KHẢO SÁT CARD GIAO TIẾP VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW

KHẢO SÁT CARD GIAO TIẾP VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW Tác giả HUỲNH THANH PHONG Khóa luận đệ trình để đáp ứng u cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ điện tử Giáo viên hướng dẫn: Ths NGUYỄN LÊ TƯỜNG Tháng năm 2010 Cảm tạ Sinh viên thực xin bày tỏ lòng biết ơn đến Th.S Nguyễn Lê Tường, cương vị người hướng dẫn đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình thực luận văn Sinh viên thực xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô trường Đại học Nông Lâm T.p.HCM, đặc biệt q thầy, mơn Cơ Điện Tử tận tình dạy dỗ truyền thụ kinh nghiệm quí báu suốt thời gian qua Cuối sinh viên thực xin chân thành cảm ơn đóng góp ý kiến tất sinh viên suốt thời gian thực luận văn Xin trân trọng Huỳnh Thanh Phong TÓM TẮT Giới thiệu đề tài : Đề tài “ Khảo sát card giao tiếp nghiên cứu , thiết kế chế tạo mơ hình điều khiển vị trí tốc độ động cơ, ứng dụng phần mềm LabVIEW” Đồ án thực nội dung sau : - Giới thiệu tổng quan phần mềm LabVIEW - Khảo sát card thu thập liệu đa USB – 9001 - Thiết kế thi công kit sử dụng card USB – 9001 điều khiển động DC Servo thông qua phần mềm LabVIEW Mục đích đồ án - Có kiến thức lập trình LabVIEW, cách thức giao tiếp với thiết bị qua chuẩn giao tiếp thông dụng - Tạo mơ hình điều khiển vị trí tốc độ động ứng dụng vào thực tập - Tạo tài liệu tiếng Việt cách thức lập trình, giao tiếp ngơn ngữ lập trình LabVIEW cho người bắt đầu - Tạo thư viện tập ứng dụng lập trình, giao tiếp LabVIEW MỤC LỤC Chương Chương 2.1 Khảo sát phần mềm LabVIEW 2.1.1 Tổng quan LabVIEW 2.1.2 Cách thức làm việc LabVIEW 2.1.3 Các phương thức giao tiếp LabVIEW với thiết bị 2.1.4 Khảo sát số card giao tiếp máy tính 2.2 Động Servo DC 2.3 Encoder 2.4 Truyền động vitme 2.5 Phương pháp điều khiển động 2.5.1 PWM 2.5.2 Nguyên lý PWM 2.5.3 Các cách để tạo PWM để điều khiển 2.5.4 PWM điều khiển động biến đổi xung áp Chương 3.1 Nội dung đề tài 3.2 Một số lý thuyết ứng dụng thiết kế 3.3 Cơ sở thiết kế mơ hình 3.3.1 Card thu thập liệu USB – 9001 3.3.2 Mạch công suất – Mạch cầu H 3.3.3 Động Encoder 3.3.4 Bộ truyền động 3.3.5 Phương pháp giao tiếp với card 3.4 Phương pháp lập trình LabVIEW 3.5 Bảng quy đổi giá trị xung với tốc độ vị trí 3.6 Phương pháp điều khiển Chương 4.1 Sơ đồ khối mơ hình 4.2 Kết thiết kế, thi công 4.2.1 Mạch công suất : 4.3 Giải thuật điều khiển 4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 4.5 Kết khảo nghiệm Chương 8 10 16 17 18 20 21 21 22 24 26 29 29 29 29 30 39 39 40 40 41 44 44 46 46 47 47 50 53 55 58 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình - Icon LabVIEW - Sơ đồ chân cổng LPT - Đường dẫn đến hộp Port I/O - Outport – Inport - Bitread _to_ dsub - Đường dẫn tới hộp VISA - Địa xác định cổng giao tiếp cho Vis VISA - Hình dạng cổng COM 10 - Truyền thông không đồng 11 - VISA Confiure Serial Port.vi 12 - VISA Write.vi 13 - VISA Read.vi 14 - Card USB – 6008 15 - Card NI PCI7356 16 - Động DC servo 17 - Encoder tương đối 18 - Sơ đồ thu phát hồng ngoại bố trí cặp thu phát Encoder 