Dịch vụ thành lập Thay đổi Giấy phép kinh doanh cty Việt Nam cty vốn FDI Tuyển Cộng tác viên (CK 15% gói Dịch vụ) 0899315716 MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu 1 1.3 Phạm vi thực hiện đề tài 2 1.4 Phương pháp thực hiện 2 1.4.1 Cơ sở phương pháp luận 2 1.4.2 Các phương pháp thực hiện cụ thể 2 1.4.2.1 Phương pháp lý thuyết 2 1.4.2.2 Phương pháp thực nghiệm 2 Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ CARD THU THẬP DỮ LIỆU NI PCI – 6225 3 2.1 Giới thiệu chung về card đo lường và điều khiển 3 2.2 Card thu thập dữ liệu NI PCI – 6225 3 2.3 Thông số kỹ thuật 3 2.4 Sơ đồ chân kết nối 6 2.5 Hình ảnh thực tế 7 Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 8 3.1 Giới thiệu LabVIEW 8 3.2 Các ứng dụng của LabVIEW 8 3.3 Cấu trúc 9 3.3.1 Thiết bị ảo (VI – Vitual Instrument) 9 3.3.2 Front Panel 9 3.3.3 Block Diagram 10 3.4 Giao diện người dùng và các công cụ hỗ trợ cơ bản của LabVIEW 10 3.4.1 Khởi động chương trình 10 3.4.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 12 3.4.3 Tool Panel: 12 3.4.4 Bảng điều khiển (Controls Palette) 14 3.4.5 Một số bộ điều khiển và hiển thị trên Controls Palette 14 3.5 DAQ và lập trình thu thập dữ liệu 17 3.5.1 DAQ (data acquisition) và thiết bị DAQ 17 3.5.2 Mối quan hệ giữa LabVIEW với thiết bị DAQ. 18 3.5.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống DAQ. 19 Chương 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ QUAY 20 4.1 Phương pháp đo mô mem 20 4.1.1 Phương pháp đo trực tiếp 20 4.1.2 Phương pháp đo gián tiếp 21 4.2 Phương án đo mô men 21 4.3 Sơ đồ tổng quan hệ thống thí nghiệm 21 4.4 Các bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm 23 4.4.1 Cảm biến đo mô – men xoắn (torque sensor) LORENZ D – 2553 và bộ khuyếch đại (Amplifier) 23 4.4.2 Động cơ MITSUBISHI 25 4.4.3 ENCODER 26 4.4.4 Thông số cơ bản của encoder: 26 4.4.5 Biến tần MITSUBISHI FR E720 1.5 Kw 27 4.4.6 Phanh lưu chất từ biến 28 4.4.6.1 Phanh MRB có 4 cuộn dây đặt 2 bên vỏ 28 4.4.6.2 Thiết kế tối ưu phanh MRB 30 4.4.7 Bàn thí nghiệm 33 4.5 Thiết kế giao diện điều khiển trên phần mềm LabVIEW 35 4.5.1 Lưu đồ giải thuật đo lường 35 4.5.2 Đấu nối phần cứng vào card giao tiếp 36 4.5.3 Các khối lập trình sử dụng 36 4.5.4 Thiết lập đo vận tốc 39 4.5.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán 39 4.5.4.2 Thuật toán đọc encoder 40 4.5.4.3 Tiến hành lập chương trình đo vận tốc bằng LabVIEW 40 4.5.5 Thiết lập đo mô – men xoắn 43 4.5.5.1 Cơ sở tính toán 43 4.5.5.2 Tiến hành lập chương trình đo mô – men xoắn bằng LabVIEW 44 4.5.6 Điều khiển dòng điện cấp cho phanh MRB 47 4.5.6.1 Cơ sở tính toán 47 4.5.6.2 Lập chương trình điều khiển dòng cho phanh MRB 49 Chương 5: KẾ QUẢ THỰC NGHIỆM 53 5.1 Hiệu chỉnh hệ số cảm biến 53 5.2 Kết quả đặc tính của phanh MRB khi cấp lần lượt các cuộn dây 54 5.3 Điều khiển mạch công suất 54 5.4 Mối quan hệ giữa dòng điện cấp vào cuộn dây phanh MRB và mô – men xoắn thu được. 55 5.4.1 Đáp ứng nấc (step) mô – men của phanh MRB 55 5.4.2 Sự phụ thuộc của mô – men xoắn vào cường độ dòng điện 56 5.5 Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và các mức mô – men xoắn. 56 Chương 6: KẾT LUẬN 58 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ chân kết nối card NI 6225 6 Hình 2.2 Block terminal card NI 6225 7 Hình 2.3 Card NI PCI 6225 7 Hình 3.1 Cửa sổ chờ của Labview 11 Hình 3.2 Cửa sổ Front Panel 11 Hình 3.3 Cửa sổ Block Diagram 12 Hình 3.4 Thanh công cụ Tools panel 13 Hình 3.5 Bảng điều khiển (Controls Palette) 14 Hình 3.6 Bảng Numeric Controls 15 Hình 3.7 Bảng Boolean Controls 15 Hình 3.8 Bảng String Controls 16 Hình 3.9 