(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động

(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm điều khiển tự động

LỜI CẢM ƠN

Đối với sinh viên trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Đồ án tốt nghiệp là một minh chứng rõ nhất cho sự đúc kết những kiến thức đã học sau bốn năm học tập tại trường Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, hướng dẫn và chỉ bảo tận tình từ các quý thầy và các bạn

Trước hết nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các quý thầy từ bộ môn Điện Tử Ô tô, cũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt chúng em trong suốt thời gian học tập Được các quý thầy cô tận tình chỉ dạy và giúp đỡ từ những kiến thức chuyên môn trong nhà trường đến thực tiễn trong cuộc sống đã giúp chúng em hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã chọn

Từ những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc đó đã giúp chúng em hoàn thành tập đồ

án này và là hành trang để chúng em bước vào đời

Đặc biệt nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Giảng viên NGUYỄN TRUNG HIẾU

Giáo viên hướng dẫn đề tài, người thầy đã định hướng và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng

em vượt qua những ngày tháng khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này Ngoài ra nhóm chúng em cũng gửi lời cảm ơn đến các anh, các bạn đang làm việc và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Điều khiển tự động thuộc khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được không tránh khỏi những thiếu sót Do đó chúng em kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của quý thầy cô để chúng em hoàn thiện đồ án được tốt hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2021

Nhóm sinh viên thực hiện

BÙI NHỰT QUANG TRẦN THỊ NGỌC MỸ

TÓM TẮT

Trong thời đại hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật Lĩnh vực điều khiển đã và đang là một trong những ngành có vai trò rất quan trọng trong đời sống xã hội, sản xuất công nghiệp, quân sự, hàng không vũ trụ… Bất cứ ở một vị trí nào một công việc

gì mỗi người trong chúng ta đều phải tiếp cận với điều khiển, nó là khâu quan trọng cuối cùng trong mọi hoạt động của chúng ta Trên thế giới và trong nước đã có nhiều công bố về các công trình nghiên cứu các hệ thống điều khiển tự động

Vì những lí do trên chúng em quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KIT THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG”

Để chế tạo bộ KIT thí nghiệm điều khiển tự động đầu tiên nhóm tìm hiểu những công trình nghiên cứu trước đó để kế thừa ưu điểm và cố gắng khắc phục những hạn chế Tiếp đó nghiên cứu về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, phân tích động học các hệ thống, tiến hành mô phỏng thu thập dữ liệu, viết giải thuật trên Matlab/Simulink và thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm

Nhóm đã thiết kế và hoàn thiện các mô hình thí nghiệm: Điều khiển tốc và vị trí DC motor, điều khiển cân bằng con lắc ngược xoay (Inverted pendulum) và điều khiển cân bằng Aeropendulum Đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật về hoạt động như: độ ổn định khi hoạt động, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp và giảm sai số đến mức thấp… Sử dụng Board mạch điều khiển STM32F4 Discovery để khắc phục những hạn chế của thư viện Matlab/Simulink trên Board mạch phổ thông Arduino Mega 2560

Các mô hình thí nghiệm hiện tại chỉ ở mức độ dùng để nghiên cứu và học tập về hệ thống điều khiển tự động, nhưng sẽ là tiền đề và cơ sở quan trọng để nghiên cứu phát triển các hệ thống có thể ứng dụng vào sản sản xuất nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng như: cánh tay robot trong nhà máy lắp ráp ô tô, hệ thống ga tự động (Cruise Control), Bướm

ga điện tử (Throttle by Wire), hệ thống chống bó cứng phanh ABS,…

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực đề tài 1

Danh mục các công trình liên quan 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu của đề tài 1

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 3

Điều khiển kinh điển (classical control) 3

Điều khiển hiện đại (modern control) 4

Điều khiển thông minh (intelligent control) 4

Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 5

Thiết kế bộ điều khiển 6

Phân loại thiết kế bộ điều khiển 6

Bộ điều khiển PID 7

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG 9

Phần mềm Matlab/Simulink 9

Giới thiệu về board mạch ARDUINO MEGA 2560 11

Giới thiệu về board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY 13

Giới thiệu về mạch cầu H và board mạch công suất 700W Single H-Brigde 14

Board mạch công suất 700W Single H-Brigde 16

Mạch cầu H L298 18

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH DC MOTOR 19

Giới thiệu phần cứng mô hình DC motor 19

Xây dựng phương trình động học 19

Thông số DC motor 20

Thiết lập phương trình vi phân 20

Thiết lập hàm truyền 21

Thiết lập không gian trạng thái 25

Mô Phỏng 25

Mô hình thực nghiệm 29

Mô hình, sơ đồ khối và giải thuật 29

Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển sử dụng Board ARDUINO 2560 32

Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển sử dụng Board STM32F4 36

So sánh, đánh giá kết quả đạt được 38

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH INVERTED PENDULUM 45

Giới thiệu phần cứng mô hình con lắc ngược (Inverted Pendulum) 45

DC motor 45

Cảm biến góc quay (Encoder) 46

Xây dựng phương trình động học 46

Thông số con lắc 46

Thiết lập phương trình vi phân 47

Thiết lập hàm truyền 49

Mô phỏng mô hình con lắc ngược 50

Mô phỏng con lắc ngược 50

Mô phỏng bộ điều khiển con lắc ngược bằng PID 52

Mô hình thực nghiệm 53

Mô hình, sơ đồ khối và giải thuật 54

Bộ điều khiển con lắc ngược sử dụng board Arduino Mega 2560 56

Bộ điều khiển con lắc ngược sử dụng board STM32F4 58

So sánh, đánh giá kết quả đạt được 60

CHƯƠNG 6 MÔ HÌNH AEROPENDULUM 62

Giới thiệu phần cứng mô hình Aeropendulum 62

Xây dựng phương trình động học 63

Thiết lập phương trình vi phân 64

Thiết lập hàm truyền 65

Tính ổn định hệ thống 65

Thiết lập hàm truyền Aeropendulum bằng nhận diện hệ thống 66

Mô phỏng bộ điều khiển Aeropendulum 69

Mô hình thực nghiệm 70

Mô hình, sơ đồ khối và giải thuật 70

Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển sử dụng Board Arduino Mega 2560 72

Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển sử dụng Board STM32F4 75

So sánh, đánh giá kết quả đạt được 77

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 78

Kết quả thực hiện 78

Hướng phát triển đề tài 78

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ADC Analog to Digital Converter

DAC Digital to Analog Coverter

DC motor Direct Current motor

I2C Inter-Intergrated Circuit

MATLAB Maxtric Laboratory

MIMO Multi-Input/Multi-Ouput

PID Proportional Intergral Derivative

QĐNS Qũy đạo nghiệm số

SISO Single-Input/Single-Output

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 5

Hình 2.2 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp 6

Hình 2.3 Sơ đồ khối hồi tiếp trạng thái 6

Hình 2.4 Sơ đồ khối PID 7

Hình 2.5 Sơ đồ bộ điều khiển P 7

Hình 2.6 Sơ đồ bộ điều khiển I 8

Hình 2.7 Sơ đồ bộ điều khiển D 8

Hình 3.1 Phần mềm MATLAB & SIMULINK 9

Hình 3.2 Giao diện Simulink 10

Hình 3.3 Các khối cơ bản của thư viện Simulink support package for arduino hardware 11

Hình 3.4 Các khối cơ bản thư viện Waijung Blockset 11

Hình 3.5 Board Arduino Mega 2560 12

Hình 3.6 Sơ đồ chân Board Arduino Mega 2560 12

Hình 3.7 Board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY 14

Hình 3.8 Sơ đồ chân Board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY 14

Hình 3.9 Nguyên lý mạch cầu H 15

Hình 3.10 Điều khiển động cơ quay thuận và ngược 15

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 16

Hình 3.12 Board mạch công suất 700W Single H-Brigde 16

Hình 3.13 Sơ đồ chân Board mạch công suất 700W Single H-Brigde 17

Hình 3.14 Mạch cầu H L298 18

Hình 4.1 Motor R01SAKOE 19

Hình 4.2 Mạch điện phần cứng và sơ đồ chuyển động của roto 20

Hình 4.3 Code thu thập dữ liệu cho Toolbox 22

Hình 4.4 Dữ liệu được đưa ra Workspace bằng khối Simout 22

Hình 4.5 Cửa sổ làm việc System Identification 23

Hình 4.6 Cửa sổ nhập thông số của dữ liệu 23

Hình 4.7 Hệ số của hàm truyền và dạng hàm truyền sau khi chương trình xử lý xong 24

Hình 4.8 Độ chính xác của hàm truyền so với hoạt động thực tế (Màu đỏ thực tế, màu xanh

được mô phỏng từ hàm truyền vừa tìm) 24

Hình 4.9 Mô phỏng hàm truyền tốc độ DC mô tơ 26

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng hàm truyền tốc độ 26

Hình 4.11 Mô phỏng hàm truyền vị trí DC mô tơ 26

Hình 4.12 Kết quả mô phỏng hàm truyền vị trí 27

Hình 4.13 Khối PID liên tục 27

Hình 4.14 Bộ điều khiển PID liên tục điều khiển tốc độ động cơ 28

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng tốc độ motor bằng PID liên tục 28

Hình 4.16 Bộ điều khiển PID liên tục điều khiển vị trí động cơ 29

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng vị trí motor bằng PID liên tục 29

