CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu phần mềm LabVIEW
Sự phát triển của tự động hóa và công nghệ hiện nay ngày càng phụ thuộc vào những thành tựu của công nghệ phần mềm Trước đây, việc thực thi và mô phỏng hệ thống gặp nhiều khó khăn do lập trình bằng ngôn ngữ đơn giản Tuy nhiên, hiện nay, nhiều công cụ mới đã xuất hiện, giúp kỹ sư nhanh chóng xây dựng mô hình hệ thống với thời gian ngắn hơn, công sức ít hơn và độ phức tạp giảm thiểu, từ đó thực hiện các bài toán điều khiển phức tạp một cách hiệu quả.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là nền tảng phát triển ngôn ngữ lập trình trực quan do National Instruments phát triển Ngôn ngữ lập trình đồ họa này cho phép lập trình viên xây dựng chương trình một cách trực quan thông qua các biểu đồ, sơ đồ, thay vì phải viết mã lệnh Sự phát triển của LabVIEW phản ánh xu hướng công nghệ thông tin ngày càng xâm nhập vào các lĩnh vực kỹ thuật, giúp người dùng giảm bớt công sức lập trình và tập trung vào ứng dụng của hệ thống.
One of the notable programming languages is Graphical Programming Language, abbreviated as G, which was initially developed by Apple Macintosh This language is utilized by National Instruments (NI) to create the renowned software toolkit LabVIEW.
Ngôn ngữ G – xương sống của bộ công cụ LabVIEW
Ngôn ngữ G là linh hồn và xương sống của LabVIEW, giữ nguyên phương thức lập trình qua nhiều phiên bản phát triển LabVIEW đã liên tục bổ sung các công cụ, thư viện, module và nền tảng phần cứng mới, với phiên bản mới nhất hiện nay là LabVIEW 2019.
LabVIEW là phần mềm chủ yếu được áp dụng trong thu thập và xử lý dữ liệu, điều khiển thiết bị, cũng như tự động hóa các hệ thống điều khiển Phần mềm này có khả năng hoạt động trên nhiều hệ điều hành khác nhau, bao gồm Mac, Windows, Linux, và một số hệ điều hành nhúng như Windows Mobile, Windows CE, và PocketPC.
Chức năng chính và mạnh mẽ nhất của LabVIEW là thu thập dữ liệu (DAQ), với sự hỗ trợ từ NI cho nhiều loại phần cứng DAQ đa dạng về chất lượng, kích thước và giá cả, phục vụ cho nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp Nếu không muốn đầu tư vào thiết bị, người dùng có thể tự xây dựng phần cứng và kết nối với máy tính qua các cổng như USB, LPT, COM, PCI, Bluetooth, Ethernet, và Wireless LabVIEW cung cấp một bộ thư viện giúp giao tiếp hiệu quả với các cổng này.
LabVIEW không chỉ hỗ trợ thu thập dữ liệu mà còn cung cấp một thư viện phong phú cho xử lý tín hiệu Ngôn ngữ lập trình G trong LabVIEW cho phép người thiết kế quản lý thời gian thực thi của các vòng lặp và câu lệnh một cách hiệu quả Bên cạnh đó, LabVIEW cũng hỗ trợ quản lý tài nguyên, thực thi các vòng lặp song song và xử lý đa luồng, giúp các chương trình đáp ứng tốt các yêu cầu về thời gian, kể cả yêu cầu thời gian thực.
LabVIEW là một ứng dụng nổi bật trong việc điều khiển và tự động hóa thiết bị công nghiệp, nhờ vào khả năng xử lý đa luồng và quản lý thời gian thực hiệu quả NI cung cấp nhiều module thu thập, xử lý và điều khiển, cho phép xây dựng hệ thống điều khiển gắn với máy tính, tối ưu hóa hiệu suất điều khiển và khai thác sức mạnh của máy tính cá nhân Các thiết bị phần cứng như NI Motion, card PCI công nghiệp, PXI, bộ điều khiển khả trình PAC, fieldpoint và compactRIO được cung cấp bởi NI, tạo nên một hệ sinh thái thiết bị phong phú từ một ngôn ngữ lập trình đơn giản.
Ngày nay, NI đang chuyển hướng tập trung vào lĩnh vực FPGA bên cạnh các phương pháp truyền thống Với sự phát triển này, LabVIEW nổi bật nhờ khả năng xử lý song song và đa luồng Sự ra đời của các thiết bị ra/vào khả trình (Reconfigurable Input/Output) cho phép nhà thiết kế linh hoạt thay đổi, cấu hình và thực thi các nhân xử lý cùng các vòng lặp song song, đáp ứng các bài toán phức tạp và yêu cầu khắt khe về thời gian.
Mô hình điều khiển động cơ sử dụng CompactRIO để đọc tín hiệu từ các cảm biến, với LabVIEW cung cấp bộ xử lý thời gian thực giúp tối ưu hóa hiệu quả đánh giá LabVIEW cũng sở hữu kho tài liệu và thuật toán điều khiển nguồn mở, cùng với ngôn ngữ lập trình G, giúp người dùng dễ dàng hiểu và áp dụng các thuật toán Một trong những ưu điểm nổi bật của LabVIEW là khả năng xây dựng giao diện người dùng trực quan, điều mà nhiều ngôn ngữ lập trình khác không hỗ trợ hoặc thực hiện phức tạp hơn, mang lại trải nghiệm điều khiển thiết bị thuận tiện cho người sử dụng.
Giới thiệu phần mềm CATIA
Ngày nay, nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế sản phẩm giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả công việc của các nhà thiết kế Trong số đó, CATIA nổi bật như một gói phần mềm toàn diện cho CA/CAM/CAE, được phát triển bởi Dassault Systemes của Pháp CATIA được nhiều tập đoàn lớn trong các lĩnh vực công nghiệp nặng như ô tô, hàng không và cơ khí hạng nặng sử dụng rộng rãi Tên gọi CATIA là viết tắt của “Computer Aided Three”.
"Dimensional Interactive Application" là khái niệm chỉ việc xử lý tương tác trong không gian ba chiều với sự hỗ trợ của máy tính Phần mềm Catia V5, được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++, là một trong những ứng dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực này.
Phần mềm thiết kế CATIA giúp kỹ sư tối ưu hóa bố cục 3D và phân tích các chi tiết sản phẩm một cách hiệu quả Với nền tảng 3D Experience, CATIA hỗ trợ kỹ thuật hợp tác trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thiết kế bề mặt, hình dạng, hệ thống điện tử, chất lỏng, cơ khí và kỹ thuật hệ thống.
CATIA, với khả năng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, cho phép chuyển đổi dữ liệu nhanh chóng và thuận tiện, đồng thời cung cấp nhiều module phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Đây là tiêu chuẩn toàn cầu trong việc giải quyết các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, tàu thủy và hàng không Phần mềm này hỗ trợ toàn diện từ thiết kế mô hình CA (Computer Aided Design) đến sản xuất CAM (Computer Aided Manufacturing) và phân tích tối ưu hóa với CAE (Computer Aided Engineering) Đặc biệt, CATIA cung cấp các câu lệnh hỗ trợ thiết kế mô hình dạy học LabVIEW, giúp nhóm thiết kế đạt hiệu quả cao Ngoài ra, các kỹ sư còn cung cấp thư viện sản phẩm phổ biến, giúp người dùng tiết kiệm thời gian thiết kế Sau khi hoàn thiện bản vẽ, quá trình gia công và lắp ráp diễn ra thuận lợi nhờ vào bản vẽ chi tiết từ CATIA.
