Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm LABVIEW_2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU PC Máy vi tính GF Hệ số biến dạng Vout Điện áp ra KĐ Khuếch đại NI National Instruments SOC System on Chip VCC Chân cấp nguồn RST Reset UART Universa

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát

mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm LabVIEW” là do em tự thiết kế,

chế tạo Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã đƣợc ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham

khảo nào khác mà không đƣợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Hải Phòng, ngày 15 tháng 9 năm 2015

Học viên

Bùi Khắc Tiệp

giúp đỡ em để em hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

Hải Phòng, ngày 15 tháng 9 năm 2015

Học viên

Bùi Khắc Tiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐO MÔ-MEN XOẮN CỦA TRỤC QUAY 3

1.1 Khái quát về mô-men xoắn 3

1.2 Các phương pháp đo mô-men xoắn 3

1.3 Đo mô-men xoắn trên trục quay động cơ điện 1 chiều 19

1.4 Lựa chọn phương pháp đo mô-men xoắn 20

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW VÀ

MODULE NI USB 6001 21

2.1 Giới thiệu về LabVIEW 21

2.2 Phương pháp lập trình trên LabVIEW 25

2.3 Module NI-6001USB 33

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT MÔ MEN XOẮN CỦA TRỤC QUAY ỨNG DỤNG MODULE USB 6001 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW TRÊN HỆ THỐNG DL 1019M 46

3.1 Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M 46

3.2 Mô phỏng giám sát mô-men xoắn trên phần mềm LabVIEW 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

PC Máy vi tính

GF Hệ số biến dạng Vout Điện áp ra

KĐ Khuếch đại

NI National Instruments SOC System on Chip

VCC Chân cấp nguồn

RST Reset

UART Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and

Transmitter TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol

TTL Transistor - Transistor Logic

DC Dòng một chiều SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

VIs Virtual Instrument

AI Tín hiệu tương tự vào

AO Tín hiệu tượng tự ra GND Nối đất

MUX The multiplexer

ADC Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương sang tín hiệu số

DAC Bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tương tự

DIO Tín hiệu số vào ra

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.4 Bộ kit đo mô-men xoắn Datum Electronics Series 430 5

1.9 Quan hệ Mz và sự thay đổi điện áp sau khuếch đại 11

1.12 Đo mô-men xoắn bằng bộ khuếch đại đo lường đưa qua

1.15 Sơ đồ khối đo mô-men xoắn bằng bộ truyền tín hiệu không

2.2 Một ví dụ về hệ thống SCADA được xây dựng từ

2.9 Giao diện Boolean 28

2.26 Kết quả cắt bớt sau khi đo vƣợt quá ± 10 V 41

3.1 Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M 46

3.2 Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M 46

3.3 Nguyên lý hoạt động của DE LORENZO 1019M 47

3.6 Vị trí lắp đặt cảm biến đo mô-men xoắn 51

3.8 Máy điều nhiệt kết nối với cuộn kích của phanh 53

3.9 Máy điều nhiệt kết nối với một mạch bảo vệ ngoài 53

3.15 Chọn dạng tín hiệu Voltage cho đầu vào 58

3.20 Thiết lập chân cho tín hiệu điện áp ra của mô-men 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, xe gắn máy và oto là loại phương tiện giao thông khá phổ biến,

đây chính là nguồn ô nhiễm lớn ảnh hưởng nhiều đến môi trường và khí quyển Là

một quốc gia đông dân số, với nền kinh tế đang phát triển, tình trạng gia tăng các

phương tiện giao thông là điều không thể tránh khỏi Nhu cầu lao động, sinh hoạt,

cũng như giá thành phù hợp khiến người dân sở hữu một chiếc là điều không khó

Để đánh giá khả năng vận hành, tính cơ động của phương tiện giao thông cần phải

xác định được công suất bằng cách đưa động cơ lên băng thử động cơ hoặc đưa xe

lên một băng thử công suất Tuy nhiên, để có một băng thử như vậy đòi hỏi một

nguồn đầu tư rất lớn, mà với điều kiện kinh tế như hiện tại nhiều nơi chưa thể thực

hiện được Với mong muốn có thể chế tạo một thiết bị đo được công, suất nhằm so

sánh công suất giữa các chủng loại xe máy và oto khác nhau với mức chi phí phù

hợp, học viên đã quyết định thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu xây

dựng mô hình giám sát mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm

LABVIEW"

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về mô-men xoắn và các phương pháp đo Làm quen với ngôn ngữ

lập trình LabVIEW Ứng dụng module NI USB 6001 truyền tín hiệu đo mô-men

xoắn từ trục động cơ về máy tính để giám sát

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Phần mềm lập trình LabVIEW, module kết nối NI USB 6001, hệ thống phanh DE LORENZO DL 1019M

