Đồ án đã thực hiện các nội dung sau : Giới thiệu tổng quan về phần mềm LabVIEW. Khảo sát card thu thập dữ liệu đa năng USB – 9001. Thiết kế và thi công bộ kit sử dụng card USB – 9001 điều khiển động cơ DC Servo thông qua phần mềm LabVIEW. Mục đích đồ án Có kiến thức cơ bản về lập trình LabVIEW, về cách thức giao tiếp với các thiết bị qua các chuẩn giao tiếp thông dụng. Tạo một mô hình điều khiển vị trí và tốc độ động cơ có thể ứng dụng vào thực tập. Tạo một tài liệu tiếng Việt về cách thức lập trình, giao tiếp của ngôn ngữ lập trình LabVIEW cho người mới bắt đầu. Tạo một thư viện bài tập ứng dụng cơ bản về lập trình, giao tiếp 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 gia HUỲNH THANH PHONG Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ điện tư Giáo viên hướng dẫn: Ths NGUYỄN LÊ TƯỜNG Tháng năm 2010 Cảm ta Sinh viên thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn đến Th.S Nguyễn Lê Tường, cương vị là người hướng dẫn đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt quá trình thực hiện luận văn Sinh viên thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trường Đại học Nông Lâm T.p.HCM, đặc biệt là q thầy, mơn Cơ Điện Tư tận tình dạy dỗ và truyền thụ kinh nghiệm quí báu suốt thời gian qua Cuối sinh viên thực hiện xin chân thành cam ơn đóng góp ý kiến tất ca sinh viên suốt thời gian thực hiện luận văn Xin trân trọng Huỳnh Thanh Phong TÓM TẮT Giới thiệu đề tài : Đề tài “ Khao sát card giao tiếp và nghiên cứu , thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển vị trí và tốc độ động cơ, ứng dụng phần mềm LabVIEW” Đồ án thực hiện các nội dung sau : - Giới thiệu tổng quan phần mềm LabVIEW - Khao sát card thu thập liệu đa USB – 9001 - Thiết kế và thi công kit sư dụng card USB – 9001 điều khiển động DC Servo thông qua phần mềm LabVIEW Mục đích đồ án - Có kiến thức ban lập trình LabVIEW, cách thức giao tiếp với các thiết bị qua các chuẩn giao tiếp thông dụng - Tạo mơ hình điều khiển vị trí và tốc độ động có thể ứng dụng vào thực tập - Tạo tài liệu tiếng Việt cách thức lập trình, giao tiếp ngôn ngữ lập trình LabVIEW cho người mới bắt đầu - Tạo thư viện bài tập ứng dụng ban lập trình, giao tiếp LabVIEW MỤC LỤC Chương Chương 2.1 Khao sát phần mềm LabVIEW .6 2.1.1 Tổng quan LabVIEW 2.1.2 Cách thức làm việc LabVIEW 2.1.3 Các phương thức giao tiếp LabVIEW với các thiết bị 2.1.4 Khao sát số card giao tiếp máy tính 14 2.2 Động Servo DC 16 2.3 Encoder 16 2.4 Truyền động vitme 19 2.5 Phương pháp điều khiển động 19 2.5.1 PWM 20 2.5.2 Nguyên lý PWM 20 2.5.3 Các cách để tạo được PWM để điều khiển 22 2.5.4 PWM điều khiển động và các biến đổi xung áp 25 Chương 27 3.1 Nội dung đề tài 27 3.2 Một số lý thuyết ứng dụng thiết kế 27 3.3 Cơ sở thiết kế mô hình 27 3.3.1 Card thu thập liệu USB – 9001 28 3.3.2 Mạch công suất – Mạch cầu H .36 3.3.3 Động và Encoder .36 3.3.4 Bộ truyền động .37 3.3.5 Phương pháp giao tiếp với card .37 3.4 Phương pháp lập trình LabVIEW 38 3.5 Bang quy đổi giá trị xung với tốc độ và vị trí .41 3.6 Phương pháp điều khiển 41 Chương 43 4.1 Sơ đồ khối mô hình 43 4.2 Kết qua