Phần mềm CATIA cho phép người dùng tối ưu hóa ý tưởng thiết kế và hiện thực hóa chúng một cách hiệu quả Giao diện của phần mềm này gần như không thay đổi qua nhiều phiên bản, giúp người sử dụng dễ dàng làm quen và thao tác.
Giới thiệu các module NI CompactRIO
2.3.1 Thông số kĩ thuật CompactRIO NI 9076
2.3.1.1 Thông số kĩ thuật NI 9076
Hình 2.3 Sơ đồ NI CompactRIO 9076
CompactRIO là một bộ điều khiển tích hợp, bao gồm bộ xử lý thời gian thực và khả năng lập trình đồ họa từ người dùng Kết hợp với các module I/O từ National Instrument, CompactRIO được sử dụng để điều khiển, thu thập dữ liệu và giám sát thiết bị với độ chính xác cao.
- Bộ xử lý thời gian thực 400 MHz
- Một cổng Ethernet 10 / 100BASE-TX
- Cổng nối tiếp RS232 và cổng USB có sẵn cho các thiết bị ngoại vi
- Điện áp hoạt động từ 9-30V
- Nguồn điện khuyến cáo khuyên dùng: 24VDC, 24W
- Công suất tiêu thụ tối đa 15W
- Giao tiếp với máy tính qua cổng Ethernet:
+ Tốc độ truyền tải dữ liệu: 10Mbps, 100Mbps, tự động điều chỉnh
+ Dây cáp dài tối đa 100m
- Giao tiếp qua cổng RS232:
+ Tốc độ truyền tối đa: 2 0400bps
Kết nối dây nguồn của CompactRIO 9076:
- Kết nối cực dương của nguồn với chân V trên CompactRIO 9076 và siết chặt đầu vít
- Kết nối cực âm của nguồn với cực C của khớp nối và siết chặt đầu vít
- Bật nguồn cấp cho CompactRIO-9076
To safely restart the NI CompactRIO 9076, press and hold the Reset button for 5 seconds, then release it until the yellow Status LED lights up.
Led chỉ thị của CompactRIO-9076:
Hình 2.4 Đèn chỉ thị CompactRIO 9076
Power Led: Đèn Power Led sẽ sáng khi CompactRIO 9076 được cấp nguồn
Đèn báo trạng thái Status Led sẽ tắt trong suốt quá trình hoạt động của CompactRIO Khi có lỗi xảy ra, đèn Status Led sẽ nháy một số lần nhất định trong vài giây, bạn có thể tham khảo bảng bên dưới để biết thêm chi tiết.
Bảng 2.1 Hiển thị các lỗi của đèn Status Led
Số lần nhấp nháy trong
Chỉ thỉ lỗi Khắc phục
2 Phát hiện 1 lỗi trong phần mềm
Lỗi này thường gặp phải khi việc nâng cấp phần mềm bị gián đoạn
Nạp lại chương trình cho thiết bị Tham khảo mục Help để biết them chi tiết
3 Thiết bị compactRIO đang ở trạng thái an toàn Ở trạng thái này thiết bị hoạt động bình thường
4 Lỗi này diễn ra khi hệ thống hết bộ nhớ Định dạng lại bộ nhớ
Nhấp nháy liên tục Phát hiện lỗi không thể phục hồi Liên hệ với National
Chúng ta có thể xác định được đèn User Led hoạt động bằng cách sử dụng đèn RT LE s trong LabVIEW
Đèn FPGA Led có thể được sử dụng để gỡ lỗi ứng dụng và truy xuất trạng thái ứng dụng một cách dễ dàng Để xác định đèn FPGA Led, chúng ta có thể sử dụng module LabVIEW FPGA cùng với phần mềm NI-RIO.
2.3.2.1 Tổng quan về module NI 9205
Module NI 9205 dùng để đọc các tín hiệu Analog Input NI 9205 gồm có:
- Điện áp đo được từ 200 mV đến 10V
- Độ phân giải mỗi kênh ADC là Bit
- Tỉ lệ lấy mẫu 250 kS/s
- Điện áp cho phép trên mỗi kênh 30VDC
2.3.2.2 Những lưu ý về mức điện áp cao Điện áp nguy hiểm là điện áp lớn hơn 42.4 Vpk hoặc 60 VDC nối với Ground Chúng ta chỉ có thể kết nối điện áp nguy hiểm cho NI 9205 cổng Spring Terminal Nếu chúng ta kết nối NI 9205 với điện áp nguy hiểm thì thực hiện với các bước sau:
- Hãy đảm bảo rằng với điện áp nguy hiểm chỉ được những cá nhân đủ trình độ, tiêu chuẩn về kỹ thuật điện thực hiện
- Trên một module không thể sử dụng cùng lúc điện áp nguy hiểm và điện áp an toàn
- Hãy đảm bảo các thiết bị và mạch điện được cách ly cẩn thận bởi tác động của con người
Khi thiết bị hoạt động với điện áp nguy hiểm, việc cách ly thiết bị và mạch là rất quan trọng Để đảm bảo an toàn, nên sử dụng bộ kit Conector cho NI 9205 Spring Terminal.
NI 9940 Connector Backshell Kit để tránh các chân Terminal chạm với nhau
2.3.2.3 Kết nối với module NI 9205
NI 9205 cung cấp 32 chân kết nối cho từng kênh và 16 cặp chân kết nối cho việc dùng kênh đôi
Hình 2.6 NI 9505 với cổng ra Spring Terminal and NI 9505 với cổng ra DSUB
Bảng 2.2 Mô tả các chân tín hiệu của NI 9205
Tên chân tín hiệu Mô tả
AI Kênh đọc tín hiệu analog
AISENSE Điện áp tham chiếu cho từng kênh AI
COM Điện áp nối đất
DO Kênh xuất tín hiệu Digital
PFI Kênh đọc tín hiệu Digital
We can connect signals for each individual channel (Single-Ended) or pair the signal pins for each dual channel (Differential Signals) Utilizing Differential Signals measurement will yield better performance.
Chế độ tín hiệu khác biệt của NI 9205 cho phép đo lường chính xác hơn và giảm thiểu nhiễu Bảng dưới đây trình bày các nhóm tín hiệu sẽ được cấu hình trong chế độ này.
Bảng 2.3 Cặp chân tín hiệu module NI 9205
Cách kết nối cảm biến loại kênh đôi Differential Signal:
Để kết nối thiết bị sử dụng hai kênh đo trong cấu hình ifferential với NI 9205, cần loại bỏ điện áp nhiễu chung (Vcm) trong quá trình đo V1 Đặc biệt, khi kết nối tín hiệu Grounded Differential với NI 9205, chân tín hiệu phải được kết nối với COM.
