thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí

Hãng Gunt – Hamburg Đức đã thiết kế bộ điều khiển vị trí RT060 trên nền giải thuật PID nhằm phục vụ quá trình nghiên cứu và học tập ở một số trường Đại học [1] Trong nước, các đề tài về

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

1/ Lê Hoàng Đăng PGs.Ts Nguyễn Chí Ngôn MSSV: 1111565

2/ Lê Văn Toán

MSSV: 1117940

Cần Thơ, tháng 05 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

1/ Lê Hoàng Đăng PGs.Ts Nguyễn Chí Ngôn MSSV: 1111565

2/ Lê Văn Toán

MSSV: 1117940

Ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa K37

Thành viên Hội đồng:

PGs.Ts Nguyễn Chí Ngôn Ths Nguyễn Minh Luân Ths Nguyễn Huỳnh Anh Duy

Luận văn được bảo vệ tại:

Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự động hóa, Khoa Công Nghệ,

Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 23/05/2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

1 Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ

2 Website: http://www.ctu.edu.vn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

i

ii

iii

iv

Nhằm góp phần nhỏ vào việc cải tiến của phòng thí nghiệm và có thêm công

cụ hỗ trợ cho các bạn sinh viên Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế mô hình thí

nghiệm điều khiển vị trí” để làm luận văn tốt nghiệp cho mình

Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành quả của chúng tôi đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy PGs.Ts Nguyễn Chí Ngôn

Chúng tôi xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào Nếu không đúng sự thật, tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần Thơ, ngày 23 tháng 05 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện

(ký tên và ghi họ tên)

Lê Hoàng Đăng Lê Văn Toán

v

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp, chúng tôi đã gặp không ít khó khăn, thử thách Tuy nhiên bên cạnh những khó khăn thử thách ấy, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè và nhất là sự ủng hộ của gia đình để

đề tài của chúng tôi được hoàn thành tốt đẹp

Trước tiên chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy PGs.Ts Nguyễn Chí Ngôn

Để có kiến thức và kết quả thực tế ngày hôm nay, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ trường Đại Học Cần Thơ đã giảng dạy và trang bị cho chúng tôi những kiến thức cơ bản

Cuối cùng chúng tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ, lo lắng

về vật chất và tinh thần Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên chúng tôi trong thời gian qua

vi

LỜI CAM ĐOAN IV LỜI CẢM ƠN V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH VIII DANH MỤC BẢNG X

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT X TÓM TẮT XI ABSTRACT XI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1ĐẶTVẤNĐỀ 1

1.2LỊCHSỬGIẢIQUYẾTVẤNĐỀ 1

1.3MỤCTIÊUVÀPHẠMVICỦAĐỀTÀI 2

1.3.1 Mục tiêu đề tài 2

1.3.2 Phạm vi đề tài 2

1.4PHƯƠNGPHÁPTHỰCHIỆNĐỀTÀI 2

1.5CẤUTRÚCLUẬNVĂN 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1PHẦNCƠKHÍ 4

