LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

Tên đề tài:

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO

CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC Programming to control piezo actuator and contact displacement sensor

Mục lục

Mục lục 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

I Tổng quan về piezo 5

II Piezo Actuator 9

III Giao tiếp với cảm biến 13

IV Lập trình giao diện 16

V Mô hình thí nghiệm 30

VI Kết quả thí nghiệm 32

Tài liệu tham khảo: 33

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay, cơ cấu chấp hành piezo được dùng khá phổ biến trong các lĩnh vực : y học, gia công chính xác, lắp ráp chính xác, MEM-NEM…Có nhiều hãng cung cấp loại thiết bị này như Piezomechanik [1], Thorlab [2], Norliac [3],…

Tuy nhiên, việc sử dụng các cơ cấu chấp hành như trên có một số vấn đề khó khăn như sau:

(1) Loại cơ cấu chấp hành này chỉ mới phổ biến với nhưng chủng loại điều khiển không hồi tiếp (openloop control)(Hình 1) [2] Hiện nay ta việc điều khiển cơ cấu chấp hành piezo chủ yếu thông qua lệnh điều chỉnh điện áp, người sử dụng rất cần có tín hiệu phản hồi (feedback) cho phép điều khiển actuator đạt độ chính xác Các chủng loại điều khiển có hồi tiếp (feedback control) (Hình 2) chưa có nhiều, giới hạn về hành trình và lực đẩy, đồng thời

có giá thành đắt hơn rất nhiều lần so với các chủng loại không hồi tiếp [3]

Hình 1: Cơ cấu chấp hành Piezo không hồi tiếp

Hình 2: Cơ cấu chấp hành Piezo có hồi tiếp (2) Các hãng chế tạo chỉ cung cấp thiết bị phần cứng và phần mềm dạng chương trình thực thi (file EXE) đơn giản mà không đưa ra chương trình có thư viện hàm điều khiển Điều này gây khó khăn trong việc sử dụng

Nếu sẵn có các loại cảm biến chính xác thì việc lập trình điều khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành sử dụng cảm biến sẵn có ở bất kỳ loại nào miễn độ chính xác đạt mức yêu cầu là rất cần thiết và cho phép sử dụng cơ cấu chấp hành tốt hơn

Tại Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp hiện đang có cảm biến đo chuyển vị (Hình 3) với

độ chính xác cao (độ phân giải 0,2 µm), đồng thời ở đấy cũng có cơ cấu chấp hành piezo (Hình 4, 5) Trong điều kiện trên, việc lập trình điều khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành piezo là khả thi và rất cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả cơ cấu chấp hành này

Hình 3: Cảm biến đo chuyển vị

Hình 4: Cơ cấu chấp hành Piezo

Hình 5: Driver cho cơ cấu chấp hành Piezo Kết quả của việc lập trình trên có thể ứng dụng trong cơ cấu tạo chuyển động thẳng độ phân giải dưới µm (Hình 6) [4]

Hình 6: Cơ cấu tạo chuyển động thẳng độ phân giải dưới µm

I Tổng quan về piezo

1 Lịch sử phát triển:

Sự phát triển của vật liệu áp điện, thành phần, ứng dụng được phát hiện bởi những nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan đến vật liệu cách điện Những đặc tính vật lý quan trọng của những vật liệu này đã được biết đến một thời gian dài trước đó

Năm 1758, Carl Wilcke phát hiện ra rằng chất điện môi phân cực được; phát hiện của ông ấy đến sớm, tuy nhiên nó nhanh chóng bị lãng quên sau đó Một dạng ban đầu của tụ điện là Leyden jar được phát minh bởi Musschen-brock vào khoảng năm 1750 Vào năm 1837, Faraday chứng minh khả năng của chất điện môi lên hiện tượng tĩnh điện

Ảnh hưởng của hiện tượng áp điện lên các tinh thể tự nhiên được phát hiện vào năm 1880 bởi anh em Jaques và Pierre Curie Họ đã chứng minh rằng một số tinh thể nhất định có thể tích điện bằng những cách khác nhau khi chịu một lực tác dụng và ngược lại

Tuy nhiên ứng dụng của hiện tượng trên vẫn còn khó khăn Nó chỉ bắt đầu phát triển nhanh khi mà đạt được những thành tựu nhất định trong ngành công nghiệp gốm sứ Vào những năm

