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

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 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

LABVIEW

Tác giả

HUỲNH THANH PHONG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:

Ths NGUYỄN LÊ TƯỜNG

Tháng 7 năm 2010

Cảm tạ

Sinh viên thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn đến cô Th.S Nguyễn Lê Tường, trêncương vị là người hướng dẫn chính của đề tài, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trongsuốt quá trình thực hiện luận văn

Sinh viên thực hiện cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong trường Đạihọc Nông Lâm T.p.HCM, đặc biệt là quí thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tìnhdạy dỗ và truyền thụ những kinh nghiệm quí báu trong suốt thời gian qua

Cuối cùng sinh viên thực hiện xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của tất cả sinh viên trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Xin trân trọngHuỳnh Thanh Phong

TÓM TẮT

Giới thiệu đề tài :

Đề tài “ Khảo 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 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

2.1.3 Các phương thức giao tiếp trong LabVIEW với các thiết bị 11

2.5.4 PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp 28

3.5 Bảng quy đổi giữa giá trị xung với tốc độ và vị trí 46

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 18 - Sơ đồ thu phát hồng ngoại và bố trí các cặp thu phát trong Encoder 20

Hình 34- Mạch điều khiển động có servo dùng PWM1 có encoder phản hồi tốc độ 39Hình 35 - Mạch đo nhiệt độ dùng ADC4 và điều khiển tốc độ động cơ dùng PWM1 39

Hình 48 - Mạch thi công 50

Hình 51 - Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động cơ 52Hình 52 - Lưu đồ giải thuật điều khiển tốc độ động cơ 53Hình 53 - Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động cơ 54Hình 54 - Giao diện chương trình điều khiển vị trí động cơ 55

DANH SÁCH CÁC BẢNG

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 Chương 1

MỞ ĐẦU

Trên con đường hội nhập và phát triển, đất nước ta đang chuyển mình theo sự phát triển của thế giới, bằng nền sản xuất đa dạng và đầy tiềm năng Nền sản xuất này không chỉ đòi hỏi một lực lượng lao động khổng lồ, mà còn yêu cầu về trình độ, chất lượng tay nghề, kĩ thuật lao động và thiết bị sản xuất Trên đà phát triển đó, vấn đề tự động hóa trong quá trình sản xuất, nghiên cứu trở thành một nhu cầu cần thiết

Thoạt đầu, vấn đề tự động hóa được thực hiện riêng lẻ từ cơ khí hóa đến các mạch điện tử Ngày nay với sự xuất hiện của các chip xử lý và máy tính, cùng với việc sử dụng rộng rãi của nó đã đẩy vấn đề tự động hóa lên một bước cao hơn Cũng như tầm quan trọng và những thành tựu đã đạt được trong thời gian qua đã khiến chúng ta có một cái nhìn mới và ngày càng chú trọng hơn đối với vấn đề tự động hóa…Bên cạnh đó, việc ứng dụng máy vi tính vào kĩ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại những kết quả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy vi tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn Ngoài ra, máy tính còn có phần giao diện màn hình rất tiện lợi cho người sử dụng trong việc giám sát và điều khiển Một trong những yếu tố rất quan trọng khi dùng máy tính để điều khiển và thông tin liên lạc với nhau đó là vấn đề truyền dữ liệu và độ tin cậy Do đó, trong phạm vi hiểu biết của mình, em đã tìm hiểu và thực hiện đề tài: “ Khảo sát card giao tiếp và thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển vị trí và tốc độ động cơ ứng dụng phần mềm LabVIEW”

LABVIEW (Laboratory Vitual Instrument Engineering Workbench) là một chương trình phát triển ứng dụng tương tự như các chương trình C hay Basic hay Lab

Windows của hãng National Instrument Tuy nhiên LabVIEW khác các chương trình khác ở một điểm quan trọng: trong khi C hay Assembler sử dụng ngôn ngữ lập trình dạng văn bản để tạo ra các đoạn mã thì LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa (ngôn ngữ lập trình G) thông qua các biểu tượng để tạo ra mã điều khiển chứa trong Block Diagram