19 - Giản đồ xung Encoder tương đối 20 - Hình dáng bên ngồi Encoder 21 - Mạch ngõ Encoder 22 - Bộ truyền vitme - đai ốc bi 23 - Giản đồ xung 24 - Mạch nguyên lý van đóng ngắt dùng Mosfet 25 - Sơ đồ xung van điều khiển đầu 26 - Tạo xung phương pháp so sánh 27 - Tạo xung IC 555 28 - Mạch điều khiển động 29 - Nguyên lý mạch Boot 30 - Card USB 9001 31 - Sơ đồ chân Card 32 - Hướng dẫn lập trình 33 - Hướng dẫn lập trình 34- Mạch điều khiển động có servo dùng PWM1 có encoder phản hồi tốc độ 35 - Mạch đo nhiệt độ dùng ADC4 điều khiển tốc độ động dùng PWM1 36 - Mạch điều khiển relay dùng ngõ SW2 37 - Động DC servo sử dụng 38 - Phương pháp lập trình LabVIEW 39 - Phương pháp lập trình LabVIEW 40 - Phương pháp lập trình LabVIEW 41 - Phương pháp lập trình LabVIEW 42 - Phương pháp lập trình LabVIEW 43 - Phương pháp lập trình LabVIEW 44 - Sơ đồ khối mơ hình 45 - Sơ đồ ngun lý mạch cầu H 46 - Điều khiển theo chiều thuận 47 - Điều khiển theo chiều nghịch 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 15 16 17 18 19 19 19 20 20 21 22 23 23 25 26 27 27 30 35 36 37 38 38 39 40 41 41 42 42 43 43 46 47 48 49 Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 48 - Mạch thi cơng 49 - Mơ hình truyền động 50 - Mơ hình hoàn thiện 51 - Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động 52 - Lưu đồ giải thuật điều khiển tốc độ động 53 - Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động 54 - Giao diện chương trình điều khiển vị trí động 55 - Hình mơ vận tốc 56 - Hình mơ vận tốc 57 - Đồ thị biểu diễn vị trí 58 - Đồ thị biểu diễn vận tốc 59 - Chương trình tính vận tốc DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 49 50 50 51 52 53 54 54 55 56 57 60 Chương MỞ ĐẦU Trên đường hội nhập phát triển, đất nước ta chuyển theo phát triển giới, sản xuất đa dạng đầy tiềm Nền sản xuất khơng đòi hỏi lực lượng lao động khổng lồ, mà u cầu trình độ, chất lượng tay nghề, kĩ thuật lao động thiết bị sản xuất Trên đà phát triển đó, vấn đề tự động hóa q trình sản xuất, nghiên cứu trở thành nhu cầu cần thiết Thoạt đầu, vấn đề tự động hóa thực riêng lẻ từ khí hóa đến mạch điện tử Ngày với xuất chip xử lý máy tính, với việc sử dụng rộng rãi đẩy vấn đề tự động hóa lên bước cao Cũng tầm quan trọng thành tựu đạt thời gian qua khiến có nhìn ngày trọng vấn đề tự động hóa…Bên cạnh đó, việc ứng dụng máy vi tính vào kĩ thuật đo lường điều khiển đem lại kết đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường điều khiển ghép nối với máy vi tính có độ xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn Ngồi ra, máy tính có phần giao diện hình tiện lợi cho người sử dụng việc giám sát điều khiển Một yếu tố quan trọng dùng máy tính để điều khiển thơng tin liên lạc với vấn đề truyền liệu độ tin cậy Do đó, phạm vi hiểu biết mình, em tìm hiểu thực đề tài: “ Khảo sát card giao tiếp thiết kế chế tạo mơ hình điều khiển vị trí tốc độ động ứng dụng phần mềm LabVIEW” Chương TỔNG QUAN 2.1 Khảo sát phần mềm LabVIEW 2.1.1 Tổng quan LabVIEW LabVIEW công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp việc phát triển hệ thống thiết kế, điều khiển kiểm tra