Bảng Functions Palette 17 Hình 3.10 Sơ đồ mối quan hệ LabVIEW với thiết bị DAQ 19 Hình 3.11 Cấu trúc hệ thống DAQ 19 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 22 Hình 4.2 Cấu tạo cảm biến D 2553 23 Hình 4.3 Cảm biến D 2553 23 Hình 4.4 Sơ đồ khối Amplifier LCV – U10 24 Hình 4.5 Amplifier LCV – U10 25 Hình 4.6 Động cơ MITSUBISHI 26 Hình 4.7 Encoder 27 Hình 4.8 Biến tần MITSUBISHI FR – E720 1.5 Kw 27 Hình 4.9 Phanh MRB MRF có cuộn dây cố định 28 Hình 4.10 Bản vẽ lắp phanh MRB 30 Hình 4.11 Phanh MRB hoàn chỉnh lắp lên mô hình 33 Hình 4.12 Thiết kế bàn thí nghiệm 33 Hình 4.13 Bàn thí nghiệm hoàn thành 34 Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật đo lường 35 Hình 4.15 Sơ đồ đấu nối phần cứng 36 Hình 4.16 Các hàm mô phỏng VI 37 Hình 4.17 Các hàm xử lý tín hiệu 37 Hình 4.18 Các vòng lặp điều khiển 38 Hình 4.19 Các bộ định thời 38 Hình 4.20 Các hàm toán học 39 Hình 4.21 Các toán tử so sánh 39 Hình 4.22 Nguyên lý hoạt động và dạng xung ra encoder 40 Hình 4.23 Cửa sổ thiết lập thông số encoder 41 Hình 4.24 Vòng lặp While có Add Shift Register 42 Hình 4.25 Chương trình đọc encoder 42 Hình 4.26 Mạch cầu Wheatstone 43 Hình 4.27 Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục 43 Hình 4.28 Cửa sổ thiết lập thông số torque sensor 45 Hình 4.29 Thông số bộ lọc số 46 Hình 4.30 Chương trình đọc torque sensor 46 Hình 4.31 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 47 Hình 4.32 Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM 48 Hình 4.33 Giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp ra khi dùng PWM 48 Hình 4.34 Bảng thông số cài đặt xung PWM 49 Hình 4.35 Bảng thông số analog output 50 Hình 4.36 Chương trình xuất xung PWM 51 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật card NI 6225 3 Bảng 4.1 Thông số cảm biến D 2553 24 Bảng 4.2 Thông số Amplifier LCV – U10 25 Bảng 4.3 Thông số động cơ MITSUBISHI 25 Bảng 4.4 Thông số encoder 26 Bảng 4.5 Thông số biến tần MITSUBISHI FR – E720 1.5 Kw 27 DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 5.1 Dòng điện ở các mức Duty Cycle 55 Biểu đồ 5.2 Đáp ứng step của mô – men phanh MRB 55 Biểu đồ 5.3 Mô – men xoắn ở các mức dòng điện 56 Biểu đồ 5.4 Đặc tính tốc độ của động cơ khi mô – men thay đổi 57 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Một vật chuyển động quay được mô tả thông qua thông số mô men và tốc độ quay. Trong sản xuất thì một số thiết bị truyền động hoạt động trong những điều kiện khác nhau cần phải đo vận tốc cũng như là mô men hoạt động. Mô men được chia ra làm hai loại, đó là mô men tĩnh và mô men động. Có hai phương pháp chính để đo mô men, đó là phương pháp đo trực tiếp và đo gián tiếp. Đo trực tiếp (Inline) là phương pháp đo mà ở đó thiết bị đo sẽ được gắn trực tiếp trên trục truyền mô men, còn phương pháp đo gián tiếp (Reaction) là dùng thiết bị để hãm mô men sinh ra và lực hãm đó chính bằng mô men lực cần đo. Phương pháp đo trực tiếp có lợi thế hơn phương pháp gián tiếp vì nó có thể loại bỏ được một số mô men ký sinh (mô men hãm do ma sát của vòng bi, mô men quán tính của thiết bị truyền động…). Trong nghiên cứu này, mục tiêu là xây dựng hệ thống thí nghiệm có thể đo được mô men xoắn và tốc độ quay của những chuyển động quay và dao động xoắn dựa trên phương pháp đo gián tiếp. Phương pháp đo gián tiếp là dung thiết bị hãm làm dao động dừng lại và lực hãm đó chính bằng mô men sinh ra của chuyển động và cảm biến mô men có độ chính xác cao để xác định mô – men, tín hiệu được lấy mẫu dựa trên thời gian thực và giao tiếp với máy tính dùng phần mềm Labview. 