1930, sự phát triển của tụ gốm dựa trên Bari Titanat (BaTiO3) đã dẫn đến những nền tảng quyết định sự phát triển ứng dụng tính áp điện

2 Hiệu ứng áp điện:

Gốm áp điện thuộc vào nhóm vật liệu sắt điện Vật liệu sắt điện là những tinh thể phân cực

mà không cần đặt vào điện trường Đặc tính này ổn định dưới tác dụng của nhiệt, đảo ngược chiều phân cực dưới tác dụng của một trường điện từ, được mô tả bằng một chu trình trễ như hình Tính đảo ngược sự phân cực và sự tách biệt giữa ảnh hưởng cơ và điện là điểm quyết định ứng dụng rộng rãi của gốm áp điện

Biến dạng tăng lên khi ngoại lực tác động lên khối vật liệu áp điện sinh ra chuyển vị ở những nút mạng dương và âm tạo ra momen lưỡng cực Đây được gọi là hiện tượng áp điện thuận

Hình 7 Ảnh hưởng của lực lên vật liệu có tính áp điện

Đặt một điện áp xoay chiều vào sẽ tạo ra sự thay đổi kích thước của vật liệu (ví dụ: giảm hay tăng đường kính) Nếu khối vật liệu bị kẹp chặt, tức là sự biến dạng bị ngăn cản, thì sẽ sinh

ra một lực Hiện tượng này được gọi là áp điện ngược

Hình 8 Biến dạng của vật liệu gốm áp điện khi đặt vào hai đầu một điện áp

Hình 9 Một trường điện ngược chiều nếu nó vượt được sức kháng từ Sự gia tăng trường mới đủ

sức phân cực lại, nhưng theo hướng ngược lại

3 Tương tác cơ điện:

Sau đây chúng ta sẽ thiết lập mối quan hệ quan trọng giữa chất điện môi, điện cơ và áp điện, bao gồm định nghĩa các thông số

Phương trình điện cơ cơ bản

Các phương trình liên hệ dưới đây chỉ áp dụng đối với trường hợp tín hiệu nhỏ

Chỉ trong trường hợp này sự phân cực có thể được mô tả bằng các phương trình tuyến tính giữa biến dạng (S) hoặc ứng suất (T) với điện trường E hoặc chuyển vị D Mối quan hệ tuyến tính này được suy ra bằng cách sử dụng các hằng số điện môi, áp điện và tính đàn hồi Bởi vì các hằng số này phụ thuộc vào tính dị hướng của vật liệu áp điện, do đó những đại lượng vật lý này chỉ có thể được định nghĩa bằng các ten-xơ phản ánh tính định hướng của trường điện, biến dạng

Những hằng số áp điện liên hệ với điện trường E, ứng suất T và biến dạng S yêu cầu chỉ

số định hướng Tương tự như sự mô tả định hướng tinh thể cho gốm áp điện, vector phân cực thường được đặt song song với trục z hoặc trục thứ 3 của hệ tọa độ Đề cát theo quy tắc bàn tay phải

Những thông số định hướng được thêm các chỉ số 4, 5 và 6 tương ứng với hướng của trục

x, y và z Ứng suất cắt theo trục x, y và z và biến dạng trượt tương ứng được thêm các chỉ số 4, 5

Cơ cấu chấp hành áp điện (Piezoelectric Actuator, PEA) có các ưu điểm vượt trội so với các

phương pháp khác:

 Những chuyển động micromet, nanomet ở những tần số cao có thể đạt được với PEA bởi

vì chuyển động của PEA được tạo ra bởi hiệu ứng tinh thể rắn

 PEA có thể được thiết kế để chịu được tải lớn (vài tấn) hoặc có thể chế tạo để tạo ra các

chuyển động tần số cao vài chục kHz

 PEA cần ít năng lượng để hoạt động

 PEA không cần bảo trì

Với độ tin cậy cao, độ biến dạng 1/1000 (0.1%) có thể đạt được, ví dụ: một cơ cấu chấp hành PEA có chiều dài 100mm có thể tạo ra chuyển vị 100 micromet

Cơ cấu chấp hành gồm nhiều lớp xếp chồng theo chiều dọc

Đối với các cơ cấu chấp hành áp điện theo chiều dọc, điện trường trong lớp gốm được đặt song song với phương phân cực Điều này tạo ra chuyển vị theo hướng của sự phân cực Từng lớp riêng lẻ tạo ra chuyển vị tương đối nhỏ Để có thể tạo ra được những chuyển vị đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật thì các cơ cấu loại xếp chồng nhiều lớp được tạo ra (từng lớp riêng lẻ được gắn nối tiếp lại với nhau và được cung cấp nguồn điện song song (xem hình 11))

