ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - THIẾT KẾ CHẾ TẠO MỘT MÔ HÌNH XE SEGWAY ĐƠN GIẢN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT CÂN BẰNG CON LẮC NGƯỢC

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: PHẦN II: GIỚI THIỆU TÌM HIỂU VỀ XE SEGWAY: ĐẶT VẤN ĐỀ: CÁC MƠ HÌNH TRONG THỰC TẾ: THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ SƠ ĐỒ ĐỘNG: CÁC PHƢƠNG ÁN CƠ THIẾT KẾ CƠ KHÍ: MƠ HÌNH THIẾT KẾ: PHẦN III: CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 10 TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG: ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED THIẾT LẬP SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ TRÊN MATLAB SIMULINK: .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED PHẦN IV: PHẦN V: PHẦN VI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN .10 MẠCH NGUỒN: 10 MẠCH ĐIỀU KHIỂN: 11 MẠCH CÔNG SUẤT: .13 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT 14 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT: 14 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 25 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: .25 NHẬN XÉT: 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p LỜI NÓI ĐẦU Segway mơ hình xe điện gọn nhẹ, d sử dụng Là loại xe cân có bánh,kết hợp hệ thống điện tử hồn hảo, sử dụng để di chuyển vỉa hè, đƣờng dành cho xe đạp đƣờng giao thông đ p ứng đƣợc nhu cầu đƣợc ngƣời sử dụng rộng rãi Đề tài đồ án tìm hiểu xe cân bánh Segway tạo hội cho chúng em ứng dụng kiến thức học vào thiết kế chế tạo mơ hình xe Segway đơn giản dựa lý thuyết cân lắc ngƣợc Đồ án môn học giúp cho sinh viên vận dụng kiến thức học c c môn chuyên ngành vào việc thiết kế hệthống Cơ điện tử cụ thể Hồn thành tốt đồ án mơn học tạo điều kiện cho sinh viên thực tốt luận v n tốt nghiệp sau Chúng em xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn nhiệt tình củacác thầy khoa Cơ khí bạn bè q trình thực đồ án mơn học Với kiến thức kinh nghiệm c n hạn hẹp, đ thiếu s t điều tr nh khỏi, chúng em mong nhận đƣợc ý kiến để đồ n đƣợc hoàn thiện Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử PHẦN I: GVHD TS Nguy n V n Gi p GIỚI THIỆU Tìm hiểu xe Segway: Segway PT (viết tắt Segway Personal Transporter - Xe cá nhân Segway), thƣờng đƣợc gọi tắt Segway, phƣơng tiện giao thông cá nhân có hai bánh, hoạt động chế tự cân Dean Kamem phát minh Loại xe đƣợc sản xuất công ty Segway Inc bang NewHampshire Từ "Segway" phát âm gần giống với "segue" (một từ gốc tiếng ý c nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng")  Nguyên lý hoạt động: - Nghiêng ngƣời phía trƣớc để tiến phía trƣớc - Nghiêng ngƣời sau để giảm tốc, dừng lại lùi - Thân ngƣời thẳng đứng giữ cho xe đứng yên chỗ - Nghiêng cần lái phía phải để quay phải,về phía tr i để quay trái Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p  Cấu tạo xe Segway: Segway bao gồm cảm biến, hệ thống điều khiển hệ thống động Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Đặt vấn đề:  Mơ tả đồ án: Mỗi nhóm thiết kế gồm sinh viên làm mơ hình xe hai bánh với kích thƣớc nhỏ với tiêu chí sau: - Tiết kiệm vật liệu - Hoạt động tốt - Tính thẩm mỹ  u cầu đồ án: - Mơ hình đƣợc sử dụng động DC, biến trở điều khiển PID - Tập báo cáo bao gồm phần thiết kế vẽ khí, chƣơng trình mô điều khiển PID, mạch điện chƣơng trình điều khiển - Thực việc đua mơ hình xe b nh với  Kích thƣớc đƣờng đua: Đƣờng đua dài 2000mm rộng 400mm Cuối đƣờng đua c bìa cao 2mm Luật đua: - Xe mơ hình khơng đƣợc chạy khỏi đƣờng đua ngã đƣờng đua - Xe mơ hình chạy đích vƣợt qua bìa đen mà khơng bị ngã Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Các mô hình thực tế: Một số dạng xe hai bánh tự cân dùng robot Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử PHẦN II: GVHD TS Nguy