Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người

Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người, Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở

người.

Giáo viên hướng dẫn : Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện : Hà Tài Cường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng và phát triển, mọi người sống và làm việc trong một môi trường hoà bình Nhưng để có được điều đó đất nước ta đã phải trải qua những năm tháng chiến tranh vô cùng khó khăn gian khổ mà cũng vô cùng

oanh liệt Chiến tranh đã đi qua mấy chục năm rồi nhưng dư âm và hậu quả của nó thì

không thể kể xiết được Hiện nay nó vẫn còn đeo đuổi các bác, các chú và con cháu

của họ làm cho họ mất đi khả năng lao động của đôi chân Bên cạnh đó còn do hậu quả

của tai nạn lao động, tai nạn giao thông và sự già hoá của một bộ phận dân số khiến họ

không thể tự mình đi lại được

Để đáp ứng nhu cầu này, từ nhiều thập niên qua, con người đã nghiên cứu thiết

kế và chế tạo ra xe lăn Đây là một loại phương tiện thuận lợi trợ giúp cho người

khuyết tật có thể tự mình di chuyển một cách dễ dàng

Theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ những chiếc xe

lăn ngày càng trở lên phong phú và tiện ích hơn cho người sử dụng Trước đây xe lăn

chỉ đơn thuần là những loại thô sơ, chủ yếu dùng sức của đôi tay để di chuyển như: xe

lăn tay khung cứng, sau đó để thuận tiện cho việc vận chuyển nhẹ nhàng đỡ cồng kềnh

người ta đã cho ra đời xe khung gấp Rồi xe lăn có thể tự điều chỉnh tư thế nằm ngồi,

xe có ghế vệ sinh và ngày nay nó đã trở lên thuận tiện hơn với xe gắn động cơ giúp

người dùng không cần nhiều đến sức mạnh của đôi tay trong việc di chuyển nữa

Trên thế giới đã và đang thiết kế ra các loại xe có khả năng lên xuống cầu thang, nâng

hạ độ cao của xe

Đồ án của chúng em chọn đó là “xe lăn điều khiển dựa trên phương pháp

điện cơ đồ ở người” Tuy nhiên, với kinh phí và trình độ hạn hẹp, chúng em cũng gặp

nhiều khó khăn trong việc nghiên cứu và chế tạo Chúng em rất mong nhận được

những đóng góp và hỗ trợ của các thầy cô giáo để đồ án chúng em được hoàn thiện

hơn

Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Ngọc Duy, người đã nhiệt

tình giúp đỡ, động viên và khuyến khích chúng em trong quá trình nghiên cứu và thực

hiện đồ án Chúng em xin cảm ơn các thầy cô giáo và ban giám hiệu nhà trường đặc

biệt là các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này

Ngoài ra chúng ra xin cảm ơn anh Trần Minh Nhật, anh Lê Hữu Luyện,những người

anh đã giúp đỡ bọn em trong quá trình nghiên cứu và tìm kiếm linh kiện

Hà Nội, ngày…tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện:

Hà Tài Cường Phạm Quang Cương Phạm Văn Hưng

Trần Văn Minh

Trương Công Mạnh

Mục lục

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Giới thiệu chung 7

1.2 Các vấn đề đặt ra 8

1.3 Phương pháp nghiên cứu 9

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu 9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN 10

2.1 Lịch sử phát triển của xe lăn điện 10

2.2 Cấu tạo xe lăn điện 12

2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm 12

2.2.2 Phần điện – điện tử 15

2.2.3 Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID 17

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XE LĂN ĐIỆN 31

3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 31

3.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 32

3.3 Mô phỏng hệ thống cơ khí 32

3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển 34

3.1.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 34

3.1.2 Thiết kế mạch điện tử 34

3.1.3 Thiết kế chương trình điều khiển: 38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 41

4.1 Thiết kế và chế tạo cơ khí chuyển động 41

4.1.1 Thiết kế và thi công khung xe (hình 4.1) 41

4.1.2 Thiết kế và thi công cụm bánh sau (hình 4.4) 44

4.1.3 Thiết kế và thi công cụm bánh trước (hình 4.5) 45

4.1.4 Thiết kế và thi công cụm gối tay (hình 4.6) 47

4.1.5 Thiết kế và thi công cụm tựa lưng (hình4.8) 48

4.1.6 Thiết kế và thi công cụm để chân (hình 4.7) 51

4.1.7 Thiết kế và thi công hộp đựng mạch 55

4.2 Thiết kế và thi công mạch trung tâm 56

4.2.1 Mạch xử lý trung tâm 56

4.2.2 Khối mạch xử lý trung tâm 57

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN XE LĂN ĐIỆN……… 58

5.1 Đánh giá xe lăn điện……… 58

5.2 Hướng phát triển xe lăn điện………58

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 59

MỤC LỤC……….…60

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Xe lăn điện là một chiếc xe lăn thông minh có thể tự động thực hiện di chuyển(rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi) thông qua một bộ điều khiển Qua đó người điều khiển có thểchỉ cần ấn nút hoặc sử dung cần gạt joystick để điều khiển chiếc xe, thay vì phải nhờngười thân đùn, đẩy

Trước tình hình giá xăng dầu trên thế giới ngày càng tăng như hiện nay và cácnghuyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụngnguồn nguyên liệu mới thay thế những nguồn nguyên liệu đang sử dụng hiện thời làmột nhu cầu cần thiết Chính vì vậy năng lượng điện là nguồn nhiên liệu phù hợp nhất