Hình 11 Ghép nối tiếp các lớp piezo

Cơ cấu xếp chồng theo chiều dọc đạt được hiệu năng cao trong việc biến điện năng thành cơ năng Chúng có thể đạt được độ biến dạng 0.1 đến 0.15% Ứng suất đạt được lên tới 30N/mm2

do đó có thể đạt được tải tới 10000N

Chuyển vị của Piezo Actuators loại nhiều lớp xếp chồng

Chuyển vị của gốm áp điện phụ thuộc vào điện trường E, loại vật liệu áp điện và chiều dài của PEA Tính chất của vật liệu có thể được đặc trưng bằng hệ số biến dạng dịj Những hệ số này

mô tả mối quan hệ giữa điện trường đặt vào PEA và biến dạng cơ học sinh ra

Chuyển vị DL của cơ cấu một lớp lúc không tải được tính bằng công thức sau:

DL = S*Lo ~~ ±E*dij*Lo

Trong đó

S là biến dạng (DL/L)

Lo chiều dài ban đầu (m)

E là cường độ điện trường (V/m)

dịj phụ thuộc đặc tính vật liệu

Hình 12

Hiện tượng trễ (PEA vòng mở)

Hiện tượng trễ có thể được loại bỏ bằng PEA vòng kín Tương tự như các thiết bị điện từ, PEA vòng mở cũng gặp phải hiện tượng trễ

Hiện tượng trượt (PEA vòng mở)

Hình 13 Hiện tượng trượt sau khi chuyển vị 60 µm theo thời gian

Hiện tượng hóa già (Aging)

Hiện tượng hóa già là kết quả của quá trình khử phân cực Hóa già là vấn đề đối với các ứng dụng về cảm biến hay máy phát điện của vật liệu áp điện (hiện tượng áp điện thuận), nhưng đối với ứng dụng về cơ cấu chấp hành thì hiện tượng này được bỏ qua, bởi vì quá trình khử phân cực diễn ra mỗi khi mà một điện trường cao hơn đặt vào vật liệu

II Piezo Actuator

1 Bộ điều khiển của Piezo Actuator

Hình 14 Bộ Driver MDT694A của Piezo Actuator

1.1.Mặt trước:

Hình 15 Mặt trước của MDT694A

Mô tả:

(1) INT Knob: núm xoay để điều chỉnh điện áp ngõ ra từ 0 đến 75, 100 hoặc 150 VDC

Nó cũng được dùng để offset cho ngõ vào (6): nó được cộng với EXT INPUT BNC

(2) POWER Button: dùng để mở, tắt MDT694A

(3) Voltage Limit Indicator: những đèn LED này sẽ cho người dùng biết được điện áp

giới hạn

(4) 3 ½ Digit LED Display: hiển thị điện áp ra

(5) High Voltage Output: kết nối tới piezo Điện áp ra bằng tổng của điện áp offset (do

INT Knob), điện áp từ ngoài đưa vào(qua EXT INPUT) và điện áp điều khiển (qua cổng serial)

(6) EXT INPUT BNC: đây là ngõ vào dùng để tác động từ bên ngoài lên áp ngõ ra Điện

áp có đưa vào có thể là 0 đến 10V với hệ số là 7.5, 10 hoặc 15V/V tùy thuộc vào cài đặt điện áp ngõ ra

(2) Output Limit Switch: được dùng để cài đặt điện áp ra giới hạn và điều chỉnh hệ số ở ngõ vào EXT INPUT BNC Điện áp ra có thể giới hạn ở 75, 100 hoặc 150V Chú ý: không được thay đổi khi controller đang mở

(3) Line Voltage Selector Switch: điều chỉnh điện áp cung cấp cho controller Mặc định

từ nhà sản xuất là 115V do đó để phù hợp lưới điện 220 – 240VAC ta phải chỉnh bằng công tắc này