Kể từ đời năm 1986, kĩ sư nhà khoa học toàn giới tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày cao, hiệu sản xuất lớn LABVIEW (Laboratory Vitual Instrument Engineering Workbench) chương trình phát triển ứng dụng tương tự chương trình C hay Basic hay Lab Windows hãng National Instrument Tuy nhiên LabVIEW khác chương trình khác điểm quan trọng: C hay Assembler sử dụng ngôn ngữ lập trình dạng văn để tạo đoạn mã LabVIEW sử dụng ngơn ngữ lập trình đồ họa (ngơn ngữ lập trình G) thơng qua biểu tượng để tạo mã điều khiển chứa Block Diagram Hình - Icon LabVIEW LabVIEW có thư viện mở rộng hàm chương trình dùng để lập trình hệ điều hành Windows, Macintosh, Sun Ngồi ra, LabVIEW có thư viện ứng dụng riêng cho việc nhận liệu thiết bị điều khiển theo chuẩn VXI, thư viện ứng dụng riêng theo chuẩn GPIB thiết bị điều khiển nối tiếp, phân tích, trình bày lưu trữ liệu Chương trình LabVIEW gọi thiết bị ảo (VI: Virtual Instruments) giao diện cách thức hoạt động tương tự thiết bị thật Các VI có giao diện với người sử dụng mã nguồn tương đương tiếp nhận thông số từ VI cao VI có ba đặc trưng sau: + VI chứa giao diện với người sử dụng gọi mặt máy (font panel) mơ mặt trước dụng cụ vật lý Mặt máy bao gồm núm nhấn, biểu đồ, núm điều khiển thị khác Ta đưa số liệu vào sử dụng bàn phím chuột sau quan sát kết hình máy tính + VI tiếp nhận lệnh từ sơ đồ khối (Block Diagram), mà ta tạo nên G Sơ đồ khối cung cấp giải pháp đồ họa cho vấn đề lập trình Sơ đồ khối chứa mã nguồn VI + VI sử dụng cấu trúc mơđun phân cấp Ta sử dụng chúng chương trình bậc cao chương trình bên chương trình khác chương trình khác Một VI VI khác gọi VI (SubVI) Biểu tượng cửa sổ nối VI làm việc giống liệt kê thông số đồ họa cho VI khác truyền số liệu tới subVI + LabVIEW sử dụng rộng rãi công nghiệp, trường đại học viện nghiên cứu giới phần mềm chuẩn để thu nhận liệu điều khiển thiết bị LabVIEW sử dụng rộng rãi từ năm 1993 viện nghiên cứu không gian, y học, nghiên cứu vật lý lượng cao, v.v … LabVIEW biến máy tính PC thành dụng cụ ảo dùng cho phép đo kiểm tra Có ba thành phần quan trọng liên quan đến ứng dụng đo thử nghiệm là: Thu nhận liệu, phân tích quan sát số liệu 2.1.2 Cách thức làm việc LabVIEW LabVIEW chứa đựng đầy đủ thư viện hàm thủ tục phục vụ cho công cụ lập trình Ngồi ra, LabVIEW cung cấp thư viện cho ứng dụng cụ thể thu thập, phân tích, hiển thị lưu trữ liệu, điều khiển thiết bị theo chuẩn nối tiếp hay GPIB Ta đặt điểm ngừng, thi hành chương trình động chạy bước suốt chương trình để gỡ rối Khả mềm dẻo LabVIEW cho phép ta tạo ứng dụng riêng, cung cấp phương thức nhanh chóng để điều khiển thiết bị, thu liệu điều khiển hệ thống Nó hỗ trợ cho việc kết nối ứng dụng Internet thông qua LabVIEW web server chuẩn phần mềm mạng TCP/IP active X Chương trình LabVIEW cung cấp cho người sử dụng chức điều khiển, khả giao diện đồ hoạ hàm chức 2.1.3 Các phương thức giao tiếp LabVIEW với thiết bị LabVIEW giao tiếp với hầu hết chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp: Ethernet, Can, DeviceNet, USB, IEEE 1394, RS 232, GPIB, RS 485… 2.1.3.1 Giao tiếp cổng song song ( LPT ) Hình - Sơ đồ chân cổng LPT 10 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Sơ đồ khối mơ hình Hình 44 - Sơ đồ khối mơ hình Từ giao diện người dùng, người điều khiển nhập vị trí cần đến Sau tín hiệu điều khiển từ máy tính thơng qua giao thức giao tiếp USB gửi liệu xuống mạch giao tiếp Card giao tiếp đưa tín hiệu xuống mạch cơng suất điều khiển động chạy đến vị trí mong muốn Tín hiệu phản hồi ( tín hiệu Encoder ) gửi card giao tiếp gửi liệu lên máy tính để hiển thị vị trí di chuyển thời Mặt khác từ giao diện người dùng, người điều khiển nhập tốc độ động tùy mong muốn Tín hiệu điều khiển gửi xuống Card giao tiếp từ Card giao tiếp đưa tín hiệu dạng xung xuống mạch cơng st để điều khiển đơng 46 Tín hiệu phản hồi ( tín hiệu Encoder ) gửi số xung lên Card giao tiếp số xung gửi lên máy tính để hiển thị vận tốc động thời 4.2 Kết thiết kế, thi công 4.2.1 Mạch công suất : Sơ đồ nguyên lý : VCC VDC VCC ISO4 R6 3K3 DQ1 R7 3K3 DQ2 Q1 R1 R4 1K ISO1 OPTO ISOLATOR-A OPTO ISOLATOR-A Q2 IRF9540N/TO IRF9540N/TO C1 180 104 IRF540N/TO VCC Q3 R10 Q4 VCC 1K Q4 4 IRF540N/TO 180 R12 R8 1K Q3 R3 1K ISO3 R5 DQ3 J1 CON2 DQ4 R9 3K3 3K3 ISO2 OPTO ISOLATOR-A R2 180 R11 180 D3 LED D4 LED Q1 Q2 Hình 45 - Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 4.2.1.1 Cấu tạo mạch cầu H Mạch cầu H bao gồm: FET IFR9540, FET IRF540 OPTO PC817, ngồi có Diode dùng để bảo vệ FET trường hợp dòng ngược từ động trả điện trở hạn dòng, LED dùng để báo tín hiệu điều khiển 4.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động mạch cầu H Mạch cầu H điều khiển tín hiệu Q1, Q2, Q3 Q4 Bốn tín hiệu điều khiển gián tiếp FET thông qua OPTO, điều khiển chiều quay động ( có nghĩa đảo chiều dòng điện ) Xét chế độ thuận nghịch Điều kiện để OPTO kích 0< UQ1,Q2,Q3,Q4 ≤ 5V(điều khiển mức 1) Điều kiện để FET kích là: - Đối với FET IRF540 để mở UG > (điều khiển mức 1) 47 Đối với FET IRF9540 để mở UG =0 (điều khiển mức 0) - Điều khiển theo chiều thuận Ở chế độ thuận, vi điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển điều khiển Opto PC817, op to kích FET đóng mở Điều kiện động quay thuận - Tín hiệu Q1=0 ( Tức Opto PC817 kích IRF 9540 mở ) - Tín hiệu Q2=1 (Tức Opto PC817 khơng kích IRF 540 đóng) - Tín hiệu Q3=1 (Tức Opto PC817 khơng kích IRF 9540 đóng) - Tín hiệu Q1=0 ( Tức Opto PC817 kích IRF 540 mở ) VDC VCC ISO4 DQ1 Q1 R6 3K3 OPTO ISOLATOR-A C1 104 IRF9540N/TO R12 VCC Q4 Q4 IRF540N/TO 180 R8 1K R3 1K J1 CON2 ISO3 R9 3K3 OPTO ISOLATOR-A DQ4 R2 180 D3 LED Q1 Hình 46 - Điều khiển theo chiều thuận - Điều khiển theo chiều nghịch Ở chế độ nghịch, vi điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển điều khiển Opto PC817, op to kích FET đóng mở Điều kiện động quay nghịch - Tín hiệu Q1=1 (Tức Opto PC817 khơng kích IRF 9540 đóng ) - Tín hiệu Q2=0 (Tức Opto PC817 kích IRF 540 mở ) - Tín hiệu Q3=0 (Tức Opto PC817 kích IRF 9540 mở ) 48 - Tín hiệu Q1=1 ( Tức Opto PC817 khơng kích IRF 540 đóng ) VCC VDC OPTO ISOLATOR-A ISO1 R7 3K3 DQ2 R1 R4 1K Q2 180 C1 IRF9540N/TO 104 R10 Q3 R5 DQ3 VCC 1K IRF540N/TO Q3 J1 CON2 ISO2 3K3 R11 180 D4 LED Q2 Hình 47 - Điều khiển theo