2.1.1 Bộ phận phát động 4

2.1.2 Cơ cấu truyền động 7

2.2PHẦNMẠCHĐIỆN 14

2.2.1 Các linh kiện điện tử 14

2.2.2 Tổng quan về mạch điện 28

2.3PHẦNĐIỀUKHIỂN 29

2.3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 29

2.3.2 Các phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID 31

2.4PHẦNLẬPTRÌNH 34

2.4.1 Tổng quan về MATLAB R2014b 34

2.4.2 Giới thiệu về Simulink và các Toolboxs trong MATLAB 35

2.4.3 Giao tiếp giữa Arduino và MATLAB Simulink 35

2.4.4 Điều khiển tốc độ động cơ 38

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 42

3.1PHẦNCƠKHÍ 42

3.1.1 Thiết kế phần cơ khí 42

3.1.2 Cơ cấu mô hình điều khiển vị trí 42

3.1.3 Mô hình 3D của bộ thí nghiệm điều khiển vị trí 45

3.2PHẦNMẠCHĐIỆN 45

3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm 45

3.2.2 Nguồn cung cấp 46

3.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ 47

3.2.4 Mạch tín hiệu hồi tiếp 48

3.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện 53

3.3PHẦNĐIỀUKHIỂN 53

3.3.1 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID 53

vii

3.3.2 Thiết kế chương trình điều khiển vị trí 54

3.4PHẦNTHỰCNGHIỆM 56

3.4.1 Thực nghiệm kiểm tra giải thuật PID trên mô hình 56

3.4.2 Kết quả thực nghiệm 57

KẾT LUẬN 58

ĐỀ NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 62

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Động cơ DC [24] 4

Hình 2.2: Cấu tạo motor DC [13] 5

Hình 2.3: Momen từ của motor DC [13] 6

Hình 2.4: Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ [17] 7

Hình 2.5: Dây đai truyền động thực tế [17] 7

Hình 2.6: Truyền động đai [8] 8

Hình 2.7: Đai dẹt [8] 9

Hình 2.8: Đai thang [8] 9

Hình 2.9: Đai tròn [8] 9

Hình 2.10: Đai hình lược [8] 10

Hình 2.11: Đai răng [8] 10

Hình 2.12: Phân loại đai theo truyền động [8] 10

Hình 2.13: Truyền động bánh răng [17] 12

Hình 2.14: Bộ truyền bánh răng [11] 13

Hình 2.15: Vi điều khiển Atmega 2560 [21] 18

Hình 2.16: Hình ảnh thực tế cảm biến hồng ngoại GP2D12 [22] 19

Hình 2.17: Sơ đồ khối bên trong cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] 20

Hình 2.18: Sơ đồ chân cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] 20

Hình 2.19: Nguyên lý đo khoảng cách bằng hồng ngoại (IR) [22] 21

Hình 2.20: đồ thị cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] 21

Hình 2.21: Nguyên lý Time Of Fligh [18] 22

Hình 2.22: Mạch cầu H [23] 23

Hình 2.23: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H [23] 24

Hình 2.24 MOSFET [23] 25

Hình 2.25: Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC [23] 26

Hình 2.26: Mạch cầu H dùng MOSFET [5] 27

Hình 2.27: Sơ đồ khối mạch xử lí trung tâm ngõ vào 28

Hình 2.28: Sơ đồ khối mạch xử lí trung tâm ngõ ra 28

Hình 2.29: Sơ đồ khối mạch công suất điều khiển động cơ 28

ix

Hình 2.30: Cấu trúc bộ điều khiển PID [6] 30

Hình 2.31: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S [6] 31

Hình 2.32: Đáp ứng nấc của hệ kín [6] 32

Hình 2.33: Cài đặt Toolboxs Arduino [20] 36

Hình 2.34: Bảng tùy chọn công cụ hỗ trợ MATLAB [20] 37

Hình 2.35: Công cụ hỗ trợ phần cứng của Arduino [20] 37

Hình 2.36: Hướng dẫn cài đặt thông số của khối Arduino [20] 38

Hình 2.37: Giản đồ xung PWM [13] 38

Hình 2.38: Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ [17] 40

Hình 2.39: Động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ [17] 41

Hình 3.1: Khung đỡ 3D của mô hình 42

Hình 3.2: Động cơ DC 42

Hình 3.3: Thanh trượt vuông 43

Hình 3.4: Dây đai răng 44

Hình 3.5: Puly răng 44

Hình 3.6: Mô hình 3D của bộ thí nghiệm điều khiển vị trí 45

Hình 3.7: Kit Arduino Mega2560 45

Hình 3.8: Nguồn tổ ông 12V – 5A 46

Hình 3.9: Board HB-300W 47

Hình 3.10: Sơ đồ khối giao tiếp giữa cảm biến và Arduino với máy tính 48

Hình 3.11: Biểu đồ cảm biến GP2D12 datasheet (trái) và thực tế (phải) [22] 49

Hình 3.12: Đồ thị khoảng cách cảm biến GP2D12 từ 10 – 80cm 50

Hình 3.13: Sơ đồ khảo sát giá trị đo được và giá trị thực tế của cảm biến 51

Hình 3.14: Tín hiệu khảo sát được trên cảm biến SRF05 51

Hình 3.15: Sơ đồ khối mạch điện 53

Hình 3.16: Mô hình Simulink điều khiển bộ điều khiển vị trí 54

Hình 3.17: Mô hình Position System 54

Hình 3.18: Sơ đồ khối DIR 55

Hình 3.19: Sơ đồ khối tín hiệu hồi tiếp 55

Hình 3.20: Hình ảnh tổng thể của mô hình thí nghiệm vị trí 56

Hình 3.21: Kết quả đáp ứng mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí 57