1.2 Mục tiêu Thiết kế và chế tạo phanh MRB Kiểm chứng đặc tính của phanh MRB Tìm hiểu Card thu thập dữ liệu, cảm biến mô men, phương pháp đo mô men và ứng dụng của Labview trong thu thập dữ liệu theo thời gian thực Xây dựng hệ thống đo lường mô – men và vận tốc góc. Viết chương trình thu thập dữ liệu, chương trình điều khiển, và tính toán và hiển thị kết quả đo giao tiếp với máy tính qua phần mền Labview. Kiểm chứng kết quả điều khiển bằng thực nghiệm. 1.3 Phạm vi thực hiện đề tài Do giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài thực hiện đo mô men dung phương pháp đo gián tiếp. Trong đó, thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống đo thông qua phần mềm Labview và kiểm chứng đặc tính của phanh lưu chất từ biến bằng thực nghiệm. 1.4 Phương pháp thực hiện 1.4.1 Cơ sở phương pháp luận Dựa trên các tài liệu tham khảo, từ đó rút ra lý thuyết thực hiện, đồng thời xây dựng các phương án tiến hành. Theo các yêu cầu đặt ra của từng phương án, kết hợp khảo sát thực tế chọn ra phương án tối ưu nhất cho đề tài. Từ phương án tốt nhất được chọn, tiến hành chế tạo và thử nghiệm lấy mẫu trên thiết bị. Cuối cùng, đưa ra đánh giá chung cho thiết bị. 1.4.2 Các phương pháp thực hiện cụ thể 1.4.2.1 Phương pháp lý thuyết Tham khảo tài liệu, các bài báo, tổng hợp kiến thức lý thuyết và nguyên lý hoạt động của hệ thống từ đó thiết kế sơ bộ sơ đồ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý tổng quát cho hệ thống đo. Thông qua tính toán, khảo sát thực tế để chọn các thiết bị phù hợp và tối ưu cho hệ thống, từ đó đưa ra bản thiết kế hoàn chỉnh. 1.4.2.2 Phương pháp thực nghiệm Dựa trên bản thiết kế hoàn chỉnh tiến hành chế tạo, lắp ráp hệ thống. Tiến hành thực nghiệm trên hệ thống, so sánh kết quả thí nghiệm và lý thuyết, từ đó đưa ra qui trình đo và sử dụng. Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ CARD THU THẬP DỮ LIỆU NI PCI – 6225 2.1 Giới thiệu chung về card đo lường và điều khiển Card đo lường và điều khiển là thiết bị giao tiếp với máy tính qua cổng ISA hoặc PCI có chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến và đưa vào máy tính và thông qua card này máy tính có thể ra lệnh điều khiển các phần tử cơ cấu chấp hành. 2.2 Card thu thập dữ liệu NI PCI – 6225 Card NI PCI – 6225 là thiết bị sử dụng thu thập dữ liệu tốc độ cao từ các phần tử ngoại vi. Card này là một thiết bị thu thập dữ liệu đa chức năng thuộc dòng sản phẩm loại M ( M series) của công ty National Instrument (NI). Card được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực từ học tập, nghiên cứu khoa học, thí nghiệm, đến ứng dụng trong công nghiệp. 2.3 Thông số kỹ thuật Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật card NI 6225 Thông số chung Dòng sản phẩm DAQ đa chức năng Kiểu đơn vị đo Điện áp, dòng điện, xung Chuẩn kết nối PCI Hệ điều hành hỗ trợ Linux, Mac OS, RealTime, Windows Đọc tín hiệu Analog Số kênh đơn 80 Số kênh vi phân 40 Độ phân giải 16 bit Tốc độ lấy mẫu 250 kSs đơn kênh 250 kSs đa kênh Điện áp đọc tối đa Phạm vi 10 V – 10 V Độ chính xác 3100 µV Độ nhạy 97.6 µV Điện áp đọc tối thiểu Phạm vi 200 mV – 200 mV Độ chính xác 112 µV Độ nhạy 5.2 µV Số vùng dữ liệu 4 Lấy mẫu đồng thời Không Bộ nhớ trong 4095 mẫu Tín hiệu analog ra Số kênh 2 Độ phân giải 16 bit Điện áp tối đa Phạm vi 10 V – 10 V Độ chính xác 3230 µV Điện áp tối thiểu Phạm vi 10 V – 10 V Độ chính xác 3230 µV Tốc độ cập nhật 833 kSs Dòng truyền động đơn 5 mA Tín hiệu Digital VàoRa Kênh 2 chiều 24 Số kênh chỉ vào 0 Số kênh chỉ ra 0 Định thời Phần cứng, phần mềm Số dòng xung 8 Tốc độ xung tối đa 1MHz Mức logic TTL Bộ lọc đầu vào lập trình được Có Có khả năng lập