Hình 4.18 Mô hình bộ KIT thí nghiệm DC motor sử dụng Board Arduino Mega 2560 30

Hình 4.19 Mô hình bộ KIT thí nghiệm DC motor sử dụng Board STM32F4 Discovery 30

Hình 4.20 Sơ đồ khối điều khiển DC motor 31

Hình 4.21 Sơ đồ mạch điện điều khiển DC mô tơ bằng Arduino Mega 2560 32

Hình 4.22 Giải thuật điều khiển tốc độ DC mô tơ bằng Arduino Mega 2560 32

Hình 4.23 Khối Encoder Read 32

Hình 4.24 Khối Actuator 33

Hình 4.25 Kết quả điều khiển tốc độ DC motor bằng Arduino 33

Hình 4.26 Kết quả chi tiết điều khiển tốc độ DC motor bằng Arduino 34

Hình 4.27 Giải thuật điều khiển vị trí DC motor bằng Arduino 34

Hình 4.28 Kết quả điều khiển vị trí DC motor bằng Arduino 35

Hình 4.29 Kết quả điều khiển chi tiết vị trí DC motor bằng Arduino 35

Hình 4.30 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển DC motor bằng STM32F4 36

Hình 4.31 Giải thuật điều khiển Tốc độ DC motor 36

Hình 4.32 Kết quả điều khiển tốc độ DC motor STM32F4 đầu vào xung vuông chu kì 4s 37

Hình 4.33 Giải thuật điều khiển Vị trí DC motor bằng STM32F4 37

Hình 4.34 Kết quả điều khiển vị trí DC motor STM32F4 đầu vào là xung vuông chu kì 5s 38 Hình 4.35 Kết quả điều khiển tốc độ sử dụng ARDUINO MEGA 2560 – chu kì 5s 39

Hình 4.36 Kết quả điều khiển tốc độ sử dụng STM32F407 DISCOVERY – xung vuông, chu

kỳ 5s (xanh - mong muốn; đỏ – thực tế) 39

Hình 4.37 Kết quả của bộ điều khiển tốc độ sử dụng ARDUINO MEGA 2560 – xung vuông, chu kỳ 1s (xanh - mong muốn; nâu – thực tế) 40

Hình 4.38 Kết quả của bộ điều khiển tốc độ sử dụng STM32F4 DISCOVERY– xung vuông, chu kỳ 1s (xanh lục - mong muốn; đỏ – thực tế) 40

Hình 4.39 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng ARDUINO MEGA 2560 – đầu vào xung vuông, chu kì 6s (xanh - mong muốn; nâu – thực tế) 41

Hình 4.40 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng STM32F4 DISCOVERY– đầu vào xung vuông, chu kì 6s (xanh - mong muốn; đỏ – thực tế) 41

Hình 4.41 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng ARDUINO MEGA 2560 – đầu vào xung vuông, chu kì 1s (xanh - mong muốn; nâu – thực tế) 42

Hình 4.42 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng STM32F4 DISCOVERY – đầu vào xung vuông, chu kì 1s (xanh - mong muốn; đỏ – thực tế) 42

Hình 4.43 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng ARDUINO MEGA 2560 – đầu vào xung sin, tần số pi (xanh - mong muốn; nâu – thực tế) 43

Hình 4.44 Kết quả của bộ điều khiển vị trí sử dụng STM32F4 DISCOVERY – đầu vào xung sin, tần số pi(xanh - mong muốn; đỏ – thực tế) 43

Hình 5.1 Mô hình tổng quan con lắc ngược (Inverted pendulum) 45

Hình 5.2 Cảm biến góc quay (Encoder) 46

Hình 5.3 Sơ đồ vật thể tự do hệ con lắc 47

Hình 5.4 Hình con lắc theo phương chiếu thẳng bằng 47

Hình 5.5 Hình con lắc theo phương chiếu thẳng đứng 47

Hình 5.6 Khối mô phỏng con lắc ngược 50

Hình 5.7 Khối hàm truyền sử dụng mô phỏng con lắc ngược 50

Hình 5.8 Khối mô phỏng con lắc 50

Hình 5.9 Sơ đồ khối xây dựng mô phỏng hệ con lắc 51

Hình 5.10 Sơ đồ khối mô phỏng đáp ứng của hệ con lắc 51

Hình 5.11 Khối Signal Builder 51

Hình 5.12 Kết quả đáp ứng của con lắc khi chưa có bộ điều khiển 52

Hình 5.13 Khối PID liên tục 52

Hình 5.14 Bộ điều khiển PID mô phỏng con lắc ngược 53

Hình 5.15 Kết quả đáp ứng cân bằng con lắc ngược 53

Hình 5.16 Mô hình con lắc ngược sử dụng board STM32F4 54

Hình 5.17 Mô hình con lắc ngược sử dụng board Arduino 54

Hình 5.18 Sơ đồ khối bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược 55

Hình 5.19 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển con lắc ngược sử dụng Board Arduino 56

Hình 5.20 Giải thuật bộ điều khiển con lắc ngược sử dụng Board Arduino 56

Hình 5.21 Giải thuật bên trong khối Encoder 56

Hình 5.22 Giải thuật bên trong khối Actuator 57

Hình 5.23 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bằng Board Arduino 57

Hình 5.24 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển con lắc ngược bằng STM32F4 58