Kiểu kết nối Floating Differential Signals:
Để kết nối kiểu tín hiệu khác biệt nổi (Floating Differential Signals) với NI 9205, cần kết nối tín hiệu âm với COM thông qua điện trở 1 MΩ nhằm duy trì điện áp làm việc tối đa Nếu điện áp nguồn vượt quá mức tối đa này, NI 9205 sẽ không thể đọc dữ liệu chính xác.
Kết nối tín hiệu điện áp kiểu RSE:
Trong cấu hình RSE, NI 9205 thực hiện việc đo từng kênh liên quan đến COM Để kết nối tín hiệu RSE với NI 9205, cần phải nối tín hiệu điện áp nối đất với COM nhằm duy trì điện áp làm việc trong phạm vi chỉ định Nếu không kết nối COM, tín hiệu có thể nằm ngoài phạm vi đầu vào làm việc của NI 9205, dẫn đến các phép đo không đáng tin cậy do điện áp tham chiếu nối đất bị sai lệch.
Cách kết nối tín hiệu điện áp kiểu NRSE Voltage Signals:
Trong cấu hình NRSE, NI 9205 thực hiện việc đo lường từng kênh đối với AISENSE, mang lại độ nhạy cao cho đầu vào ngõ âm của PGIA Cấu hình này không chỉ cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu mà còn vượt trội hơn so với kết nối RSE.
Cách kết nối dây điện với cổng kết nối Spring-Terminal:
Hình 2.11 Cách kết nối dây điện với cổng Spring-Terminal
- Bước 1: Chèn vít vào trong khe vuông để mở cổng kết nối
- Bước 2: Chèn dây vào trong cổng kết nối vừa được mở
- Bước 3: Rút vít ra khỏi khe vuông để dây điện được kẹp chặt
Quá trình hiệu chỉnh bao gồm các bước sau:
- Initial Setup: cấu hình thiết bị trong NI-DAQmx
- Self-Calibration: thực hiện đo điện áp tham chiếu mạch của thiết bị và tự điều chỉnh các hệ số hiệu chỉnh chuẩn
Quy trình xác minh: xác định trạng thái hoạt động của thiết bị Bước này kiểm tra xem thiết bị có hoạt động trong phạm vi đã chỉ định trước khi tiến hành hiệu chỉnh hay không.
- Adjustment Procedure: thực hiện hiệu chỉnh bên ngoài để có thể hiệu chỉnh hằng số chuẩn thiết bị liên quan đến các nguồn xác định
Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng với các thông số kỹ thuật sau khi điều chỉnh, cần thực hiện các xác minh các thông số khác.
2.3.3.1 Đèn Led chỉ thị của NI 9505
Hình 2.13 Led hiển thị của NI 9505
Power: Đèn Led Power sẽ sáng khi NI 9505 khi được gắn vào khung của bộ CompactRIO
Lưu ý: Đèn Led Power sẽ không sáng khi mà CompactRIO chuyển sang chế độ ngủ
VSUP: Đèn VSUP sẽ sáng khi nguồn cung cấp cho motor C được kết nối và cấp cho thiết bị
Đèn Disable sẽ sáng khi thiết bị bị ngắt kết nối, ngay cả khi vẫn có nguồn cung cấp Để kết nối lại thiết bị, người dùng có thể sử dụng chức năng "Enable drive" trong phần mềm.
Giới thiệu cảm biến, cơ cấu chấp hành
Hình 2.28 Hình ảnh chiết áp
- Tổng góc xoay của chiết áp: 300 5
- Tuổi thọ của chiết áp: 10000 lần xoay
- Giá trị điện trở: 0 Ω đến 10 KΩ
- Điện áp hoạt động: 150 Volage
Hệ thống Encoder quang bao gồm nguồn phát hồng ngoại, cảm biến quang và đĩa chia rãnh Encoder quang được phân loại thành encoder tuyệt đối và encoder tương đối, trong đó encoder tương đối (incremental optical encoder) thường được sử dụng trong các động cơ C Motor Mô hình động cơ servo trong đề tài này cũng áp dụng encoder tương đối.
Encoder quang thường có ba kênh đầu ra: kênh A, kênh B và kênh I (Index) Trong cấu tạo của encoder, có một lỗ nhỏ trên đĩa quay kết hợp với một cặp phát thu, tạo thành kênh I Mỗi khi motor quay một vòng, lỗ nhỏ này sẽ cho phép hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua và tạo ra một tín hiệu trên cảm biến, dẫn đến sự xuất hiện của một "xung" trên kênh I Ngoài ra, đĩa quay còn được chia thành các rãnh nhỏ, tương tác với một cặp phát thu khác để tạo ra kênh A Kênh A hoạt động tương tự như kênh I, nhưng trong mỗi vòng quay của motor, sẽ có N "xung" xuất hiện trên kênh này.
A N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia Để điều khiển động cơ, chúng ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển Tuy nhiên, encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, đây là kênh B của encoder Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 Bằng cách phồi hợp kênh A và kênh B chúng ta sẽ biết được chiều quay của motor
2.4.2.2 Các thông số của Encoder UTOPI 200SE
Hình 2.30 Bảng thông số Encoder UTOPI 200SE
Tham khảo hình bên dưới để biết thêm thông tin các chân Encoder UTOPI 200SE
Hình 2.31 Phân biệt các chân Encoder dựa trên màu dây
2.4.3.1 Tổng quan về motor DC: Động cơ điện một chiều cho đến ngày nay vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Động cơ điện một chiều thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp trong hệ thống đòi hỏi có độ chính xác Động cơ điện một chiều là loại động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần động)
Stator của động cơ điện một chiều gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, tạo ra từ trường ổn định Rotor, phần quay của động cơ, được cấu tạo từ một hoặc nhiều cuộn dây quấn Cuối cùng, bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi chiều dòng điện thành dòng điện liên tục.
33 tạo nên chuyển động quay trong rotor Thông thường bộ phận này gồm có một cổ góp (vành trượt) và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp
Hình 2.32 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều:
Rotor được kết nối với nguồn điện một chiều qua cổ góp, tạo ra dòng điện trong cuộn dây Theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming, dòng điện này sinh ra lực điện từ, khiến cuộn dây bắt đầu quay Lực điện từ tác động lên cuộn dây trong từ trường, được đánh dấu màu đỏ như hình bên dưới.
Khi cuộn dây của động cơ điện một chiều quay, vành trượt kết nối với nguồn sẽ thay đổi cực tính, tạo ra cực dương bên trái và cực âm bên phải Điều này đảm bảo rằng moment quay luôn duy trì cùng một hướng, giúp cuộn dây tiếp tục quay liên tục trong suốt quá trình hoạt động của động cơ.
Chiều của lực điện từ trong hình 2.34 tạo ra chuyển động quay, với vành trượt giúp cuộn dây di chuyển liên tục từ trái qua phải, đảm bảo rằng lực điện từ luôn hướng về một phía duy nhất.
Khi mặt của cuộn dây vuông góc với các đường sức từ, lực quay của động cơ sẽ bằng 0 do hai lực điện từ nằm trên một đường thẳng và ngược hướng nhau, không tạo ra ngẫu lực Trong trường hợp này, rotor sẽ quay nhờ vào lực quán tính.