Hình 1 - Icon LabVIEW

LabVIEW có những thư viện mở rộng về hàm và chương trình con dùng để lập trìnhtrong các hệ điều hành Windows, Macintosh, và Sun Ngoài ra, LabVIEW cũng cónhững thư viện ứng dụng riêng cho việc nhận dữ liệu và thiết bị điều khiển theo chuẩnVXI, các thư viện ứng dụng riêng theo chuẩn GPIB và thiết bị điều khiển nối tiếp,phân tích, trình bày và lưu trữ dữ liệu

Chương trình LabVIEW được gọi là các thiết bị ảo (VI: Virtual Instruments) vì giaodiện và cách thức hoạt động của nó tương tự như thiết bị thật Các VI có giao diện vớingười sử dụng và một mã nguồn tương đương tiếp nhận các thông số từ VI cao hơn.

VI có ba đặc trưng sau:

+ VI chứa một giao diện với người sử dụng được gọi là mặt máy (font panel) vì nó môphỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý Mặt máy có thể bao gồm núm nhấn, biểu đồ,núm điều khiển và các bộ chỉ thị khác Ta đưa số liệu vào bằng các sử dụng bàn phímvà chuột và sau đó quan sát kết quả trên màn hình của máy tính

+ VI tiếp nhận lệnh từ một sơ đồ khối (Block Diagram), mà ta tạo nên bằng G Sơ đồkhối này cung cấp một giải pháp đồ họa cho một vấn đề lập trình Sơ đồ khối chứa mãnguồn của VI

+ VI sử dụng cấu trúc môđun và phân cấp Ta có thể sử dụng chúng như các chươngtrình bậc cao hoặc như các chương trình con bên trong chương trình khác hoặc chươngtrình con khác Một VI trong một VI khác được gọi là VI con (SubVI) Biểu tượng vàcửa sổ nối của VI làm việc giống như liệt kê thông số đồ họa sao cho các VI khác cóthể truyền số liệu tới nó như một subVI

+ LabVIEW được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trường đại học và các viện nghiên cứu trên thế giới như một phần mềm chuẩn để thu nhận dữ liệu và điều khiển thiết bị LabVIEW đã được sử dụng rộng rãi từ năm 1993 trong viện nghiên cứu khônggian, y học, trong nghiên cứu vật lý năng lượng cao, v.v … LabVIEW có thể biến một máy tính PC thành một dụng cụ ảo dùng cho bất kỳ phép đo và kiểm tra nào Có ba thành phần quan trọng liên quan đến ứng dụng đo và thử nghiệm đó là: Thu nhận dữ liệu, phân tích và quan sát số liệu

2.1.2 Cách thức làm việc của LabVIEW

LabVIEW chứa đựng đầy đủ các thư viện hàm và thủ tục phục vụ cho công cụ lậptrình Ngoài ra, LabVIEW còn cung cấp các thư viện cho những ứng dụng cụ thể nhưthu thập, phân tích, hiển thị và lưu trữ dữ liệu, điều khiển thiết bị theo chuẩn nối tiếp

hay GPIB Ta có thể đặt điểm ngừng, thi hành chương trình động và chạy từng bướcsuốt chương trình để gỡ rối

Khả năng mềm dẻo của LabVIEW còn cho phép ta tạo ra các ứng dụng riêng, cungcấp phương thức nhanh chóng để điều khiển thiết bị, thu dữ liệu và điều khiển hệthống Nó còn hỗ trợ cho việc kết nối các ứng dụng của Internet thông qua LabVIEWweb server và các chuẩn phần mềm như mạng TCP/IP và active X

Chương trình LabVIEW cung cấp cho người sử dụng các chức năng về điều khiển, khảnăng giao diện đồ hoạ và các hàm chức năng

2.1.3 Các phương thức giao tiếp trong LabVIEW với các thiết bị

LabVIEW có thể giao tiếp với hầu hết các chuẩn giao thức truyền thông trong côngnghiệp: Ethernet, Can, DeviceNet, USB, IEEE 1394, RS 232, GPIB, RS 485…

2.1.3.1 Giao tiếp cổng song song ( LPT )

Hình 2 - Sơ đồ chân cổng LPT

2.1.3.1.1 Giao tiếp Labview qua cổng LPT

a Sử dụng các Vis trong port I/O

Khi giao tiếp Labview với cổng LPT ta sử dụng những Vis có sẵn trong

Labview: OutPort, Inport…

Để lấy các SubVI này là lấy theo đường dẫn FunctionsConnectivityPort I/O

Hình 3 - Đường dẫn đến hộp Port I/O

- Out Port: Để ghi một tín hiệu nguyên từ cổng địa chỉ vào/ra 16 bits Vis này chỉ chấp nhận 16 bits

Hình 4 - Outport

+ Đường địa chỉ (Address): Chỉ rõ địa chỉ mà ta muốn ghi một tín hiệu 8 bits nguyên

+ Đường viết giá trị: Viết giá trị byte vào địa chỉ đã chỉ rõ

+ Đường vão lỗi (Erorr in): Miêu tả những lỗi xuất hiện trước Vis Out Port này hoặc các hàm đang chạy Nếu một lỗi xuất hiện trước VI này hay hàm thực thi thì truyền giá trị lỗi đó qua đường lỗi ra (Erorr Out), còn nếu không có lỗi trước VI này và các hàm thực thi thì chúng vẫn chạy bình thường Để miêu tả trạng thái lỗi trong đường lỗi vào: có 3 ô để miêu tả

+ Status: Sẽ ở trạng thái True mới xuất hiện 1 lỗi Và mặc đinh mang giá trị False.

+ Code: Là lỗi hay cảnh báo về mã (Code) Mặc đinh mang giá trị 0, nếu ở trạng thái (Status) có giá trị True thì ô code này sẽ không mang giá trị 0 nữa.+ Source: Chỉ rõ vị trí của lỗi hay cảnh báo khi chúng xuất hiện Ô này miêutả bằng các chuỗi mặc định là không có chuỗi

+ Đường lỗi ra (Error Out): Bao gồm các thông tin lỗi Nếu Erorr In chỉ ra có lỗi thì ở đường này sẽ miêu tả trạng thái lỗi sinh ra Ở đường lỗi ra cũng có 3 ô thông tin: Status, Code, Source

- Inport: Để đọc tín hiệu nguyên từ cổng địa chỉ vào/ra 16 bit Và VI này cũng chỉ

chấp nhận những địa chỉ 16 bit

Hình 5 – Inport

VI này cũng có 4 đường: Địa chỉ, đọc dữ liệu, lỗi vào, lỗi ra

+ Đường địa chỉ: Chỉ rõ địa chỉ ta muốn đọc tín hiệu 8 bit nguyên

+ Đường đọc dữ liệu: Đọc dữ liệu 1 byte từ địa chỉ

Đường lỗi vào và đường lỗi ra: Có tính chất tương tự như ở Vis Inport

- 32 Bitriad_to_Dsub:

Hình 6 - Bitread _to_ dsub

Sub VI này chấp nhận một dữ liệu Word kép Mô phỏng như một cổng song song

b Sử dụng các Vis trong hộp VISA

Ngoài cách sử dụng các khối trong hộp Port I/O Ta có thể giao tiếp với cáccổng song song bằng các khối Vis trong hộp VISA trong đó các khối Vis VISA có các chức năng cụ thể: Write VISA, read VISA, clear VISA…

Để lấy các khối VISA ra sử dụng ta lấy theo đường dẫn:

FunctionsInstrument I/OVISA

Hình 7 - Đường dẫn tới hộp VISA

Để lấy các khối VISA có thể truyền và nhận dữ liệu từ cổng LPT ta phải gán địa chỉ của cổng LPT cho khối

Hình 8 - Địa chỉ xác định cổng giao tiếp cho Vis VISA

Từ hình vẽ trên ta thấy các khối VISA hoàn toàn có thể giao tiếp với cổng nối tiếp Và ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về các khối VISA này trong phần giao tiếp vớicổng nối tiếp

2.1.3.2 Truyền thông nối tiếp

2.1.3.2.1 Giới thiệu cổng truyền thông nối tiếp ( COM )

a Cấu tạo và thành phần các chân cổng COM

Trên máy tính thường có 2 loại cổng COM, loại cổng 9 chân và 25 chân, bảng dưới đây chỉ ra tất cả các đường dẫn được nối với các chân trên đầu nối 25 chânvà 9 chân

Hình 9 - Hình dạng cổng COM

Việc trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp trong các trường hợp thông thường đều qua đường dẫn truyền nối tiếp TxD và đường dẫn nhận nối tiếp RxD Tất cả các đường dẫncòn lại có chức năng phụ trợ khi thiết lập và điều khiển cuộc truyền dữ liệu Các đường dẫn này gọi là các đường dẫn bắt tay bới vì chúng được sử dụng theo phương pháp “ ký nhận” giữa các thiết bị Ưu điểm đặc biệt của đường dẫn bắt tay là trạng tháicủa chúng có thể đặt hoặc điều khiển trực tiếp

tự sẽ được gửi đến trong lần chuyền bit tiếp theo Bit bắt đầu này luôn ở mức 0 Tiếp theo 5,6 hay 7 bit dữ liệu được gửi dưới dạng kí tự mã ASCII, rồi đến là một bit chẳn

lẻ và cuối cùng 1 hoặc 2 bit dừng Khoảng thời gian phân cách của một bit đơn quy định tốc độ truyền Cả bộ truyền lẫn bộ nhận đều phải được đặt ở một khoảng thời gian

Hình 10 - Truyền thông không đồng bộ

c.Giao tiếp LabVIEW qua truyền thông nối tiếp

Để giao tiếp LabVIEW với các thiết bị qua chuẩn nối tiếp RS- 232, như đã đề cập ở phần giao tiếp qua cổng LPT, đó là ta sử dụng các khối VISA trong hộp Serial Trong đó có ba khối SubVI cơ bản và quan trọng: VISA Configure Serial Port.vi, VISA Write.vi và Read.vi

Hình 11 - VISA Confiure Serial Port.vi

Đường dẫn: Funtions > Instrument I/O > Serial > Configure Port

Chức năng: Khởi tạo cổng nối tiếp thực hiện giao tiếp với COM 1 hay COM 2… Thiếtlập các thông số cho cổng COM như bit dữ liệu, start bit, stop bit, bit chẵn lẽ…

Hình 12 - VISA Write.vi

Đường dẫn: Funtions > Instrument I/O > Serial > Write

Chức năng: Ghi kí tự từ Write buffer tới thiết bị đã được chỉ định ở VISA resource name, và đưa ra số bytes truyền qua đường return count

Hình 13 - VISA Read.vi

Đường dẫn: Funtions > Instrument I/O > Serial > Read

Chức năng: Đọc số byte từ thiết bị và trả về giá trị dữ liệu đọc được về read buffer Ngoài 3 khối VISA cơ bản trên thì trong hộp Serial còn có các khối VISA SubVI với các nhiệm vụ khác nhau trong một ứng dụng truyền thông nối tiếp: VISA Close.vi, VISA Serial break.vi…

2.1.4 Khảo sát một số card giao tiếp máy tính

2.1.4.1 Card thu thập dữ liệu đa năng USB – 6008

Card USB – 6008 là một trong nhiều thiết bị DAQ do hãng National Instruments phát triển Và ngôn ngữ lập trình LabVIEW cũng ra đời nhằm mục đích hỗ trợ cho các thiết

bị này trong việc ứng dụng vào thu nhận, xử lý và điều khiển tín hiệu

Trong LabVIEW có sẵn một hộp chứa các Vis DAQmx Base chuyên dụng với các chức năng, nhiệm vụ đa dạng nhằm hỗ trợ cho các thiết bị trong quá trình đo lường và điều khiển

Hình 14 - Card USB – 6008

- Bạn cần đo tín hiệu analog như tín hiệu điện áp của bất kỳ cảm biến nào ví dụ: Cảmbiến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, áp suất NI 6008 cho phép bạn thực hiện nhu cầu trênvới các tính năng và ưu điểm sau:

- Dễ dàng thực hiện việc giao tiếp mới máy tính qua cổng USB với chu kỳ lấy mẫunhanh, độ chính xác cao

- Tự động xuất ra các bản đồ, cung cấp và hỗ trợ đầy đủ các công cụ phân tích, hiển thịvà truy xuất dữ liệu thu được bằng việc sử dụng ngôn ngữ LabVIEW

- Thực hiện các thí nghiệm trong trường học, công ty hoặc gia đình

- Có thể dùng với hệ điều hành Window, Linux hoặc Mac

2.1.4.2 Card NI PCI7356

Card NI PCI do Hoa kỳ sản xuất được sử dụng trong các robot công nghiệp tại các nước phát triển Nhật, Hàn, Hoa kỳ, Đức Card có thể điều khiển trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác đạt Micromet

Hình 15 - Card NI PCI7356 Tính năng

 Điều khiển 8 động cơ cùng lúc

của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau như động cơ servo DC, động cơ servo AC…

Động cơ servo DC là loại động cơ servo dùng điện một chiều có cấu tạo như hìnhbên dưới, phía sau trục động cơ có gắn encoder (bộ mã hóa quang ) để đo góc quay và

số vòng quay của trục động cơ Động cơ này có thể có tỉ số mômen kéo và quán tính cao, điều này cho phép nó tăng tốc độ nhanh

Hình 16 - Động cơ DC servo 2.3 Encoder

Encoder có cấu tạo gồm một đĩa có khắc vạch hoặc được đục lỗ, đặt giữa nguồn sáng và transistor quang Encoder có 2 loại: Encoder tương đối và encoder tuyệt đối Ở đây ta chỉ xét encoder tương đối

Encoder tương đối:

Encoder tương đối có cấu tạo gồm một đĩa mã trên đó có đục lỗ như hình bên dưới

Hình 17 - Encoder tương đối

Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trínhư hình 3.6

Hình 18 - Sơ đồ thu phát hồng ngoại và bố trí các cặp thu phát trong Encoder

Hai cặp thu phát A, B được bố trí sao cho trục tia sáng nằm trên đường trònqua tâm lỗ nhưng lệch nhau, khi trục tia sáng của cặp A đi qua tâm của một lỗtrống thì trục tia sáng cặp B sẽ chiếu qua biên của lỗ trống Cặp Z được bố trí cótrục tia sáng đi chỉ qua lỗ trống lớn mà không qua các lỗ trống còn lại Khi đĩa mãquay được một vòng thì phototransistor Z sẽ phát ra một xung Giản đồ xung củaEncoder tương đối như hình 3.7

Hình 19 - Giản đồ xung trong Encoder tương đối

Dựa vào sự thứ tự xuất hiện của các xung ta có thể xác định được chiềuquay của Encoder.

Hình 20 - Hình dáng bên ngoài của Encoder

Độ phân giải của Encoder tùy thuộc vào lỗ trống (vạch sáng tối) trên đĩa

mã Thường thì đĩa mã có lỗ trống là:100, 200, 500,1000 Nếu gọi lỗ trống trên đĩa

mã (Số xung phát ra ) là n thì độ phân giải của Encoder là s:

Mạch kết nối bên ngoài của encoder:

Hình 21 - Mạch ngõ ra của Encoder

Hình 22 - Bộ truyền vitme - đai ốc bi

Ưu điểm :

-Mất mát do ma sát nhỏ,hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9

- Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ.-Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

Nhược điểm :

Nhược điểm của vít me bi là khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường (do đặc điểm cấu tạo ) Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thànhđắt

2.5 Phương pháp điều khiển động cơ

Trong thực tế có rất nhiều phương pháp để điều khiển động cơ có thể kể ra đây như :

 Điều khiển theo chế độ ON / OFF

 Điều khiển bằng phương pháp PWM

 Điều khiển theo thuật toán PID

 Điều khiển Fuzzy logic

Trong phạm vi đề tài này em chỉ đề cập đến phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

2.5.1 PWM

Trước khi tìm hiểu sâu chúng ta hãy tìm hiểu định nghĩa của PWM là gì Như vậy phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự

thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm

Hình 23 - Giản đồ xung 2.5.2 Nguyên lý của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Xét hoạt động đóng ngắt của một van bán dẫn Dùng van đóng ngắt bằng Mosfet

Hình 24 - Mạch nguyên lý van đóng ngắt dùng Mosfet

Hình 25 - Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương ( khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

==> Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D

với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ là :

+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

+ Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)

+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

2.5.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556 Trong phần mềm được tạobằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

2.5.3.1 Tạo bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :

+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

+ Tín hiệu tựa là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Xét sơ đồ mạch sau :

Hình 26 - Tạo xung bằng phương pháp so sánh

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref)

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là 0V

+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là Urmax

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw.

2.5.3.2 Tạo bằng phương pháp dùng IC dao động

Như chúng ta đã bít thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta chỉ việc lắp vào là xong Tôi lấy ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm

Hình 27 - Tạo xung bằng IC 555

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 làcó thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác

2.5.3.3 Tạo xung vuông bằng phần mềm

Đây là cách tố ưu trong các cách để tạo được xung vuông Với tạo bằng phần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU

2.5.4 PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp

2.5.4.1 Trong động cơ

Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động

cơ để điều khiển động cơ như là nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó.Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC

Hình 28 - Mạch điều khiển động cơ

Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ Nếu muốn điều khiển 2 động cơ thì phải dùng đến cầu H

2.5.4.2 Trong các bộ biến đổi xung áp

Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải.Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song Lấy 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản

Hình 29 - Nguyên lý mạch Boot

Đây là nguyên lý của mạch nguồn Boot Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy năng lượng từ trường để tạo điện áp ra tải lớn hơn điện áp vào

Ngoài những cái trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC -AC , hay trong biến tần, nghịch lưu

3 Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung đề tài

Đề tài : Khảo sát Card giao tiếp và nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển vị trí và tốc độ động cơ ứng dụng phần mềm Labview

Đề tài được thực hiện tại phòng thực tập bộ môn Cơ điện tử

3.2 Một số lý thuyết ứng dụng trong thiết kế

- Lý thuyết tính truyền động vít đai ốc như tính vận tốc, số vòng quay…

- Cảm biến (encoder) và cơ cấu chấp hành (động cơ DC servo)

- Card thu thập dữ liệu và điều khiển qua máy tính

- Xử lý tín hiệu xung từ cảm biến để tính vị trí hoặc tốc độ, gia tốc động cơ

- Thu thập tín hiệu analog, tín hiệu số vào máy tính

3.3 Cơ sở thiết kế mô hình

Tiêu chuẩn để lựa chọn và cung cấp phần cứng trong mô hình này là: giá thành rẻ và phù hợp điều kiện học tập, nghiên cứu tại Việt Nam đồng thời đảm bảo đầy đủ các yêucầu kĩ thuật Trong mô hình này tôi lựa chọn card USB – 9001 làm card giao tiếp và thu thập dữ liệu, mạch công suất là mạch cầu H dùng Mosfet IRF 9540, IRF 540 Sử dụng động cơ DC servo và truyền động vitme đai ốc bi để điều khiển vị trí, tốc độ

3.3.1 Card thu thập dữ liệu USB – 9001

Cổng kết nối USB (chuẩn giao tiếp RS232)

Hỗ trợ hệ điều hành Windows

Kiểu đo 6 kênh đo điện áp (ADC)

1 bộ đếm xung từ các loại encoder (đếm lên hoặc xuống tùy theo chiều quay encoder)

Điều khiển · 4 kênh xuất tín hiệu số