để thay thế cho các loại nguyên liệu hiện nay và xe lăn điện là một trong số đó

Do đó, hiện nay hệ thống xe lăn điện phát triển khá mạnh trên cơ sở đó việcnghiên cứu vag cho ra đời chiếc xe lăn điện làm phương tiện đi lại phục vụ cho ngườikhuyết tật la một yêu cầu phù hợp và khả thi trong việc mở rộng và phát triển hệ thống

xe lăn điện trên thế giwosi cũng như tại Việt Nam Hiện nay cũng có những xe lăn nổitiếng cũng đã đầu tư và phát trienr xe lăn nhằm phục vụ nhu cầu của người tiêu dungnhư hang xe lăn Kiến Tường… Nhìn chung các mẫu xe lăn xó dáng đẹp và phù hợpvới thị hiếu của các đối tượng nười tiêu dung Một số xe lăn điện hiện nay như

:

Hình 1.1 Xe lăn điện W-HA1022

Hình 1.2 Xe lăn điện W-HA1018L

Nhìn chung hệ thống xe lăn điện hiện nay tuy chưa thực sự phát triển mạnh vì nhucầu sử dụng của người tiêu dùng nhưng trong tương lai đây là một trong những ngànhkhá phát triển yếu tố hạn chế của xe điện là bộ nguồn cung cấp cho xe không đủ lâu

để đáp ứng nhu cầu khi di chuyển xa, thế nhưng nếu chúng ta nghiên cứu và vận dụngnguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho xe thì đây lại là yếu tố thúc đẩy ngành sảnxuất này phát triển mạnh mẽ

Trước tiên, đó là công nghệ điện cơ đồ ở người, cụ thể trong đề tài là xe lănđiều khiển dựa trên phương pháp điện cơ đồ ở người Các thiết bị nhận dạng bán trênthị trường sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, với giá cả, độ tin cậy, tốc độ xử lý rấtkhác nhau Và đặc biệt rất khó mua tại Việt Nam

Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm bảocho xe chạy êm, mượt mà, để người ngồi trên xe có thể thoải mái nhất trong quá trìnhhoạt động Đặc biệt là việc thiết kế hệ thống ghế ngồi

Việc xây dựng được thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển cho chiếc

xe cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo điều khiển cho máy hoạt động

được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy ra khi xe hoạt động, vừa phải làm sao choviệc lập trình đơn giản nhất có thể.

Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần đượcđiều khiển chính xác

Xe phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Xe lăn điện là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và là một sản phẩm

cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứusau:

- Nghiên cứu mô hình của các chiếc xe lăn đã có sẵn trên thị trường, kết cấu, giaodiện, tính năng của những chiếc máy đó Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới hạn đềtài

- Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế máy, cụ thể là: + Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời

+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoàn thiệnthiết kế trước khi chế tạo

+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưađược thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện Sau cùng, chếtạo thật mô hình cơ khí

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu

Một chiếc xe lăn điện có rất nhiều tính năng Tuy nhiên trong phạm vi một đề

tài đò án môn, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉchế tạo một mô hình xe lăn điện với những tính năng sau:

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của xe lăn điện

Phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện

Chế độ hoạt động của xe lăn điện

Lỗi cảnh báo trong quá trình hoạt đọng của xe lăn điẹn

Quy trình điều khiển xe lăn điện

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ĐIỆN

2.1 L ch s phát tri n c a xe lăn đi n ịch sử phát triển của xe lăn điện ử phát triển của xe lăn điện ển của xe lăn điện ủa xe lăn điện ện

Xe lăn điện là chiếc xe được xuất thân từ chiếc xe lăn tay, nhưng được chế tạothêm hệ thống điện gồm mô tơ điện, bình ắc quy, bộ xích, cơ cấu gài… Khi hết điệntrên đường đi thì người dùng chuyển sang lăn tay được

Nhưng chiếc xe lăn đầu tiên được phát minh năm 1595, được thiết kế dành chovua Philip II của Tây Ban Nha bởi một nhà phát minh vô danh

Năm 1655, Stenphen Farfler là một thợ sửa đồng hồ bị liệt 2 chân đã tạo nênmột chiếc ghế tự đẩy đi trên ba bánh xe

Vào năm 1783, John Dawson của thành phố Bath ở nước Anh đã phát minh rachiếc xe lăn được đặt theo tên riêng của thành phố Bath Dawson đã thiết kế 2 cái bánhthật lớn và thêm 2 cái bánh nhỏ kế bên Chiếc xe lăn Bath được bán rộng rãi hơn tất cảnhững xe khác vào những năm đầu của thế kỉ 19

Tuy nhiên, chiếc xe lăn của Bath không hoàn toàn thoải mái và đã có rất nhiềucải tiến cho xe lăn này Vào năm 1869, quyền sáng chế xe lăn đã được công nhận và

đã trình làng mô hình đầu tiên với bộ điều khiển bánh xe và những cái bánh nhỏ giúpđiều khiển tốt hơn Vào những năm 1867-1875, những nhà phát minh đã đưa thêmnhững miếng cao su rỗng vào bánh xe tương tự sử dụng trong xe đạp trên vành kimloại Vào năm 1881, dụng cụ đẩy để tự đẩy về phía trước được phát minh

Năm 1900, bánh xe căm đầu tiên được xuất hiện được sử dụng trong bánh xe.Năm 1916, bánh xe có motor đầu tiên được sản xuất ở Luân Đôn

Năm 1932, kĩ sư Harry Jennings đã tạo nên bánh xe lăn thép hình ống Đóchính là chiếc xe thép hình ống đầu tiên trên thế giới tương tự như xe được sử dụngngày nay Chiếc xe này được tạo nên dành cho người bạn của Jenny bị bệnh liệc cả haichân Herbert Everest Họ cùng nhau tạo nên công ty Everests & Jennings, công ty giữđộc quyền trong thị trường xe lăn trong nhiều năm Một vụ kiện chống độc quyền đãthực sự chống lại Everest & Jennings do Sở Tư pháp, buộc tội công ty với giá cả xelăn gian lận Vụ kiện này đã được hòa giải tại tòa