chiều nghịch 4.2.1.3 Mạch thi cơng : Hình 48 - Mạch thi cơng 49 4.2.1.4 Mơ hình truyền động Hình 49 - Mơ hình truyền động 4.2.1.5 Mơ hình hồn thiện Hình 50 - Mơ hình hồn thiện 4.3 Giải thuật điều khiển Mơ hình điều khiển vị trí theo lưu đồ giải thuật sau : 50 Với : - L chiều dài cần di chuyển - P số bước ren - PL số bước ren giới hạn - PH số bước ren giới hạn Hình 51 - Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động 51 Mơ hình điều khiển vận tốc theo lưu đồ giải thuật sau : Hình 52 - Lưu đồ giải thuật điều khiển tốc độ động Với : - VT vận tốc nhập từ giao diện - V vận tốc động chạy - VL vận tốc mức - VH vận tốc mức 52 4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển mơ hình viết chương trình Labview 8.6 Hình 53 - Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động 53 Hình 54 - Giao diện chương trình điều khiển vị trí động 4.4 Kết mơ Hình 55 - Hình mơ vận tốc 54 Hình 56 - Hình mô vận tốc 4.5 Kết khảo nghiệm Bảng - Kết khảo nghiệm vị trí Vị trí (mm) 20 100 150 200 300 20 99 151 200 301 19 100 150 201 299 19 99 149 199 298 20 98 150 198 300 21 100 148 200 301 19 101 150 201 299 20 100 151 200 300 18 98 149 198 298 19 99 150 200 301 10 20 101 148 201 300 Số lần 55 Hình 57 - Đồ thị biểu diễn vị trí Bảng - Kết khảo nghiệm vận tốc Vận tốc 100 500 1500 2000 2500 100 500 1500 2000 2500 102 505 1503 2003 2510 105 510 1502 1995 2495 98 497 1501 2001 2502 104 502 1495 2002 2502 103 499 1500 2005 2500 99 505 1505 2003 2498 100 507 1503 1998 2503 101 504 1507 2000 2505 10 100 510 1498 2010 2500 Lần v/p 56 Hình 58 - Đồ thị biểu diễn vận tốc 57 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Sau thời gian thực đề tài hoàn thành thời hạn đạt số kết định ‐ Mơ hình thiết kế hồn chỉnh, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật để điều khiển vị trí tốc độ động - Khảo sát thông số hoạt động card - Điều khiển vị trí tốc độ động - Thiết kế giao diện điều khiển - Lập trình chương trình điều khiển Đề nghị: - Ứng dụng mơ hình vào việc thực tập - Sử dụng điều khiển PID, điều khiển Fuzzy Labview để điều khiển tự động đạt hiệu cao - Phát triển thêm ứng dụng sử dụng card giao tiếp USB - 9001 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước Phạm Đức Dũng, 2008, Giáo trình chi tiết máy, ĐH Nông Lâm TP.HCM, 229 trang Hồ Viết Bình, 2005, Tự động hóa q trình sản xuất, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM 150 trang Ngô Diên Tập 2000, Lập trình kết nối máy tính windows, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 506 trang Tài liệu nước 2003 – 2006 National Instruments Corporation, LabVIEW Getting Started with Labview, 102 pages Tài liệu từ Internet Data sheet linh kiện điện tử - Nguồn internet http://www.alldatasheet.com/ Labview – Nguồn Internet http://www.ni.com/ http://labview.hocdelam.org/vn/ 59 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển Hình 59 - Chương trình điều khiển 60 ... thành cảm ơn đóng góp ý kiến tất sinh viên suốt thời gian thực luận văn Xin trân trọng Huỳnh Thanh Phong TÓM TẮT Giới thiệu đề tài : Đề tài “ Khảo sát card giao tiếp nghiên cứu , thiết kế chế