n V n Gi p THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ Sơ đồ đợng mơ hình: Các phương án thiết kế khí: 2.1 Lựa chọn phận truyền động: a Truyền động b nh r ng  Ƣu điểm: - Kích thƣớc nhỏ, khả n ng tải lớn - Tỷ số truyền không thay đổi khơng có tƣợng trƣợt trơn  Nhƣợc điểm: - Chế tạo phức tạp Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p - Ồn vận tốc lớn - Đảm bảo khoảng c ch trục x c b Truyền động đai  Ƣu điểm: - Êm không ồn - Kết cấu đơn giản  Nhƣợc điểm: - Hiện tƣợng trƣợt đàn hồi Kết luận: - Chọn phƣơng n truyền động b nh r ng Mơ hình sử dụng truyền b nh r ng nhựa Chọn tỉ số truyền từ trục động đên trục b nh xe u13 = 2.2 Vật liệu khung mơ hình: - Sử dụng Mica (nhựa PPC tổng hợp) c ƣu điểm nhẹ, bền, thẩm mĩ 2.3 Mối ghép chi tiết: a Ghép nối chi tiết cấu tạo thân mơ hình:  Phƣơng n 1: Dùng bulong vít để ghép nối chi tiết  Ƣu điểm: - Cấu tạo đơn giản - Ghép nối tốt, d tháo lắp - Gi thành tƣơng đối thấp đƣợc tiêu chuẩn hóa  Nhƣợc điểm: - Độ bền mỏi mối ghép ren - Mối ghép bị lỏng bị va đập nhiều Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Hình - Ghép nối bulong đai ốc  Phƣơng n 2: Dùng keo dán để ghép nối chi tiết  Ƣu điểm: - Tiết kiệm chi phí - D thực  Nhƣợc điểm: - Khó tháo lắp Kết luận: Vì u cầu độ cứng vững tháo lắp linh hoạt mơ hình để di chuyển thay nên chọn PA Kết hợp sử dụng PA với mơ hình hồn chỉnh b Lắp ráp ổ lăn: - Tạo mối ghép độ dơi cố định vịng ngồi ổ l n vào gi đỡ vòng ổ l n với trục  Ƣu điểm: - Đơn giản, d thực - Đảm bảo độ đồng tâm  Nhƣợc điểm: - Khó tháo lắp - Có thể làm hỏng bề mặt ghép tháo lắp Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Mơ hình thiết kế: Hình – Mơ hình version 1.0 Hình - Bản vẽ 2D Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Hình -Mạch vi điều khiển PIC f4431 12 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Mạch cơng suất: Hình -Mạch công suất STT Tên cụm IC driver LMD18200T Chức : C chuyên dụng để điều khiển đ ng c gồm: - Chân PWM, DIR, BRAKE Led Tụ gốm Các tụ lại Báo nguồn Lọc đầu cho đ ng c Lọc điện áp gợn chống nhiễu 13 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT PHẦN V: Lưu đồ giải thuật: Start Đọc ADC Tính sai lệch tính to n duty xung PWM PID Đ ng Duty >0 Sai Đ ng Duty 180) //check if error is too large { en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0; constants // Clear all PID Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0; do_PID = 0; // Stop doing PID ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// thieu phan start cho phan doc AD ke tiep?? } if(temp_int < -180) //Check if error is too large (negative) { en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0; constants // Clear all PID Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0; do_PID = 0; // Stop doing PID } } if(temp_int < -180) { en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char = off_set = 0; 16 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p 17 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p Cn = integral_term = derivative_term = SumE = 0; do_PID = 0; // Stop doing PID } } void Init() { enable_interrupts(global); enable_interrupts(INT_TIMER0); setup_ccp1(ccp_pwm); //khoi tao bo PWM setup_timer_2(t2_div_by_4,249,1); //cai dat Timer tao xung PWM set_pwm1_duty(0); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_128|RTCC_8_BIT); set_timer0(99); Setup_ADC (ADC_clock_internal) ;//enables the a/d module Setup_ADC_ports (sAN0); //can phai sua lai Set_ADC_channel ( ) ; en0 = en1 = en2 = en3 = term1_char = term2_char =0; temp_int = integral_term = derivative_term = un =0; SumE_Max = 30000; SumE_Min = - SumE_Max; do_PID = 1; // Allowed to PID function } void PID() { 18 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p integral_term = derivative_term = 