Ngày nay, con người còn có thể thiết kế ra được cả chiếc xe lăn thận thiện vớimôi trường như: xe lăn năng lượng mặt trời (hình 2.1) hay xe lăn vượt địa hình như: xelăn leo bậc thang (hình 2.2)

Hình 2.1: Xe lăn năng lượng mặt trời

Hình 2.2: Xe lăn leo bậc thang

2.2 C u t o xe lăn đi n ấu tạo xe lăn điện ạo xe lăn điện ện

Xe lăn điều khiển bằng phương pháp điện cơ đồ ở người bao gồm các thành phầnchính:

 Kết cấu cơ khí sản phẩm

 Phần điện – điện tử

 Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ ở người và bộ điều khiển PID

2.2.1 Kết cấu cơ khí của sản phẩm

Xe lăn được chế tạo dựa trên khung sườn của loại cơ bản, toàn bộ khung được làminox tròn và inox vuông giúp xe cứng chắc nhưng vẫn nhẹ

Các bộ phận chính gồm: Khung sườn, cụm bánh trước, cụm bánh sau, động cơ điềukhiển tốc độ

a, Khung chính (sườn xe)

Khung xe bao gồm các thanh inox được gắn cứng với nhau bởi mối hàn TIG, làphần chịu lực chính của xe và cũng là trung tâm liên kết các bộ phận khác của xe (nhưhình 2.3)

Hình 2.3: khung chính xe lăn

 Inox hay còn gọi là thép không gỉ là là một dạng hợp kim của sắt chứatối thiểu 10,5% crôm Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thôngthường khác Do đó, để đáp ứng tính an toàn trên chiếc xe lăn thì khung

xe ta chọn ống tròn có đường kính 25mm, và ống vuông 12x24mm đểbắt động cơ

 Hệ thống giảm xóc là một bộ thiết bị cơ khí được thiết kế để làm êm dịunhững rung động hoặc những va đạp và để làm tiêu tan năng lượng độnglực Do đo, để người ngồi trên xe được thoải mái, êm dịu thì chiếc xe lănnày được gắn them hệ thống xy lanh ở phía sau (như hình 2.4).

Hình 2.4: Bộ giảm xóc

Đối với xe lăn trong quá trình tính toán thiết kế tính an toàn được đặt lên hàngđầu, do đó người ta thường sử dụng inox hay thép cacbon để đảm bảo độ cứng vững,mặt khác với dạng ống này thuận tiện cho người sử dụng do nó vừa lòng bàn tay (khingười sử dụng muốn bám vào thành xe)

 Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp Moay ơ để nối vành với trục

bánh xe Về kích thước của vành được quyết định bởi lốp và khả năngchịu tải của lốp Những thong số quan trọng nhất của vành xe như là:chiều rộng vành, đường kính vành, bề mặt vành

 moay ơ: là một chi tiết trong cumk bánh xem là tring khu điều khiển và

dùng để lắp lồng không với trục (tách rời chuyển động bánh xe)

 Nan hoa: Nan hoa là một chi tiết truyền lực từ Moay ơ đến vành, chiều

dài và đường kính của nan hoa được quyết định khoảng cách từ đườngkính lỗ trên vành đến lỗ trên mặt bích của Moay ơ và tải trọng của xe, sốlượn của nan hoa được quyết định bởi các cách đan nan hoa (chéo 2,chéo 4, chéo 6,…) Thường nan hoa là 6x80 hoặc 6x60 Để đảm bảo điềukiện độ cứng cững, độ kéo, nén vật liệu chế tạo nan hoa thường là thépC45

 Trục:do trục được gắn cứng với khung của xe do đó trong chuyển động

quay của bánh xe và trọng lực của xe khi có trọng lượng nên trục chịuứng suất bởi mômen xoắn và mômen uốn Do đó khi chế tạo trục, vậtliệu và đường kính của trục phải đáp ứng được khả năng chịu mômenxoắn dọc trục và mômen uốn Thông thường với các loại xe lăn vật liệuthường được chọn để chế tạo trục là thép CT45, cỡ 15

 Ổ bi: Chọn ổ bi đỡ một dãy, cỡ ổ là ổ 215 (tuân theo tiêu chuẩn ISO) có

đường kính ngoài là D = 35mm đường kính trong là d = 15mm, chiềurộng b = 11mm

 Săm lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất Lốp bánh sau thường là

lốp bơm hơi hoặc là lốp đặc, lốp bơm hơi dùng xe đi êm hơn và dễ đẩyhơn lốp đặc Tuy nhiên, ta lông lốp xe bị mòn nhanh hơn so với lốp đặc

- Cụm bánh trước ( như hình 2.4)

Cụm bánh trước có thể xoay được mọi hướng và làm tăng khả năng điều khiểncủa xe Cụm bánh trước gồm vành những đúc, săm, lốp, vòng bi, trục, trục càng bánhtrước

Hình 2.4: Cụm bánh trước

 Vành: là một phần của bánh xe để lắp lốp Đường kính vành là 12 cm và

dày khoảng 5cm

 Săn lốp: Lốp xe là bộ phận tiếp xúc với mặt đất Để xe chạy êm hơn thì

lớp sau ta cũng dùng lốp bơm hơi Đường kính khi bơm căng lốp củabánh trước vào khoảng 25cm

 Vòng bi: là một kết cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách

chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành

ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong mộtkhung hình khuyên

 Trục: do bánh trước chịu tải nhỏ hơn so với trục bánh sau rất nhiều nên

với bánh trước ta chọ dường kính là 10

 Trục càng bánh trước:là bộ phận chuyển động từ bánh trước vào khung ,

truyền trọng lực từ khung tới cụm bánh trước, ngoài ra cụm bánh trướccòn đóng vai trò là bánh lái vì vậy mà trục càng bánh trước còn phải cótác động đảo chiều chuyển động của cụm bánh trước

2.2.2 Ph n đi n – đi n t ần điện – điện tử ện ện ử phát triển của xe lăn điện

a, Tổng quan về Atmega8

Hình 2.5: Hình dạng thực tế của ATMEGA8.

- Giới thiệu

Atmega8 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiếntrúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) Vào ra Analog – digital và ngược lại.Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thếtốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz Vi điều khiểnnày cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ độ tiêu thụ năng lượng mà vẫnđảm bảo tốc độ xử lí

Hình 2.6: Sơ đồ chân Atmega8

Đặc trưng:

 Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp

 Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp

 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng

 Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MIPS

 Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể ghi xóa 10000lần

 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội

 Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O.

 Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chiatần lập trình được

 Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10bit

 Nguồn nuôi từ 4.5 đến 5.5V, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA

 Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 16 Mhz Ngoài ra chíp Atmega8còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp

Atmega8 trong mạch được sử dụng trong bộ driver PID Khi đó, chương trình PID

sẽ được lập trình sẵn trong con chíp này, và nó cũng có nhiệm vụ giao tiếp với conchíp master DSPIC33FJ128GP708A-I/PT

Khi sử dụng vi điều khiển Atmega8, có rất nhiều phần mềm được dùng để lậptrình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio củaAtmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR C - CMPPILERcủa GNU… Trình dịch C đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễtiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR

C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốthơn

2.2.3 T ng quan v ph ổng quan về phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID ề phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID ương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID ng pháp đi n c đ và b đi u khi n PID ện ơng pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID ồ và bộ điều khiển PID ộ điều khiển PID ề phương pháp điện cơ đồ và bộ điều khiển PID ển của xe lăn điện

a Tổng quan về phương pháp điện cơ đồ

Tín hiệu điện cơ(electromyogram(EMG)) là một dạng tín hiệu điện sinh học rấtquan trọng có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh Đo điện cơ

là một hoạt động ghi lại hoạt động điện của cơ.Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòng điện.Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ.Đo điện cơ còn gọi là điện cơ

đồ Đo điện cơ có thể được dùng để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra

ở bất kỳ bệnh lý nào bao gồm bệnh loạn dưỡng cơ,viêm cơ,bệnh thần kinh gây đau,tổnthương thần kinh ngoại biên (tổn thương thần kinh cẳng tay ,chân),xơ cứng cột bên teocơ,nhược cơ,thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác

Tại sao phải đo điện cơ? Đo điện cơ thường được thực hiện khi người bệnh bị yếu

cơ mà không giải thích được,hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vận động nhưrun rẩy hay co giật,tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh lý khác.Đođiện cơ giúp phân biệt giữa bệnh cơ mà trong đó nguyên nhân gây bệnh xuất phát từ

cơ và yếu cơ do rối loạn thần kinh.Đo điện cơ cũng có thể sử dụng để phát hiện yếu cơthực sự,ngược với yếu cơ do đau làm người bệnh không dám cử động nhiều

Trong phạm vi của đồ án môn học, em muốn ứng dụng sự thay đổi của tín hiệu điện

cơ làm tín hiệu điều khiển chính, mô phỏng cho hoạt động của tay người

 Nguồn gốc của điện cơ

Nguồn gốc của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là sự thay đổi rất nhanh củađiện thế qua màng tế bào của tất cả các tế bào sống Cụ thể hơn, các tín hiệu điện sinhhọc phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể thấy ở các

tế bào thần kinh hay ở các tế bào cơ gồm cả cơ tim.Cơ sở điện hóa của điện thế màng

tế bào tồn tại dựa trên 2 hiện tượng : (1) màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cáchkhác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau, và(2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sư dụng năng lượng trao đổi chất (ví dụ ATP).Các cơ chế bơm ion chủ động truyền ion và phân tử qua màng tế bào, chống lại hàngrào năng lượng và Gradien nồng độ giữa phần trong và phần ngoài tế bào Ở trạng tháibền các ion liên tục có xu hướng lọt vào bên trong (Na+) hoặc ra ngoài tế bào (K+) tếbào, quá trình bơm ion diễn ra liên tục nhằm phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạngthái này Tín hiệu điện cơ (EMG) là một tín hiệu điện sinh học quan trọng có giá trịchẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh Chúng ta có thể đo tín hiệu này

từ bề mặt da với các điện cực tương tự như đo ECG, tuy nhiên kích thước điện cực cầnphải nhỏ (thường < 1 mm2) Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU– tập hợp từ một số sợi cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí phải dung đến các điện cực dạngkim xuyên qua da tới bề mặt cơ cần đo Việc ghi nhận tín hiệu EMG dùng để chẩnđoán một số nguyên nhân suy yếu cơ hoặc hiện tượng liệt, các vấn đề về cơ và vậnđộng như run rẩy hay co giật, tổn thương thần kinh cơ do thương tích và một số bệnh

lý khác Trong cơ thể có một số loại cơ chính là cơ vân, cơ trơn và cơ tim Cơ vânthường được chia thành cơ nhanh và cơ chậm Cơ nhanh dung trong các chuyển độngnhanh gồm có cặp cơ ở cẳng chân , cơ thanh quản, … Cơ chậm dung cho điều khiển tưthế gồm các cơ như cơ dép, các cơ ngực, lưng và cổ,… Việc ghi tín hiệu EMG thườngđược thực hiện cho cả hai loại cơ trên Ngoài ra người ta cũng thường đo cho các cơ ít

lộ diện hơn như cơ ngoài mắt để di chuyển nhãn cầu, cơ mí mắt và các cơ dung chođiều khiển thanh quản Mỗi cơ vân cụ thể được chi phối bởi một nhóm tế bào thầnkinh cột sống, trong đó các Neuron vạn động nhận tín hiệu kích thích và ức chế đầuvào từ các Neuron phản hồi lân cận trên sống cơ, dây chằng Golgi và các tế bào phảnhồi Renshaw Các Axon Neuron vận động riêng biệt điều khiển sự co thắt một cơ cụthể, được phân bố trên các nhóm nhỏ các sợi cơ gọi là một đơn vị vận động đơn(SMU) Các SMU hợp lại sẽ thành cả cơ Kết nối giữa các đầu nhánh của một Axonvận động đơn lẻ với các sợi cơ SMU được gọi là các tấm vận động (MEP) MEP là cáctiếp hợp hóa học mà ở đó chất truyền dẫn là Acetylcholine (ACh) được giải phóng ratrước tiếp hợp và khuếch tán qua các khe trống ở mối nối đến các vùng thu nhận trênmàng tể bào sát tiếp hợp Khi một xung điện của Neuron vận động đi đến một MEP,

nó kích hoạt quá trình Exocytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ trống chứaAch trước Synap (có xấp xỉ 3.105 lỗ trống đầu mỗi MEP, mỗi lỗ trống có đuờng kính

khoảng 40nm) Một lượng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử Ach cần để kích hoạt mộtđiện thế hoạt động cơ Ach khuếch tán qua khe Synap rộng từ 20 đến 30 nm trongkhoảng thời gian xấp xỉ 0,5ms Tại đây một số phân tử Ach kết hợp với các điểm tiếpnhận trên các đơn vị protein hình thành nên các đường tiếp nhận ion dưới Synap Cứ 5đơn vị protein phân tử khối lớn tạo thành một đường Ach gắn vào các đơn vị protein

sẽ làm giãn các đường này ra thêm 0,65nm Các đường dẫn ion mở rộng cho phép ionNa+ chảy vào Tuy nhiên các ion Cl- vẫn bị đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửavào của đường Như thế, màng dưới Synap đã được khử cực, tạo ra một điện thế hoạtđộng của cơ Điện thế qua màng có thể tăng lên đến +50mV, tạo thành một xung điệnthế qua tấm vận động EPP Điện thế này sẽ được hình thành sau một khoảng thời gianxấp xỉ 8ms, thời gian này lâu hơn rất nhiều so với điện thế hoạt động thần kinh LuợngAch ở khe Synap và phần bám vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủyphân bởi enzyme Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử củachúng sẽ được tái sử dụng Một lượng nhỏ Ach thoát khỏi khe nhờ quá trình khuếchtán và cũng bị thủy phân Khi màng sau Synap ở ngay dưới MEP bị khử cực dưới dạngđầu ra là một xung EPP có ngưỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra vàtruyền đi theo màng ngoài của sợi cơ Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiệntượng co cơ hoặc tổn hao sinh lực vận động Các loại điện thế hoạt động cơ thôngthường được đo bên trong tế bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm Điệnthế hoạt động trong cơ xương được truyền đi với vận tốc từ 3 đến 5m/s và tồn tại trongkhoảng từ 2 đến 15ms, phụ thuộc vào mỗi loại cơ và mức độ dao động của nó từ giá trịnghỉ khoảng -85mV đến giá trị đỉnh xấp xỉ +30mV Ở mặt da, điện thế này xuất hiệndưới dạng xung ba pha có biên độ đỉnh từ 20µV đến 2000µV Một dạng điện thế hoạtđộng cơ bình thường được đo bên trong tế bào ở tấm vận động (nét liền) và cách 2mmtheo sời cơ (nét đứt) Để đảm bảo tất cả các bộ phận sâu bên trong sợi cơ dều được kíchthích để co rút cùng lúc và cùng một cường độ, dọc theo sợi cơ sẽ có các sợi ngangdạng ống nhỏ xoáy sâu bên trong sợi cơ gọi là ống T Các ống T này có đầu mở đểnhận dich từ ngoài tế bào vào và cả hai đầu của ống đều nối với màng của sợi cơ.Chúng dẫn truyền điện thế họat động cơ từ phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi

cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ Một kích thích đồng bộ tất cả các Neuron vậnđộng phân bố trên cơ được gọi là hiện tượng co giật, tức là độ căng của cơ giảm xuốngmột lượng nhỏ sau đoa tăng lên bất ngờ rồi lại giảm xuống dần đến không Sự co cơkéo dài được tạo ra từ quá trình kích thích cơ từ hệ thần kinh một cách đều đặn Khi sựkích thích ngưng lại cơ sẽ về trạng thái nghỉ

 Cách ghi tín hiệu EMG

Để đo tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU-tập hợp từ một số sợi

cơ riêng lẻ) hoặc thậm chí là từ các sợi cơ riêng lẻ, người ta phải dùng đến các điệncực dạng kim xuyên qua da tới bề mặt của cơ cần đo Do vậy,phương pháp đo này đặc

biệt cần các yêu cầu về vô trùng Sau đây nhóm em sẽ giới thiệu qua về một số điện

cực Điện cực dùng trong EMG là điện cực đồng tâm EMG Adrian và Bronk phát triển

các điện cực đồng tâm để thu được một chỗ kẹp nhỏ hơn so với các điện cực dây Cácphiên bản hiện đại của điện cực đồng tâm bao gồm một dây bạch kim hoặc dây thépkhông rỉ nằm bên trong Lumen của một ống dò bằng thép không rỉ với đường kínhngoài khoảng 0,5 mm, đỉnh xiên một góc từ 15-20 độ, do đó lộ ra phần dây trung tâmnhư là một bề mặt elip xiên khoảng 150 × 580 μm Dây trung tâm được cách ly vớim Dây trung tâm được cách ly vớiống dò bằng araldite hoặc epoxy Những điện cực kim phục vụ cho việc ghi tín hiệuEMG dưới da Đối với các điện cực sợi đơn và điện cực đồng tâm, các ống dò của kimtiêm dưới da đóng vai trò là điện cực tham chiếu Các điện cực đơn được sử dụng vớímột điện cực tham chiếu từ xa Các điện cực đồng tâm được kết nối với một bộ khuếchđại vi sai, do đó tín hiệu ở chế độ mode chung sẽ bị loại bỏ một cách hiệu quả, và thuđược một đường biên tương đối ổn định Ống dò không được quan tâm đến như mộtđiện cực tham chiếu bình thường bởi vì nó được đặt ở bên trong phạm vi phân bố điệnthế và do đó lựa chọn điện thế từ các sợi tích cực Các sự mô phỏng [Henneberg vàPlonsey, 1993] đã chỉ ra rằng các ống dò bảo vệ các dây điện trung tâm khỏi các điệnthế được chọn từ những cơ nằm ở đằng sau của đỉnh Điện cực đồng tâm có độ nhạylớn nhất khi bán cầu đối mặt với bề mặt elip xiên Do hàm của độ nhạy là không đốixứng, nên những dạng sóng của điện thế được ghi sẽ thay đổi nếu điện cực bị xoayquanh trục của nó Vấn đề này không nhân thấy được đối với những điện cực đơn đốixứng theo trục, tuy nhiên những điện cực này có một đường biên không ổn định hơn

do điện cực tham chiếu nằm ở rất xa Cả hai điện cực đồng tâm và điện cực đơn đềuđược sử dụng trong EMG thông thường Do sự khác biệt về đặc điểm ghi, tuy nhiên,

so sánh giữa ghi đồng tâm và ghi đơn cực không phải là dễ Bởi vậy một phòng thínghiệm EMG nói riêng có xu hướng chỉ sử dụng một loại và không dùng loạikhác.Trong quá trình kiểm tra kim đồng tâm, các điều tra viên đã tìm những hoạt độngbất thường, hoạt động tự nhiên trong các cơ bắp thư giãn, và sự xuất hiện dị thườngcủa điện thế vận chuyển Các dạng sóng của điện thế vận chuyển được đánh giá trên

cơ sở các đặc trưng dạng sóng định lượng được chỉ ra trong hình 2:

Biên độ: được xác định bởi những sợi hoạt động đang có mặt trong vùng lâncận của đầu điện cực Lọc thông thấp là việc cắt bớt đi những nhánh tần số cao củanhững SFAP ở xa, vì vậy biên độ MUP không tăng khi một đơn vị vận động lớn hơn.Tuy nhiên, biên độ MUP sẽ tăng lên nếu các đầu điện cực được đặt gần một bó sợi cơ

phân bổ thần kinh Biên độ MUP lớn thường thấy trong các bệnh về thần kinh

Rise time là một hàm tăng dần của khoảng cách giữa điện cực và các sợi cơđang hoạt động gần đó nhất Một Rise time ngắn kết hợp với một biên độ MUP nhỏ thì

ta thấy biên độ giảm nhưng là do sợi cơ bị co vào chứ không phải là do khoảng cáchgiữa điện cực và sợi gần nhất là lớn

Số pha:cho thấy sự phức tạp của MUP và mức độ lệch giữa SFAPs Trong cácbệnh về thần kinh, xuất hiện MUP nhiều pha do vận tốc dẫn truyền trong những dâythần kinh chưa hoàn thiện hoặc trong các sợi gân rất nhỏ, nhưng những sợi cơ vẫn bị

co lại Sự thay đổi của kích thước sợi cơ cũng gây ra MUP nhiều pha trong các bệnh

về cơ Để ngăn chặn sự bất thường của nhiễu đường biên do ảnh hưởng bởi số phaMUP,một đường biên phù hợp cần lớn hơn một mức biên độ tối thiểu chuẩn

Chu kỳ :là khoảng thời gian giữa sự xuất hiện đầu tiên và cuối cùng của dạngsóng vượt quá một ngưỡng biên độ được giới hạn trước, ví dụ như, 5 μm Dây trung tâm được cách ly vớiV Sự bắt đầu

và kết thúc của MUP là sự tổng hợp của các thành phần tần số thấp của những SFAPrải rác trên toàn bộ phạm vi kẹp kim của điện cực này Kết quả là, chu kỳ MUP cungcấp thông tin về số lượng các sợi đang hoạt động trong phạm vi kẹp kim Tuy nhiên,khi đó vùng đơn vị vận động có thể rộng hơn phạm vi kẹp kim của điện cực này, chu

kỳ của MUP không cung cấp thông tin về tổng độ lớn của đơn vi vận động Chu kỳcủa MUP sẽ tăng nếu một đơn vị vận động có số lượng sợi cơ gia tăng do sự phục hồiphân bổ dây thân kinh Chu kỳ MUP chịu ảnh hưởng ở mức độ ít hơn bởi sự mất liênkết SFAP

Diện tích cho thấy số lượng các sợi tiếp giáp với điện cực, tuy nhiên, khônggiống như biên độ MUP, diện tích MUP phụ thuộc vào chu kỳ MUP và do đó chịu ảnhhưởng bởi các sợi cơ trên một vùng lớn hơn so với biên độ MUP

Turns là một thước đo sự phức tạp của MUP, giống như số pha, tuy nhiên, một

sự đổi hướng đúng không yêu cầu một giao điểm với đường biên như một pha, số lầnđổi hướng nhạy cảm hơn so với những thay đổi trong dạng sóng MUP Để phân biệtđược sự đổi hướng đúng từ nhiễu tín hiệu, sự đổi hướng liên tiếp cần phải được bù đắpbởi một biên độ tối thiểu khác

Dựa trên những thông tin chứa trong những đặc trưng MUP định nghĩa ở trên, ta cóthể suy luận về số lượng và mật độ của sợi cơ trong một đơn vị vận động cũng như sựđồng bộ của SFAPs Tuy nhiên, các điện cực đồng tâm là không đủ để nghiên cứu vềcác sợi cơ riêng biệt, cũng không phải là nó đủ độ nhạy để đo được kích thước tổngcủa một đơn vị vận động

 Các cách đo điện cơ

Có hai cách đo điện cơ là:

Đo điện bên trong cơ Một cây kim cắm xuyên qua da và cơ cần đo.Cây kim này sẽphát hiện hoạt động điện của cơ(giống như một điện cực) Hoạt động điện được biểuhiện trên máy đo dao động ký và cũng có thể thể hiện được dưới dạng âm thanh quamột máy nghe microphone Vì các cơ xương (cơ vân) thường lớn,cho nên điện cực cầnphải được cắm ở nhiều nơi trên cơ mới có thể thu được thông tin chính xác về hoạtđộng của điện cơ.Sau khi cắm điện cực,người bệnh được yêu cầu co cơ( ví dụ co

khuỷu tay ) Kích thước và hình dạng của sóng hiện tại (điện thế hoạt động) được thểhiện trên dao động ký,cung cấp thông tin về khả năng hoạt động của cơ đối với đápứng kích thích thần kinh.Mỗi sợi cơ khi co thắt sẽ sinh ra điện thế động.Kích thướccủa sợi cơ sẽ ảnh hưởng đến tần số và biên độ điện thế hoạt động.

Đo điện ở bề mặt da Đo điện cơ có một số đặc điểm thu hút.Đặc biệt là đo điện cơ bềmặt không phải đâm kim qua da và vì vậy người bệnh nhân không bị đau.Tuynhiên,giá trị thông tin thu được bằng phương pháp này thường không tốt bằng đo điện

cơ cắm vào cơ.Hiệp hội chẩn đoán bằng điện học đã thông báo:”trên thực tế,hầu như yvăn không ủng hộ việc sử dụng đo điện cơ trên bề mặt da trên lâm sàn để chẩn đoán vàquản lý bệnh nhân bị bệnh về thần kinh hay cơ”.Mặc dù vậy,đo điện cực trên bề mặt

da chứng tỏ vẫn còn giá trị trong tương lai giúp theo dõi sự tiến triển các rối loạn thầnkinh và cơ

Phải thử nghiệm về tốc độ truyền dẫn thần kinh thường được thể hiện cùng lúc với đođiện cơ.Trong thử nghiệm này,dây thần kinh được kích thích bằng điện cực thứ haiphát hiện xung điện ‘đang hạ thấp’từ tốc độ dẫn truyền thần kinh Đo tốc độ dẫntruyền thần kinh thường được thực hiên bằng một điện cực dán trên da (giống nhưtrong đo điên tim)ở nhiều vị trí phân bố khác nhau của dây thần kinh Một điên cựckích thích thần kinh có một xung điện biến đổi nhẹ.Kết quả của hoạt động điện đượcghi lại bằng nhiều điện cực khác nhau.Khoảng cách giữa các điện cực và thời gian bắtxung của các điện cực giữa hai điện cực được sử dụng để tính tốc độ truyền của xungđiện (tốc độ dẫn truyền thần kinh).Khi tốc độ dẫn truyền thần kinh giảm đi nói lên cóbệnh lý ở dây thần kinh.Đo tốc độ dẫn truyền thần kinh được sử dụng để phát hiện rốiloạn thần kinh thật sự hay bệnh lý do tổn thương thần kinh của cơ.Nhiệt độ cơ thể phảiduy trì bình thường khi đo tốc độ truyền dẫn thần kinh ,vì nếu nhiệt độ cơ thể thấp sẽlàm cho tốc độ dẫn truyền của thần kinh bị chậm lại

 EMG chưa qua xử lý

Tín hiệu chưa qua xử lý có:Biên độ từ 06 mV, tần số từ 10500 Hz, điện áp đỉnh đỉnh đo bằng mV, biểu hiện sự hoạt động đều đặn của cơ

- Thiết kế mạch đo EMG

Mục đích chính là lấy được sự thay đổi của tín hiệu điện cơ mỗi khi có sự hoạt độngcủa cơ, ở đây là cơ ở bắp tay để làm tín hiệu điều khiển, không phải đo chính xác giátrị của điện cơ

Các điện cực sử dụng ở đây do nhóm tự chế

Hình 2.7: Điện cực

Hình 2.8

RG1 1

+9V -9V

GND

GND

C6

RG1 1

+9V -9V

VR2 10K

C1 10uF C2 10uF

C8 10uF C9 10uF

Hình 2.9: Mạch khuếch đại tín hiệu điện cơ

b, Tổng quan về PID

 Lịch sử

Các bộ điều khiển PID trong các thiết kế bộ điều tốc xuất hiện từ những năm

1890 Các bộ điều khiển PID sau đó được phát triển trong hệ thống lái tàu (thủy) tựđộng Một trong những ví dụ sớm nhất của bộ điều khiển kiểu PID được phát triển bởiElmer Sperry năm 1911, trong khi tác phẩm phân tích lý thuyết đầu tiên về bộ điềukhiển PID được kỹ sư người Mỹ gốc Nga Nicolas Minorsky xuất bản, vào năm(Minorsky 1922) Minorsky đã thiết kế các hệ thống lái tàu tự động cho Hải quân Mỹ,

và dựa trên các phân tích của ông khi quan sát người lái tàu, ông nhận thấy rằng ngườilái tàu điều khiển con tàu không chỉ dựa trên sai số hiện tại, mà còn dựa vào sai số quákhứ và tốc độ thay đổi hiện tại; điều này sau đó đã được ông toán học hóa Hải quân

Mỹ cuối cùng đã không chấp nhận hệ thống, do sự phản đối từ nhân viên Nghiên cứutương tự được tiến hành và xuất bản bởi nhiều người khác vào thập niên 1930

Những bộ điều khiển đầu tiên là khí nén, thủy lực, hoặc cơ khí, các hệ thống điệnphát triển sau Chiến tranh Thế giới thứ II

 Cơ bản về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệthốngđiều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong sốcác bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" làhiệu số giữa giá trị đo thong số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽthực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trongtrường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiểntốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tínhtoán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giốngnhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Gải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và vi phân, viết tắt là

P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác địnhtác động của tổng các sai số trước, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biếnđổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua mộtphần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt.Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vàosai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số trước, và D dự đoán các sai số tươnglai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điềukhiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiểnvọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuậtPID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0.Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt cáctác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đốivới các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống khôngđạt được giá trị mong muốn

 Lý thuyết điều khiển PID

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của bakhâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Trong đó:

Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnhe: sai số

t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độlợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng ).Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làmcho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp,tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Hình 2.11: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Kp (Kp, Ki, Kd là hằng số)

+ Độ trượt

Nếu không có nhiễu, điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không xác lập tại giá trị mongmuốn của nó, nhưng nó vẫn duy trì một (Bản mẫu:Visible anchor) sai số ổn định trạngthái, là một hàm của độ lợi tỉ lệ và độ lợi quá trình Đặc biệt, nếu độ lợi quá trình-trongkhoảng thời gian dài bị trôi do thiếu điều khiển, như việc làm mát một lò nung tớinhiệt độ phòng ( G ) và giả sử sai số xấp xỉ là hằng số, khi đó droop-độ trượt xảy rakhi độ lợi không đổi này bằng thừa số tỉ lệ của đầu ra, Pout, với sai số là tuyến tính, G =

Kpe, do đó e = G / Kp Khi thừa số tỉ lệ, đẩy vào thông số tới giá trị đặt, được bù chínhxác bởi độ lợi quá trình, nó sẽ kéo thông số ra khỏi giá trị đặt Nếu độ lợi quá trìnhgiảm, khi làm lạnh, thì trạng thái dừng sẽ nằm dưới điểm đặt, ta gọi là "droop-độtrượt"

Chỉ các thành phần dịch chuyển (trung bình dài hạn, thành phần tần số không) của

độ lợi quá trình mới tác động tới độ trượt-các dao động đều hoặc ngẫu nhiên trên hoặcdưới thành phần dịch chuyển sẽ bị triệt tiêu Độ lợi quá trình có thể thay đổi theo thời

gian hoặc theo các thay đổi bên ngoài, ví dụ như nếu nhiệt độ phòng thay đổi, việc làmlạnh sẽ nhau hơn hoặc chậm hơn.

Độ trượt tỉ lệ thuận với độ lợi quá trình và tỉ lệ nghịch với độ lợi tỉ lệ, và là mộtkhiếm khuyết không thể tránh được của điều khiển tỉ lệ thuần túy Độ trượt có thểđược giảm bớt bằng cách thêm một thừa số độ lệch (cho điểm đặt trên giá trị mongmuốn thực tế), hoặc sửa đổi bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộ điều khiển

PI hoặc PID), sẽ tính toán độ lệch thêm vào một cách hữu hiệu

Bất chấp độ trượt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế công nghiệp chỉ ra rằng khâu

tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển

+ Khâu tích phân

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độsai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phânsai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó đượcnhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phânphối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tíchphân, Ki

Hình 2.12: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Ki (Kp, Ki, Kd là hằng số)

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

Iout: thừa số tích phân của đầu ra

Ki: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnhe: sai số

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)τ: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trìnhtới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thểkhiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệchvới các hướng khác) Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tíchphân và độ ổn của bộ điều khiển, xin xem phần điều chỉnh vòng lặp

+Khâu vi phân

Hình 2.13: Đồ thị đầu ra đo được, 3 giá trị Kd (Kp, Ki, Kd là hằng số)

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc củasai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ

lợi tỉ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cảcác hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

Dout: thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnhe: Sai số

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tínhnày là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phânđược sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăngcường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu

sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và cóthể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đómột xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạnnhư mạch bù sớm pha

+ Tóm tắt:

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ

điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng

của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:

 Độ lợi vi phân, K d

Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và cóthể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

XE LĂN ĐIỆN

3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí

Tính toán hệ dẫn động cơ khí : phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyền độnggây ra Lực đó bao gồm hai thành phần chính: lực ma sát lăn trên đường đi F1, lực masát trong ổ trục F2

Thành phần F1 được xác định như sau : =

trong đó : trọng lượng của xe: =25kg

G trọng lượng của tải: M=50kg

với hệ số k ổ bi=0.01÷0.05, chọn k=0.05 (hệ số ma sát trượt của ổ trục)

Rời lực về bánh xe ta được thành phần lực như sau :