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng giao diện thu thập mô-men xoắn từ trục quay của động cơ thông qua module NI USB 6001 từ hệ thống DE LORENZO DL

1019M ở quy mô phòng thí nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tổng quan về mô-men xoắn Các

loại cảm biến biến dạng, mạch đo, các phương truyền dẫn tín hiệu về máy tính

Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm LABVIEW với USB 6001 thu

thập tín hiệu mô-men xoắn và xây dựng giao diện giám sát

5 Ý nghĩa khoa học của nội dung nghiên cứu

Chuyển động quay sinh ra mô-men xoắn xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống

Việc đo đạc được mô-men xoắn sẽ giúp ích nhiều cho công tác nghiên cứu, chế

tạo, và áp dụng những loại động cơ mới, tiên tiến, làm việc hiệu quả hơn

Nghiên cứu nhằm tăng tính kinh tế trong tiêu thụ nhiên liệu, giảm khí thải ô

nhiễm do các loại động cơ đốt trong hiện nay xả ra, đang được các nhà khoa học

trong nước cũng như nhiều nơi trên thế giới quan tâm

NỘI DUNG

Để giải quyết và làm rõ các vấn đề trong nghiên cứu, nội dung đề tài gồm 03 chương như sau:

- Chương 1: Nghiên cứu về đo men xoắn của trục quay Giới thiệu

mô-men xoắn, đưa ra những phương pháp đo

- Chương 2: Giới thiệu về phần mềm LabVIEW và module NI USB 6001

Ngôn ngữ LabVIEW, giao diện và phương pháp lập trình Khái quát về NI USB

6001, cấu tạo, khả năng kết nối

- Chương 3: Xây dựng mô hình giám sát mô-men xoắn của trục quay ứng

dụng module NI USB 6001 và phần mềm LabVIEW trên hệ thống DL 1019M

Giới thiệu về hệ thống De Lozenro dl 1019M, viết chương trình và mô phỏng

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐO MÔ-MEN XOẮN CỦA TRỤC QUAY

1.1 Khái quát về mô-men xoắn

Mô-men xoắn là một đại lượng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể Là một khái niệm mở rộng cho

chuyển động quay từ nền tảng khái niệm lực trong chuyển động thẳng

Mô-men xoắn bắt đầu được khai sinh từ khi Archimedes khám phá ra nguyên lý hoạt động của đòn bẩy Trong một đòn bẩy, Archimedes nhận thấy rằng

độ lớn của khả năng tác động lực tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và đồng thời tỷ lệ

thuận với khoảng cách từ điểm tác dụng lực cho tới tâm quay (cánh tay đòn)

Trong chuyển động quay của vật thể rắn, nếu như không tồn tại mô-men xoắn tác động lên vật, mô-men động lượng của vật thể sẽ không thay đổi theo thời

gian

Ví dụ động cơ tạo ra lực 1N với cánh tay đòn 1m thì có mô-men xoắn (torque) sẽ là 1Nm

Hình 1.1 Sự liên hệ giữa lực quay và mô-men xoắn

1.2 Các phương pháp đo mô-men xoắn

Datum Electronics Series 430 là bộ kit dùng để đo mô-men xoắn, trên các trục với kích thước đường kính từ 30mm đến 1100mm Thường được sử dụng để

kiểm tra các mức công suất khác nhau, từ đó so sánh mức độ tiêu thụ nhiên liệu

Bộ kit còn được ứng dụng với các thử nghiệm về công suất trong quá trình lắp đặt

hoặc các thử nghiệm mở rộng, để đánh giá khả năng cải thiện hoạt động của động

cơ Thường thấy trong các trục dẫn động của hệ trục tàu thủy, trục chân vịt và xe

hơi, xe máy Hệ thống cung hai kênh đo, là đo mô-men, mô-men xoắn và đo tốc độ

vòng tua của trục Từ đó ta có thể tính toán được công suất của hệ trục dẫn động

Đo lường và phân tích:

Hệ thống Datum Electronics Series 430 có khả năng cung cấp thông tin để đánh giá nhiều nguồn dữ liệu và các tiêu chí khác, ngoài đo mô-men xoắn Các dữ

liệu có thể đo và phân tích bao gồm:

 Truyền động công suất

 Thử nghiệm Mô-men xoắn

 Rung động và gia tốc xoắn (Torsional Acceleration)

 Chuyển tiếp công suất (Power Transients)

 Momen xoắn đỉnh (Peak Torque Levels)

 Chuyển tải công suất (Power Delivery)

Hình 1.2 Bộ đo tiêu chuẩn Kích thước đường kính trục: 90mm -

1100mm

Hình 1.3 Bộ đo trục nhỏ Kích thước đường kính trục 30-

500mm

Thời gian hoạt động của pin: 30-50 giờ

Đo đồng thời hai kênh Cảm biến tốc độ vòng tua của trục

Phần mềm kết nối máy tính và hiển thị

Thời gian hoạt động của pin: 30 giờ Đơn kênh hoặc hai kênh Cảm biến tốc độ vòng tua của trục Phần mềm kết nối máy tính và hiển thị

Hình 1.4 Bộ kit đo mô-men xoắn Datum Electronics Series 430

Hệ thống Datum Electronics Series 430 có ưu điểm chính là nhỏ gọn, lắp đặt

dễ dàng, thuận tiện cài đặt, kiểm tra và thử nghiệm Hệ thống cấu tạo gồm ba thành

phần chính: Cảm biến, bộ phát gắn bên trên trục quay và bộ thu cố định bên ngoài

có chức năng giao tiếp không dây với bộ phát Ngoài ra còn có phần mềm cài đặt

trên vi tính để thu thập dữ liệu [3]

Những tiện ích:

 Hệ thống 430 có thể kết nối trực tiếp, đơn giản và dễ dàng với PC hay

Laptop bằng phần mềm

 Chức năng chính là đo mô-men xoắn và tốc độ vòng tua, để từ đó biết được

công suất của trục

 Lắp đặt thuận tiện với bản chỉ dẫn theo từng bước cụ thể

 Dữ liệu được thu thập đầy đủ, ghi lại và hiển thị trong thời gian thực (real

time)

 Thiết kế xách tay, thuận tiện khi di chuyển

 Phần mềm dễ làm quen, giao diện sử dụng thân thiện [3]

Theo lí thuyết thông thường công suất được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

M: là mô-men của động cơ [ N.m]

W: là tốc độ góc của trục khuỷu [ rad /s]

n: là tốc độ của trục khuỷu [ vg / ph ]

Mô-men động cơ Trong đó:

Mt: là mô-men tải ( mô-men phanh ) [N.m]

: hiệu suất truyền động Như vậy để xác định công suất của động cơ đốt trong ta cần xác định mô-men phanh M Để xác định mô-men M ta có 2 phương pháp sau:

1.2.1 Dùng phanh thử công suất có cơ cấu cân bằng

Hình 1.5 Phanh thử có cơ cấu cân bằng

Nguyên tắc hoạt động của phanh thử: dựa vào mô-men ma sát đƣợc tạo ra bên

trong phanh Từ cánh tay đòn và chỉ thị trên lực kế, ta xác định đƣợc mô-men

1 2.2 Đo mô-men phanh bằng mô-men kế

Ta cũng sử dụng hệ thống phanh để tiêu thụ công suất của động cơ, nhƣng

trên cơ cấu phanh này không có cơ cấu cân bằng

Hình 1.6 Phanh thử không có cơ cấu cân bằng

Ta có mô-men tối đa trên trục Mmax = 104,4 [N.m]

Đối với những trục có đường kính không đổi, biến dạng xoắn (góc xoắn)

được xác định theo công thức sau:

Kết cấu trục xoắn

Hình 1.7 Kết cấu trục xoắn

1.2.3 Đo mô-men xoắn sử dụng bộ khuếch đại đo lường

Dụng cụ được chế tạo có dạng đo mô-men dạng nối tiếp Việc xây dựng

đường đặc tuyến mô-men – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách Mối tương

quan mô-men xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp

thông qua việc đo mô-men xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn

Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ đó

xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng Tuy nhiên, đối với hầu hết các

loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ Việc đo được

góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó Do đó, việc xây dựng đường

đặc tuyến mô-men – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng

dài trên trục chịu xoắn

Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài

theo 2 phương 450

và 1350 là lớn nhất Do đó, biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn

Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng Strain gauge

là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu Biến dạng của vật liệu

được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở strain gauge trên mạch cầu

Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến

strain gauge trên mạch cầu liên hệ theo các hệ thức sau

Với R là điện trở, điện trở suất, L chiều dài dây dẫn, A diện tích dây dẫn

Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gauge

được xác định theo công thức:

hệ số poisson, biến dạng Đại lượng 1+2v đặc trưng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây

và giảm diện tích dây dẫn Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên

mỗi đơn vị biến dạng ) được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF:[9]

Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện

trở, thông thường GF= 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain gauge

Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10^-6 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu

đo được sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1% Việc xác định sự thay đổi của điện

trở strain gauge dựa trên nguyên lí cơ bản của mạch phân áp điện trở

Hệ thống này đo mô-me xoắn bằng việc áp dụng nguyên lý mạch cầu

Wheatstone Khác với hệ thống cũ là sử dụng cảm biến quang để đo đƣợc góc

Do trục đo chỉ chịu xoắn thuần túy khi làm việc, nên trên 2 phương 450 và

1350 biến dạng là lớn nhất Do đó, chọn loại cảm biến đo biến dạng trục đo có dạng

đo theo 2 phương vuông góc

Thiết kế mạch hiển thị, biến dạng của strain gauge khoảng từ 2.10^-6 – 0,01,

điện áp đo được trên mạch cầu Wheatston rất nhỏ, khoảng vài μV Do đó, để hiển

thị và đọc được kết quả đo phải sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu đo lường để đo

biến dạng Việc xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng – điện áp đầu ra

trên mạch cầu Wheatston cho phép xác định giá trị mô-men ứng với mỗi đơn vị

biến dạng, từ đó cho phép quy đổi từ giá trị biến dạng ra giá trị mô-men tương ứng

[9]

M=f ( )

Mục đích để xây dựng bộ dữ liệu mô-men xoắn trên trục đo và điện áp đầu

ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge Giá trị điện áp trên mạch cầu

được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại đo lường Sơ đồ hiển thị giá trị điện áp tương

ứng với sự thay đổi điện trở strain gauge dán trên trục đo như sau:

Hình 1.9 Quan hệ Mz và sự thay đổi điện áp sau khuếch đại

Kết quả dùng để xây dựng đường đặc tuyến đồ mô-men – biến dạng, từ đó

xây dựng bảng dữ liệu mối tương quan giữa các giá trị mô-men biến dạng dùng

cho việc thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị mô-men trên trục đo khi tiến hành

đo mô-men.[9]

Từ dạng phương trình đường thẳng bậc nhất: y = kx, với k là hệ số góc của

đường thẳng Ta có công thức liên hệ giữa mô-men – biến dạng:

Với E là module đàn hồi, Wp mô-men chồng xoắn, Mz momen xoắn [9]

thường trong khoảng (0,3 0,9), E trong giải (200 200.102), Wp trong khoảng từ (100 100.10^2)

Từ (1.12) và (1.14) Suy ra công thức liên hệ giữa điện áp ra mà mô-men

xoắn:

Với GF=2,1; = 0,3; Vin=4000(mV); E=200; Wp= 100

Phương trình Vout = 0,546 Mz (mV) dùng để thiết kế mạch khuếch đại hiển

thị giá trị mô-men tương ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo.[9]

Hình 1.10 Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục xoắn [4]

Khi thanh chịu xoắn R1 và R3 sẽ bị kéo, R2 và R4 chịu nén Do đó giá trị điện trở

R1 và R3 tăng , còn giá trị điện trở R2 và R4 giảm xuống Khi đó sẽ sinh ra 1 giá

trị điện áp V0 tỉ lệ thuận với mô-men xoắn Mạch đo tiến hành đọc giá trị này

thông qua 1 bộ khuếch đại đo lường như hình 1.16:

Hình 1.11 Khối khuếch đại đo lường

Mạch này được thiết lập bằng cách thêm một mạch khuếch đại không đảo đệm vào

mỗi đầu vào của mạch khuếch đại vi sai để tăng tổng trở vào

Trong các mạch đo lường thường sự dụng các bộ KĐ đo lường là mạch kết hợp

các bộ lặp lại và các bộ khuếch đại điện áp

Vout1 = Vin1 [1+R1 /( R2+R3)] =V1 Vout2 = Vin2 [ 1+R1/(R2+R3 )] =V2 Vout = Ura = V2 [ R5 (R4 + R5) / (R4 + R5 )R4 ] – V1( R5 / R4 ) Nếu R1 = R4 và R4 = R5

Vout = K( V2 – V1 ) và K= R5 /R4 Với R1= R3= R4= 1 K, R2 = 2 K

Phương án 1: Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra được đưa vào

-Đọc 8 kênh analog vào card ( độ phân giải 14 bit, 48kS/s )

-Xuất 2 analog ( 12 bit, 150kS/s)

-12 kênh xuất/nhập tín hiệu số ( digital I/O)

Sử dụng phần mềm Labview, LabWindows/CVI, Measurement Studio cho

Visual Studio.Net Tương thích với NI-DAQmx driver software [5]

Phương án 2 Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra của bộ khuếch đại

được truyền tới bộ thu phát không dây

Bộ thu phát không dây cho phép thu nhận tín hiệu trong phạm khi 100m Ta

gắn bộ phát trên trục xoắn, còn bộ thu ta gắn trên mạch chính, để nhận tín hiệu và

tính toán đưa về máy tính Sử dụng hệ thống thu phát không dây ta có thể truyền

nhận tín hiệu từ khoảng cách xa, loại bỏ được hạn chế về dây dẫn Mặt khác, giải

quyết được bài toàn truyền dẫn tín hiệu khi cảm biến được gắn cố định trên một

trục đang quay Ngoài ra, module thu phát này còn có thể dễ dàng tìm được trên thị

trường truyền dẫn tín hiệu với nhiều chủng loại, mẫu mã đa dạng Sau khi tính toán

kết nối với cồng COM

Hình 1.13 Module thu phát [6]

ESP8266 Module WiFi Serial Transceiver Module ESP8266

Giới thiệu: Là một module truyền nhận WiFi với giá thành phải chăng dựa trên con

chip ESP8266

ESP8266 là một chip tích hợp, được thiết kế ứng dụng trong chuẩn kết nối

mới Có thể đưa dữ liệu mong muốn kết nối trực tiếp tới internet Chip này sử dụng

một giao thức nối tiếp với tốc độ cao, mặc định ở 9600 Baud Nó hoạt động như

một máy chủ, hoặc một cầu nối trung gian, cho phép download dữ liệu từ internet

Chức năng:

 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

 Băng tần Wi-Fi 2.4 GHz WPA/WPA2

 Mức chuẩn điện áp hoạt động 3.3V

 Giao tiếp nối tiếp UART Tốc độ Baud lên đến 115200

 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point

 Hỗ trợ các chuẩn OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,

WPA_WPA2_PSK

 Hỗ trợ hai giao tiếp là TCP và UDP

 Làm việc như một máy chủ, cho phép kết nối tối đa đến 05 máy con

 LED chỉ báo truyền nhận TX / RX

 VCC: 3.3V (max 3.6V) Chân cấp nguồn

 RST: chân reset, (LOW= Reset active)

 CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot (HI= Boot mode, kích hoạt

Wifi, LOW = power down active)

 GPIO0: chân sử dụng cho mục đích chung I/O-0

 GPIO2: chân sử dụng cho mục đích chung I/O-2 [6]

Cổng COM:

Trong đo lường nói chung, vấn đề giao tiếp kết nối giữa vi điều khiển và máy

tính vô cùng quan trọng Cổng ghép nối nối tiếp RS 232 là một trong những kỹ

thuật được sử dụng rộng rãi, kết nối giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi khác

nhau Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp, dùng định dạng không đồng bộ Có thể

kết nối tối đa với 2 thiết bị Khoảng cách lớn nhất để đảm bảo dữ liệu vẫn ổn định

là 12.5m đến 25.4m Tốc độ thông thường là 20kbit/s, có thể là 115kbit/s với một

vài thiết bị đặc biệt Trong một thời điểm, chỉ có duy nhất 1 bit tín hiệu được gửi đi

dọc theo đường truyền, đây là ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp này

RS232 có hai phiên bản được lưu hành sử dụng phổ biến trong một quãng thời

gian dài Đó là RS232B và RS232C Tuy nhiên phiên bản RS232C được sử dụng

rộng rãi hơn, do phiên bản kia đã quá cũ Chính vì vậy mà người ta gọi ngắn gọn

lại là Chuẩn RS232

Hình 1.14 Giao tiếp máy tính qua cổng COM [4]

Ở máy tính, cổng RS232 có từ một đến hai vị trí Người ta thường gọi tắt là

cổng COM Cổng này được dùng để ghét nối cho các thiết bị ngoại vi như chuột,

modem, hay dụng cụ đo lường Trên bảng main của PC có loại là 9 hoặc 25 chân,

tùy vào serie của loại main đó Công việc thiết kế giao tiếp với chuẩn RS232 cũng

vô cùng đơn giản, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động không đồng bộ kết hợp với

truyền dẫn dữ liệu tốc độ thấp

Những ưu điểm của chuẩn nối tiếp RS232:

+ Các cổng nối tiếp ít khi bị nhiễu

+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ

+ Nếu không sử dụng model, chiều dài của cáp kết nối giữa thiết bị ngoại vi

và máy vi tính không được quá 15 mét

+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn:

50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400 56600,115200

bps

Truyền thông không đối xứng là phương thức được RS323 sử dụng Tức là

dùng tín hiệu điệp áp chênh lệch dây dẫn và đất Vì vậy nên từ khi khai sinh, chuẩn

này đã mang những điểm lỗi thời của chuẩn TTL RS232 vẫn sử dụng các mức

điện áp tương thích TTL, để báo hiệu các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu

chuẩn, nó cũng yêu cầu cố định các giá trị trở kháng ra của bộ phát, và trở kháng

tải của bus

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô

tả như sau: [7]

+ Mức logic 0: +3V, +12V + Mức logic 1: -12V, -3V

Sơ đồ khối phương pháp đo mô-men xoắn sử dụng bộ truyền tín hiệu không

dây:

Hình 1.15 Sơ đồ khối đo mô-men xoắn bằng bộ truyền tín hiệu không dây

1.3 Đo mô-men xoắn trên trục quay động cơ điện 1 chiều

Được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật, động cơ điện một chiều có thiết kế đặc

trưng về tốc độ quay khả thi Và bao gồm nhiều cấu hình điện khác nhau

Được kiểm soát một cách nhịp nhàng, nhiều trường hợp, tốc độ quay của

động cơ một chiều còn có thể đảo ngược Từ khi xuất hiện đến nay, động cơ một

chiều đã đáp ứng nhanh chóng được vấn đề hiệu xuất cao trong quán tính lực từ

xoắn tới roto Đồng thời, phanh động lực ở nới motor phát sinh năng lượng cấp tới

một điện cảm hoặc một phanh phục hồi

Động cơ có thể cung cấp mô-men xoắn ở các cấp tốc độ khác nhau với cùng

một mức điện áp ra đã định Tương ứng với một mô-men xoắn được tạo ra bởi

động cơ, thì đồ thị dòng điện mô-men xoắn đó có thể dùng để vẽ ra hàm định

lượng dòng điện đã định, khi điện áp quy định được sử dụng

Sự điều khiển điện áp ứng dụng dòng điện và việc thay đổi chiều của từ

trường chỉ diễn ra ở trong rotor PM là động cơ lý tưởng trong các thí nghiệm điều

khiển bởi máy tính với mối quan hệ tuyến tính đặc trưng của mô-men xoắn tốc độ

nhỏ

Thiết kế một bộ điều khiển sẽ đơn giản hơn rất nhiều khi động cơ hoạt động

tuyến tính từ các phân tích của hệ thống Khi động cơ được sử dụng trong một

trình ứng dụng điều khiển với cảm biến phản hồi tới một bộ điều khiển, nó được

xem như tương đương với một động cơ servo Thông thường các động cơ PM chỉ

sử dụng trong các ứng dụng với công suất nhỏ Khoảng 5 mã lực, tương đương

3728W hoặc thậm chí là nhỏ hơn Động cơ PM có thể được quét bằng chổi thanm

hoặc không chổi than Công suất tác dụng là P =UI = Mw

Trong đó P: công suất tác dụng động cơ

U: điện áp ra (V)

M: là mô-men xoắn khi động cơ quay ( N.m)

w: tốc độ quay (vg / ph)

Mô-men xoắn là lớn nhất khi tốc độ bằng khoảng 1,5 lần độ lớn của mô-men

xoắn đó Mô-men xoắn khi khởi động là nhỏ nhất, trong các động cơ điện một

chiều Để có thể hạn chế sự chuyển đổi năng lượng, có thể điều chỉnh tốc độ bằng

cách đặt một vôn kế nối tiếp với các cuộc kích từ

Cần chú ý rằng, khác với động cơ nam châm vĩnh cửu Khi điện áp cực tính

của động cơ rẽ nhánh ( động cơ kích từ song song ), động cơ kích từ nối tiếp hoặc

động cơ một chiều hỗn hợp bị thay đổi, thì chiều quay sẽ không đổi Nguyên nhân

cho việc này là do cực tính của cả stator và rotor cùng bị thay đổi bởi từ trường và

các cuộn ở lõi đã bị kích hoạt từ cùng một nguồn

1.4 Lựa chọn phương pháp đo mô-men xoắn

Với tính năng nổi trội, cùng cách đo đơn giản và hiệu quả nên em chọn

phương án đo mô-men xoắn trục quay với tín hiệu điện áp ra đưa đến NI-6008

Phương án này đã thu lại được những tín hiệu mô-men gần như mong muốn khi ta

thay đổi biến trở để đạt được giá trị mô-men mong muốn theo công thức với sai số

không đáng kể

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW VÀ

MODULE NI USB 6001 2.1 Giới thiệu về LabVIEW

2.1.1 Khái niệm về LabVIEW

LabVIEW viết tắt bởi Laboratory Virtual Istrument Engineerring Worbench,

là một chương trình ứng dụng phát triển, dựa trên cơ sở ngôn ngữ lập trình đồ họa,

thường được sử dụng cho mục đích đo lường, xử lý, điều khiển tham số và mô

phỏng thiết bị

Hình 2.1 Biểu tượng LabVIEW [8]

LabVIEW được gọi là ngôn ngữ đồ họa hiệu quả vì về cách thức lập trình

Khác với ngôn ngữ C ở điểm thay vì sử dụng ngôn ngữ từ vựng (từ khóa) cố định

thì LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động, các dây nối để tạo ra các lệnh

các hàm Cũng chính vì vậy mà LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở lên đơn

giản hơn bao giờ hết, đặc biệt LabVIEW rất phù hợp với các kĩ sư, nhà khoa học

hay giảng viên Chính vì sự đơn giản dễ học, dễ nhớ đã giúp cho LabVIEW trở

thành một trong những công cụ phổ biến trong các lĩnh vực như thu thập dữ liệu từ

các cảm biến, phát triển các thuật toán và điều khiển các thiết bị trong phòng thí

nghiệm trên toàn thế giới

Về tính ứng dụng, LabVIEW cũng có thể lập trình cho các chương trình (mã

nguồn) trên máy tính tương tự các ngôn ngữ lập trình dựa trên chữ Mặt khác giúp

ích cho các kĩ sư, nhà khoa học, sinh viên xây dựng thuật toán một cách nhanh

gọn sáng tạo và dễ hiểu nhờ các khối hình ảnh có thể nhớ lâu, cách thức thực hiện

từ trái qua phải Các thuật toán này sau đó được áp dụng lên các mạch điện [8]

LabVIEW rất phù hợp trong các bài toán đo lường, điều khiển với các hàm

chức năng phục vụ cho công tác thu thập, xử lý và phân tích Hiển thị kết quả đo,

theo dõi giám sát và lưu trữ dữ liệu dưới dạng bảng tính LabVIEW cũng có sự liên

kết với các môi trường ứng dụng chạy nền Windows như Microsoft Excel,

Microsoft Word

LabVIEW giúp kết nối các thiết bị ngoại vi và máy tính một cách tối đa

Theo hầu hết các chuẩn định giao tiếp của máy tính như : RS232, RS485, các khe

cắm mở rộng PCI/PXI, và quan trọng nhất là có hỗ trợ bus đa năng USB Với thiết

kế trực quan, đơn giản, LabVIEW cho phép các thiết bị ngoại vi dễ dàng liên kết

tới máy vi tính

Với một thư viện I/O phần cứng rộng lớn Bao gồm NI-VISA, NI-DAQmx

Hỗ trợ kết nối cho khoảng hơn 4000 thiết bị và hàng ngàn loại cảm biến, cơ cấu

truyền động, camera qua mọi chân cổng và các kiểu bus liên lạc Vô số chức

năng phân tích, đánh giá, đo lường và hiển thị được tích hợp sẵn trong LabVIEW

nhằm đảm bảo tối đa cho hiệu suất người dùng khi kết nối các I/O với nhau Từ đó

tạo ra các hệ thống đo lường, kiểm nghiệm tự động

LabVIEW thường được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: đo lường, tự

động , cơ điện tử, toán học, sinh học và vật liệu

Nhìn chung LabVIEW hỗ trợ người sử dụng kết nối máy tính với bất kỳ cơ

cấu chấp hành hay bất kỳ cảm biến nào

LabVIEW có thể áp dụng để xử lý các kiểu dữ liệu như tín hiệu tương tự

(analog), tín hiệu số (digital), hình ảnh (vision), âm thanh (audio)

Ứng dụng LabVIEW trong cuộc sống hàng ngày:

-Thu thập hình ảnh và mô phỏng động lực học

-Thuật toán điều khiển tự động vị trí động cơ DC theo thuật toán PID và giao

diện trực quan

-Đo lường và giám sát hệ thống công nghiệp (SCADA) [8]

Hình 2.2 Một ví dụ về hệ thống SCADA được xây dựng từ LabVIEW

2.1.2 Giao diện của LabVIEW

Virtual Instrument (VIs) là cách gọi chung tên các chương trình được lập trình

trên nền tảng LabVIEW Nó có nghĩa là thiết bị đo ảo Vì giao diện của nó gần

giống với các thiết bị ngoài đời thực Chương trình trên LabVIEW thường được

chi thành ba phần chính: Front panel - Giao diện người lập dùng Block diagram

- Các sơ đồ khối cung cấp mã nguồn cho chương trình Và Icon/Connector - Các

biểu tượng và các kết nối

a Front panel

Front panel giống một cửa sổ, được xây dựng như bề mặt của thiết bị ngoài

đời thực Bao gồm các nút bấm (Button), các bộ điều khiển (Controls), các đồ thị

(Chart-Graph) và các bộ chỉ thị số (Numeric Indicator) Tại đây, người dùng có thể

nhập các thông số điều khiển, giám sát vào chương chương trình thông qua bàn

phím hay chuột Sau đó chương trình sẽ vận hành và cho kết quả trực quan ngay

trên màn hình.[8]

Hình 2.3 Giao diện Front panel [8]

b Block diagram

Đây là cửa sổ thứ hai của chương trình Bao gồm các sơ đồi khối với nhiều

loại đối tượng, vòng điều khiển và các hàm Block diagram là mã nguồn cho

người lập trình, nhưng nó tồn tại dưới dạng hỉnh ảnh chứ không phải chữ viết như

các ngôn ngữ lập trình khác Các hàm được sắp xếp theo một trật tự nhất định

Hình 2.4 Giao diện Block diagram của một VI

Một sơ đồ khối (Block diagram) được cấu thành từ các thành phần:

Terminals (Các đầu cuối), Nodes (các điểm) và Wires (các dây nối) Một

sơ đồ khối được xây dựng khi ta bắt đầu sắp xếp các thành phần này và nối chúng

theo một trình tự nhất định, để có thể xử lý một kiểu dữ liệu nào đó

Hình 2.5 Một sơ đồ nối dây đơn giản

c Icon và Connector

Icon: Là những biểu tượng dùng để mô tả ngắn gọn trực quan về VI Nó

cũng gần giống như chương trình con trong một ngôn ngữ lập trình khác Mỗi VI

đều được LabVIEW gán cho một Icon mặc định nằm ở góc trái phía trên của

cửa sổ chương trình

Connector: Là phần tử terminal sử dụng để nối các đầu vào và các đầu ra

của các VI với nhau khi sử dụng VI như một chương trình con (Sub VI)

2.2 Phương pháp lập trình trên LabVIEW

2.2.1 Các bước xây dựng chương trình trên LabVIEW

Ta làm theo các bước sau để xây dựng một chương trình trên LabVIEW:

+ Tạo một giao diện bề mặt máy mới - Front panel: Nhấn chuột trái vào

File -> New VI Đặt các Indicator và Control cần thiết ra

+ Xây dựng mã nguồn trên Block diagram: Chuột trái vào Window ->

Show Block diagram (hoặc nhấn tổ hợp phím Control+E) để hiện ra cửa sổ chứa

đoạn mã lệnh Block diagram Chọn các hàm cần thiết trên Block diagram Chọn

công cụ Wiring tool để kết nối các đối tượng lại với nhau

+ Chạy chương trình và gỡ rối: Tại cửa sổ Front Panel, bấm chọn công cụ

Operation Tool để nhập các thông số đầu vào Sau đó kích hoạt chương trình để

đánh giá thuật toán và kiểm tra lỗi

Hình 2.6 Chọn thiết bị đầu vào + Lưu chương trình vào đĩa: Ta có thể ghi chương trình với đuôi mở rộng

*.VI bằng các chọn File >> Save (tổ hợp phím Control+S), hoặc lưu với tên mới

File >> Save as

2.2.2 Các thành phần công cụ lập trình cơ bản của LabVIEW

Các công cụ phổ biến: Tools palette, Controls palette, Funtions palette Là

phương tiện cơ bản nhất để có thể lập trình trên LabVIEW

a Tool palette

Hình 2.7 Cửa sổ của bảng công cụ (Tool Palette)

Bảng 2.1 Tính năng các icon trên cửa sổ công cụ Automatic tool selection ( Tự động chuyển qua lại giữa các công cụ, thông thường ta hay để ở công cụ này thao tác cho nhanh)

Operating tool: sử dụng để kích hoạt chương trình

Positioning tool: Công cụ xác định vị trí của các đối tượng trong chương trình

Labeling tool: Công cụ đặt nhãn, soạn văn bản (text) Wiring tool: Công cụ để nối các đối tượng trong chương trình

b Control panette

Hình 2.8 Cửa sổ Control palette

Là một bảng chứa các công cụ để xây dựng Front panel Gồm Controls (các

bộ điều khiển), Indicators (các bộ hiển thị) Ta bấm chuột trái vào Window ->

Show Control palette để mở cửa sổ Control palette, hoặc nháy chuột phải vào nền

của Front panel rồi chọn Control palette

Các bộ hiển thị và điều khiển trong Control palette bao gồm:

Boolean Control/Indicator

Từ Control palette ta chọn Control -> Boolean, sẽ hiện ra một bảng với

nhiều icon điều khiển và hiển thị kiểu logic Tại đây có hai giá trí là Fasle hoặc

True Đƣa chuột vào Boolean Control, bấm đối tƣợng để thay đổi qua lại giữa hai

giá trị này một cách dễ dàng

Hình 2.9 Giao diện Boolean

Numeric Control/Indicator

Khi ta chọn Control >>Numeric từ Control palette thì một bảng các bộ điều

khiển xuất hiện nhƣ sau:

Hình 2.10 Giao diện Numeric

Graph Control/Indicator

Khi chọn Control >> Graph & Indicator sẽ xuất hiện một bảng Đây là công

cụ hiển thị các đồ thị, số liệu đo đạc Tương tự như Graph Indicator, Chart

Indicator cũng biểu diễn dưới dạng đồ thị nhưng nhận và hiển thị dữ liệu một cách

liên tục từ điểm tới điểm hoặc từ mảng tới mảng

Hình 2.11 Giao diện Graph