0; SumE = SumE + en0; // SumE is the summation of the error terms if(SumE > SumE_Max) // Test if the summation is too big { SumE = SumE_Max; } if(SumE < SumE_Min) // Test if the summation is too small { SumE = SumE_Min; } // Integral term is (Ts/Ti)*SumE where Ti is Kp/Ki // and Ts is the sampling period // Actual equation used to calculate the integral term is // Ki*SumE/(Kp*Fs*X) where X is an unknown scaling factor // and Fs is the sampling frequency integral_term = SumE / 256; // Divide by the sampling frequency integral_term = integral_term * ki; // Multiply Ki integral_term = integral_term / 16; // combination of scaling factor and Kp // chu y o so 16 = X*Kp nhung o phan vi phan thi X*Kp*3*Ts = 32 // co the xem phan tich phan khong quan bang phan vi phan // Calculate the derivative term derivative_term = en0 – en3; if(derivative_term > 120){ derivative_term = 120; 19 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p 20 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p } if(derivative_term < -120){ // test if too small derivative_term = -120; } // Calculate derivative term using (Td/Ts)[E(n) - E(n-1)] derivative_term = derivative_term * kd; // Where X is an unknown scaling factor derivative_term = derivative_term >> 5; // divide by 32 precalculated Kp*X*3*Ts //derivative_term = derivative_term / 32; if(derivative_term > 120) { derivative_term = 120; } if(derivative_term < -120) { derivative_term = -120; } Cn = en0 + integral_term + derivative_term; // Sum the terms Cn = Cn * kp / 1024 ; if(Cn >= 1000) // Used to limit duty cycle not to have punch through { Cn = 1000; } if(Cn 0) { set_pwm1_duty(Cn); output_high(DIR); output_low(BRK); //cn = cn>>2; off_set = off_set +1; // the offset is use to adjust the angle of the pendulum to slightly if(off_set > 55) // larger than it actually is { off_set = 55; } } else { temp_int = abs(Cn); // Returns the absolute int value of Cn set_pwm1_duty(temp_int); output_low(DIR); 22 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p off_set = off_set -1; if(off_set > 55) // larger than it actually is { off_set = 55; } } en3 = en2; // Shift error signals en2 = en1; en1 = en0; en0 = 0; do_PID = 0; // Done } void main() { set_tris_a(0xff); set_tris_c(0x00); set_tris_b(0x00); set_tris_d(0x00); set_tris_e(0x00); Init(); enable_interrupts(global); enable_interrupts(INT_TIMER0); delay_ms(100); while(true){ 23 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p if(do_PID) { PID(); } } } 24 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử PHẦN VI: GVHD TS Nguy n V n Gi p KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Kết thực nghiệm: Mơ hình hoạt động tƣơng đối ổn định do: - Bộ điều khiển PID chƣa hồn tồn x c - Mơ hình khí chƣa tối ƣu - Mạch điện c n bị ảnh hƣởng nhi u 25 Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguy n Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế m y, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2010 [2] Nguy n Hữu Lộc, Bài tập chi tiết m y, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí [3] Nguy n Hữu Lộc, Thiết kế khí với AutoCAD Mechanical, NXB TP Hồ Chí Minh, 2007 26 ... quay trái Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p  Cấu tạo xe Segway: Segway bao gồm cảm biến, hệ thống điều khiển hệ thống động Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS... Segway đơn giản dựa lý thuyết cân lắc ngƣợc Đồ án môn học giúp cho sinh viên vận dụng kiến thức học c c môn chuyên ngành vào việc thiết kế h? ?thống Cơ điện tử cụ thể Hoàn thành tốt đồ án môn học tạo. . .Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử GVHD TS Nguy n V n Gi p LỜI NÓI ĐẦU Segway mơ hình xe điện gọn nhẹ, d sử dụng Là loại xe cân có bánh,kết hợp hệ thống điện tử hoàn hảo, sử dụng