Cách điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều:
Tốc độ của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào điện áp cấp vào nó, trong khi ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Để điều chỉnh tốc độ, ta có thể thay đổi điện áp cấp vào rotor Chiều quay của động cơ có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh cách nối dây của phần ứng Điện áp có thể được điều chỉnh thông qua việc thêm điện trở nối tiếp hoặc sử dụng thiết bị điện tử như Thyristor, transistor, hoặc đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân Trong mạch băm điện áp, điện áp trung bình cấp vào động cơ được điều chỉnh bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp nhanh chóng Tỷ lệ thời gian "on" và "off" thay đổi sẽ ảnh hưởng đến điện áp trung bình; ví dụ, với điện áp 100V và tỷ lệ thời gian "on" 25%, điện áp trung bình sẽ là 25V Trong thời gian "off", điện áp cảm ứng của phần ứng duy trì dòng điện qua một đi ốt phi hồi, đảm bảo rằng dòng điện qua động cơ không bị gián đoạn, với dòng trung bình của động cơ luôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung cấp.
Ở tỷ lệ 100% "on", dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau, giúp giảm tổn hao năng lượng so với mạch dùng điện trở Phương pháp này được gọi là điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (PWM) và thường được điều khiển bằng vi xử lý Để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm tạp nhiễu từ động cơ, người ta thường sử dụng mạch lọc đầu ra.
2.4.3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ
Các thông số kỹ thuật của động cơ tham khảo bảng dưới đây:
Hình 2.35 Bảng thông số của Motor R02SA
37 Động cơ được bảo vệ tránh trường hợp quá dòng bằng relay nhiệt quá tải Yaskawa RHP – 15/F bảo vệ khi quá dòng
Hình 2.36 Thông số dòng điện cho phép để bảo vệ Motor
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN
Thuật toán điều khiển PID
Hình 3.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PI là thiết bị hồi tiếp vòng kín phổ biến trong hệ thống điều khiển công nghiệp, được sử dụng để tính toán sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt Nó hoạt động bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào nhằm giảm thiểu sai số Bộ điều khiển PI bao gồm ba thành phần chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, tích phân tính toán tổng sai số trong quá khứ, và đạo hàm đo lường tốc độ biến đổi của sai số.
Bằng cách điều chỉnh hằng số trong thuật toán của bộ điều khiển PI, người dùng có thể tối ưu hóa thiết kế cho những yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển được thể hiện qua độ nhạy sai số, giá trị vượt quá điểm đặt, và mức độ dao động của hệ thống.
Trong một số trường hợp, chỉ cần sử dụng một hoặc hai khâu tùy thuộc vào hệ thống, có thể thực hiện bằng cách thiết lập đầu ra cho các khâu không sử dụng về 0 Bộ điều khiển PI (khuyết khâu) rất phổ biến vì nó phản ứng nhạy với các nhiễu đo lường, nhưng nếu thiếu giá trị tích phân, hệ thống có thể không đạt được giá trị mong muốn.
Mục tiêu điều khiển của bộ PI là giảm độ vọt lố (POT), giảm thời gian xác lập (ts), triệt tiêu sai số xác lập và giảm dao động
Hình 3.2 Đồ thị về độ vọt lố và thời gian xác lập
Khâu P (tỉ lệ) ảnh hưởng đến giá trị đầu ra, tỷ lệ với sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số được nhân với hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
P: thừa số tỉ lệ của đầu ra
K p : Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e(t)=SP-PV: sai số theo thời gian t
Khâu I tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân K i
Thừa số tích phân I được cho bởi:
I: thừa số tích phân của đầu ra
K i : độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh e: sai số theo tính theo thời gian t
: một biến tích phân trung gian
Tốc độ thay đổi của sai số được xác định thông qua độ dốc của sai số theo thời gian, tương ứng với đạo hàm bậc một Để tính toán, ta nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ K d Thừa số vi phân được cung cấp bởi công thức này.
D : Thừa số vi phân của đầu ra
K d : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh e(t): sai số theo tính theo thời gian t
Khâu vi phân trong bộ điều khiển giúp làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra, từ đó đạt được điểm đặt mong muốn Nó được sử dụng để giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, việc vi phân một tín hiệu có thể khuếch đại nhiễu, khiến khâu này trở nên nhạy cảm với nhiễu trong sai số, và nếu nhiễu cùng độ lợi vi phân quá lớn, có thể dẫn đến sự không ổn định trong quá trình điều khiển.
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển
PI Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PI là: u(t)=MV(t)= K p e(t)+ K i ∫ + K d Độ lợi tỉ lệ, K p
Giá trị càng lớn, tốc độ đáp ứng càng nhanh, dẫn đến sai số lớn hơn và yêu cầu bù khâu tỉ lệ cao hơn Nếu độ lợi tỉ lệ quá lớn, hệ thống sẽ trở nên mất ổn định và xuất hiện dao động Độ lợi tích phân, K_i, cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất ổn định.
Giá trị càng lớn dẫn đến việc sai số ổn định bị khử nhanh chóng, tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa với việc độ vọt lố sẽ lớn hơn Mọi sai số âm tích phân trong quá trình đáp ứng quá độ cần phải được triệt tiêu bởi sai số dương trước khi hệ thống đạt trạng thái ổn định Độ lợi vi phân K d là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Giá trị lớn giúp giảm độ vọt lố, nhưng có thể làm chậm phản ứng quá độ và dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong quá trình phân tích sai số.
3.5 Phương pháp điều chỉnh thủ công các hệ số P, I, D Đầu tiên, thiết đặt giá trị của K i và K d bằng không Tăng dần K p cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó K p có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng K i đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, K i quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng K d , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, K d quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PI thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị K p nhỏ hơn một nửa giá trị K p gây ra dao động.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRÊN CATIA VÀ TIẾN HÀNH THI CÔNG
Thiết kế mô hình bằng phần mềm CATIA
Nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy về điều khiển và thí nghiệm đo lường trên LabVIEW, nhóm đã thiết kế một mô hình có thể tháo rời, được đặt trong vali Thiết kế này không chỉ mang tính tùy biến cao cho nhiều mục đích khác nhau mà còn đảm bảo yếu tố thẩm mỹ và hiện đại Với kích thước nhỏ gọn, mô hình dễ dàng cất giữ và vận chuyển, tạo thuận lợi cho việc sử dụng.
Bảng 4.1 Bảng kích thước tổng thể của vali
Chiều cao phần dưới (không tính nắp vali) 110 mm
Chiều cao phần nắp vali 47 mm
Hình 4.1 Mô phỏng hình ảnh vali mẫu
4.1.2 Thiết kế khung chịu lực chính
Sản phẩm của chúng tôi không chỉ chú trọng đến tính mỹ thuật và hiện đại, mà còn đặt yếu tố kỹ thuật lên hàng đầu Khung sản phẩm được thiết kế bằng nhôm đặc với kích thước 20x20mm, mang lại độ bền và tính ổn định cao Chúng tôi lựa chọn loại nhôm có rãnh trượt dễ dàng lắp đặt, khối lượng riêng nhẹ và màu bạc bắt mắt, tạo nên vẻ sang trọng cho sản phẩm.