thiết kế, thi công 44 4.2.1 Mạch công suất : 44 4.3 Giai thuật điều khiển .47 4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 50 4.5 Kết qua khao nghiệm 52 54 Chương 55 DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Chương MỞ ĐẦU Trên đường hội nhập và phát triển, đất nước ta chuyển mình theo phát triển giới, bằng san xuất đa dạng và đầy tiềm Nền san x́t này khơng đòi hỏi lực lượng lao động khổng lồ, mà yêu cầu trình độ, chất lượng tay nghề, kĩ thuật lao động và thiết bị san xuất Trên đà phát triển đó, vấn đề tự động hóa quá trình san xuất, nghiên cứu trở thành nhu cầu cần thiết Thoạt đầu, vấn đề tự động hóa được thực hiện riêng lẻ từ khí hóa đến các mạch điện tư Ngày với xuất hiện các chip xư lý và máy tính, với việc sư dụng rộng rãi nó đẩy vấn đề tự động hóa lên bước cao Cũng tầm quan trọng và thành tựu đạt được thời gian qua khiến có cái nhìn mới và ngày càng trọng đối với vấn đề tự động hóa…Bên cạnh đó, việc ứng dụng máy vi tính vào kĩ thuật đo lường và điều khiển đem lại kết qua đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy vi tính có độ xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn Ngoài ra, máy tính có phần giao diện màn hình rất tiện lợi cho người sư dụng việc giám sát và điều khiển Một yếu tố rất quan trọng dùng máy tính để điều khiển và thơng tin liên lạc với đó là vấn đề truyền liệu và độ tin cậy Do đó, phạm vi hiểu biết mình, em tìm hiểu và thực hiện đề tài: “ Khao sát card giao tiếp và thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển vị trí và 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 là công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp việc phát triển các hệ thống thiết kế, điều khiển và kiểm tra Kể từ đời năm 1986, các kĩ sư và nhà khoa học toàn giới tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày càng cao, hiệu qua san xuất lớn LABVIEW (Laboratory Vitual Instrument Engineering Workbench) là chương trình phát triển ứng dụng tương tự các chương trình C hay Basic hay Lab Windows hãng National Instrument Tuy nhiên LabVIEW khác các chương trình khác điểm quan trọng: C hay Assembler sư dụng ngôn ngữ lập trình dạng văn ban để tạo các đoạn mã thì LabVIEW sư dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa (ngôn ngữ lập trình G) thông qua các biểu tượng để tạo mã điều khiển chứa Block Diagram Hình - Icon LabVIEW LabVIEW có thư viện mở rộng hàm và chương trình dùng để lập trình các hệ điều hành Windows, Macintosh, và Sun Ngoài ra, LabVIEW có thư viện ứng dụng riêng cho việc nhận liệu và thiết bị điều khiển theo chuẩn VXI, các thư viện ứng dụng riêng theo chuẩn GPIB và thiết bị điều khiển nối tiếp, phân tích, trình bày và lưu trữ liệu Chương trình LabVIEW được gọi là các thiết bị ao (VI: Virtual Instruments) vì giao diện và cách thức hoạt động nó tương tự thiết bị thật Các VI có giao diện với người sư dụng và mã nguồn tương đương tiếp nhận các thông số từ VI cao VI có ba đặc trưng sau: + VI chứa giao diện với người sư dụng được gọi là mặt máy (font panel) vì nó mô mặt trước dụng cụ vật lý Mặt máy có thể bao gồm núm nhấn, biểu