Hình 5.25 Giải thuật điều khiển cân bằng con lắc ngược trên Board STM32F4 58

Hình 5.26 Khối Encoder Read 59

Hình 5.27 Khối Actuator 59

Hình 5.28 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển 59

Hình 5.29 So sánh kết quả thực nghiệm của hai bộ điều khiển 60

Hình 6.1 Mô hình tổng quan Aeropendulum 62

Hình 6.2 Motor N720 62

Hình 6.3 Biến trở 63

Hình 6.4 Mạch cầu H L298 63

Hình 6.5 Mô hình Aeropendulum 64

Hình 6.6 Mặt phẳng phức 65

Hình 6.7 Chương trình thu thập dữ liệu từ hệ thống 66

Hình 6.8 Dữ liệu thu thập được từ hệ thống 67

Hình 6.9 Dữ liệu được vào identification toolbox 67

Hình 6.10 Dữ liệu nhập vào 68

Hình 6.11 Hàm truyền được ước tính 68

Hình 6.12 Mô phỏng bộ điều khiển Aeropendunlum với hàm truyền biến đổi laplace 69

Hình 6.13 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Aeropendulum 69

Hình 6.14 Mô phỏng bộ điều khiển Aeropendulum bằng hàm truyền nhận diện hệ thống 69

Hình 6.15 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Aeropendulum bằng hàm truyền nhận diện hệ thống 70

Hình 6.16 Mô hình thiết kế Aerospendulum 70

Hình 6.17 Mô hình thực nghiệm Aerospendulum 71

Hình 6.18 Sơ đồ khối bộ điều khiển Aeropendulum 71

Hình 6.19 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển sử dụng Board Arduino 72

Hình 6.20 Giải thuật bộ điều khiển trên Board Arduino 72

Hình 6.21 Giải thuật bên trong khối Analog READ 73

Hình 6.22 Giải thuật bên trong khối ACTUATOR 73

Hình 6.23 Kết quả đáp ứng khi khởi động bằng bộ điều khiển Aeropendulum sử dụng Board Arduino 73

Hình 6.24 Kết quả bộ điều khiển Aeropendulum sử dụng Board Arduino 74

Hình 6.25 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển sử dụng Board STM32F4 75

Hình 6.26 Giải thuật bộ điều khiển sử dụng Board STM32F4 75

Hình 6.27 Kết quả đáp ứng bộ điều khiển sử dụng Board STM32F4 76

Hình 6.28 Kết quả bộ điều khiển Aeropendulum sử dụng Board STM32F4 76

Hình 0.1 Giao diện Website Waijung Blockset (1) 80

Hình 0.2 Giao diện Website Waijung Blockset (2) 80

Hình 0.3 Biểu tượng phần mềm Matlab/Simulink 81

Hình 0.4 Thư viện phần mềm Simulink (1) 81

Hình 0.5 Thư viện phần mềm Simulink (2) 82

Hình 0.6 Demo trong Simulink 83

Hình 0.7 Giao diện sau khi nạp thành công 83

Hình 0.8 Run file setup 84

Hình 0.9 Chọn Next để tiếp tục cài đặt 84

Hình 0.10 Quá trình cài đặt 85

Hình 0.11 Hai cửa sổ hiện ra chọn Next và Finish 85

Hình 0.12 Mô-đun UART PL2303 86

Hình 0.13 Kết nối UART với máy tính 86

Hình 0.14 Giao diện thiết lập UART Setup (trái) và giao diện UART Tx (phải) 87

Hình 0.15 Giải nén phần mềm 87

Hình 0.16 Sơ đồ đấu dây DC Motor với Board Arduino 88

Hình 0.17 Sơ đồ đấu dây DC Motor với Board STM32 88

Hình 0.18 Khối Encoder Read 89

Hình 0.19 Khối Actuator 89

Hình 0.20 Code vị trí DC Motor với Board Arduino 91

Hình 0.21 Code vị trí DC Motor với Board STM32 91

Hình 0.22 Code hiển thị kết quả từ Serial trên Matlab 91

Hình 0.23 Nhập các giá trị Kp, Ki, Kd 92

Hình 0.24 Màn hình hiển thị Scope 92

Hình 0.25 Code điều khiển tốc độ trên Arduino Mega 2560 94

Hình 0.26 Code điều khiển tốc độ trên STM32F4 94

Hình 0.27 Màn hình hiển thị Scope 95

Hình 0.28 Sơ đồ đấu dây điều khiển con lắc ngược trên Arduino Mega 97

Hình 0.29 Sơ đồ đấu dây điều khiển con lắc ngược trên STM32 97

Hình 0.30 Code điều khiển cân bằng con lắc ngược trên Arduino 99

Hình 0.31 Code cân bằng con lắc ngược trên STM32 99

Hình 0.32 Thay đổi tăng dần các giá trị Kp, Ki, Kd 100

Hình 0.33 Màn hình hiển thị scope 100

Hình 0.34 Sơ đồ đấu dây mô hình trên Arduino Mega 2560 102

Hình 0.35 Sơ đồ đấu dây mô hình trên STM32F4 102

Hình 0.36 Chương trình cân bằng con lắc Aeropendulum trên Arduino 103

Hình 0.37 Chương trình cân bằng con lắc Aeropendulum trên STM32F4 103

Hình 0.38 Thay đổi tăng dần các giá trị Kp, Ki, Kd 104

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số Arduino 2560 13

Bảng 3.2 Thông số 700W H Brigde 17

Bảng 4.1 So sánh kết quả hai bộ điều khiển DC motor 44

Bảng 5.1 So sánh kết quả thực nghiệm hai bộ điều khiển con lắc ngược 60

Bảng 6.1 So sánh kết quả thực nghiệm hai bộ KIT Aeropendulum 77

Phụ lục: Bảng 0.1 Bảng kết quả tốc độ RPM theo điện áp 90

Bảng 0.2 Bảng kết quả điều khiển vị trí trên Arduino 93

Bảng 0.3 Bảng kết quả điều khiển vị trí trên STM32 93

Bảng 0.4 Kết quả điều khiển tốc độ trên Arduino 96

Bảng 0.5 Bảng kết quả điều khiển tốc độ trên STM32 96

Bảng 0.6 Bảng kết quả điều khiển cân bằng con lắc ngược trên Board Arduino 101

Bảng 0.7 Bảng kết quả điều khiển cân bằng con lắc ngược trên Board STM32F4 101

Bảng 0.8 Bảng kết quả điều khiển cân bằng Aeropendulum trên Board Arduino 104

Bảng 0.9 Bảng kết quả điều khiển cân bằng Aeropendulum trên Board STM32F4 105

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực đề tài

Trong nước: Hiện nay có nhiều đề tài nghiên cứu dùng các lý thuyết điều khiển khác nhau:

PID, Fuzzy, LQR đề điều khiển robot cân bằng, con lắc ngược thông qua điều khiền tốc độ

và vị trí của DC motor Tuy nhiên con lắc ngược và đặc biệt là robot cân bằng cũng luôn đặt

ra nhiều vấn đề khó khăn đối với lý thuyết điều khiển cũng như thiết bị điều khiển chung vì

nó là hệ phi tuyến

Ngoài nước: Công trình nghiên cứu chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển

duy nhất từ phần xử lý tín hiệu, xử lý và tính toán trung tâm, công suất

Danh mục các công trình liên quan

 Nguyễn Tùng Lâm – Nguyễn Tường Duy, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo bộ KIT thí nghiệm phục vụ môn học điều khiển tự động”, Tp Hồ Chí Minh, 2016

 Trần Anh Tuấn – Lê Quang Tài, Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng ARM STM32F4 Discovery và Matlab/Simulink trong thiết kế các bộ điều khiển”

Tính cấp thiết của đề tài

Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động Mặc dù đã có một số ví dụ minh họa và mô hình giảng dạy nhưng qua thời gian thì một số mô hình cũng đã trở nên hư hỏng cần phải phục chế lại Thêm vào đó với việc dùng Board Arduino Mega 2560 vào bộ KIT DC motor và con lắc ngược cũng có một số hạn chế như là trong một số thời điểm cần đáp ứng nhanh thì vẫn chưa thực hiện được do tốc độ xử lí của Arduino chưa cao

Từ vấn đề trên chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng một Board mạch khác

có bộ nhớ và tốc độ xử lí nhanh hơn để đáp ứng cho vào các mô hình trên mà cụ thể là Board ARM STM32F407 DISCOVERY

Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi và hướng dẫn sử dụng Board Arduino Mega 2560 và ARM STM32F407 DISCOVERY khi nhúng vào Matlab/Simulink

Đọc được tín hiệu cảm biến tốc độ và vị trí để điều khiển các mô hình điều khiển

Điều khiển tốc độ và vị trí DC motor khi thay đổi các tín hiệu đầu vào (hằng số, xung vuông và sóng sin) và tăng dần thời gian đáp ứng

Dựa vào bài toán vị trí DC motor điều khiển Inverted pendulum (Con lắc ngược) và Aeropendulum

Thiết kế, chế tạo mô hình DC motor, con lắc ngược và aeropendulum

Điều khiển, lấy kết quả thực nghiệm các mô hình và so sánh kết quả điều khiển dùng Board Arduino Mega 2560

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu các tài liệu về

lý thuyết điều khiển tự động và các tài liệu có liên quan, dựa vào phần tính toán mô phỏng của các đề tài trước để hiểu được lý thuyết thuật toán và mô phỏng Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi

và bảng dữ liệu của Board ARM STM32F407 để thiết lập mô hình điều khiển

Phạm vi nghiên cứu gồm điều khiển vị trí, tốc độ DC motor, cân bằng con lắc ngược và aeropendulum Từ đó, chúng em đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên

mô phỏng và thực nghiệm đồng thời đưa ra các so sánh về tốc độ xử lí của 2 board mạch Arduino và ARM STM32F407 Cuối cùng chúng em đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực Đầu ra mong muốn của một hệ thống được gọi là giá trị đặt trước Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống

Điều khiển kinh điển (classical control)

Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace) Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, thí dụ phương pháp hàm mô tả Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: single-input/single-output), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO: multi-input/multi-ouput) và các hệ thống biến đổi theo thời gian

Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống trong lý thuyết điều khiển kinh điển gồm các phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số Để thiết kế hệ thống dùng phương pháp Nyquist và Bode cần mô tả hệ thống dưới dạng đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và đáp ứng pha), đây là một thuận lợi vì đáp ứng tần số có thể đo được bằng thực nghiệm Mô tả hệ thống cần để thiết dùng phương pháp quỹ đạo nghiệm số là hàm truyền, hàm truyền cũng có thể tính được từ đáp ứng tần số Hàm truyền của các hệ thống phức tạp được tính bằng cách sử dụng sơ đồ khối hay sơ đồ dòng tín hiệu Mô tả chính xác đặc tính động học bên trong hệ thống là không cần thiết đối với các phương pháp thiết kế kinh điển, chỉ có quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra quan trọng

Các khâu hiệu chỉnh đơn giản như hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative), hiệu chỉnh sớm trễ pha,… thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển kinh điển Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh này đến biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode và quỹ đạo nghiệm số có thể thấy được dễ dàng, nhờ đó có thể dễ dàng lựa chọn được khâu hiệu chỉnh thích hợp

Điều khiển hiện đại (modern control)

Từ khoảng năm 1960 đến nay

Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và

có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho

hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov

Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái

mà ta có phương pháp phân bố cục, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững…

Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử

lý và máy tính số Điều này cho phép thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết điều khiển kinh điển

Điều khiển thông minh (intelligent control)

Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết

mô hình toán học của đối tượng Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết

kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn Khuyết điểm của điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia Nhờ kết hợp logic

mờ với mạng thần kinh nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số bộ điều khiển mờ có thể thay đổi thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, vì vậy khắc phục được khuyết điểm thử sai Hiện nay các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các kỹ thuật điều khiển

thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng rất tốt

Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức năng thu nhập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối trên là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất

Hình 0.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển

Phân loại thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế là toàn bộ quá trình bổ sung các thiết bị phần cứng cũng như thuật toán, phần mềm vào hệ cho trước để được hệ mới thỏa mãn yêu cầu về tính ổn định, độ chính xác, đáp ứng quá độ Có 2 cách thiết kế:

Hiệu chỉnh nối tiếp: thêm các bộ điều khiển nối tiếp với hệ hở cho trước

Hình 0.2 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp

- Các bộ điều khiển thường được sử dụng: sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha, P, PI, PD, PID

- Phương pháp thiết kế ở dạng này là phương pháp QĐNS, phương pháp biểu đồ Bode

 Điều khiển hồi tiếp trạng thái: Tất cả các trạng thái của hệ thống được phản hồi trở

về ngõ vào

Hình 0.3 Sơ đồ khối hồi tiếp trạng thái

- Khi đó, bộ điều khiển sẽ là: r(t) - Kx(t), với K = [ki k2 kn] lá vector hồi tiếp trạng thái

- Phương pháp thiết kế: phân bô cực, LQR

Bộ điều khiển PID

Hình 0.4 Sơ đồ khối PID

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín, kết hợp ba bộ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lệ Nó có chức năng điều khiển hệ thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập bằng không nếu chọn thông số phù hợp

Mục tiêu điều khiển của bộ PID là giảm độ vọt lố (POT), giảm thời gian xác lập (ts), triệt tiêu sai số xác lập và giảm dao động

Bộ điều khiển P

Hình 0.5 Sơ đồ bộ điều khiển P

- Hàm truyền của bộ điều khiển P là Kp

Hình 0.6 Sơ đồ bộ điều khiển I

- Khâu D rất nhạy với nhiễu tần số cao

Trong thực tế, thiết kế bộ điều khiển PID bằng nhiều phương pháp như QĐNS, dùng biểu

đồ Bode, hay phương pháp giải tích nhưng rất ít dùng do khó khăn trong việc xây dựng hàm truyền Một trong những phương pháp phổ biến để thiết kế bộ điều khiển PID là phương pháp Zeigler – Nichols Và phương pháp điều chỉnh thủ công cũng là một trong những phương pháp thực nghiệm phổ biến để thiết kế bộ điều khiển PID

Hình 0.7 Sơ đồ bộ điều khiển D

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG Phần mềm Matlab/Simulink

MATLAB/SIMULINK là một chương trình viết cho máy tính PC hoạt động trong môi trường MS-DOS và môi trường WINDOWS nhằm hỗ trợ cho lập trình, các tính toán khoa học

và kỹ thuật được thiết kế với công ty “The MATHWORKS”

Thuật ngữ MATLAB được viết tắt của hai từ MATRIX và LABORATORY MATLAB được điều khiển với các tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng

và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác Matlab giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, và Fortran Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và ba chiều (3D)

SIMULINK là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để

mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động Nó cho phép mô tả hệ thống tuyến

Hình 0.1 Phần mềm MATLAB & SIMULINK

tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm

cả liên tục và gián đoạn MATLAB/SIMULINK được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm

xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích

mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB/SIMULINK là ngôn ngữ của tính toán khoa học

Simulink được bắt đầu từ lệnh MATLAB bằng cách nhập vào lệnh sau đây:

“simulink” hoặc biểu tượng Simulink trong bảng chọn Home

Hình 0.2 Giao diện Simulink

Hình 0.3 Các khối cơ bản của thư viện Simulink support package for arduino hardware

Hình 0.4 Các khối cơ bản thư viện Waijung Blockset

Giới thiệu về board mạch ARDUINO MEGA 2560

Board Arduino Mega 2560 là một KIT Arduino sử dụng vi điều khiển ATmega 2560 Nó

có thể kết nối trực tiếp với máy tính thông qua cổng USB để điều khiển và theo dõi quá trình

hoạt động, nhờ sử dụng chíp ATmega16U2 lâp trình như là một công cụ để chuyển đổi tín hiêu từ USB

Hình 0.5 Board Arduino Mega 2560

Hình 0.6 Sơ đồ chân Board Arduino Mega 2560

Dòng một chiều ở chân 3.3V: 50 mA

Giới thiệu về board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY

Board mạch STM32F407 Discovery là một loại kit thuộc họ vi điều khiển ARM Dòng ARM Cortex KIT STM32F4 Discovery là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ Nó được ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, mạng gia đình, cộng nghệ mạng không dây và các hệ thống

Hình 0.7 Board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY

Hình 0.8 Sơ đồ chân Board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY

Giới thiệu về mạch cầu H và board mạch công suất 700W Single H-Brigde

Mạch cầu H là một mạch đơn giản dùng để điều khiển động cơ DC quay thuận hoặc quay nghịch Trong thực tế, có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào linh kiện có dòng điện,

áp điều khiển lớn hay nhỏ, tần số xung PWM… Và chúng sẽ quyết định đến khả năng điều khiển của cầu H

Một động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách mắc cực âm và dương cho motor đó Ví dụ, động cơ DC có hai đầu A và B Nếu nối A vào cực dương (+) và

B vào cực âm (-) của nguồn thì động cơ quay theo chiều thuận (giả sử cùng chiều kim đồng hồ) Bây giờ nối ngược lại, A vào (-) và B vào (+), động cơ sẽ quay nghịch (giả sử ngược

chiều kim đồng hồ)

Hình 0.9 Nguyên lý mạch cầu H

Hình 0.10 Điều khiển động cơ quay thuận và ngược

Khi ta đóng S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và B nối với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quay theo chiều thuận Ngược lại, khi đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch

Hình 0.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H

Trên thực tế để điều khiển động cơ với tần số cao người ta thường sử dụng các Transistor hoặc MOSFET để đóng ngắt các công tắc S1, S2, S3, S4 Ngoài ra còn có thêm các linh kiện điện tử khác để bảo vệ mạch và giúp mạch hoạt động tốt hơn

Board mạch công suất 700W Single H-Brigde

Hình 0.12 Board mạch công suất 700W Single H-Brigde

Mạch cầu H được sử dụng trong 2 bộ KIT điều khiển DC motor và con lắc ngược là board mạch 700W Single H-Brigde

Hình 0.13 Sơ đồ chân Board mạch công suất 700W Single H-Brigde

Thông số kỹ thuật của Board 700W H Brigde

Bảng 0.2 Thông số 700W H Brigde

Mức tín hiệu điều khiển 3.3-5.0V

Mạch cầu H L298

Hình 0.14 Mạch cầu H L298

Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver

 Điện áp đầu vào: 5~30VDC

 Công suất tối đa: 25W 1 cầu

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

 Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

MÔ HÌNH DC MOTOR Giới thiệu phần cứng mô hình DC motor

Động cơ một chiều (DC motor) là một thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nó có hai bộ phận chính là nam chân vĩnh cửu và cuộn dây Ngoài ra nó còn có một chuổi than để liên kết nguồn điện bên ngoài với cuộn dây của motor, khi cuộn dây có điện thì sẽ có từ trường xung quanh cuộn dây Chiều quay của motor phụ thuộc vào chiều điện áp cấp cho motor làm cho motor quay cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ

DC motor thường là bộ phận chấp hành quan trọng của nhiều hệ thống điều khiển Nó trực tiếp cung cấp chuyển động quay cho trục động cơ, gắn với bánh xe hoặc dây đai có thể cung cấp chuyển động tịnh tiến

Để phù hợp với mô hình mô phỏng ta chọn động cơ Model R01SAKOE:

 Nguồn cấp cho động cơ: 12-24V

 Tốc độ không tải khi cấp nguồn 24VDC 4200 vòng/ phút

 Số xung một vòng của Encoder: 200 xung/vòng

 Dòng điện: 2.2A

Hình 0.1 Motor R01SAKOE

Xây dựng phương trình động học

Thông số DC motor

Hình 0.2 Mạch điện phần cứng và sơ đồ chuyển động của roto

Giả sử, đầu vào của hê ̣thống là điêṇ áp (V) cấp cho phần ứng của motor, đầu ra là tốc

đô ̣góc (𝜃̇) và vi ̣trí (𝜃) của rotor Mô men ma sát nhớt của rotor tỉ lê ̣ với vâṇ tốc góc Thông

số của motor thưc̣ tế chúng em làm mô phỏng như sau [7]:

 Mô - men quán tính của rotor: J = 4,6.10-6 kg.m2

Sức phản điện động của motor e tỉ lệ với vận tốc góc của trục bởi hằng số Ke

Trong đơn vị SI, hằng số momen xoắn động cơ và sức phản điện động của motor bằng nhau Kt = Ke Do đó, ta sẽ sử dụng K đại diện cho cả hai hằng số momen xoắn động cơ và hằng sốsức phản điện động của motor

Từ hình 4.1, chúng ta có thể thiết lâp ̣ các phương trình sau đây dựa trên định luật II Newton

Biến đổi Laplace 2 vế phương trình (4.3), (4.4) ta đươc̣:

1.13.3.2 Thiết lập hàm truyền bằng phương pháp nhận diện hệ thống

Khi cần mô phỏng một hệ thống lớn mà trong đó có DC motor nhưng không có những thông số chi tiết của DC motor đó thì chúng ta có thể dùng những dữ liệu thu thập từ thực tế

để thiết lập hàm truyền cho motor đó bằng công cụ Identification Toolbox

Để thiết lập được hàm truyền của một DC motor bất kì ta cần nhận diện hệ thống để tìm các hệ số cần thiết Các bước để nhận diện thông số của một DC motor

Thiết lập bộ điều khiển DC motor để thu thập dữ liệu đầu vào cho Identification

Toolbox

Hình 0.3 Code thu thập dữ liệu cho Toolbox

Hình 0.4 Dữ liệu được đưa ra Workspace bằng khối Simout

Sau khi dữ liệu đầu vào và đầu ra ta sử dụng lệnh “save ident volt rpm2” để lưu dữ liệu workspace

Hình 0.5 Cửa sổ làm việc System Identification

Sau đó nhập các dữ liệu thông số cần thiết để Import dữ liệu vào

Hình 0.6 Cửa sổ nhập thông số của dữ liệu

Sau khi nhập đầy đủ các thông số trên ta chọn Process Models và lựa chọn Poles của hàm truyền trong ô Transfer Function Chọn giá trị 2 cho Poles để xuất hệ số hàm truyền tốc độ Chọn giá trị 3 cho Poles để xuất hệ số hàm truyền vị trí

Hình 0.7 Hệ số của hàm truyền và dạng hàm truyền sau khi chương trình xử lý xong

Nhận diện hệ thống để thiết lập hàm truyền có một vài ưu điểm so với hàm truyền được tính toán dựa vào các thông số chi tiết sẳn có của mô tơ như: Có thể thiết lập hàm truyền cho các mô tơ không có thông số chi tiết, thiết lập hàm truyền mô phỏng sát với thực tế hơn do

mô tơ làm việc trong các môi trường khác nhau, sự hao mòn theo thời gian dẫn đến các thông

số chi tiết không còn lý tưởng như nhà sản xuất đưa ra

Thay các hệ số được máy tính ước tính vào phương trình ta được hàm truyền của hệ thống

Để kiểm tra độ chính xác của hàm truyền vừa nhận được dùng các khối đầu vào giống nhau (xung vuông và xung sin) để thu được những đầu ra tương tự nhau để dễ so sánh

Hình 0.8 Độ chính xác của hàm truyền so với hoạt động thực tế (Màu đỏ thực tế, màu

xanh được mô phỏng từ hàm truyền vừa tìm)

Thiết lập không gian trạng thái

𝐿𝜃̇ +𝑉𝐿

𝑖] = [

0 −𝑏𝐽

𝐾 𝐽

0 −𝐾𝐿

−𝑅 𝐿] [

𝜃𝜃̇

𝑖] + [

001 𝐿] 𝑉

𝑦(𝑡) = [1 0 0] [

𝜃𝜃̇

𝑖]

Với 𝐴 = [

0 −𝑏𝐽

𝐾 𝐽

0 −𝐾𝐿

−𝑅 𝐿] ; 𝐵 = [

001 𝐿] ; 𝐶 = [1 0 0]

Mô Phỏng

Thực hiện mô phỏng DC mô tơ bằng hàm truyền trên Matlab/Simulink với đầu vào là điện

áp (Volt) đầu ra là tốc độ (vòng/phút) Đưa một giá trị điện áp liên tục 12V vào hàm truyền

DC mô tơ trong 10s

Hình 0.9 Mô phỏng hàm truyền tốc độ DC mô tơ

Hình 0.10 Kết quả mô phỏng hàm truyền tốc độ

Hình 0.11 Mô phỏng hàm truyền vị trí DC mô tơ