x

Bảng 2.1: Một số thông số kỹ thuật kit Arduino Mega 2560 [19] 16

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật vi điều khiển Atmega2560 [21] 18

Bảng 2.3: Phương pháp Zeigler – Nichols thứ nhất [6] 32

Bảng 2.4: Thông số bộ điều khiển P, PI và PID của hệ kín [6] 33

Bảng 2.5: Tác động của việc tăng một thông số độc lập [6] 33

Bảng 3.1: Giá trị đo từ 10cm đến 80cm 49

Bảng 3.2: So sánh kết quả khảo sát của hai loại cảm biến 52

Bảng 3.3: Kết quả thực nghiệm của mô hình điều khiển vị trí 57

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật mô hình 58

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

xi

Luận văn này trình bày phương pháp thiết kế, xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID Xây dựng các module phần cứng và giải thuật phần mềm phục vụ điều khiển hệ thống trên board mạch Arduino Mega 2560

và công cụ MATLAB/Simulink Kết quả thực tế cho thấy đáp ứng của hệ thống có thời gian tăng và thời gian xác lập hợp lý, sai số hệ thống nhỏ Ngoài ra, bộ điều khiển còn đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực và sự ổn định trước tác động của nhiễu vào hệ thống

Từ khóa: Bộ điều khiển PID, MATLAB, Simulink, Arduino

ABSTRACT

This thesis presents design methodology, building an experiment model to controlling use position PID controller Construction of the module hardware and software algorithms serve and control system on board Arduino Mega2560 and MATLAB / Simulink tool Actually, results show that the response of the system had time increases and established reasonable time, small systematic errors In addition, the controller also responds the requirements of real-time and stability to the effects

of noise in the system

Keywords: PID controller, MATLAB, Simulink, Arduino

Phòng thực tập điều khiển quá trình, trường Đại học Cần Thơ được trang bị các hệ thống điều khiển hiện đại của hãng Gunt – Hamburg (Đức) với các bộ điều khiển như điều khiển mực chất lỏng, điều khiển lưu lượng, điều khiển áp suất, điều khiển nhiệt độ Tuy vậy, mô hình để sinh viên thực tập và nghiên cứu còn hạn chế, một trong đó là bộ điều khiển vị trí

Từ những thực tế và hạn chế được nêu trên chúng tôi quyết định bắt tay vào

nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí” sử

dụng kit Arduino và công cụ MATLAB/Simulink với giá thành khoảng 250 Euro

để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Điều khiển vị trí được ứng dụng khá nhiều trong công nghiệp hiện đại nói chung và dây chuyền tự động nói riêng Vì vậy, việc điều khiển vị trí đã được nghiên cứu và thực hiện khá nhiều

Hãng Gunt – Hamburg (Đức) đã thiết kế bộ điều khiển vị trí (RT060) trên nền giải thuật PID nhằm phục vụ quá trình nghiên cứu và học tập ở một số trường Đại học [1]

Trong nước, các đề tài về điều khiển vị trí cũng đưa vào nghiên cứu và đạt được kết quả khách quan Trong đó có đề tài: Điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt – PID [16]

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Mục tiêu đề tài

 Thiết kế mô hình cơ khí vững chắc, chính xác nhằm hạn chế sai số xảy ra khi vận hành hệ thống

 Giao tiếp giữa công cụ MATLAB/Simulink với Arduino qua cổng USB

 Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink để áp dụng giải thuật với mô hình thực tế