đồ, núm điều khiển và các thị khác Ta đưa số liệu vào bằng các sư dụng bàn phím và chuột và sau đó quan sát kết qua màn hình máy tính + VI tiếp nhận lệnh từ sơ đồ khối (Block Diagram), mà ta tạo nên bằng G Sơ đồ khối này cung cấp giai pháp đồ họa cho vấn đề lập trình Sơ đồ khối chứa mã nguồn VI + VI sư dụng cấu trúc môđun và phân cấp Ta có thể sư dụng chúng các chương trình bậc cao các chương trình bên chương trình khác chương trình khác Một VI VI khác được gọi là VI (SubVI) Biểu tượng và cưa sổ nối VI làm việc giống liệt kê thông số đồ họa cho các VI khác có thể truyền số liệu tới nó subVI + LabVIEW được sư dụng rộng rãi công nghiệp, trường đại học và các viện nghiên cứu giới phần mềm chuẩn để thu nhận liệu và điều khiển thiết bị LabVIEW được sư dụng rộng rãi từ năm 1993 viện nghiên cứu không gian, y học, nghiên cứu vật lý lượng cao, v.v … LabVIEW có thể biến máy tính PC thành dụng cụ ao dùng cho bất kỳ phép đo và kiểm tra nào Có ba thành phần quan trọng liên quan đến ứng dụng đo và thư nghiệm đó là: Thu nhận liệu, phân tích và quan sát số liệu 2.1.2 Cách thức làm việc LabVIEW LabVIEW chứa đựng đầy đủ các thư viện hàm và thủ tục phục vụ cho công cụ lập trình Ngoài ra, LabVIEW cung cấp các thư viện cho ứng dụng cụ thể thu thập, phân tích, hiển thị và lưu trữ liệu, điều khiển thiết bị theo chuẩn nối tiếp hay GPIB Ta có thể đặt điểm ngừng, thi hành chương trình động và chạy bước suốt chương trình để gỡ rối Kha mềm dẻo LabVIEW cho phép ta tạo các ứng dụng riêng, cung cấp phương thức nhanh chóng để điều khiển thiết bị, thu liệu và điều khiển hệ thống Nó hỗ trợ cho việc kết nối các ứng dụng Internet thông qua LabVIEW web server và các chuẩn phần mềm mạng TCP/IP và active X Chương trình LabVIEW cung cấp cho người sư dụng các chức điều khiển, kha giao diện đồ hoạ và các hàm chức 2.1.3 Các phương thức giao tiếp LabVIEW với thiết bị LabVIEW có thể giao tiếp với hầu hết các 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 2.1.3.1.1 Giao tiếp Labview qua cổng LPT a Sư dụng các Vis port I/O Khi giao tiếp Labview với cổng LPT ta sư dụng Vis có sẵn Labview: OutPort, Inport… Để lấy các SubVI này là lấy theo đường dẫn FunctionsConnectivityPort I/O Hình - Đường dẫn đến hộp Port I/O - Out Port: Để ghi tín hiệu nguyên từ cổng địa vào/ra 16 bits Vis này chấp nhận 16 bits Hình - Outport + Đường địa (Address): Chỉ rõ địa mà ta muốn ghi tín hiệu bits nguyên + Đường viết giá trị: Viết giá trị byte vào địa rõ + Đường vão lỗi (Erorr in): Miêu ta lỗi xuất hiện trước Vis Out Port này các hàm chạy Nếu lỗi xuất hiện trước VI này hay hàm thực thi thì truyền giá trị lỗi đó qua đường lỗi (Erorr Out), khơng có lỗi trước VI này và các hàm thực thi thì chúng vẫn chạy bình thường Để miêu ta trạng thái lỗi đường lỗi vào: có ô để miêu ta + Status: Sẽ trạng thái True mới xuất hiện lỗi Và mặc đinh mang giá trị False + Code: Là lỗi hay canh báo mã (Code) Mặc đinh mang giá trị 0, trạng thái (Status) có giá trị True thì ô code này không mang giá trị + Source: Chỉ rõ vị trí lỗi hay canh báo chúng xuất hiện Ô này miêu ta bằng các chuỗi mặc định là không có chuỗi + Đường lỗi (Error Out): Bao gồm các thông tin lỗi Nếu Erorr In có lỗi thì đường này miêu ta trạng thái lỗi sinh Ở đường lỗi có ô thông tin: Status, Code, Source - Inport: Để đọc tín hiệu nguyên từ cổng địa vào/ra 16 bit Và VI này chấp nhận địa 16 bit Hình – Inport VI này có đường: Địa chỉ, đọc liệu, lỗi vào, lỗi + Đường địa chỉ: Chỉ rõ địa ta muốn đọc tín hiệu bit nguyên + Đường đọc liệu: Đọc liệu byte từ địa Đường lỗi vào và đường lỗi ra: Có tính chất tương tự Vis Inport - 32 Bitriad_to_Dsub: 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 đó tín hiệu điều khiển từ máy tính thơng qua giao thức giao tiếp USB gưi liệu xuống mạch giao tiếp và Card giao tiếp đưa tín hiệu xuống mạch cơng śt điều khiển động chạy đến vị trí mong muốn Tín hiệu phan hồi ( tín hiệu Encoder ) được gưi card giao tiếp và gưi liệu lên máy tính để hiển thị vị trí di chuyển hiện thời Mặt khác từ giao diện người dùng, người điều khiển có thể nhập tốc độ động tùy mong muốn Tín hiệu điều khiển được gưi xuống Card giao tiếp và từ Card giao tiếp đưa tín hiệu dạng xung xuống mạch cơng st để điều khiển đơng 43 Tín hiệu phan hồi ( tín hiệu Encoder ) gưi số xung lên Card giao tiếp và số xung đó được gưi lên máy tính để hiển thị vận tốc động hiện thời 4.2 Kết quả thiết kế, thi công 4.2.1 Mạch công suất : Sơ đồ nguyên lý : V C C V D C IS O L A T O R -A V C C IS O R K D Q D Q Q R R K IS O R K 1 O P TO IR F N /T O O P TO IS O L A T O R -A Q IR F N /T O C R K Q R Q IR F N /T O K V C C Q V C C R R K Q 4 IR F N /T O IS O R D Q J C O N D Q R K 3 K IS O L A T O R -A IS O O P TO R R 11 D L E D D L E D Q Q Hình 45 - Sơ đồ nguyên lý mach cầu H 4.2.1.1 Cấu tao mach cầu H Mạch cầu H bao gồm: FET IFR9540, FET IRF540 và OPTO PC817, ngoài có Diode dùng để bao vệ FET trường hợp dòng ngược từ động tra và các điện trở hạn dòng, LED dùng để báo tín hiệu điều khiển 4.2.1.2 Nguyên tắc hoat động mach cầu H Mạch cầu H được điều khiển tín hiệu Q1, Q2, Q3 và Q4 Bốn tín hiệu này điều khiển gián tiếp FET thông qua OPTO, và điều khiển được chiều quay động ( có nghĩa là đao chiều dòng điện ) Xét chế độ thuận nghịch Điều kiện để OPTO được kích là 0< UQ1,Q2,Q3,Q4 ≤ 5V(điều khiển mức 1) Điều kiện để các FET được kích là: - Đối với FET IRF540 để mở thì UG > (điều khiển mức 1) 44 Đối với FET IRF9540 để mở thì 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 này kích các FET đóng và mở Điều kiện để cho động quay thuận - Tín hiệu Q1=0 ( Tức là Opto PC817 được kích và IRF 9540 mở ) - Tín hiệu Q2=1 (Tức là Opto PC817 khơng được kích và IRF 540 đóng) - Tín hiệu Q3=1 (Tức là Opto PC817 khơng được kích và IRF 9540 đóng) - Tín hiệu Q1=0 ( Tức là Opto PC817 được kích và IRF 540 mở ) VD C VC C IS O D Q 1 Q R 3K3 O P T O IS O L A T O R -A C 104 R 1K R 12 180 R 1K Q VC C IR F N /T O Q 4 IR F N /T O J1 IS O C O N R 3K3 O P T O IS O L A T O R -A D Q R 180 D LED Q 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 này kích các FET đóng và mở Điều kiện để cho động quay nghịch - Tín hiệu Q1=1 (Tức là Opto PC817 khơng được kích và IRF 9540 đóng ) - Tín hiệu Q2=0 (Tức là Opto PC817 được kích và IRF 540 mở ) - Tín hiệu Q3=0 (Tức là Opto PC817 được kích và IRF 9540 mở ) 45 - Tín hiệu Q1=1 ( Tức là Opto PC817 khơng được kích và IRF 540 đóng ) VC C VD C O P T O IS O L A T O R -A IS O R 3K3 D Q R R 1K Q 180 C IR F N /T O 104 R 10 Q 1K D Q J1 R VC C IR F N /T O Q C O N IS O 3K3 R 11 180 D LED Q Hình 47 - Điều khiển theo chiều nghịch 4.2.1.3 Mach thi cơng : Hình 48 - Mach thi cơng 46 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 được điều khiển vị trí theo lưu đồ giai thuật sau : 47 Với : - L là chiều dài cần di chuyển - P là số bước ren - PL là số bước ren giới hạn dưới - PH là số bước ren giới hạn Hình 51 - Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động 48 Mô hình được điều khiển vận tốc theo lưu đồ giai thuật sau : Hình 52 - Lưu đồ giải thuật điều khiển tốc độ động Với : - VT là vận tốc nhập từ giao diện - V là vận tốc động chạy - VL là vận tốc mức dưới - VH là vận tốc mức 49 4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển mô hình được viết bằng chương trình Labview 8.6 Hình 53 - Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động 50 Hình 54 - Giao diện chương trình điều khiển vị trí động 4.4 Kết quả mơ Hình 55 - Hình mơ vận tốc 51 Hình 56 - Hình mơ vận tốc 4.5 Kết quả khảo nghiệm Bảng - Kết quả 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 52 Hình 57 - Đồ thị biểu diễn vị trí Bảng - Kết quả 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 53 Hình 58 - Đồ thị biểu diễn vận tốc 54 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Sau thời gian thực hiện đề tài được hoàn thành thời hạn và đạt được số kết qua nhất định - Mô hình được thiết kế hoàn chỉnh, đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật để điều khiển vị trí và tốc độ động - Khao sát các thông số và hoạt động card - Điều khiển được vị trí và tốc độ động - Thiết kế được giao diện điều khiển - Lập trình được chương trình điều khiển Đề nghị: - Ứng dụng mô hình này vào việc thực tập - Sư dụng điều khiển PID, điều khiển Fuzzy Labview để điều khiển tự động đạt hiệu qua cao - Phát triển thêm các ứng dụng sư dụng card giao tiếp USB - 9001 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 55 Ngô Diên Tập 2000, Lập trình kết nối máy tính windows, Nhà xuất ban 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 các linh kiện điện tư - Nguồn internet http://www.alldatasheet.com/ Labview – Nguồn Internet http://www.ni.com/ http://labview.hocdelam.org/vn/ PHỤ LỤC Chương trình điều khiển 56 Hình 59 - Chương trình điều khiển 57 ... - Icon LabVIEW LabVIEW co thư vi ̣n mở rộng hàm va chương tri nh dùng để lập tri nh các hệ điều hành Windows, Macintosh, va Sun Ngoài ra, LabVIEW co thư vi ̣n ứng dụng riêng cho vi ̣c... Động DC servo 2.3 Encoder Encoder co cấu tạo gồm đĩa co khắc vạch được đục lỗ, đặt nguồn sáng va transistor quang Encoder co loại: Encoder tương đối va encoder tuyệt đối Ở ta xét encoder... Giới thi ̣u tổng quan phần mềm LabVIEW - Khao sát card thu thập liệu đa USB – 9001 - Thi t kế va thi công kit sư dụng card USB – 9001 điều khiển động DC Servo thông qua phần mềm LabVIEW