiển lu an Chƣơng Thiết kế card điều khiển va n Chƣơng Thực nghiệm + Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan sở lý thuyết đo lƣờng, xử lý số tín ie gh tn to Kết luận văn đạt đƣợc là: p hiệu điều khiển tự động nl w + Tìm hiểu cấu trúc ngơn ngữ lập trình cho vi xử lý AT91SAM3X8E d oa hãng Atmel an lu + Nghiên cứu thiết kế phần cứng CardTNUT với yêu cầu cụ thể va đƣợc trình bày chƣơng oi m chức phần cứng card ll u nf + Nghiên cứu thuật tốn lập lập trình cho CardTNUT để sử dụng dụng chức CardTNUT z at nh + Nghiên cứu xây dựng thƣ viện Matlab/Simulink để giao tiếp sử z + Thực nghiệm sử dụng card điều khiển CardTNUT việc điều khiển @ gm hệ thống: Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập; Hệ chuyển m co l động robot nhện (Spider Robot); Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Tổng hợp thuật toán điều khiển xây dựng cấu trúc điều khiển an Lu hệ thống đƣợc thực khối thƣ viện CardTNUT phần mềm Matlab/Simulink Kết thực nghiệm cho thấy card điều khiển n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si - 62 - CardTNUT cấu trúc điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển hệ thống Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao vào CardTNUT Hoàn thiện kết nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Công, Kỹ thuật đo lƣờng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Trần Xuân Minh, Nguyễn Nhƣ Hiển, “Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ”, NXB Giáo dục 2011 [3] Đinh Văn Nghiệp, “Nghiên cứu ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế điều khiển số điều khiển chuyển động”, Luận văn Thạc sỹ Tự động hoá, Đại học Thái Nguyên, 2009 lu [4] Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xƣởng in ĐHTC - an Đại học Bách khoa Hà Nội, 2002 n va [5] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự to gh tn động”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [6] Trần Thọ, Võ Quang Lạp, “Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện”, p ie NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 nl w [7] Nguyễn Quốc Trung, Hoàng Văn Quang, Trần Đình Thơng, Kiều Xn d oa Thực, “Giáo trình Xử lý số tín hiệu”, NXB Giáo dục, 2014 an lu [8] Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An, “Ứng dụng thiết bị xử lý tín hiệu số u nf va điều khiển hệ thống truyền động điện sử dụng động điện chiều kích từ độc lập”, tạp chí khoa học công nghệ, đại học đà nẵng - số (39).2010 ll [10] ARM, http://www.arm.com/ z at nh [9] Atmel, http://www.atmel.com/ oi m Tiếng Anh z @ [11] MathWorks, http://www.mathworks.com/ photovoltaic inverter using dSPACE DS1104 l gm [12] Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A., “Development of three-phase board”, Research and m co Development (SCOReD), 2009 IEEE Student Conference on, pp 242 - 245 an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si [13] Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A.; Subiyanto, “Three-phase photovoltaic grid-connected inverter using dSPACE DS1104 platform”, Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2011 IEEE Ninth International Conference on, pp 447 – 451 [14] Rios, J.D.; Alanis, A.Y.; Rivera, J.; Hernandez-Gonzalez, M., “Real-time discrete neural identifier for a linear induction motor using a dSPACE DS1104 board”, Neural Networks (IJCNN), The 2013 International Joint Conference on, pp 1-6 [15] Steven W Smith, Ph.D., The Scientist and Engineer's Guide to Digital lu an Signal Processing n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ Học viên: Trần Đức Quân Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Trung Hải Căn nội dung Nghị quyết, Biên chi tiết họp Hội đồng chấm luận văn thạc s (HĐ) họp ngày 06 tháng 03 năm 2016, học viên nghiên cứu nội dung lu an nghị kết luận HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, tơi xin giải trình chi va tiết nội dung sau: n tn to Chỉnh sửa, bổ sung hình thức luận văn, lỗi tả, lỗi kỹ thuật gồm: gh - Chỉnh sửa lỗi tả: trang 1, 3, 18, 19, 20, 21, 31, 33, 34, 38, 53,55 p ie Chỉnh sửa kết luận chƣơng w Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo nội dung luận văn oa nl Thái Nguyên, ngày 16 tháng 03 năm 2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN d HỌC VIÊN ll u nf va an lu Trần Đức Quân oi m TS Đỗ Trung Hải ĐƢỢC GIAO NHIỆM VỤ XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO z at nh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG/ HOẶC NGƢỜI z l gm @ TS Đặng Danh Hoằng m co PGS.TS Trần Xuân Minh an Lu n va ac th Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN si