Đồ Án tự Động hóa Điều khiển ngành công nghệ kỹ thuật Điều khiển và tự Động hóa sử dụng dsp giao tiếp matlab Để Điều khiển Động cơ một chiều

TÓM TẮTMột số thông tin về đề tài: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab giao tiếp với STM32F407VG xử lý tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ DC.. Phương pháp dược dùng trong nghiên cứu: -

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA - ĐIỀU KHIỂN

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ

TỰ ĐỘNG HÓA

SỬ DỤNG DSP GIAO TIẾP MATLAB

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

GVHD: ThS NGUYỄN PHÚ CÔNG TÊN SINH VIÊN: NGUYỄN CHÍ PHÁT MSSV: 2032217511

LỚP: 12DHTDH04

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA - ĐIỀU KHIỂN

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ

TỰ ĐỘNG HÓA

SỬ DỤNG DSP GIAO TIẾP MATLAB

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

GVHD: ThS NGUYỄN PHÚ CÔNG TÊN SINH VIÊN: NGUYỄN CHÍ PHÁT MSSV: 2032217511

LỚP: 12DHTDH04

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG

THƯƠNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA – ĐIỀU KHIỂN

1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài

Nguyễn Chí Phát MSSV: 2032217341 Lớp: 12DHTDH04

2 Tên đề tài: Sử dụng DSP giao tiếp Matlab để điều khiển động cơ một chiều

3 Nhiệm vụ của đề tài:

Tìm hiểu phương pháp điều khiển PID và áp dụng điều khiển động cơ DC

Xây dựng mô hình toán học của động cơ DC với các thông số định mức

Mô phỏng hệ thống có sử dụng khâu PID trong Simulink

Xây dựng chương trình điều khiển nạp vào mạch DSP

Thiết kế phần cứng của hệ thống

Viết báo cáo đồ án chuyên ngành

4 Ngày giao nhiệm vụ: 9/9/2024

5 Ngày hoàn thành và nộp về khoa: 15/12/2024

Tp.Hồ Chí Mình, ngày 15 tháng 12 năm 2024

Trưởng khoa Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướngdẫn của thầy Nguyễn Phú Công Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này làtrung thực Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tàiliệu tham khảo

Ngoài ra, trong báo cáo đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như

số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồngốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm vềnội dung báo cáo của mình Trường Đại học Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minhkhông liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trìnhthực hiện

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2024

Sinh viên Phát

Nguyễn Chí Phát

LỜI CẢM ƠN

Qua 3 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công Thương Thành Phố

Hồ Chí Minh, em đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích không những trong học tập

mà còn là những kinh nghiệm trong cuộc sống để em có thể vươn xa hơn, cao hơntrong tương lai

Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu nhà trường và lời cảm ơn sâu sắc đếntất cả quý thầy cô Khoa Điện – Điện tử đã tạo đầy đủ mọi điều kiện cho em được họctập để có kiến thức và được thực tập để có kinh nghiệm giúp ích rất nhiều cho bản thân

em và cả tương lai sau này

Nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử, đặc biệt là sựgiúp đỡ nhiệt tình của Thầy ThS Nguyễn Phú Công đã trực tiếp hướng dẫn là nguồnđộng viên, cổ vũ tinh thần lớn để em hoàn thành đề tài này

Trong quá trình tìm hiểu công nghệ mới và ứng dụng, em đã làm việc hết sứcnghiêm túc và nỗ lực hết mình Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều thiếu sót em rất mongnhận được những ý kiến đóng góp chân thành để em có thêm kiến thức nhằm hoànthiện tốt hơn với đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2024

Sinh viên Phát

Nguyễn Chí Phát

TÓM TẮT

Một số thông tin về đề tài:

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab giao tiếp với STM32F407VG xử

lý tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ DC

- Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ trên Simulink kết hợp với bộ điềukhiển PID

Mục đích nghiên cứu và phạm vi đề tài:

- Mục đích đề tài nhằm điều khiển tốc động cơ DC bằng bộ điều khiển PIDtrong Simulink

- Phạm vi nghiên cứu bao gồm xây dựng chương trình điều khiển tốc độđộng cơ, tích hợp giám sát trên máy tính và thử nghiệm với các mức tốc

độ khác nhau

Phương pháp dược dùng trong nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các tài liệu và các khái niệm

để tính toán các thông số của động cơ, tổng quan bộ điều khiển PID.Nghiên cứu Simulink và STM32F407 để xử lý tín hiệu điều khiển tốc độđộng cơ

- Phương pháp nghiên thực nghiệm: Thiết kế và xây dựng chương trìnhtrên Simulink Thử nghiệm với các mức tốc độ động cơ xem động cơ đãđạt yêu cầu trong việc điều khiển tốc độ động cơ

- Phương pháp tối ưu hóa: Phân tích kết quả thực nghiệm, đánh giá độchính xác Đề xuất nâng cao hiệu quả, phù hợp với yêu cầu sản xuất thực

tế

Kết quả nghiên cứu quan trọng nhất:

- Giao tiếp giữa STM32F407 và Simulink thành công

- Xác định phương trình mô tả động cơ và tiến hành mô phỏng động cơchính xác

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

điều khiển và thiết bị ngoại viUAR

T

Universal AsynchronousReceiver/Transmitter

Bộ nhận/gửi không đồng

bộ phổ quátCAN Controller Area Network Mạng điều khiển khu vực

MUC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

MUC LỤC vii

DANH SÁCH BẢNG x

DANH SÁCH HÌNH xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Mục tiêu thực hiện đề tài 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Các thiết bị phần cứng 3

2.1.1 Bảng mạch điều khiển STM32F407VG 3

2.1.2 Mạch công suất L298 5

2.1.3 Mạch chuyển đổi USB sang UART CP2102 5

2.1.4 Động cơ một chiều có hộp số giảm tốc JGA24-370 6

2.2 Giới thiệu các phần mềm điều khiển 7

2.2.1 Matlab Simulink 7

2.2.2 Waijung blockset 8

2.2.3 Phần mềm truyền nhận dữ liệu Terminal 8

2.3 Bộ điều khiển PID 9

2.4 Tổng quan về Encoder 12

2.4.1 Giới thiệu về Encoder 12

2.4.2 Cấu tạo của Encoder 13

2.4.2 Phân loại Encoder 13

2.4.3 Nguyên lý hoạt dộng của Encoder 14

2.4.4 Cách xác định chiều quay 15

2.5 Tổng quan về động cơ DC 15

2.5.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 15

2.5.2 Nguyên lý làm việc và phân loại động cơ điện một chiều 17

2.6 Thông tin về các khối trong Simulink 18

2.6.1 Khối Constant 18

2.6.2 Khối Scope 19

2.6.3 Khối Sum 19

2.6.4 Khối Gain 19

2.6.5 Matlab Function 20

2.6.6 Khối Saturation 20

2.6.7 Khối PID Controller 20

2.6.8 Khối Inport và Outport 21

2.6.9 Khối Basic PWM 21

2.6.10 Khối Encoder Read 22

2.6.11 Khối Timer (Time Base) IRQ 22

2.6.12 Khối Target Setup 23

2.6.13 Khối UART Setup 23

2.6.14 Khối UART TX 24

2.6.15 Khối Rate Transition 25

2.7 Các công thức tính toán 25

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 27

3.1 Biểu diễn động cơ và các thông số định mức 27

3.1.1 Mô hình cơ khí của động cơ DC 27

3.1.2 Biểu diễn động cơ bằng phươn trình vi phân 27

3.2 Mô phỏng động cơ với các giá trị định mức 30

3.2.1 Mô phỏng động cơ trong Simulink 30

3.2.2 Kết quả đạt được với các thông số định mức 31

3.3 Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ với bộ điều khiển PID 31

3.3.1 Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ với PID 31

3.3.2 Các kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID 32

3.3.3 Kết luận chung về quá trình mô phỏng 35

3.4 Thiết kế và thi công phần cứng hệ thống 35

3.4.1 Sơ đồ khối hệ thống 35

3.4.2 Lưu đồ giải thuật 36

3.4.3 Sơ đồ kết nối phần cứng 38

3.4.4 Mô hình thực tế 40

3.5 Chương trình điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 41

3.5.1 Chương trình nạp vào chip dùng bộ điều khiển PID 41

3.5.2 Kết quả thực nghiệm 42

3.5.3 Đánh giá và nhận xét chung kết quả thực nghiệm 42

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

4.1 Các kết quả đạt được 44

4.2 Các kết quả chưa đạt được 44

4.3 Bàn luận kết quả khi thực hiện đề tài 44

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46

5.1 Kết luận 46

5.2 Hướng phát triển 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Tham số cho bộ điều khiển PID 11Bảng 3.1 Các thông số của phương trình biểu diễn động cơ 30Bảng 3.2 Quy định của lưu đồ giải thuật 36

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Bảng mạch điều khiển STM32F407VG 3

Hình 2.3 Mạch công suất L298 5

Hình 2.4 Mạch chuyển đổi USB sang UART CP2102 6

Hình 2.5 Động cơ giảm tốc JGA25-370 6

Hình 2.6 Waijung blockset 8

Hình 2.7 Phần mềm Terminal 8

Hình 2.8 Sơ đồ bộ điều khiển PID liên tục 10

Hình 2.9 Sơ đồ bộ điều khiển PID rời rạc 10

Bảng 2.1 Tham số cho bộ điều khiển PID 11

Hình 2.10 Hình minh họa Encoder 12

Hình 2.11 Cấu tạo của encoder 13

Hình 2.12 Hình ảnh minh họa Encoder kiểu tuyệt đối 13

Hình 2.13 Hình ảnh minh họa Encoder kiểu tương đối 14

Hình 2.14 Cấu tạo Stator động cơ điện một chiều 16

Hình 2.15 Cấu tạo rotor động cơ điện một chiều 16

Hình 2.16 Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều 17

Hình 2.17 Cấu tạo chổi than động cơ điện một chiều 17

Hình 2.18 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 18

Hình 2.19 Khối Constant 18

Hình 2.20 Khối Scope 19

Hình 2.21 Khối Sum 19

Hình 2.22 Khối Gain 20

Hình 2.23 Khối Matlab Function 20

Hình 2.24 Khối Saturation 20

Hình 2.25 Khối PID Controller 21

Hình 2.26 Khối Inport và Outport 21

Hình 2.27 Khối Basic PWM 21

Hình 2.28 Khối Encoder Read 22

Hình 2.30 Khối Target Setup 23

Hình 2.31 Khối UART Setup 24

Hình 2.32 Khối UART Tx 24

Hình 2.33 Khối Rate Transition 25

Hình 3.1 Mô hình cơ khí của động cơ 27

Hình 3.2 Thông số động cơ mô PENTA 4S 29

Bảng 3.1 Các thông số của phương trình biểu diễn động cơ 30

Hình 3.3 Mô phỏng động cơ trong Simulink 30

Hình 3.5 Thông số định mức nhập vào khối mô phỏng động cơ 30

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng động cơ với thông số định mức 31

Hình 3.7 Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ với PID 31

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng số 1 32

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng số 2 33

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng số 3 34

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống 35

Bảng 3.2 Quy định của lưu đồ giải thuật 36

Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 37

Hình 3.13 Sơ kết nối mạch STM32F407 38

Hình 3.14 Sơ đồ kết nối với L298 39

Hình 3.15 Sơ đồ kết nối với động cơ 39

Hình 3.16 Sơ đồ kết nối với UART CP2012 39

Hình 3.17 Mạch in 40

Hình 3.18 Mô hình thực tế 40

Hình 3.19 Chương trình điều khiển 41

Hình 3.20 Kết quả thực nghiệm số 1 42

Hình 3.21 Kết quả thực nghiệm số 2 43

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, việc điều khiển các hệ thống máy móc phức tạp vẫn còn là một lĩnhvực nghiên cứu và ứng dụng vô cùng thách thức, đặc biệt trong các hệ thống hiện đạiyêu cầu đòi hỏi độ chính xác vị trí cao chẳng hạn như: hệ thống điều khiển máy CNC,các hệ thống quân sự, robot công nghiệp… Sự phức tạp của các hệ thống đó được quyvào đặc tính phi tuyến của đối tượng được điều khiển, các thành phần hệ thống điềukhiển hoặc bậc tự do mà hệ thống điều khiển phải gánh chịu Cơ cấu chấp hành là mộtthiết bị điều khiển các hệ thống máy móc cơ khí, nó luôn luôn chứa đựng các thànhphần phi tuyến chẳng hạn như ma sát, khe hở, Trong hầu hết các ứng dụng các tham

số phi tuyến được biết một phần hoặc hoàn toàn không biết, đây cũng là một vấn đềthách thức đối với nhiều kỹ sư điều khiển Hầu hết các kỹ thuật thông thường có thể ápdụng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên sự hiểu biết tốt của đối tượng dưới

sự xem xét của môi trường Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đối tượng được điềukhiển khá phức tạp và các cơ sở vật lý cho việc phân tích mô hình hoàn toàn khôngbiết, vì vậy sẽ làm cho việc thiết kế hệ thống điều khiển càng phức tạp

Trong lĩnh vực điều khiển tự động nói chung và kỹ thuật điều khiển động cơ nóiriêng là một vấn đề tất yếu và là yếu tố quan trọng trong công việc sau này Đồng thời,thông qua quá trình thực hiện đề tài sẽ giúp cho các kiến thức đã học và các kiến thựcmới sẽ được củng cố và thực nghiệm khi làm đề tài Từ đó nâng cao được kiến thức,trình độ môn và các kĩ năng khác Việc thực hiện đề tài sẽ cho em những trải nghiệmchính xác nhất về những vấn đề và khó khăn thực tế

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ DC

Phương pháp điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ DC

Encoder

Tìm hiểu và vận dụng các khối, lệnh để viết chương trình điều khiển

Tổng quan về mạch điều khiển STM32F407VG

Thiết kế sơ đấu nối các thiết bị

Cách thức và các điều điện để các thiết bị hoạt động

Các phần mềm hỗ trợ mô phỏng và thiết kế hệ thống

Các công thức tính toán, quy đổi

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp đánh giá và tối ưu hóa

Phân tích kết quả thực nghiệm, so sánh với mục tiêu ban đầu

Đề xuất cải tiến hệ thống để nâng cao hiệu quả hoạt động, phù hợp với điều kiệnsản xuất thực tế

1.4 Mục tiêu thực hiện đề tài

Mong muốn điều khiển ổn định tốc độ động cơ với các tiêu chí đánh giá như đápứng tốc độ động cơ vọt lố không quá 5%, sai số xác lập không quá 2%, thời gian đápứng dưới 5s

Mô phỏng động cơ DC trên Simulink

Xây dựng và thiết kế mô hình phần cứng hệ thống

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các thiết bị phần cứng

2.1.1 Bảng mạch điều khiển STM32F407VG

Board STM32F407 Discovery là một công cụ phát triển mạnh mẽ dựa trên viđiều khiển STM32F407VG thuộc dòng STM32F4 của STMicroelectronics Đây làdòng vi điều khiển 32-bit sử dụng kiến trúc ARM Cortex-M4, được thiết kế dành chocác ứng dụng cần hiệu năng cao, khả năng xử lý tín hiệu số, và tích hợp nhiều ngoại vitiên tiến

Hình 2.1 Bảng mạch điều khiển STM32F407VG

Thông số kỹ thuật:

Được tích hợp chip CPU ARM 32-bit Cotex-M4 cùng với bộ tính toán số thựcFPU, tần số lên đến 168 MHz Được tích hợp sẵn bộ nạp và gỡ lỗi chương trình ST-Link/V2

Sử dụng nguồn điện 5V để cấp nguồn cho thiết bị và trong trường hợp nhiềuthiết bị bên ngoài, chân nối đất (mass) là yêu cầu cơ bản đối với mỗi thiết bị để làmđiểm mass chung

Bộ nhớ: 1Mbyte Flash, 192 Kb SRAM

Nguồn chung cấp cho các chân I/O từ 1.8V đến 3.6V

Hai nút nhấn (nút nhấn User màu xanh lá, nút bấm Reset màu đen)

ADC: 3 ADC 12-bit, hỗ trợ đến 24 kênh đầu vào, rất phù hợp cho các ứng dụngyêu cầu đo tín hiệu analog (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, áp suất)

DAC: 2 DAC 12-bit, cho phép xuất tín hiệu analog từ vi điều khiển

I2C: Tối đa 3 bus I2C cho phép kết nối với nhiều cảm biến và thiết bị ngoại vi.SPI: Tối đa 3 bus SPI, hỗ trợ tốc độ truyền cao cho các cảm biến và thiết bịngoại vi tốc độ cao

USART/UART: Tối đa 6 cổng UART/USART cho giao tiếp nối tiếp, phù hợpcho các ứng dụng cần truyền tải dữ liệu nối tiếp

CAN: 2 cổng CAN hỗ trợ giao tiếp trong các hệ thống mạng xe hơi và các ứngdụng công nghiệp

USB 2.0: USB full-speed với khả năng hoạt động như host hoặc device, hỗ trợtruyền tải dữ liệu dễ dàng

Timers: 14 bộ đếm (timers), bao gồm các bộ đếm 16-bit và 32-bit, có thể được

sử dụng trong các ứng dụng điều khiển thời gian, PWM, hoặc tạo tín hiệu

PWM: Có 38 kênh PWM, có thể sử dụng riêng lẻ xuất tín hiệu đầu ra Có thể sửdụng các bộ đếm để tạo các tín hiệu PWM, phù hợp cho việc điều khiển động cơ, đènLED, v.v

SDIO: Hỗ trợ giao tiếp với thẻ nhớ SD, MMC, rất hữu ích trong các ứng dụngcần lưu trữ dữ liệu

Ethernet: Tích hợp giao tiếp Ethernet, cho phép kết nối mạng LAN, thích hợpcho các ứng dụng IoT hoặc các hệ thống yêu cầu kết nối mạng

RTOS: Với hiệu suất mạnh mẽ và bộ nhớ lớn, STM32F407VG thích hợp để chạycác hệ điều hành thời gian thực, giúp quản lý đa nhiệm hiệu quả

2.1.2 Mạch công suất L298

Module L298 là một mạch cầu H (H-Bridge) thông dụng dựa trên IC điều khiểnL298N Hỗ trợ điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước 2 pha, phù hợp với cácứng dụng điều khiển tốc độ, hướng quay hoặc các hệ thống cần điều khiển động cơ vớitải vừa và nhỏ

Hình 2.3 Mạch công suất L298

Thông số kỹ thuật chính:

- IC chính: L298N

- Điện áp đầu vào: 5V - 35V

- Dòng điện tối đa: 2A/mỗi kênh (với tản nhiệt)

- Điện áp cung cấp mạch logic: 5V

- Tín hiệu logic điều khiển 3V-5V

- Công suất: Có thể đạt tối đa 25W

- Tần số điều khiển tối đa: 25 KHz

Chức năng các chân:

- Vcc: Cấp điện cho động cơ (5V - 35V)

- GND: Chân nối đất chung cho nguồn động cơ và logic

- +5V: Nguồn cấp điện áp 5V cho mạch logic

- IN1, IN2: Điều khiển chiều quay động cơ A (MOTOR A)

- IN3, IN4: Điều khiển chiều quay động cơ B (MOTOR B)

- ENA: Điều khiển tốc độ quay động cơ A (MOTOR A)

- ENB: Điều khiển tốc độ quay động cơ B (MOTOR B)

- OUT1, OUT2: Kết nối động cơ A

- OUT3, OUT4: Kết nối động cơ B

2.1.3 Mạch chuyển đổi USB sang UART CP2102

Mạch chuyển USB UART CP2102 sử dụng IC CP2102 được dùng để chuyểngiao tiếp từ USB sang UART TTL và ngược lại với tốc độ và độ ổn định cao, Driver

của mạch có thể nhận trên tất cả các hệ điều hành hiện nay: Windows, Mac, Linux,Android.

Hình 2.4 Mạch chuyển đổi USB sang UART CP2102

UART TTL đề cập đến một giao thức truyền thông và tiêu chuẩn mức điện ápđược sử dụng để truyền thông nối tiếp giữa các thiết bị điện tử UART là một tiêuchuẩn được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử và được sử dụng đểtruyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị như bộ vi điều khiển, cảm biến và các thiết bịngoại vi khác

Mô tả chân như sau:

- 3.3V: Chân nguồn 3.3VDC (dòng cấp rất nhỏ tối đa 100mA), không sử dụng

để cấp nguồn, thường chỉ sử dụng để thiết đặt mức tín hiệu logic

- TXD: Chân truyền dữ liệu UART TTL (3.3VDC), dùng kết nối đến chânnhận RX của các module sử dụng mức tín hiệu TTL 3.3~5VDC

- RXD: Chân nhận dữ liệu UART TTL (3.3VDC), dùng kết nối đến chân nhận

TX của các module sử dụng mức tín hiệu TTL 3.3~5VDC

- GND: Chân mass hoặc nối đất

- 5V: Chân cấp nguồn 5VDC từ cổng USB, dòng điện tối đa 500mA

2.1.4 Động cơ một chiều có hộp số giảm tốc JGA24-370

Động cơ giảm tốc JGA25-370 này có tích hợp bộ mã 2 kênh cung cấp độ phângiải là 11 lần đếm trên mỗi vòng quay, đảm bảo kiểm soát chính xác tốc độ của động

cơ Ứng dụng cần có độ chính xác cao: điều khiển PID, Robot tự hành,

Hình 2.5 Động cơ giảm tốc JGA25-370

Chức năng các chân của động cơ:

- Đỏ - M1: Dây cấp nguồn điện cực dương (+) cho động cơ. 

- Đen - Encoder (-): Dây cấp nguồn điện cực âm cho Encoder (0VDC)

- Vàng - Kênh A: Phản hồi tín hiệu kênh A

- Xanh lá - Kênh B: Phản hồi tín hiệu kênh B

- Xanh dương - Encoder (+): Dây cấp nguồn điện cực dương cho Encoder(3.3~5VDC)

- Trắng - M2: Dây cấp nguồn điện cực âm (-) cho động cơ

Thông số kỹ thuật

- Điện áp định mức của động cơ: 12 [VDC]

- Công suất của động cơ: 3.6 [W]

- Điện áp cấp cho Encoder hoạt độn.g: 3.3~5 VDC

- Tốc độ tối đa của động cơ: 6000 [vòng/phút]

- Encoder: Cảm biến từ trường Hall, có 2 kênh AB lệch nhau giúp xác địnhchiều quay và vận tốc của động cơ, đĩa Encoder trả ra 11 xung/1 kênh/ 1vòng

- Tỉ số truyền của động cơ và trục chính hộp giảm tốc: 21.3:1

- Chiều dài động cơ: 71 [mm]

Simulink là một phần mềm trong bộ công cụ của Matlab dùng để mô hình hóa,

mô phỏng và phân tích hệ thống tự động Nó cũng bao gồm toàn bộ thư viện các khốichức năng như tín hiệu, khối nguồn, các khối tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối,

Các tính năng chính của Simulink

Simulink sử dụng giao diện kéo-thả, cho phép người dùng xây dựng các mô hình

mô phỏng bằng cách kết nối các khối chức năng

Các khối có thể đại diện cho các phép toán, bộ điều khiển, bộ lọc, động cơ, cảmbiến, và nhiều thành phần khác trong một hệ thống

Simulink hỗ trợ mô phỏng các hệ thống động lực học phức tạp, bao gồm các hệthống cơ điện, thủy lực, khí động học, và hệ thống điều khiển Các mô phỏng này giúpkiểm tra, tối ưu hóa và kiểm soát hệ thống trong môi trường ảo.

2.2.2 Waijung blockset

Aimagin là một công ty Thái Lan đã nghiên cứu và cho ra đời sản phẩm móc nốigiữa một bên là phần mềm mô phỏng và điều khiển Matlab Simulink của Matworksvới một bên là phần cứng với các dòng chip mạnh mẽ giá cả phải chăng là ARM củaSTM

Waijung Blockset là cầu nối giữa Matlab Simulink và STM, các khối trongWaijung Blockset đều có khả năng xuất code cho vi điều khiển STM tương ứng, giaodiện của từng khối rất dễ sử dụng và được mô tả bằng tiếng anh rất chi tiết Đặt biệt,các khối Matlab và Waijung cũng như các khối lập trình riêng của người dùng đềuđược xuất code C và biên dịch thông qua GNU – ARM, MDK – ARM nạp và chạytrực tiếp

Hình 2.6 Waijung blockset

2.2.3 Phần mềm truyền nhận dữ liệu Terminal

Phần mềm giao tiếp thông qua cổng RS232 (Com) Nó có thế thể nhận dữ liệu từthiết bị và truyền dữ liệu từ máy tính xuống thiết bị để điều khiển

Hình 2.7 Phần mềm Terminal

2.3 Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộđiều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp– bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi.Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông sốbiến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằngcách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơbản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất, tuy nhiên để đạt đượckhả quan, các thông số PID được sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tínhchất của hệ thống trong khi điều khiển là giống nhau, các thông số phụ thuộc vào đặcthù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số riêng biệt, do đó đôikhi còn được gọi là điều khiển ba khâu: Tỉ lệ, tích phân và vi phân, viết tắt là P, I, D Thành phần tỉ lệ (P - Proportional): Điều chỉnh đầu ra tỉ lệ với sai số hiện tại.Thành phần tích phân (I - Integral): Điều chỉnh đầu ra dựa trên tổng tích lũy củasai số, giúp loại bỏ sai số tĩnh

Thành phần vi phân (D - Derivative): Điều chỉnh đầu ra dựa trên tốc độ thay đổicủa sai số, giúp giảm độ dao động của hệ thống

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điềukhiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt

lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.Điều này đạt được bằng cách thiết đặt độ lợi của các đầu ra không mong muốn về 0

Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt cáctác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đốivới các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống khôngđạt được giá trị mong muốn

Công thức của bộ điều khiển PID liên tục:

(2.1)

Trong đó:

u(t): Đầu ra của bộ điều khiển

e(t): Sai số (sự khác biệt giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế)

: Các tham số của bộ điều khiển PID (

Hình 2.8 Sơ đồ bộ điều khiển PID liên tục

Công thức của bộ điều khiển PID rời rạc:

(2.2)

Trong đó:

u(z): Đầu ra của bộ điều khiển

e(z): Sai số (sự khác biệt giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế)

T: Thời gian lấy mẫu

: Các tham số của bộ điều khiển PID

Hình 2.9 Sơ đồ bộ điều khiển PID rời rạc

Các phương pháp tìm thông số PID

Phương pháp chạy thử

Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn

Đặt giá trị Ki để giảm sai số ổn định

Điều chỉnh Kd để giảm dao động và làm mượt quá trình điều khiển

Phương pháp Niegler-Nichols

Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau

đó tăng cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định tức là hệ kín trở thành khâu dao độngđiều hòa Lúc đó ta có Ku và chu kỳ của dao động đó là Tu Tham số cho bộ điều khiểnPID chọn theo bảng sau:

Bảng 2.1 Tham số cho bộ điều khiển PID

Tu là chu kì giao động của hệ thống khi Kp = Ku

Một số phần mềm có thể điều chỉnh thông số PID như: Mathlab/Simulink,LabVIEW, TIA Portal của Siemens, DeltaV của Emerson,

Tác động của các thành phần PID trong quá trình điều khiển tốc độ động cơ

Thành phần P

Tác dụng: Điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên sai số (độ lệch giữa giá trị mongmuốn và giá trị thực tế của tốc độ) Khi sai số lớn, tín hiệu điều khiển mạnh, làm tăngtốc độ động cơ nhanh hơn

Ảnh hưởng:

Nếu P quá lớn: Động cơ có thể bị dao động mạnh, vượt quá giá trị mong muốn

và gây hiện tượng "overshoot" (vượt quá mục tiêu)

Nếu P quá nhỏ: Hệ thống sẽ không phản ứng đủ mạnh với sai số, làm cho tốc độđộng cơ điều chỉnh chậm và không ổn định

Thành phần I

Tác dụng: Cộng dồn sai số theo thời gian Điều này giúp loại bỏ sai số ổn định(sai số lâu dài) mà chỉ sử dụng P không thể khắc phục I có thể làm cho tốc độ động cơchính xác hơn theo thời gian

Ảnh hưởng:

Nếu I quá lớn: Tạo ra sự điều chỉnh quá mức, dẫn đến dao động hoặc thậm chíkhông ổn định Hệ thống có thể bị chậm trong việc phản ứng hoặc tạo ra hiện tượngtích lũy sai số quá mức

Nếu I quá nhỏ: Hệ thống sẽ không thể loại bỏ sai số ổn định, khiến cho tốc độđộng cơ không đạt được giá trị mong muốn hoàn toàn

Thành phần D

Tác dụng: Điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên tốc độ thay đổi của sai số (tức

là sự thay đổi của sai số theo thời gian) D giúp giảm thiểu sự dao động và làm cho hệthống điều khiển mượt mà hơn

2.4 Tổng quan về Encoder

2.4.1 Giới thiệu về Encoder

Hình 2.10 Hình minh họa Encoder

Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong sơ đồ cấu tạo của máy CNC Có thể

dễ hình dung rằng giống như bộ phận công tơ mét ở xe máy hay ô tô, sẽ đo đạc và hiểnthị các thông số về tốc độ của máy cho người sử dụng biết thông qua hệ thống giám sátcủa máy tính điều khiển Encoder ở các hệ thống điều khiển tự động là bộ phận để đolường dịch chuyển thẳng hoặc góc, đồng thời chuyển đổi vị trí góc/vị trí thẳng mà ghinhận được thành tín hiệu nhị phân

Encoder là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đo lường chínhxác vị trí hoặc góc quay của các thành phần Tín hiệu nhị phân từ encoder cung cấpthông tin về vị trí cho hệ thống điều khiển, giúp đảm bảo độ chính xác và đáp ứngnhanh chóng các yêu cầu điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa

2.4.2 Cấu tạo của Encoder

Hình 2.11 Cấu tạo của encoder

Encoder bao gồm:

- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ (code disk)

- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng (photodetector assembly).

- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu (electronics board)

2.4.2 Phân loại Encoder

Encoder có nhiều xuất xứ và chủng loại khác nhau, phân loại chúng theo 2 loạichính như sau:

Encoder tuyệt đối: sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray.

Hình 2.12 Hình ảnh minh họa Encoder kiểu tuyệt đối

Encoder kiểu tuyệt đối có kết cấu gồm những phần sau: Bộ phát ánh sáng(LED), đĩa mã hóa (có chứa dải băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy vớiánh sáng phát ra

Đĩa mã hóa ở encoder tuyệt đối được chế tạo từ vật liệu trong suốt, người ta chiamặt đĩa thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm

Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các phân tốdiện tích

Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi 2 vòng tròn đồng tâm gọi là dảibăng Số dải băng tùy thuộc vào công nghệ sản xuất (chủng loại sản phẩm), ứng vớimột dải băng ta có một đèn LED và một bộ thu

Encoder tương đối: có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ.

Hình 2.13 Hình ảnh minh họa Encoder kiểu tương đối

Về cơ bản thì Encoder kiểu tương đối đều giống nhau, chỉ khác ở đĩa mã hóa ỞEncoder tương đối thì đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung Ở dải băng này được chia

làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (có thể chất liệu trong suốt để ánh sáng chiếuqua).

Khi đĩa quay và ánh sáng chiếu được 1 lỗ thì bộ thu nhận được tín hiệu từ đènLED thì Encoder sẽ ghi nhận giá trị lên 1 biến đếm

2.4.3 Nguyên lý hoạt dộng của Encoder

Khi Encoder chuyển động bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyểnthành các tín hiệu điện Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiểnPLC và được xử lý để biểu thị các giá trị cần đo đạt bằng chương trình riêng biệt.Đối với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay không có ánh sáng chiếu qua.Người ta vẫn có thể ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ này hay không Hơn thếnữa, số xung đếm được và tăng lên được tính bằng số lần mà ánh sáng bị cắt

Ví dụ: trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, khi mỗi lần con mắt thu nhận được 1 tín hiệuđèn Led thì có nghĩa là đĩa đã quay được 1 vòng

Bởi vậy, đây chính là nguyên lý hoạt động của Encoder cơ bản, còn đối vớinhiều chủng loại Encoder khác thì khi đĩa quay có nhiều lỗ hơn khi đó tín hiệu thunhận sẽ khác hơn

2.4.4 Cách xác định chiều quay

Thông thường Encoder có 2 tín hiệu xung A và B giúp xác định chiều quay củađộng cơ Tín hiệu khe Z là tín hiệu chỉ xuất ra khi động cơ quay được một vòng Khiđèn LED phát tín hiệu Hai pha A và B có nhiệm vụ thu tín hiệu A và B sẽ tạo ra cácxung vuông bật tắt theo trình tự Sự chênh lệch tần số xung giữa A và B ta có thể phânbiệt được chiều quay của động cơ Xem hình bên phải pha A có chu kỳ trước pha B Taquy ước đó là chiều thuận và ngược lại

Encoder thường có 6 dây hoặc 4 dây tùy loại Các dây bao gồm: 2 dây nguồn, 2dây pha A và B, 1 dây pha Z Dựa vào 2 dây A và B ta xác định được số vòng quay,vận tốc, chiều quay của động cơ Để lập trình xử lý tín hiệu encoder, có thể nối 2 dâytín hiệu A và B vào 2 chân timer hoặc ngắt ngoài của vi điều khiển, thiết lập vi điềukhiển ở chế độ counter, vi điều khiển sẽ đếm xung từ vi điều khiển

2.4.5 Nguyên lý hoạt động Encoder từ Hall

Encoder từ Hall là một loại cảm biến dùng để đo vị trí và tốc độ quay của một

đối tượng (chẳng hạn như động cơ) thông qua sự thay đổi từ trường Nguyên lý hoạtđộng của encoder từ Hall dựa trên hiệu ứng Hall, một hiện tượng vật lý xảy ra khi mộtdòng điện đi qua một vật liệu dẫn điện trong một từ trường

Nguyên lý hoạt động của Encoder từ Hall:

Encoder từ Hall sử dụng các cảm biến Hall để xác định vị trí của một vật thể(thường là rotor của động cơ) Các cảm biến này có thể phát hiện sự thay đổi từ trườngkhi một nam châm di chuyển qua chúng

Cấu tạo của Encoder từ Hall:

Cảm biến Hall: Được sử dụng để phát hiện sự thay đổi từ trường

Nam châm vĩnh cửu: Gắn vào rotor của động cơ để tạo ra từ trường

Mạch điện: Dùng để xử lý tín hiệu từ cảm biến Hall và chuyển nó thành tín hiệu

có thể đọc được (thường là tín hiệu xung hoặc tín hiệu số)

2.5 Tổng quan về động cơ DC

2.5.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Cấu tạo của máy điện một chiều gồm có stator và rotor nó được thể hiện nhưsau:

Stator (còn gọi là phần tĩnh hay phần cảm)

Hình 2.14 Cấu tạo Stator động cơ điện một chiều

1 Vỏ máy: làm bằng thép đúc làm nhiệm vụ dẫn từ, gá lắp các cực từ và bảo vệmáy

2 Cực từ chính: bao gồm thân cực và mặt cực, thân cực làm bằng thép đúc, trênthân cực từ chính có quấn dây quấn kích từ Mặt cực làm bằng lá thép kỹthuật điện để tránh tác động của dòng xoáy fuco lan truyền từ rotor sang

3 Cực từ phụ: làm bằng thép đúc, trên có quấn dây quấn kích từ phụ

4 Dây quấn trên cực từ chính: làm bằng dây đồng bọc cách điện Gọi là cuộnkích từ độc lập hay kích từ song song tùy thuộc vào cách đấu dây

5 Dây quấn trên cực từ phụ: giống với cuộn nối tiếp nhưng quấn trên cực từphụ và đấu nối tiếp với cuộn kích từ nối tiếp

Rotor (Phần ứng)

Rotor (phần ứng) của máy điện một chiều gồm: lõi thép, dây quấn phần ứng, cổgóp và trục máy

Hình 2.15 Cấu tạo rotor động cơ điện một chiều

1 Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5mm,phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh đểđặt dây quấn phần ứng

2 Khe đặt dây quấn phần ứng: chu vi mặt ngoài được xẻ rãnh đều đặn để đặtdây quấn

3 Trục rotor: làm bằng hợp kim thép có độ cứng cao, được đỡ ở 2 đầu bằng 2vòng bi

4 Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong cácrãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín, hai đầu nối với haiphiến góp của vành góp

Chổi than và cổ góp:

Cổ góp (vành góp): Là tập hợp nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghépthành một khối hình trụ, cách điện với nhau, được gắn trên trục máy và cách điện vớitrục máy

Hình 2.16 Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều

Chổi than: Cấu tạo từ bột than granit, có độ dẫn điện cao và khả năng chống màimòn tốt Tỳ lên các chổi than là các lò xo, các lò xo này có thể điều chỉnh lực căng đểtăng tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp