Thiết kế bộ điều khiển cơ cấu nâng hạ vật bằng từ trường

bài tập lớn môn thiết kế hệ điều khiển nhúng, thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm bộ điều khiển nâng hạ vật bằng từ trường sử dụng vi điều khiển stm32. Bộ điều khiển có tích hợp các loại đầu ra và đầu vào dạng AI, DI, giao tiếp RS485, giao diện người dùng. Tài liệu bao gồm cách thiết kế, sơ đồ thiết kế, tinhd toán chi tiết, code chi tiết cho vi điều khiển

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT

BẰNG TỪ TRƯỜNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

A Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật bằng từ trường.  3

1.Giới thiệu  3

2 Tàu đệm từ.  3

3 Ổ bi từ.  4

4.Tìm hiểu các sản phẩm phục vụ hiện đang có mặt trên thị trường.  5

5 Tính năng.  5

B Thiết kế sơ bộ 6

1 Yêu cầu 6

2 Ý tưởng thiết kế thiết bị 7

 Tính năng kĩ thuật: 8

C Thiết kế phần cứng 8

1 Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện: 8

2 Thiết kế phần cứng 9

2.1 DI 9

2.2 DO 12

2.3 AI 14

2.4 AO 17

2.5 Cảm biến 20

2.6 LCD 20

2.7 Ma trận phím 4x4 21

2.8 Khối nguồn 22

2.9 Vi điều khiển 23

D Thiết kế phần mềm 23

1 Sơ đồ giao diện người dùng 24

2 Sơ đồ trạng thái điều khiển 25

3.Phần lập trình cho vi điều khiển stm32f103c8t6 26

A Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật bằng từ trường. 

1.Giới thiệu 

Hệ thống nâng hạ vật bằng từ trường ( tên tiếng Anh là: Magnetic leviation system) có nhiều ứng dụng trong thực tế với yêu điểm là giảm được ma sát Các hệthống này được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, giao thông vận tải; đặc biệt là sử dụng công nghệ chế tạo tàu đệm từ trường, các ổ bi từ, trong công nghệ chế tạo loa, … Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu hiện nay. 

3 Ổ bi từ. 

Các hệ thống và vòng bi từ tính lý tưởng dùng cho những ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và độ rung động thấp Không có tiếp xúc vật lý, nên không cần bôi trơn, sửa chữa hoặc thay vòng bi Mức tiêu thụ điện thấp, quản lý chủ động, tái định vị và quản lý độ rung động tích hợp sẵn cũng là những lợi ích của các hệ thống và vòng bi từ tính

4.Tìm hiểu các sản phẩm phục vụ hiện đang có mặt trên thị trường. 

-Cảm biến: Tìm hiểu các loại cảm biến xác định vị trí, đo khoảng cách có mặt trên

thị trường. Trong khuôn khổ đề tài ta sử dụng cảm biến siêu âm SRF04

- Nam châm điện: là các cuộn sắt từ có điện cảm 15mH và có điện trở 2 omh. 

- Quả cầu sắt: nặng 0.2kg 

5 Tính năng. 

+ Sử dụng nam châm điện hình chữ I, thay đổi dòng điện vào cuộn dây dẫn đến thay đổi cảm ứng từ -> thay đổi lực từ tác động lên vật -> thay đổi vị trị của vật. + Vị trí của của cầu được đo bởi cảm biến siêu âm HC-SR04 và đưa lại bộ điều khiển. 

+ Lực điện tác dụng lên quả cầu có hướng đi lên, khi cân bằng, lực điện cân bằng với trọng lượng của quả cầu. 

+Có các nút để nhập đầu vào theo khoảng cách được hiển thị trên màn hình LCD (sử dụng ma trận Keypad 4x4)

+ Có nút reset để đặt lại vị trí cho vật, trong khi đặt lại vị trí thì dòng điện đi qua nam châm sẽ được delay khoảng 15s và thay đổi từ từ sau khi ấn RESET. 

B Thiết kế sơ bộ

1 Yêu cầu

Để thiết kế được một hệ thống đệm từ trường trước tiên ta phải có 2 phần từ

- Nam châm vĩnh cửu: Ta sẽ gắn vật cần lơ lửng lên nam châm vĩnh cửu nhờ lựchút giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sẽ làm cho vật đó lơ lửng theo.

- Nam châm điện: Nam châm điện là phần tạo ra từ trường và tạo ra một lực húttác động vào nam chạm vĩnh cửu, giữ cho vật cần lợ lừng không bị rơi

Ta cho nam châm điện và nam châm vĩnh cửu tương tác với nhau

2 Ý tưởng thiết kế thiết bị

Bao gồm :

-Khối Nam Châm Điện + Sensor đặt trên cùng có tác dụng tạo lực hút và xác định vị trí của nam châm vĩnh cửu

-Nam châm vĩnh cửu được gắn trực tiếp vào vật cần Lơ Lửng

-Mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống được đặt bên dưới cùng, vừa hạn chế ảnhhưởng của từ trường tới mạch, vừa tận dụng làm đế cho hệ thống

 Tính năng kĩ thuật:

Các đầu vào:

 2 cổng DI: 24V

 1 cổng DI dung để nhận tín hiệu từ cảm biến

 4 cổng AI: 2 loại 4-20mA, 2 loại 0-10V

Các đầu ra:

 2 cổng DO: 24V

 2 cổng AO: 1 loại 0-10V, 1 loại 2-20mA

Giao diện người dùng:

 Hiển thị trên màn hình LCD giá trị thực, giá trị đặt và các giao diện cài đặt.

 16 nút bấm

C Thiết kế phần cứng

Yêu Cầu Của Hệ Thống Là:

-Vật cần lơ lửng phải đứng yên, lơ lửng trên không mà không căng giữ bằng một vật hoặc dây nào

- Nam châm điện và nam châm vĩnh cửu có một khoảng cách gần như không đổi

1 Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện:

- Khối ma trận nút nhấn Keypad 4x4: nhập dữ liệu khoảng cách đầu vào từ vật tới

cảm biến(ở đây cảm biến được đặt sát với đầu dưới của nam châm điện)

-Khối cảm biến siêu âm: HC-SR04 đọc vị trí của vật dựa vào cách tính khoảng thờigian truyền đi và nhận phản hồi: s = t/2*v; v là vận tốc siêu âm

- Khối LCD đọc giá trị nhập vào của Keypad ở dòng thứ nhất và hiển thị giá trị thực của vật ở dòng thứ 2

- Khối khuếch đại dòng: do dòng điện đầu ra của vi điều khiển tương đối thấp nên

để đảm bảo đủ điều kiện nâng vật thì cần dòng điện đủ lớn

- Mặt khác các khối AI,AO,DI,DO đảm bảo cho vi điều khiển tránh sự nhiễu loạn đột ngột do sự thay đổi của các khối bên ngoài

-

2 Thiết kế phần cứng

2.1 DI

a) yêu cầu

- Đầu vào mức cao 10-36V, mức thấp 0V

- Bảo vệ điện áp đầu vào, bảo vệ tĩnh điện ESD

- Cách li với bộ điều khiển

b) phương án sử dụng

-Sử dụng Opto-coupler PC817 để cách ly đầu vào số với vi điều khiển Khi đầu vào mức cao có dải rộng (10-36 VDC), để đảm bảo yêu cầu về mức logic, ta cần một mạch phân áp và so sánh ở trước nhằm cố định đầu vào

-Sử dụng OPAM giúp có thể thay đổi được Dead-band của mạch Trigger-Smith Lựa chọn OPAM LM324

-Bảo vệ điện áp cao và thấp đầu vào bằng diode SMAJ40CA.

Chọn Diode SMAJ40CA có thông số:

+Điện áp làm việc: 40V

+Điện áp đánh thủng: 49,1V

Diode bảo vệ điện áp đầu vào:

Bảo vệ áp cao: Khi điện áp vào chân không đảo của OPAM lớn hơn 12.6V

=> D5≥ 0.6V => D5dẫn

→Điện áp vào OPAM lớn nhất là: 12.6V

Bảo vệ áp thấp: Khi điện áp vào nhỏ hơn -0.6V

=> D5≥0.6V => D5 dẫn

→Điện áp vào OPAM thấp nhất là: -0.6V

Vậy chọn Diode 1N4005 có: VRSM: 400V, IR: 5µA

Điện trở mạch phân áp

Do điện áp mức logic cao đầu vào mạch phân áp có dải rộng 10-36V nên ta chọn điện trở sao cho điện áp đặt vào OPAM lớn nhất là 10V.

9mA ≤ I LED=Vcc−V LED

- Bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD

- Cách li với bộ điều khiển

b) Phương án sử dụng

- Sử dụng Opto PC817 (tích hợp sẵn led, sáng khi có tín hiệu 3,3V, dòng đầy vào khoảng 5-20mA) để cách ly đầu ra số với vi điều khiển

- Có 2 loại DO: dạng sink và Relay

- Sử dụng MPSA14 – một transitor NPN Darlington, chứ 2 transitor ghép với nhau cho ra dòng lớn

 Điện áp tối đa cực góp – cực phát (VCE): 30V

 Điện áp tối đa cực góp – cực gốc (VCB): 30V

 Điện áp tối đa cực phát – cực gốc (VEB): 10V

 Dòng cực góp tối đa (IC): 500mA

 Độ lợi dòng điện (hFE): β = 10.000

d) Tính toán và lựạ chọn linh kiện chính

Để led của opto mở bão hòa thì dòng điện tối thiểu đi qua nó phải là 10mA, dòng

ra max là 20mA

Sụt áp trên led là 1,2÷1,4V, đầu ra MCU là 3.3V Suy ra:

10mA ≤ U ra −U Led

R3 ≤ 20mA ⟺

{

10 ≤ 20mA 10mA ≤ 3.3−1.4 R

Khi đèn led sáng, dòng điện ngõ ra của Opto có I c 1 ÷ 50∈ 𝑚𝐴, sụt áp trên đầu racủa Opto là 0.2 Ta có:

Công suất tiêu thụ:

 Khi đèn Led sáng, dòng điện I c1 đi qua R6:

P=I cmax2∗R2=(50∗10 −3)2

∗1000=2.5W

- Do đặc tính cảm cuộn dây relay, diode được mắc thêm để tránh điện áp ngược

sinh ra từ cuộn khi đóng cắt relay Diode này phải chịu được điện áp ngược lớn hơn 24V

Chọn diode 1N4001 có điện áp ngược chịu được 50V

2.3 AI

a) yêu cầu

- Đầu vào dạng điện áp: 0-10V, dạng dòng điện 4-20mA

- Có bộ lọc nhiễu, bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD

- Cách li với bộ điều khiển

Tính toán và lựa chọn linh kiện linh kiện

- Chọn mạch phân áp để dòng vào nhỏ (I vmax = 50µA)

Diode TVS, diode bảo vệ áp chọn giống như phần DI.

d) đầu vào dạng dòng 4-20mA

Sơ đồ thiết kế

Tính toán và lựa chọn linh kiện linh kiện

- Dùng điện trở R6 = 250Ω để chuyển về dạng điện áp 1-5V

- Các linh kiện khác chọn giống đầu vào dạng điện áp

e) ADC

- Do có 4 cổng AI (2 loại 4-20mA, 2 loại 0-10V) nên ta lựa chọn ADC MCP3204

- Thông số:

 ADC 12 bit

 4 đầu vào Analog

 Truyền dữ liệu nối tiếp qua SPI

 Điện áp hoạt động :2.7−5.5V

- Kết nối: ADC 12 bit

 4 kênh CH0 →CH3 cho 4 đầu vào AI

 Các chân CLK, Din, Dout, CS để nối sang chân của cách li

f) Cách li

-Chọn IC ADUM4154 có thông số:

 Điện áp hoạt động: 3.3V /5.5V

 Hỗ trợ 4 thiết bị slave

 7 kênh tín hiệu tốc độ cao

 Hỗ trợ tốc độ tần số clock SPI lên tới 17MHz

- Các tụ C 6=C 7=0.1µF ởV DD có tác dụng lọc các sóng tần số cao do các linh kiện khác trên mạch gây ra

-Các chân SCLK, SI, SO, SS0 của ADUM4154 nối với ADC MCP3204

-Các chân MCLK, MO, MI, SSA0 của ADUM4154 nối với vi điều khiển

2.4 AO

a) Yêu cầu

- Đầu ra dạng điện áp: 0-10V, dạng dòng điện 4-20mA

- Có bộ lọc nhiễu, bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD

- Cách li với bộ điều khiển

+ Sử dụng DAC MCP4922 (dung chung với đầu ra dạng điện áp)

+ Sử dụng IC XTR116U để tạo nguồn dòng 4=20mA

Thông số XTR116U

Dòng ra tối đa: 25 mA

Dải điện áp cấp rộng: 7.5V – 36V

c) Sơ đồ thiết kế

d) Tính toán và lựạ chọn linh kiện chính

 Truyền tin SPI với tần số clock cao nhất là 20 MHz

 Thời gian xác lập nhanh: 4.5 μs

 Lựa chọn hệ số khuếch đại điện áp ra: x1, x2

 Điện áp hoạt động: 2.7 V −5.5 V

Đầu ra dạng điện áp 0-10V

- Chọn chế độ x2 điện áp của MCP4922 để điện áp ra của DAC ở chân VOUTA là:

0-10V

- Diode TVS, diode bảo vệ áp chọn giống như phần DI

- Tụ C3 = 0.1uF có tác dụng lọc các sóng có tần số cao từ bên ngoài, lọc các sóng

có tần số cao do các linh kiện khác trên mạch gây ra và ổn định điện áp

Đầu ra dạng dòng 4-20mA

- Chọn chế độ x1 điện áp của MCP4922 để điện áp ra của DAC ở chân VOUTB là:0-5V

- Theo datasheet, ta có: IO = 100 IIN

Dòng ra IO=4÷ 20 mA → IIN=40μA−200 μA

DAC sử dụng Vref=4.096 của XTR116U để tạo ra Để sử dụng toàn bộ dải điện áp

Chọn: R7=20kΩ; R8=5.6kΩ (là các giá trị điện trở phổ biến)

- Transistor chịu hoàn toàn dòng ra nên cần chọn transistor chịu được điện áp 36V

Sử dụng transistor MPSA 14 và A1015

Ta có công thức khuếch đại : Iout = β1*β2* Iin

β1β2 là hệ số khuếch đại của transistor

2.5 Cảm biến

- Sử dụng cảm biến siêu âm SRF04 để đo khoảng cách của vật.

- Cảm biến siêu âm SRF05 có 5 chân, bao gồm:

+ Chân cấp nguồn VCC: 5V

+ Chân Trigger: Chân kích hoạt sóng siêu âm

+ Chân Echo: Sử dụng để nhận biết có sóng siêu âm phản hồi

1. VSS: tương đương với GND – cực âm

3. Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình

4. Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu

5. Read/Write (RW): Quyết định việc sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode)

dữ liệu?

6. Enable pin: Cho phép ghi vào LCD

7. D0 – D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạnđang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếuđang ở chế độ ghi (write mode)

8. Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn mànhình LCD

- Sơ đồ kết nối

- Dòng điện 220V qua máy biến áp chuyển sang 30VAC.

- Sử dụng chỉnh lưu cầu 5A

- Tụ C9 để lọc điện áp đầu vào, C8 để lọc điện áp đầu ra

- Sử dụng IC 7812 để ổn định điện áp đầu ra là 12V

Chương trình phần mềm thực hiện 2 nhiệm vụ chính:  

- Giao tiếp với người dùng: Interface(); 

- Điều khiển vị trí: Control(); 

1 Sơ đồ giao diện người dùng.

RUN: trạng thái hoạt động của bộ điều khiển theo các thông số đã được thiết lập, được mặc định là trạng thái đầu tiên khi người dùng sử dụng

SET VALUE (SV): trạng thái thiết lập và hiển thị giá trị đặt của người sử dụng Đồng thời biến state được dùng để phân biệt giữa hai trạng thái SET VALUE và SETTING Khi ở trạng thái này, người dùng có thể sử dụng các nút trên Keypad đểthay đổi giá trị đặt Khi đó, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái CHANGE 

Trạng thái SV hiển thị giá trị đặt của đại lượng ta muốn điều khiển 

Nếu muốn thay giá trị đặt, người dùng nhấn phím trên ma trận phím Keypad để chuyển sang trạng thái CHANGE

Khi muốn quay lại trạng thái RUN từ trạng thái SV, người dùng nhấn BACK

SETTING: Trạng thái cho phép người dùng thiết lập thông số của bộ điều khiển: 

- Ở trạng thái này, người dùng thay đổi thuật toán điều khiển : tham số bộ điều khiển PID(kp,ki,kd) xác lập khoảng cách bám theo vị trí đặt

CHANGE: Trạng thái thay đổi thông số của SET VALUE và SETTING khi người dùng nhập đầu vào Ở trạng thái này, nếu nhấn phím thì các giá trị thay đổi sẽ

được lưu lại và quay lại trạng thái trước đó, nếu như nhấn phím Back thì không lưucác giá trị vừa chỉnh sửa và quay lại trạng thái RUN.