 Đáp ứng của tín hiệu khảo sát đạt các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống điều khiển

kế sử dụng bộ điều khiển PID để kiểm chứng khả năng hoạt động của hệ thống

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Tham khảo tài liệu các hệ thống điều khiển hiện đại của hãng Gunt – Hamburg (Đức) như: điều khiển mực chất lỏng (RT010), điều khiển lưu lượng (RT020), điều khiển áp suất (RT030), điều khiển nhiệt độ (RT040) và đặc biệt là bộ điều khiển vị trí (RT060)

Bước 2: Đưa ra giải pháp và chọn hướng giải quyết tối ưu nhất

Bước 3: Thiết kế phần cơ khí cho mô hình

3

Bước 4: Thiết kế phần khung và hộp cho mô hình

Bước 5: Lắp đặt motor cảm biến vị trí và cơ cấu chuyển động

Bước 6: Lắp đặt và kết nối hệ thống mạch điện (mạch điều khiển trung tâm, mạch công suất động cơ, mạch nguồn)

Bước 7: Thiết kế chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink

Bước 8: Thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiển PID trên mô hình

1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày tóm tắt lý thuyết liên quan đến các vấn

đề đặt ra trong đề tài

Chương 3: Nội dung và kết quả nghiên cứu Trình bày những nội dung và kết quả mà nhóm đã nghiên cứu thực hiện được trong suốt thời gian thực hiện đề tài

4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHẦN CƠ KHÍ

2.1.1 Bộ phận phát động

Tổng quan về động cơ DC (động cơ điện một chiều)

Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song điện một chiều vẫn tồn tại và phát triển

Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở nơi có yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng

Trong các thiết bi tự động hiện đại các cơ cấu chấp hành động cơ điện một chiều vẫn được sử dụng

5

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động động cơ một chiều

 Cấu tạo

Hình 2.2: Cấu tạo motor DC [13]

Sơ đồ nguyên tắc của motor DC được vẽ trong hình 2.2 Cấu tạo cơ bản của motor DC gồm 3 phần chính: stator, rotor và cổ góp[13]

• Stator: còn gọi là phần cảm hay phần tĩnh (phần N-S trong hình 2.2); là 1 nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu đối với motor có công suất nhỏ thì phần này thường là nam châm vĩnh cửu

• Rotor: còn gọi là phần ứng hay phần động (phần vòng dây trong hình 2.2) Phần này là các vòng dây quấn quanh lõi thép hình trụ

• Cổ góp và chổi điện: cổ góp là các phiến góp bằng đồng ghép cách điện Chổi điện (hay chổi than) làm bằng than graphit tì chặt vào cổ góp nhờ vào lo xo Phần này được gắn vào đầu trục rotor, có tác dụng là bộ phận giao tiếp để cấp nguồn

DC từ bên ngoài vào motor

 Nguyên lí hoạt động:

Khi dòng điện DC chạy qua cuộn dây, lực từ tác dụng lên cuộn dây làm quay rotor Để thay đổi chiều quay, ta phải đảo chiều dòng điện cấp vào motor Chiều của lực từ tác dụng lên rotor được xác định theo qui tắc bàn tay trái và có độ lớn được tính theo công thức sau: [13]

F = L.I.B ( 2.1) Trong đó:

L: chiều dài của dây quấn, do bằng m

W: chiều rộng của cuộn dây quấn (m) A: Tiết diện của cuộn dây (m2) B: Từ cảm, đo bằng T (Tesla) I: Dòng điện chạy qua cuộn dây (A) θ: Là góc hợp bởi lực từ F và từ cảm B

Hình 2.3: Momen từ của motor DC [13]

Nhìn vào công thức tính M, ta thấy: để điều chỉnh Momen quay (cũng là điều

chỉnh tốc độ quay của motor), ta có thể thay đổi các thông số sau:

• Thay đổi tử cảm B bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Tuy nhiên, cách

này chỉ áp dụng được trong trường hợp Stato là nam châm điện

• Hai là điều chỉnh dòng điện cấp vào motor Có hai cách để thực hiện:

7

Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch rotor Khi thêm điện trở vào mạch, tốc độ giảm Tuy nhiên, với cách làm này, công suất tổn hao trên điện trở điều chỉnh là rất lớn nên chỉ áp dụng được đối với motor công suất nhỏ

Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được để cung cấp điện cho motor, gọi

là kỹ thuật điều khiển độ rộng xung, hay biến điệu độ rộng xung (PWM) [13]

Phân loại

Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các

loại sau:

• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (Hình 2.4a)

• Động cơ điện một chiều kích từ song song (Hình 2.4b)

• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (Hình 2.4c)

• Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (Hình 2.4d)

Hình 2.4: Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ [17]

2.1.2 Cơ cấu truyền động

Truyền động đai

Hình 2.5: Dây đai truyền động thực tế [17]

8

2.1.2.1.1 Tổng quan về truyền động đai

Bộ truyền đai (Hình 2.5, Hình 2.6) hoạt động theo nguyên lý ma sát: công suất

từ bánh chủ động truyền cho bánh bị động nhờ vào ma sát sinh ra giữa dây đai và bánh đai

 Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau (<15m)

 Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẻo của đai nên có thể truyền động với vận tốc lớn

 Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu

 Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ

 Kết cấu và vận hành đơn giản

 Nhược điểm:

 Kích thước bộ truyền đai lớn so với các bộ truyền khác: xích, bánh răng

 Tỉ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt trơn giữa đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng)

 Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (thường gấp 2-3 lần so với bộ truyền bánh răng) do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai

để tạo lực ma sát)

ưu điểm của bộ truyền bánh răng và bộ truyền đai

2.1.2.1.2 Phân loại bộ truyền đai

 Theo hình dáng tiết diện đai:

• Đai dẹt: có tiết diện ngang hình chữ nhật, chiều rộng , chiều dày (Hình 2.7)

• Đai hình lược: là trường hợp đặc biệt của bộ truyền đai thang Các đai được

làm liền nhau như răng lược (Hình 2.10)

10

Hình 2.10: Đai hình lược [8]

• Đai răng: là một dạng biến thể của bộ truyền đai Dây đai có hình dạng gần

giống như thanh răng, bánh đai có răng gần giống như bánh răng (Hình 2.11)

2.1.2.1.3 Các dạng hư hỏng của bộ truyền đai

Đứt đai do mỏi: khi đai quay một vòng, ứng suất kéo thay đổi một chu kỳ, ứng

suất uốn trong đai thay đổi theo hai chu kỳ Ứng suất thay đổi theo chu kỳ là nguyên nhân gây nên hỏng hóc đai do mỏi

11

Nóng do ma sát: do ma sát giữa dây đai và bánh đai và ma sát trong dây đai

nên khi làm việc dây đai bị nóng lên

Hiện tượng trượt trơn: khi góc trượt bằng góc ôm đai thì bắt đấu xảy ra hiện

tượng trượt trơn

2.1.2.1.4 Hiện tượng trượt của bộ truyền đai

 Trượt trơn:

• Xảy ra khi bộ truyền bị quá tải tức là lực ma sát giữa đai và bánh đai nhỏ không đủ truyền lực kéo, làm cho đai bị trượt trên bánh đai

• Nguyên nhân chủ yếu sinh ra trượt trơn:

 Lực căng ban đầu nhỏ chưa đủ tạo lực ma sát để truyền động

 Bộ truyền thường xuyên làm việc quá công suất tính toán, lực cản tăng đột ngột trong quá trình truyền động

• Biện pháp khắc phục trượt trơn:

 Tăng lực căng ban đầu So, nhưng không được tăng lớn quá làm đai nhanh mòn, chóng rão Thường tăng So sao cho σ0< 2 N/mm2

 Tăng góc ôm trên bánh đai nhỏ (α1) là biện pháp tốt nhất Có nhiều cách tăng góc ôm trên bánh đai nhỏ : tăng khoảng cách hai tâm; giảm tỉ số truyền; nếu bộ truyền có hai trục song song, hai bánh đai quay cùng chiều

bố trí nhánh căng ở dưới, nhánh chùng ở trên; nếu bộ truyền có hai trục song song, hai bánh đai quay ngược chiều dùng đai bắt chéo; bộ truyền có khoảng cách hai tâm nhỏ, tỉ số truyền cao dùng bánh xe căng đai

 Trượt đàn hồi:

• Trượt đàn hồi bao giờ cũng xảy ra khi đai chịu tải, vì vậy hiện tượng này không thể tránh được trong bộ truyền đai Nguyên nhân sinh ra hiện tượng trượt đàn hồi là do đai truyền động, lực căng trên các nhánh đai khác nhau

• Ta xét một đoạn đai truyền động qua bánh chủ động, đoạn ở nhánh căng có

độ dài là Δl1; khi đai chuyển sang nhánh chùng độ dài chỉ còn là Δl2 ( vì dọc theo đoạn đai ôm trên bánh dẫn, lực căng S1 giảm dần đến S2) [8]

• Vậy khi đai chuyển từ nhánh căng sang nhánh chùng đoạn đai trên đã co dần một đoạn Δl = Δl1 – Δl2 dẫn tới hiện tượng đai trượt đàn hồi trên bánh đai

Truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng

Hình 2.13: Truyền động bánh răng [17]

Truyền động bánh răng (Hình 2.13) gồm bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn

Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, truyền chuyển động và công suất nhờ sự ăn khớp giữa các răng trên hai bánh răng

 Ưu điểm:

 Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

 Tỉ số truyền không đổi

 Hiệu suất cao, tuổi thọ cao

 Có thể làm việc với vận tốc lớn, công suất lớn

 Đảm bảo độ chính xác chuyển động vì không có sự trượt

 Nhược điểm:

 Chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao

 Gây ồn khi làm việc ở vận tốc cao

13

 Không có khả năng tự bảo vệ an toàn khi quá tải

 Chịu va đập kém vì độ cứng của bộ truyền khá cao

 Thông số hình học chủ yếu của bộ truyền bánh răng:[11]

Hình 2.14: Bộ truyền bánh răng [11]

Trong đó : (1) là bánh răng dẫn

(2.12)

trình độ từ bậc phổ thông lên đến đại học

Với sự phát triển vượt bậc đó đã được sinh viên cũng như các nhà nghiên cứu của các trường đại học danh tiếng như: MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác Arduino thật ra là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các

thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác

Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên phổ biến của Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và

điều khiển nhiều thiết bị

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm

2005 [19]

 Khả năng của board mạch Arduino

Board mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)

 Sức mạnh xử lý

15

 SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)

 Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)

 Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:

Digital: Các board mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm

ngõ vào hoặc ngõ ra bằng phần mềm Do đó người dùng có thể linh hoạt quyết định

số lượng ngõ vào và ngõ ra.Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54

Analog: Các board mạch Arduino đều có trang bị các ngõ vào analog với độ

phân giải 10-bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng 0.5mV) Số lượng cổng vào analog là 6 đối với Atmega328, và 16 đối với Atmega2560 Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer…

 Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:

Digital output: Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình

trên phần mềm để quyết định dùng ngõ digital nào là ngõ ra Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54

PWM output: Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn một số cổng

dùng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM Độ phân giải của các tín hiệu PWM này

là 8-bit Số lượng cổng PWM đối với các board dùng Atmega328 là 6, và đối với các board dùng Atmega2560 là 14 PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặc điều khiển động cơ mà phổ biến nhất là động cơ servos trong các máy bay

mô hình

 Chuẩn Giao tiếp

Serial: Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp được dùng rất phổ biến trên các board

mạch Arduino Mỗi board có trang bị một số cổng Serial cứng (việc giao tiếp do phần cứng trong chip thực hiện) Bên cạnh đó, tất cả các cổng digital còn lại đều có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp bằng phần mềm (có thư viện chuẩn, người dùng không cần phải viết code) Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V Lưu ý cổng nối tiếp RS-232 trên các thiết bị hoặc PC có mức tín hiệu là UART 12V Để giao tiếp được giữa hai mức tín hiệu, cần phải có bộ chuyển mức, ví dụ như chip MAX232 Số lượng

16

cổng Serial cứng của Atmega328 là 1 và của Atmega2560 là 4 Với tính năng giao tiếp nối tiếp, các board Arduino có thể giao tiếp được với rất nhiều thiết bị như PC, touchscreen, các game console…

USB: Các board Arduino tiêu chuẩn đều có trang bị một cổng USB để thực

hiện kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình Tuy nhiên các chip AVR không có cổng USB, do đó các board Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi

từ USB thành tín hiệu UART Do đó máy tính nhận diện cổng USB này là cổng COM chứ không phải là cổng USB tiêu chuẩn

SPI: Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ có bus gồm có 4 dây Với

tính năng này các board Arduino có thể kết nối với các thiết bị như LCD, bộ điều khiển video game, bộ điều khiển cảm biến các loại, đọc thẻ nhớ SD và MMC…

TWI (I2C): Đây là một chuẩn giao tiếp đồng bộ khác nhưng bus chỉ có hai dây

Với tính năng này, các board Arduino có thể giao tiếp với một số loại cảm biến như thermostat của CPU, tốc độ quạt, một số màn hình OLED/LCD, đọc real-time clock, chỉnh âm lượng cho một số loại loa…[19]

 Arduino Mega2560

 Tổng quan

Arduino Mega2560 sử dụng chip Atmega2560 của hãng Atmel Kit có 54 chân digital I/O, 16 chân đầu vào (input) analog, 4 UART, tần số hoạt động tối đa có thể tới 16MHz

Bảng 2.1: Một số thông số kỹ thuật kit Arduino Mega 2560 [19]

 Nguồn

Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân V và GND

để cấp nguồn cho Arduino Board mạch hoạt dộng với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 –

20 volt Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức diện áp lớn hơn có thể dẫn tới hỏng board mạch Khuyết cáo của nhà sản xuất nên dùng nguồn

ổn dịnh là từ 5V dến 12V Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra để cung cấp cho các thiết bị bên ngoài Lưu ý: không duợc cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino GND: chân mass

 Chân Input và Output

Arduino Mega2560 có 54 chân digital với chức năng input và output sử dụng

các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() trong đó có 15 chân output dùng

PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 là các chân PWM 8bit

chúng ta có thể sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn,…

18

SPI : 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) các chân này hỗ trợ giao tiếp

theo chuẩn SPI

I2C: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C Các chân 20 (SDA) và 21 (SCL)

cho phép giao tiếp giửa Arduino với các phương tiện có chuẩn giao tiếp là I2C [19]

 Vi điều khiển Atmega2560

Hình 2.15: Vi điều khiển Atmega 2560 [21]

Vi điều khiển Atmega2560 thuộc dòng vi điều khiển AVR 8bit do hãng ATMEL sản xuất

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật vi điều khiển Atmega2560 [21]

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển:

Phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

Phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung Việc xác định vị trí, chuyển dịch được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra[3],[12]

 Một số loại cảm biến đo khoảng cách

Cảm biến vị trí tiếp xúc: công tắt hành trình (Limit Switch), Điện thế kế điện trở (Potentiometers)

Cảm biến vị trí không tiếp xúc: cảm biến điện từ (Magntic Sensors), cảm biến siêu âm (Ultrason Sensors), cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors), cảm biến quang điện (photoelect Sensors ) [4]

 Cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12

Hình 2.16: Hình ảnh thực tế cảm biến hồng ngoại GP2D12 [22]

20

 Cấu tạo

Hình 2.17: Sơ đồ khối bên trong cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22]

Hình 2.18: Sơ đồ chân cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22]

 Nguyên tắc hoạt động:

Dựa trên nguyên lý phản xạ và góc phản chiếu Cảm biến sẽ phát ra một tia ánh sáng hồng ngoại, nếu có vật thể, tia IR sẽ đập vào vật thể cần đo rồi phản xạ về cảm biến thu PSD Tùy vào khoảng cách của vật, các mảng CCD sẽ xác định góc, từ

đó sẽ tính được khoảng cách tới vật thể dựa theo công thức về hệ thức lượng trong tam giác

 Làm việc nhiệt đô: -10 đến +60 độC

Hình 2.20: đồ thị cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22]

 Tính năng:

 Ít ảnh hưởng của màu sắc với đối tượng phản xạ

 Điện áp analog đầu ra tương ứng với khoảng cách

22

 Phát hiện được khoảng cách từ 10 – 80 (cm)

 Mạch điều khiển bên ngoài không cần thiết

 Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight) :sóng siêu âm được

truyền đi trong không khí với vận tốc 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu

âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới thu về, thì máy tính có thể xác định được quảng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quảng đường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: [18]

mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn Tín hiệu điều khiển các van

là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp qua tải

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên nó được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ

 Nguyên lý hoạt động

23

Giả sử có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn điện DC (ắc qui điện – battery) Nếu nối A với cực (+), B với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực (A với (-), B với (+) thì động cơ

sẽ đảo chiều quay Tuy nhiên việc điều khiển như vậy rất tốn công và mất thời gian,

để giải quyết vấn đề này chỉ cần những linh kiện điện tử đơn giản và mắc theo nguyên

lý trên là có thể làm thay đổi hướng quay của động cơ, và mạch này còn gọi là mạch cầu H (H-Bridge Circuit) Như thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng Tuy nhiên, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng đảo chiều như thế mà còn có thể thay đổi tốc độ động cơ, làm cho động cơ chạy ổn định hơn , [5]

Hình 2.22: Mạch cầu H [23]

Trong hình 2.22, hai đầu V và GND là hai đầu (+) và (-) của ắc qui, còn đối tượng được điều khiển là động cơ DC Động cơ này có hai đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua động cơ theo chiều A đến B hoặc B đến A Thành phần chính tạo nên mạch cầu H là bốn khóa: L1, L2, R1 và R2 Ở điều kiện bình thường bốn khóa này hở thì mạch cầu H không hoạt động

24

Hình 2.23: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H [23]

Giả sử hai khóa L1 và R2 được đóng ( R1 và L2 vẫn mở), khi đó sẽ có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A rồi đi qua đầu B của động cơ sau đó qua khóa R2 rồi xuống GND (Hình 2.23a) Và ngược lại khi ta đóng hai khóa R1 và L2 (L1 và R2 vẫn mở) thì dòng điện sẽ từ V đi qua hai đầu động cơ sau đó xuống GND

sẽ làm thay đổi chiều quay của động cơ (Hình 2.23b)

Nếu đóng đồng thời hai khóa ở cùng một bên (L1 và L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí là đóng cả bốn khóa thì sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch (do V được nối với GND) sẽ làm hỏng nguồn cấp hoặc cháy nổ có thể xảy ra Để khắc phục tình trạng này ta thường dùng thêm các mạch logic để kích các khóa của cầu H

Và ưu điểm của mạch cầu H là làm mạch trở nên đơn giản và chỉ cần có một nguồn cung cấp Ngoài ra khi sử dụng mạch cầu H cần chú ý tới cách đóng ngắt và công suất đáp ứng của mạch, nếu không sẽ gấy ngắn mạch hoặc làm hỏng thiết bị

Với mục đích điều khiển động cơ DC dùng PWM nên chúng tôi sẽ dùng mạch cầu H được làm bằng MOSFET

MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Hình 2.24

mô tả cấu tạo của MOSFET kênh N và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh N và kênh

P

25

Hình 2.24 MOSFET [23]

MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với

B, E và C của BJT Đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng

Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch

số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1)

MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn Có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại NPN và MOSFET kênh

P tương đương BJT loại PNP

Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm

1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau

26

Hình 2.25: Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC [23]

Ban đầu MOSFET không được kích, không có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0 Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H nên MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này

Tuy nhiên, nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất của mạch cũng bị giảm theo

27

Hình 2.26: Mạch cầu H dùng MOSFET [5]

Trong thiết kế mạch dùng MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối lớn

Phần kích cho các MOSFET kênh N bên dưới chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2 Với các khóa trên (IRF9540, kênh P) phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng

là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn

Khi kích các khóa L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch) Khi đó, điện áp chân

G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn.[23]