(4) Fuse Holder

(5) AC input receptacle: dùng để cắm dây dẫn điện cung cấp cho controller Dây dẫn

pahir theo chuẩn IEC và phải có cực nối đất

1.3.Giao tiếp giữa máy tính và MDT694A

MDT694A được thiết kế để có thể giao tiếp trực tiếp với máy tính qua cổng RS232 Điện áp ngõ ra của MDT694A được điều khiển trực tiếp bằng phần mềm trên máy tính Điều này giúp loại bỏ đi sự yêu cầu của các thiết bị bổ sung như máy tạo giao động, card có đầu ra analog Những chức năng đơn giản như tạo ra sóng sin, điện áp ramp, xung được tạo bởi máy tính Cổng RS232 của MDT694A có thể đạt được baud rate lên tới 115200kbs Có thể điều chỉnh baud rate thông qua chuyển mạch hai hàng chân (dipswitch), với baud rate mặc định từ nhà sản xuất là 115200kbs Người sử dụng có thể giao tiếp với MDT694A bằng cách dùng các lệnh do nhà sản xuất cung cấp và các chương trình mô phỏng như HyperTerminal (của National

Instruments LabView), hoặc dùng chương trình do nhà sản xuất cung cấp

Cài đặt baud rate

Hình 17 Dip Switch và cài đặt baud rate Trình tự tiến hành:

(1) Tắt controller và ngắt khỏi nguồn điện

(2) Chờ khoảng 5 phút để cho các thiết bị trong controller xả hết điện

(3) Vặn vít để mở vỏ controller ra Dip switch nằm ở dưới của mặt sau

(4) Dùng bảng ở trên để cài đặt baud rate theo mong muốn

(5) Lắp vỏ thiết bị lại như ban đầu

Tóm tắt các lệnh được nhà sản xuất cung cấp

Đầu vào Điện áp

Mô tả Cài đặt điện áp ngõ ra chính là tham số đầu vào của lệnh

Mô tả Đọc và trả về điện áp ngõ ra

Đầu vào Điện áp hoặc ?

Mô tả Cài đặt điện áp ra tối thiểu Nếu tham số là “?” sẽ trả về giá trị hiện thời của điện

áp tối thiểu

Đầu vào Điện áp hoặc ?

Mô tả Cài đặt điện áp ra tối đa Nếu tham số là “?” sẽ trả về giá trị hiện thời của điện áp

tối đa

Đầu vào Không có

Mô tả Trả về model sản phẩm, phần mềm firmware,…

Đầu vào Không có

Mô tả Trả về điện áp tối đa được cài đặt (75V trả về 0, 100V trả về 1, 150V trả về 2)

III Giao tiếp với cảm biến

1 Module giao tiếp RS-232C DL-RS1A

Hình 18 Module DL – RS1A Module này dùng để kết nối cảm biến với các thiết bị như PC hoặc PLC thông qua chuẩn giao tiếp RS – 232

Các chân của module DL – RS1A

Hình 19 Kết nối module DL – RS1A với thiết bị khác

1 SG Nối vào dây dẫn bọc kim của cáp giao tiếp

Các chân SG (chân 1, 4 và 5) được nối ngắn mạch ở bên trong

2 RD (input) Nối vào chân SD của thiết bị ngoại vi thông qua cáp giao tiếp

3 SD (output) Nối vào chân RD của thiết bị ngoại vi thông qua cáp giao tiếp

4 SG Các chân SG (chân 1, 4 và 5) được nối ngắn mạch ở bên trong

5 SG Các chân SG (chân 1, 4 và 5) được nối ngắn mạch ở bên trong

6 DRQ (input) Khi có ngắn mạch giữa chân DRQ và SG, dữ liệu trong bộ khuếch đại cảu

sensor được truyền ra thiết bị ngoại vi kể cả khi không có yêu cầu lấy dữ

liệu từ thiết bị ngoại vi

Cách nối dây

Hình 20 Cách nối dây cáp giao tiếp Chú ý:

 Chiều dài cáp không được vượt quá 15m

 Phải nối chân SG của thiết bị ngoại vị vào dây bọc kim

 Đảm bảo rằng dây bọc kim không chạm các dây tín hiệu khác hoặc là các chân khác của module

Các thông số giao tiếp của module DL – RS1A

Parity bit None, even, odd (mặc định: none)

Kết thúc chuỗi truyền nhận Nhận: tự động phát hiện CR hoặc CR + LF

Truyền: chuỗi gửi đi có kèm theo CR + LF

2 Các lệnh cơ bản

Chúng ta có thể gửi những lệnh do nhà sản xuất cung cấp dựa trên mã ASCII từ thiết bị ngoại

vi tới module DL – RS1A

2.1.Lệnh đọc dữ liệu từ bộ khuếch đại của cảm biến

2.1.1 Yêu cầu:

(1) Mã của lệnh

(2) Xác định ID của cảm biến muốn đọc

(3) Xác định mã của dữ liệu muốn đọc hoặc ghi vào bộ khuếch đại của cảm biến

(4) Các ký tự điều khiển để kết thúc chuỗi

(3) Cùng mã dữ liệu đã được gửi đi

(4) Chứa dữ liệu mà DL – RS1A nhận được từ bộ khuếch đại của cảm biến Phần này chứa tối đa 10 bytes dữ liệu

(5) Chứa CR + LF là ký tự báo hiệu kết thúc chuỗi thông tin

Ví dụ:

Khi mã yêu cầu dữ liệu là “SR,06,101CRLF” được gửi đến cảm biến thì, giả sử, dữ liệu đọc được là “Peak hold” có mã là 2, khi đó chuỗi nhận được sẽ là:

2.1.3 Dữ liệu trả về nếu xảy ra lỗi:

Nếu DL – RS1A nhận được yêu cầu bị lỗi thì nó sẽ tự động trả về một chuỗi thông báo lỗi có

mã ASCII

Cấu trúc:

(1) Mã báo hiệu chuỗi này là chuỗi thông báo lỗi

(2) Lệnh đã gửi từ thiết bị ngoại vi

(3) Mã xác định lỗi gì đã xảy ra

(4) CR + LF báo hiệu kết thúc chuỗi truyền

2.2.Lệnh ghi

Lệnh gửi đi:

Nhận về:

Lỗi:

IV Lập trình giao diện

Phần mềm được dùng để lập trình giao diện điều khiển vòng kín cơ cấu chấp hành Piezo là Visual C++ 2010

Với VC++2010 chúng ta có ba cách để tạo ra một giao diện chương trình:

 Dùng Windows API Đây là giao diện cơ bản mà hệ điều hành Windows cung cấp để

giao tiếp giữa hệ điều hành và ứng dụng đang chạy dưới sự quản lý của nó

 Dùng Microsoft Foundation Classes, hay MFC Đây là một tập hợp các lớp (class) của

C++ đóng gói Windows API

 Dùng Windows Forms Đây là cơ chế phát triển ứng dụng dựa trên dạng biểu mẫu

(Form)

Ba cách này tạo thành một chuỗi theo mức độ giảm dần của công việc lập trình Với

Windows API, chúng ta phải viết tất cả code từ đầu đến cuối – tất cả các yếu tố tạo nên giao diện chương trình được tạo ra bằng việc viết code Với MFC, có sự giúp đỡ trong quá trình tạo ra giao diện, chúng ta có thể tạo ra các điều khiển (nút nhấn, text box…) bằng cách kéo thả và chúng ta chỉ viết code đáp ứng tương tác giữa người dùng và các điều khiển; tuy nhiên, chúng ta vẫn phải

bỏ ra nhiều công sức để tạo nên một giao diện hoàn chỉnh Với Windows Forms, chúng ta có thể

dễ dàng và nhanh chóng tạo ra một ứng dụng bởi vì lượng code cần viết giảm đi đáng kể so với hai cách đầu tiên Code cho Windows Form cũng có tất cả các ưu điểm của CLR

Sử dụng MFC phải viết code nhiều hơn Windows Forms, nhưng chúng ta có thể kiểm soát cách mà giao diện được tạo ra và kết thúc việc lập trình với một chương trình tốt hơn Bởi vì sử dụng Windows API để tạo ra giao diện là phương pháp thủ công nhất trong việc phát triển một ứng dụng, do đó chúng ta sẽ không đi vào chi tiết cách lập trình này

Thư viện Microsoft Foundation Class (MFC) là một tập hợp những lớp C++ MFC được dùng với hệ điều hành Windows.e

1 Thư viện Microsoft Foundation Class

1.1.Giới thiệu:

Thư viện Microsoft Foundation Class (MFC) cung cấp một tập hợp các hàm, hằng số, kiểu

dữ liệu và các lớp để đơn giản quá trình tạo ra một ứng dụng chạy trên hệ điều hành Windows

Để hiện thực chức năng của nó, MFC được tổ chức theo kiểu cây phân cấp mà lớp cơ bản nhất là

CObject Tất cả các lớp trong bộ MFC đều được dẫn xuất từ lớp này