Bảng 4.2 Kích thước tổng thể của khung chịu lực
Kích thước tay nắm nhôm (khoảng cách giữa 2 lỗ) 90 mm
Hình 4.2 Khung chịu lực chính
4.1.3 Thiết kế bộ nguồn, các module và bộ CompactRIO
Để tối ưu hóa thiết kế và cải thiện bố trí các thiết bị, nhóm đã tiến hành thiết kế lại khối nguồn và các module của National Instruments nhằm đảm bảo tính trực quan.
Bảng 4.3 Bảng kích thước tổng thể của khối nguồn
Bảng 4.4 Kích thước tổng thể của CompactRIO
Hình 4.4 Bộ điều khiển CompactRIO 9076
4.1.4 Sản phẩm thiết kế mẫu
Hình 4.5 Sản phẩm gồm khung và gá đỡ
Hình 4.6 Mô hình sản phẩm hoàn chỉnh
Hình 4.7 Mô hình sản phẩm khi nhìn trực diện
Hình 4.7 Mô hình sản phầm nhìn từ bên phải
Thi công mô hình
4.2.1 Chuẩn bị các linh kiện cơ khí
- Chức năng: Thanh nhôm định hình được dùng làm khung chịu lực cho mô hình
Hình 4.9 Ke góc vuông chìm 20 x 20
- Chức năng : ùng để nối các góc của nhôm định hình 20x20 tạo khung cho mô hình
Để lắp ráp mô hình, bạn cần chuẩn bị bộ lục giác, một tuốc nơ vít đầu lục giác 8mm và một vít dẹp nhỏ.
Sau khi chuẩn bị đầy đủ thiết bị, nhóm tiến hành lắp ráp mô hình Bước đầu tiên là lắp khung nhôm, mica dưới và mica chịu lực cho khối nguồn Tiếp theo, nhóm sẽ gắn 8 ke chịu lực vào mica dưới để hỗ trợ cho gá đỡ motor.
Hình 4.12 Lắp ráp khung chịu lực
Và lắp thêm dây điện, công tắc cho khối nguồn như hình
Hình 4.13 Lắp ráp dây điện, công tắc khối nguồn ước 2: Lắp ráp các thiết bị điện vào mica trên và tiến hành nối dây điện
Hình 4.14 Kết nối hệ thống điện mô hình
Hình 4.15 Lắp ráp các thiết bị vào mặt trên của mica ước 3: Lắp ráp gá đỡ motor vào motor, lắp bảng chia độ vào mặt trước motor
Hình 4.16 Lắp gá đỡ motor vào motor ước 4: Lắp motor vào mica trên và tiến hành nối dây encoder, dây cấp nguồn cho motor
Hình 4.17 Lắp motor vào mica trên
Để lắp đặt dây encoder và dây nguồn vào jack nối trên mica, cần kiểm tra thứ tự các chân của encoder Thông tin chi tiết có thể tham khảo trong phần giới thiệu về motor và module NI 9205.
Bước 5: Siết ốc cố định gá đỡ motor (đây là bước khó nhất), lắp bảng điều khiển vào khung nhôm
Hình 4.19 Siết ốc cố định motor Dùng thanh lục giác giữ cố định bulong và dùng công tơ vít siết chặt đai ốc vào bulong
Sau khi cố định motor, tiến hành siết chặt ốc lục giác để gắn bảng điều khiển (mica trên) vào khung nhôm, đồng thời lắp tay nắm nhôm vào vị trí thích hợp.
Hình 4.21 Cố định bảng điều khiển vào khung nhôm ước 6: Lắp khối nguồn và bộ CompactRIO vào mô hình
Hình 4.22 Lắp khối nguồn vào mô hình Kết nối dây cấp nguồn cho bộ CompactRIO và đặt CompactRIO vào mô hình
Hình 4.23 Nối dây cấp nguồn và để bộ CompactRIO vào mô hình Cuối cùng, ta được sản phẩm hoàn thiện
Hình 4.24 Mô hình sau khi lắp ráp hoàn Một số hình ảnh thực tế của mô hình sau khi đặt vào trong vali
Hình 4.25 Mô hình sản phẩm thực tế
Hình 4.26 Sản phẩm thực tế khi nhìn trực diện
Hình 4.27 Sản phẩm mô hình giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRÊN LABVIEW
Tổng quan chương trình thực hiện với CompactRIO
Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan chương trình với CompactRIO FPGA main là chương trình quản lý các driver gồm Card NI 9205, NI 9505, NI 9234, NI
Chương trình 9403 thực hiện các lệnh nhập xuất dữ liệu cho các chân trên cổng I/O, bao gồm các vòng lặp xử lý tín hiệu tốc độ, vị trí động cơ và tín hiệu cảm biến Dữ liệu thu thập được sẽ được gửi đến chương trình Real-Time Processor để xử lý.
Real-Time Processor là phần mềm hoạt động trên thiết bị CompactRIO, có chức năng đọc dữ liệu từ chương trình FPGA, gửi dữ liệu trở lại FPGA và thực hiện các khối lệnh đã được lập trình sẵn trong FPGA.
Chương trình giao tiếp giữa máy tính và FPGA hoạt động trên bộ xử lý máy tính, nhận dữ liệu từ thiết bị CompactRIO qua kết nối mạng Chương trình này xử lý và hiển thị các tín hiệu liên quan đến tốc độ, vị trí động cơ, cảm biến dòng và nhiều cảm biến khác.
Hướng dẫn bắt đầu với CompactRIO
5.2.1 Thiết lập ban đầu cho CompactRIO 9076 và các thiết bị National Instruments Để sử dụng được thiết bị cần có các chương trình hỗ trợ sau:
- LabVIEW Full Development System (LabVIEW 32-bit)
- Xilinx Compilation Tool for Vivado (hỗ trợ Xilinx Compilation Tool từ Window 8 trở lên)
Cài đặt Software cho CompactRIO 9076
Hình 5.2 Sơ đồ kết nối phần cứng Sau khi kết nối hoàn chỉnh Chúng ta tiến hành cài đặt Software cho thiết bị
- Chọn Tools => Measurement & Automation Explorer hoặc Start => NI MAX
Hình 5.4 Giao diện kết nối thiết bị của National Instruments
- Chọn Remote Systems, chúng ta sẽ thấy đã kết nối với máy tính Chọn vào mục Software => Add/Remove Software
- Sau đó thiết lập bộ Real-Time Software Chọn dòng NI CompactRIO chúng ta đã cài đặt sẵn (NI CompactRIO 17.6) => Click Next
- Đợi vài giây xuất hiện giao diện Add Software Chọn tích vào những ô của NI Scan Engine => Next
Hình 5.5 Thêm phần mềm cho NI Scan Engine
- Sau đó đợi vài phút thì cài đặt hoàn thành => Finish
- Sau khi đã cài đặt hoàn chỉnh thì chúng ta có thể tiến hành sử dụng
5.2.2 Cách tạo một chương trình FPGA Project
Hoàn thành các bước sau để tạo một FPGA Project: ước 1: Mở ứng dụng LabVIEW => Create Project ước 2: Chọn LabVIEW FPGA Project
Hình 5.6 Chọn LabVIEW Project ước 3: Chọn CompactRIO Embedded System
Hình 5.7 Chọn CompactRIO Embedded System ước 4: Chọn Discover existing system ước 5: Chọn IP Link Sever của bộ CompactRIO ước 6: Chọn Finish
Hình 5.8 Chọn Finish ước 7: Lưu lại chương trình File => Save
5.2.3 Hướng dẫn Built Compile Xilinx Tools
- Mở ứng dụng LabVIEW mà laptop chúng ta đã cài đặt sẵn:
- Chọn Create Project => LabVIEW FPGA Project
- Ở mục FPGA Target, click chuột phải chọn New => VI, dùng để tạo mới một VI Sau đó chúng ta sẽ Save VI lại và Save Project Explorer
- Kế tiếp, ta click chuột phải vào Build Specifications, chọn New, chọn Compilation để tiến hành biên dịch chương trình
- Cửa sổ My Compilation Properties hiện lên lựa chọn Source Files => Chọn VI chúng ta vừa tạo => Top-Level VI => Build
Hình 5.10 Chọn Select File for Compilation
- Sau đó lựa chọn Compile Sever
Hình 5.11 Chọn Select Compile Server
- Mất vài phút (hoặc có thể vài tiếng) đợi Compile => Close
Hình 5.12 Thông báo Successfull Compilation
5.2.4 Hướng dẫn Disable Sleep Mode và Enable Drive Để thiết bị NI 9505 có thể thực hiện giao tiếp được với FPGA.VI chúng ta phải tắt chế độ Sleep Mode và Enable Drive thiết bị NI 9505 Thực hiện các bước như sau:
- Tạo một FPGA Interface Mode và lưu lại
- Trong Block Diagram, kéo thả Sleep trong Project Explorer vào, và tìm kiếm FPGA I/O Method Node kéo thả vào
- Khối Sleep chọn Create => Constant => False Khối FPGA I/O Method Node chọn Select Item => Mod 3, Select Method => Enable rive Sau đó Build chương trình
Thu thập dữ liệu cảm biến với module NI 9205
Kết nối phần cứng với NI 9205 được thực hiện qua các chân AI 0, AI 1, và AI 2, tương ứng với các chiết áp từ trái sang phải Chân COM cần được nối với GND của mô hình để đảm bảo hoạt động ổn định.
ACS 712 là cảm biến dùng để đo dòng điện cho hệ thống, được mắc nối tiếp từ nguồn ra Cấp nguồn dương 5V và âm GND được cung cấp từ mô hình cho ACS 712, trong khi chân tín hiệu của cảm biến này được kết nối với chân AI 3 của NI 9205.
5.3.2 Chương trình thu thập dữ liệu với NI 9205
Chương trình đọc tín hiệu Analog Input từ NI 9205 trên FPGA
Hình 5.14 Chương trình đọc Analog Input NI 9205
Hình 5.15 Cửa sổ hiển thị của chương trình
Hình 5.16 Sơ đồ khối của chương trình
5.3.3 Chương trình giao tiếp giữa máy tính và NI 9205
Hình 5.17 Cửa sổ hiển thị đọc Analog AI0
Hình 5.18 Cửa sổ hiển thị đọc Analog AI1 và AI2
Hình 5.19 Cửa sổ hiện thị đọc Analog AI3
Hình 5.20 Sơ đồ khối chương trình đọc tín hiệu Analog Input 0 Thông qua chương trình điều khiển trên FPGA main sẽ đọc tín hiệu Analog Input tại chân
Giá trị điện áp đọc được tại chân 0 của NI 9205 sẽ được hiển thị, và chương trình giao tiếp sẽ nhận giá trị từ FPGA main, chuyển đổi thành giá trị điểm đặt vận tốc tương ứng Tương tự, các tín hiệu Analog Input 1, 2, 3 từ cảm biến dòng ACS 712 cũng được xử lý theo cách này.
Hình 5.21 Sơ đồ khối chương trình đọc tín hiệu Analog
Hình 5.22 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI0
Hình 5.23 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI1 và AI2
Hình 5.24 Kết quả đọc tín hiệu Analog AI3
Thu thập dữ liệu cảm biến với module NI 9234
Hình 5.25 Kết nối phần cứng NI 92 4
Chúng tôi sử dụng cảm biến có chui tròn để kết nối, cụ thể là dùng que đo của máy Hantek Cực dương của cảm biến được kết nối với chiết áp đầu tiên từ trái sang phải, trong khi cực âm (GND) sẽ kết nối với mô hình.
5.4.2 Chương trình mẫu thực hiện với NI 9234
- Mở phần mềm LabVIEW => Create Project => LabVIEW FPGA Project
- Tìm kiếm file Example: Help => Find Example => Search => Search NI 9234 =>
Hình 5.26 Tìm kiếm chương trình NI 92 4
- Add file và chương trình mẫu vào LabVIEW FPGA Project vừa tạo => Save
Hình 5.27 Thêm các thư mục vào chương trình đã tạo
- Mở file FPGA.VI và Run:
Hình 5.28 Sơ đồ khối NI 92 4 FPGA.vi
Hình 5.29 Cửa sổ hiển thị chương trình NI 92 4 + Đặt cấu hình ngõ vào NI 9234
+ Đặt tốc độ đọc dữ liệu NI 9234
- Mở file NI 9234 Getting Started (Host).VI
Hình 5.30 Cửa sổ hiển thị giao tiếp máy tính và NI 9234 + Lựa chọn RIO Device => FPGA target
+ Cấu hình ngỏ vào NI 9234
+ Cài đặt tốc độ đọc dữ liệu
5.4.3 Kết quả đạt được của chương trình NI 9234
Hình 5.31 Kết quả đạt được từ đọc tín hiệu NI 92 4
Thu thập dữ liệu tín hiệu với module NI 9403
Hình 5.32 Kết nối phần cứng NI 940 Nhóm sử dụng cổng kết nối dành riêng cho NI 9403 kết nối với cổng DB37 trên mô hình
5.5.2 Chương trình thu thập dữ liệu với module NI 9403
Chương trình này thực hiện việc đọc tín hiệu số ngõ vào và điều khiển các tín hiệu số ngõ ra từ thiết bị NI 9403.
Hình 5.33 Chương trình thu thập dữ liệu với NI 940
Hình 5.34 Tín hiệu ngõ vào Digital Input
Hình 5.35 Tín hiệu ngỏ ra igital Output
Hình 5.36 Chương trình thiết lập ngỏ vào igital Input
Chương trình thiết lập ngõ ra digital output trên chip FPGA được sử dụng để cấu hình các ngõ vào và ngõ ra Mục tiêu chính của nhóm là đọc tín hiệu ngõ vào ở mức cao hoặc thấp, từ đó điều khiển ngõ ra tương ứng ở mức cao hoặc thấp.
Chương trình giao tiếp giữa máy tính và module NI 9403
5.5.3 Chương trình giao tiếp giữa máy tính và module NI 9403
Hình 5.38 Giao diện chương trình giao tiếp
Hình 5.39 Chương trình điều khiển việc giao tiếp giữa máy tính và thiết bị
Trong quá trình thực hiện, nhóm gặp khó khăn khi CompactRIO 9076 không nhận diện được thiết bị NI 9403, dẫn đến việc kiểm tra và thực hiện thiết bị này chưa hoàn chỉnh Chúng tôi rất mong giáo viên hướng dẫn và hội đồng phản biện thông cảm cho sự thiếu sót này của nhóm.
Điều khiển tốc độ động cơ bằng module NI 9505 trên giao diện LabVIEW
Hình 5.40 Kết nối phần cứng NI 9505
- Hình ảnh kết nối phần cứng trên thực hiện cho cả điều khiển tốc và vị trí động cơ
- Cực dương (V) và âm (C) của NI 9505 kết nối với nguồn dương (24V) và nguồn âm (GND) của mô hình
- Hai dây M+ và M- của NI 9505 kết nối với 2 dây dương và âm của động cơ
- Dây Encoder của NI 9505 được kết nối với dây Encoder của động cơ
Hình 5.41 Chương trình điều khiển tốc độ NI 9505
5.6.2 Tổng quan về hệ thống
- Chương trình mẫu bao gồm host VI và FPGA VI
- Chương trình Turning Host VI:
+ Cấu hình các tham số trên FPGA như PI , điện trở motor…
+ Tạo xung tốc độ gửi đến FPGA khi nhấn button
+ Phân tích setpoint-feedback và các tham số điều chỉnh cơ bản
+ Ngắt kết nối NI 9505 và reset FPGA trước khi dừng
+ Cấu hình tham số trên FPGA như PI , điện trở motor…
+ Trong vòng lặp While Loop, liên tục ghi các điểm đặt vận tốc setpoint và các phản hồi được đọc từ FPGA
+ Ngắt kết nối NI 9505 và reset FPGA trước khi dừng
+ Status Loop: kết nối và ngắt kết nối thiết bị và đọc trạng thái thiết bị
Vòng lặp Velocity Loop nhận điểm đặt từ Host VI và truyền đến bộ giới hạn tốc độ để tạo ra gia tốc Sau đó, nó gửi giá trị điểm đặt tốc độ cùng với phản hồi tốc độ đến khối PI, từ đó tạo ra giá trị điện áp mong muốn Vòng lặp này cũng thực hiện việc lọc các phản hồi gửi về.
Vòng lặp Velocity Loop nhận giá trị điện áp mong muốn và truyền tải đến Current Loop Tại đây, Current Loop so sánh giá trị điện áp mong muốn với giá trị điện áp đo được từ motor, từ đó cung cấp thông tin cho khối PI để tạo ra chu kỳ xung PWM.
Vòng lặp PWM chuyển đổi chu kỳ xung thành tín hiệu số, đồng thời cung cấp tín hiệu cho NI 9505 nhằm điều khiển mạch cầu H Ngoài ra, vòng lặp này còn được sử dụng để kích hoạt hoạt động của Current Loop.
+ Encoder Loop: mã hóa tín hiệu Encoder và tạo ra vị trí và vận tốc phản hồi
Hình 5.45 Vòng lặp Encoder Loop
5.6.3 Thực hiện chương trình mẫu với NI 9505
- Mở 9505 Brushed Servo (Position Setpoint) - FPGA.vi và nhấp vào nút Run để bắt đầu biên dịch FPGA Việc biên dịch có thể mất tới một giờ
Để điều chỉnh động cơ và cài đặt các thông số khuếch đại cho hệ thống của bạn, hãy sử dụng phần mềm 9505 Brushed Servo (Position Setpoint) - Host Tuning.vi và làm theo hướng dẫn trên bảng điều khiển Front Panel để thực hiện việc điều chỉnh thủ công một cách hiệu quả.
Để mở My Computer ằ9505 rushed Servo (Vị trí điểm đặt) - Host.vi, bạn có thể kéo VI này vào mục tiêu RT CompactRIO trong Project Explorer nếu muốn chạy nó trên mục tiêu RT CompactRIO.
- Định cấu hình các tham số trên Motor Parameters and Drive Parameters và sau đó chạy
- Nhấp vào Enable để bật NI 9505
Nhấn vào nút "Start Move" để bắt đầu quá trình di chuyển vị trí Chế độ di chuyển mặc định sẽ khiến động cơ của bạn hoạt động theo mô hình sóng hình sin, tạo ra sự chuyển động qua lại một cách nhịp nhàng.
- Nhấn Stop VI để dừng ứng dụng
5.6.4 Các kết quả đạt được của chương trình NI 9505
Hình 5.46 Kết quả đạt được trên chương trình Host Turning
Hình 5.47 Kết quả đạt được trên chương trình Host
Điều khiển vị trí động cơ bằng module NI 9505 trên giao diện LabVIEW
Hình 5.48 Chương trình điều khiển vị trí NI 9505
5.7.1 Tổnng quan về hệ thống
- Trong chương trình code mẫu có 2 Host VI (một chương trình dùng cho điều chỉnh và một chương trình dùng cho hoạt động) và chương trình FPGA VI
- Chương trình Host Turning VI:
+ Điều chỉnh các tham số trên FPGA
+ Tạo ra xung vị trí và vận tốc gửi đến FPGA khi nhấn nút Start Move Position Setpoint được gửi đến FPGA thông qua DMA FIFO
+ Thực hiện và phân tích Setpoint-Feedback phản hồi các thông số điều chỉnh
+ Ngắt kết nối NI 9505 hoặc reset FPGA
+ Điều chỉnh các thông số trên FPGA
In the While Loop, a sine wave cycle is generated upon pressing the Start Move button, with all sine wave data stored in the DMA FIFO.
+ Ngắt kết nối NI 9505 hoặc reset FPGA
+ Status Loop: kết nối hoặc ngắt kết nối thiết bị và đọc trạng thái hoạt động của thiết bị
Hình 5.49 Vòng lặp Status Loop + Position Setpoint Loop: đọc vị trí đặt (Position Setpoint) từ Position Setpoint FIFO Giá trị Setpoint được đặt trong FIFO của Host VI
Vòng lặp Position Loop nhận giá trị Setpoint từ Vòng lặp Position Setpoint Loop và sử dụng Spline Interpolation VI để tạo ra các điểm đặt trung gian, giúp chuyển động diễn ra mượt mà hơn Giá trị Setpoint-Feedback được gửi đến bộ điều khiển PI để tạo ra tốc độ mong muốn.
Vòng lặp Position Loop cung cấp giá trị tốc độ mong muốn cho Velocity Loop Giá trị này, cùng với phản hồi, được gửi đến khối PI để tạo ra điện áp mong muốn.
Hình 5.52 minh họa Vòng lặp Velocity Loop, trong đó Current Loop nhận giá trị điện áp mong muốn từ Velocity Loop Giá trị điện áp mong muốn cùng với điện áp đo được từ motor được gửi đến khối PI, từ đó tạo ra chu kỳ xung PWM.
Vòng lặp PWM chuyển đổi chu kỳ xung thành tín hiệu số và điều khiển chiều quay của motor thông qua NI 9505, đồng thời kích hoạt vòng lặp Current Loop hoạt động.
+ Encoder Loop: mã hóa tín hiệu encoder và tạo ra vị trí, vận tốc phản hồi
Hình 5.54 Vòng lặp Encoder Loop
5.7.2 Thực hiện chương trình mẫu với NI 9505
Cách làm tương tự như Example Project NI 9505 Velocity Setpoint
5.7.3 Các kết quả đạt được của chương trình NI 9505
Hình 5.55 Kết quả đạt được trên chương trình Host Turning
Hình 5.56 Kết quả đạt được trên chương trình Host
Điều khiển tốc độ động cơ bằng module NI 9505 và module NI 9205
Kết nối phần cứng NI 9205 và NI 9505 được thực hiện tương tự như kết nối với NI 9205, trong đó chỉ sử dụng chân AI 0 để đọc tín hiệu từ cảm biến.
Hình ảnh dưới đây mô tả cách kết nối để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bằng cách sử dụng module NI 9505 kết hợp với module NI 9205 Việc sử dụng các module này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển động cơ, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao và chính xác.
5.8.2 Chương trình trên FPGA main
Hình 5.58 Chương trình quản lý điều khiển tốc độ
Hình 5.59 Chương trình đọc tín hiệu từ NI 9205
Chương trình trên sẽ đọc tín hiệu điện áp đầu vào Analog Input tại chân AI0 của NI 9205
Tín hiệu điện áp nhận được sẽ được chuyển đổi thành giá trị điểm đặt cho tốc độ (vòng/giây) Dưới đây là chương trình điều khiển tốc độ từ NI 9505.
Chương trình điều khiển tốc độ NI 9505 nhận giá trị điểm đặt từ NI 9205 và đưa vào vòng lặp vận tốc Giá trị này qua khối PI sẽ tạo ra điện áp mong muốn Vòng lặp Current Loop sử dụng điện áp này cùng với điện áp phản hồi để tạo tín hiệu PWM thông qua khối PI Tín hiệu PWM sau đó được đưa vào vòng lặp PWM Loop để điều khiển chiều quay của motor và thực hiện việc điều chế xung PWM.
5.8.3 Chương trình giao tiếp máy tính và NI 9505 NI 9205
Giao diện chương trình trên cửa sổ Front Panel
Hình 5.61 Cửa sổ điều chỉnh các thông số đầu vào
Hình 5.62 Cửa sổ điều chỉnh PI và hiển thị các thông số
Hình 5.63 Sơ đồ khối điều khiển tốc tốc độ motor
Trong vòng lặp while loop, tín hiệu điện áp từ NI 9205 (Voltage AI0) được chuyển đổi thành tín hiệu vận tốc đặt (vòng/ s) và truyền vào NI 9505 Chương trình sau đó được nhúng vào chip FPGA để điều khiển vận tốc motor Cuối cùng, điểm đặt và vận tốc phản hồi được xuất ra đồ thị để người dùng theo dõi sự thay đổi.
Kết quả điều khiển tốc độ motor C cho thấy, sau khi nhập các thông số cần thiết và nhấn Enable, motor đáp ứng giá trị điểm đặt trong thời gian dưới 0.5 giây với độ vọt lố dưới 10% Khi giá trị điểm đặt tăng dần bằng cách xoay biến trở, motor vẫn duy trì khả năng đáp ứng tốt, tuy nhiên, có hiện tượng dao động xảy ra.
Giai đoạn 3: Khi xoay biến trở (giá trị điểm đặt giảm) nhanh thì motor vẫn đáp ứng tốt và ổn định
Giai đoạn 4: Khi xoay biến trở (giá trị điểm đặt tăng) nhanh thì motor vẫn đáp ứng tốt và ổn định
Để theo dõi khả năng đáp ứng và ổn định của hệ thống, nhóm đã lập trình thêm để xác định độ vọt lố và thời gian xác lập Dưới đây là kết quả thực nghiệm đã thu được.
Hình 5.65 Chương trình xác định độ vọt lố và thời gian xác lập
Hình 5.66 Kết quả khả năng đáp ứng của hệ thống
- Đồ thị bám tương đối tốt với giá trị điểm đặt
- Thời gian đáp ứng nhanh (30 mili giây)
- Sai số xác lập thấp (1%)
- Kết quả còn dao động
Hình 5.67 Kết quả phản hồi của hệ thống
Kết luận: Bộ điều khiển đã thực hiện tốt các nhiệm vụ đặt ra: thời gian đáp ứng ( < 0,5 giây), độ vọt lố ( < 5%) Nhưng còn mặt hạn chế:
- Vẫn còn dao động nhỏ chưa thực sự ổn định 100%
- Giá trị điểm đặt lấy từ biến trở còn nhiễu làm hệ thống đáp ứng sai số (1%)
- Mô hình còn phát ra tiếng ồn
Chương trình điều khiển vị trí động cơ bằng module NI 9505 và NI 9205
5.9.1 Chương trình điều khiển trên FPGA main
Chương trình quản lý điều khiển vị trí trên chip FPGA tương tự như chương trình thu thập dữ liệu từ NI 9205 và chương trình điều khiển vị trí động cơ từ NI 9505.
5.9.2 Chương trình giao tiếp giữa máy tính và NI 9505, NI 9205
Hình 5.69 Giao diện để thiết lập các thông số
Hình 5.70 Giao diện hiển thị thông tin hệ thống
Chương trình điều khiển tương tự như điều khiển vị trí của NI 9505, nhưng điểm đặt sẽ được điều chỉnh thông qua thiết bị NI 9205, cho phép đọc giá trị biến trở và tính toán góc mong muốn để gửi về cho NI 9505.
Hình 5.71 Chương trình điều khiển NI 9505 và NI 9205
Hình 5.72 Kết quả đạt được khi vị trí 90
Hình 5.73 Kết quả hình ảnh thực tế ở vị trí 90
- Đồ thị bám tốt với giá trị điểm đặt
- Thời gian đáp ứng nhanh (30 mili giây)
- Sai số xác lập khoảng 2%
Hình 5.74 Kết quả thực hiện được ở vị trí 180
Hình 5.75 Kết quả hình ảnh thực tế ở vị trí 180
- Độ thị bám tốt với giá trị điểm đặt
- Thời gian đáp ứng nhanh (30 mili giây)
- Sai số xác lập thấp khoảng 2%
Hình 5.76 Kết quả thực hiện bám theo giá trị điểm đặt
- Khi xoay biến trở góc quay bám theo tốt với giá trị điểm đặt luôn thay đổi
- Thời gian đáp ứng nhanh (50 mili giây)
- Sai số xác lập thấp (3%)
Kết luận cho thấy bộ điều khiển đáp ứng tốt với các yêu cầu đề ra, bao gồm thời gian đáp ứng dưới 0.5 giây, độ vọt lố hệ thống dưới 5% và mô hình đáp ứng thực tế đạt độ chính xác trên 95% Tuy nhiên, khi giá trị điểm đặt tăng lên, độ vọt lố cũng gia tăng, trong khi thời gian đáp ứng vẫn ổn định và có một số dao động chưa hoàn hảo Những hạn chế này cần được xem xét để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển.
- Khi xoay biến trở giá trị điểm đặt còn nhiễu chưa hoàn toàn ổn định
- Độ chính xác của mô hình thực tế chỉ dừng mở mức tương đối