- LCD display: Hiển thị trạng thái mà người dùng muốn thay đổi, đồng thời hiển thị khoảng cách thực tế của vật

2 Sơ đồ trạng thái điều khiển.

Các trạng thái của bộ điều khiển

PID: Đo và điều chỉnh khoảng cách thực tế bằng cách sử dụng các thông số điều

khiển P, I, D để tính toán sức điều khiển cuối cùng và điều chỉnh dòng điện đầu vào nam châm để đảm bảo cảm ứng từ tác động lên vật sinh ra một lực từ đủ lớn giữ vật bám với khoảng cách giá trị đặt

Manual: chế độ xác lập, khoảng cách thực tế gần tương đương với giá trị đặt.

3.Phần lập trình cho vi điều khiển stm32f103c8t6

- Môi trường lập trình: sử dụng visual C++ 2022 có bao gồm công cụ lập trình arduino IDE hỗ trợ dòng chíp ARM

- Để đơn giản hóa chương trình, cần chia ra các thành phần khác nhau, bao gồm:

+ Key.c, Key.h: Là hai chương trình thực hiện nhiệm vụ quét ma trận

nút nhấn 4x4 và thực hiện việc nhập số liệu đầu vào từ bàn phím

+ Hc-sr04.c, Hc-sr04.h: Thực hiện việc đọc dữ liệu khoảng cách thực

tế và gửi giá trị cho hàm main thực hiện nhiệm vụ điều khiển giá trị sao cho bám với khoảng cách đặt thực hiện ở hàm Key.c

+ Lcd.c, Lcd.h: Có 2 nhiệm vụ đọc và ghi: Đọc dữ liệu từ cảm biến gửi về hiển thị ở dòng 1 và ghi dữ liệu từ ma trận phím nhập vào

+ PID.c, PID.h: Có nhiệm vụ điều khiển bám giá trị đặt dựa vào các thông số Kp,Ki, Kd của bộ điều khiển.

+ Main.c: Gọi tất cả các chương trình con và kết hợp chúng lại để thực hiện các chức năng hoàn chỉnh

void Keypad_Init( void );

char Keypad_GetKey( void );

#endif /* KEYPAD_H */

Key.c

#include "keypad.h"

/* Cau hinh chan */

#define KEYPAD_PORT GPIOB

#define KEYPAD_ROW1 GPIO_Pin_8

#define KEYPAD_ROW2 GPIO_Pin_9

#define KEYPAD_ROW3 GPIO_Pin_10

#define KEYPAD_ROW4 GPIO_Pin_11

#define KEYPAD_COL1 GPIO_Pin_12

#define KEYPAD_COL2 GPIO_Pin_13

#define KEYPAD_COL3 GPIO_Pin_14

#define KEYPAD_COL4 GPIO_Pin_15

/* Matran phim */

static char button_map[4][4] = {

{ '7' , '8' , '9' , 'A' },

{ '*' , '0' , '#' , 'B' }

};

/* khoi tao chuc nang */

void Keypad_Init( void ) {

/* các hang tren ban phim la dau ra, cot la dau vao */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEYPAD_ROW1 | KEYPAD_ROW2 | KEYPAD_ROW3 |

/* doc gia tri */

char Keypad_GetKey( void ) {

int row, col;

char key = '\0' ;

for (row = 0; row < 4; row++) {

/* dat 1 hang muc thap, cac hang khac thanh muc cao */

GPIO_ResetBits( KEYPAD_PORT , KEYPAD_ROW1 << row);

GPIO_SetBits( KEYPAD_PORT , KEYPAD_ROW1 << ((row + 1) % 4) |

KEYPAD_ROW1 << ((row + 2) % 4) |

KEYPAD_ROW1 << ((row + 3) % 4));

/* kiem tra cot nao muc thap */

for (col = 0; col < 4; col++) {

if (GPIO_ReadInputDataBit( KEYPAD_PORT , KEYPAD_COL1 << col) == 0) {

key = button_map[row][col];

break ;

}

}

void HC_SR04_Init( void );

float HC_SR04_GetDistance( void );

#endif /* HC_SR04_H */

Hc-sr04.c

#include "hc_sr04.h"

/* cau hinh chan */

#define HC_SR04_PORT GPIOB

#define HC_SR04_TRIGGER GPIO_Pin_0

#define HC_SR04_ECHO GPIO_Pin_1

/* xac dinh bien thoi gian */

#define HC_SR04_TIMEOUT 500000

#define HC_SR04_MAX_DISTANCE 400.0f // Khoang cach toi da hc-sr04 do duoc

#define HC_SR04_US_PER_CM 58.0f //so micro giay tren cm

/* khoi tạo hoat dong */

void HC_SR04_Init( void ) {