trình trạng thái cung cấp năng lượng Có Tín hiệu digital vào Kiểu vào Sinking, Sourcing Điện áp tối đa 0V – 5V Tín hiệu digital ra Kiểu ra Sinking, Sourcing Dòng đơn 24 mA Dòng tổng 448 mA Điện áp tối đa 0V – 5V Bộ đếmđịnh giờ Định giờ quan sát Không Số bộ đếm 2 Số kênh DMA 2 Phép toán đệm Có Hãmloại bỏ trục trặc phần cứng Có Tần số nguồn tối đa 80MHz Tạo xung Có Kích thước 32 bit Tính ổn định của bộ quét 50ppm Mức logic TTL Định giờKích hoạtĐồng bộ hóa Kích hoạt Tín hiệu kĩ thuật số Đồng bộ hóa Bus(RTSI) Có Thông số kỹ thuật vật lý Dài 15.5 cm Rộng 9.7 cm Cổng kết nối VàoRa 68pin VHDCI female 2.4 Sơ đồ chân kết nối Hình 2.1 Sơ đồ chân kết nối card NI 6225 2.5 Hình ảnh thực tế Hình 2.2 Block terminal card NI 6225 Hình 2.3 Card NI PCI 6225 Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 3.1 Giới thiệu LabVIEW LabVIEW (Laboratoty Virtual Instrument Engineering Workbench) là môi trường lập trình ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. Khác với những ngôn ngữ lập trình sử dụng các từ vựng (từ khóa) cố định viết trên nền văn bản để tạo ra các dòng lệnh hoặc mã lệnh, LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa Graphical . Với việc sử dụng các khối hình ảnh sinh động cùng các dây nối để tạo ra các lệnh, các hàm một cách trực quan về dễ hiểu nhất. LabVIEW sử dụng lập trình lưu đồ, ở đó luồng dữ liệu xuyên qua cac nút trên sơ đồ khối xác định mệnh lệnh của các VI và các hàm chức năng. Các VI, hay thiết bị ảo, là các chương trình LabVIEW bắt chước các dụng cụ vật lý. Chính những sự khác biệt trên mà LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn bao giờ hết, đặc biệt LabVIEW rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng viên. Chính sự đơn giản, dễ học, dễ nhỡ đã giúp cho LabVIEW trở thành một trong những công cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ cảm biến, phát triển thuật toán, và điều khiển thiết bị tại các phòng thí nghiệm trên thế giới. Đồng thời, LabVIEW hỗ trợ các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên, vv.. xây dựng các thuật toán một cách nhanh, gọn, sáng tạo, và dễ hiểu. Các thuật toán này sau đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành thông qua nhiều chuẩn giao tiếp như chẩn RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCPIP, UDP, chuẩn GPIB, vv.. Vì vậy LabVIEW là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh. LabVIEW hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành (Windows (2000, XP, Vista, Windows7,8), Linux, MacOS, Window Mobile, Window Embedded. 3.2 Các ứng dụng của LabVIEW LabVIEW được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vậy lý, toán học, sinh học, vật liệu, ô tô, vv.. Nhìn chung: LabVIEW giúp kỹ sư kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính. Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) các loại như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital), hình ảnh (vison), âm thanh (audio), vv.. Điều khiển trực tiếp các cơ cấu chấp hành. LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau như RS232, RS485 ,USB, PCI, PXI, TCPIP. 3.3 Cấu trúc 3.3.1 Thiết bị ảo (VI – Vitual Instrument) Lập trình LabVIEW trên cơ sở thiết bị ảo. Các đối tượng trong thiết bị ảo được sử dụng để mô phỏng các thiết bị thực, nhưng chúng được đưa vào bởi phần mềm. Các VI (thiết bị ảo) tương tự như các hàm trong các ngôn ngữ lập trình khác. 3.3.2 Front Panel Một chương trình chung trong LabVIEW gồm 3 phần chính: một là giao diện với người sử dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn (Block Diagram) và biểu tượng kết nối (IconConnector). Front Panel là một panel tương tự như panel của thiết bị thực tế ví dụ các nút bấm, nút bật, các đồ thị và các bộ điều khiển. Từ Front Panel người dụng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột, bàn phím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương trình chạy và quan sát. Front Panel thường gồm các bộ điều khiển (Control) và các bộ chỉ thị (Indicator): Control là các đối tượng đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chương trình. Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu. Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiển thị kết quả, nó tương tự như bộ phận đầu vào của chương trình. 3.3.3 Block Diagram Block Diagram của một VI là một sơ đồ được xây dụng trên môi trường LabVIEW, nó có thể gồm nhiều đối tượng và các hàm khác nhau để tạo các câu lệnh để chương trình thực hiện. Block Diagram là một mã nguồn đồ họa của một VI. Các đối tượng trên Front Panel được thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram. Các thiết bị đầu cuối chỉ mất đi sau khi loại bỏ đối tượng tương ứng trên Front Panel. Cấu trúc của một Block Diagram gồm nhiều các thiết bị đầu cuối (Terminal), Nút (Node) và các dây nối (Wire). Terminal: là các cổng mà dữ liệu truyền qua giữa Block Diagram và Front Panel, và giữa các node trong Block Diagram. Các terminal nằm dưới dạng các Icon của các Function. Node: là các phẩn tử thực thi chương trình, chúng tương tự như các mệnh đề, toán tư, hàm và các chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình thông thường. Wire: là các dây nối dữ liệu giữa các nút (node). 3.4 Giao diện người dùng và các công cụ hỗ trợ cơ bản của LabVIEW 3.4.1 Khởi động chương trình Nhấp vào biểu tượng LabVIEW như hình ta có được giao diện khi khởi động LabVIEW. Hình 3.1 Cửa sổ chờ của Labview Vào File>>New VI để vào mối trường lập trình hình Front Panel và Block Diagram Hình 3.2 Cửa sổ Front Panel Hình 3.3 Cửa sổ Block Diagram 3.4.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình Việc lập trình trên LabVIEW cần sử dụng các bản: Tools Palette, Controls Palette, Functions Palette, các bản đồ đó cung cấp các chức năng để người sử dụng có thể tạo và thay đổi trên Front Panel và Block Diagram. 3.4.3 Tool Panel: Tools panel xuất hiện trên cả Front Panel và Block Diagram. Bảng này cho phép người sử dụng có thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt của con trở chuột. Khi lựa chọn một công cụ, biểu tượng của con trở sẽ được thay đổi theo biểu tượng của con trỏ đó. Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chon công cụ và người sử dụng di chuyển con trỏ qua các đối tượng trên Front Panel hoặc Block Diagram, LabVIEW sẽ tựu dộng lựa chon công cụ phù hợp trên bảng tools palate. Để truy cập vào tools palette ta chọn Menu: View>>Tools Palette. Thanh công cụ Tools Palette gồm có: Hình 3.4 Thanh công cụ Tools panel Operating tool. Positioning tool. Labeling tool. Wiring tool. Object Pop – up Menu tool. Scroll tool. Breakpoint tool. Probe tool. Color copy tool. Color tool. 3.4.4 Bảng điều khiển (Controls Palette) Bảng điều khiển chỉ duy nhất xuất hiện trên Front Panel. Bảng điều khiển chứa các bộ điều khiển (Control) và các bộ hiển thị (Indicator). Bảng điều khiển được minh họa hình sau. Hình 3.5 Bảng điều khiển (Controls Palette) Bảng điều khiển được sử dụng để thiết kế cấu trúc mặt hiển thị gồm các thiết bị: các công tắc, các loại đèn, các loại màn hình hiển thị… Với bảng điều khiển này, người sử dụng có thể chọn các thiết bị chuẩn do hãng cung cấp. Bảng điều khiển dùng để cung cấp dũ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra.
Trang 1Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM
KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC GÓC VÀ MÔ MEN CỦA
DAO ĐỘNG GIAO TIẾP BẰNG MÁY TÍNH
Chủ nhiệm đề tài:
TP Hồ Chí Minh, năm 20
Trang 2Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
LỜI MỞ ĐẦU
Đặc điểm chung của các máy móc công nghiệp hiện nay đa số sử dụng động cơ đểtạo sự dẫn động cho hệ thống Việc tính toán lựa chọn động cơ là điều rất quan trọng.Việc kiểm tra đo đạc lại thông số mô – men xoắn và tốc độ quay của động cơ vô cùng cầnthiết trong quá trình hoạt động Ngoài ra, trang bị những thiết bị phục vụ cho quá trìnhnghiên cứu khoa học và thiết bị giảng dạy cho sinh viên có ý nghĩa rất quan trọng
Thực hiện đề tài “Xây dựng thống đo vận tốc góc và mô –men giao tiếp bằng máy tính” là vô cùng cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu cho quá trình nghiên cứu khoa học và
thiết bị giảng dạy trong Khoa CN Cơ khí
Nhóm tác giả
Trang 3MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu 1
1.3 Phạm vi thực hiện đề tài 2
1.4 Phương pháp thực hiện 2
1.4.1 Cơ sở phương pháp luận 2
1.4.2 Các phương pháp thực hiện cụ thể 2
1.4.2.1 Phương pháp lý thuyết 2
1.4.2.2 Phương pháp thực nghiệm 2
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ CARD THU THẬP DỮ LIỆU NI PCI – 6225 3
2.1 Giới thiệu chung về card đo lường và điều khiển 3
2.2 Card thu thập dữ liệu NI PCI – 6225 3
2.3 Thông số kỹ thuật 3
2.4 Sơ đồ chân kết nối 6
2.5 Hình ảnh thực tế 7
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 8
3.1 Giới thiệu LabVIEW 8
3.2 Các ứng dụng của LabVIEW 8
3.3 Cấu trúc 9
3.3.1 Thiết bị ảo (VI – Vitual Instrument) 9
3.3.2 Front Panel 9
3.3.3 Block Diagram 10
3.4 Giao diện người dùng và các công cụ hỗ trợ cơ bản của LabVIEW 10
3.4.1 Khởi động chương trình 10
3.4.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 12
3.4.3 Tool Panel: 12
3.4.4 Bảng điều khiển (Controls Palette) 14
Trang 43.4.5 Một số bộ điều khiển và hiển thị trên Controls Palette 14
3.5 DAQ và lập trình thu thập dữ liệu 17
3.5.1 DAQ (data acquisition) và thiết bị DAQ 17
3.5.2 Mối quan hệ giữa LabVIEW với thiết bị DAQ 18
3.5.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống DAQ 19
Chương 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO MÔ MEN VÀ TỐC ĐỘ QUAY 20
4.1 Phương pháp đo mô mem 20
4.1.1 Phương pháp đo trực tiếp 20
4.1.2 Phương pháp đo gián tiếp 21
4.2 Phương án đo mô men 21
4.3 Sơ đồ tổng quan hệ thống thí nghiệm 21
4.4 Các bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm 23
4.4.1 Cảm biến đo mô – men xoắn (torque sensor) LORENZ D – 2553 và bộ khuyếch đại (Amplifier) 23
4.4.2 Động cơ MITSUBISHI 25
4.4.3 ENCODER 26
4.4.4 Thông số cơ bản của encoder: 26
4.4.5 Biến tần MITSUBISHI FR - E720 1.5 Kw 27
4.4.6 Phanh lưu chất từ biến 28
4.4.6.1 Phanh MRB có 4 cuộn dây đặt 2 bên vỏ 28
4.4.6.2 Thiết kế tối ưu phanh MRB 30
4.4.7 Bàn thí nghiệm 33
4.5 Thiết kế giao diện điều khiển trên phần mềm LabVIEW 35
4.5.1 Lưu đồ giải thuật đo lường 35
4.5.2 Đấu nối phần cứng vào card giao tiếp 36
4.5.3 Các khối lập trình sử dụng 36
4.5.4 Thiết lập đo vận tốc 39
4.5.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán 39
4.5.4.2 Thuật toán đọc encoder 40
Trang 54.5.4.3 Tiến hành lập chương trình đo vận tốc bằng LabVIEW 40
4.5.5 Thiết lập đo mô – men xoắn 43
4.5.5.1 Cơ sở tính toán 43
4.5.5.2 Tiến hành lập chương trình đo mô – men xoắn bằng LabVIEW 44
4.5.6 Điều khiển dòng điện cấp cho phanh MRB 47
4.5.6.1 Cơ sở tính toán 47
4.5.6.2 Lập chương trình điều khiển dòng cho phanh MRB 49
Chương 5: KẾ QUẢ THỰC NGHIỆM 53
5.1 Hiệu chỉnh hệ số cảm biến 53
5.2 Kết quả đặc tính của phanh MRB khi cấp lần lượt các cuộn dây 54
5.3 Điều khiển mạch công suất 54
5.4 Mối quan hệ giữa dòng điện cấp vào cuộn dây phanh MRB và mô – men xoắn thu được 55
5.4.1 Đáp ứng nấc (step) mô – men của phanh MRB 55
5.4.2 Sự phụ thuộc của mô – men xoắn vào cường độ dòng điện 56
5.5 Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và các mức mô – men xoắn 56
Chương 6: KẾT LUẬN 58
Trang 6Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Sơ đồ chân kết nối card NI 6225 6
Hình 2.2 Block terminal card NI 6225 7
Hình 2.3 Card NI PCI 6225 7
Hình 3.1 Cửa sổ chờ của Labview 11
Hình 3.2 Cửa sổ Front Panel 11
Hình 3.3 Cửa sổ Block Diagram 12
Hình 3.4 Thanh công cụ Tools panel 13
Hình 3.5 Bảng điều khiển (Controls Palette) 14
Hình 3.6 Bảng Numeric Controls 15
Hình 3.7 Bảng Boolean Controls 15
Hình 3.8 Bảng String Controls 16
Hình 3.9 Bảng Functions Palette 17
Hình 3.10 Sơ đồ mối quan hệ LabVIEW với thiết bị DAQ 19
Hình 3.11 Cấu trúc hệ thống DAQ 19
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 22
Hình 4.2 Cấu tạo cảm biến D - 2553 23
Hình 4.3 Cảm biến D - 2553 23
Hình 4.4 Sơ đồ khối Amplifier LCV – U10 24
Hình 4.5 Amplifier LCV – U10 25
Hình 4.6 Động cơ MITSUBISHI 26
Hình 4.7 Encoder 27
Hình 4.8 Biến tần MITSUBISHI FR – E720 1.5 Kw 27
Hình 4.9 Phanh MRB MRF có cuộn dây cố định 28
Hình 4.10 Bản vẽ lắp phanh MRB 30
Hình 4.11 Phanh MRB hoàn chỉnh lắp lên mô hình 33
Hình 4.12 Thiết kế bàn thí nghiệm 33
Hình 4.13 Bàn thí nghiệm hoàn thành 34
Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật đo lường 35
Hình 4.15 Sơ đồ đấu nối phần cứng 36
Hình 4.16 Các hàm mô phỏng VI 37
Hình 4.17 Các hàm xử lý tín hiệu 37
Hình 4.18 Các vòng lặp điều khiển 38
Hình 4.19 Các bộ định thời 38
Hình 4.20 Các hàm toán học 39
Hình 4.21 Các toán tử so sánh 39
Hình 4.22 Nguyên lý hoạt động và dạng xung ra encoder 40
Trang 7Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
Hình 4.23 Cửa sổ thiết lập thông số encoder 41
Hình 4.24 Vòng lặp While có Add Shift Register 42
Hình 4.25 Chương trình đọc encoder 42
Hình 4.26 Mạch cầu Wheatstone 43
Hình 4.27 Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục 43
Hình 4.28 Cửa sổ thiết lập thông số torque sensor 45
Hình 4.29 Thông số bộ lọc số 46
Hình 4.30 Chương trình đọc torque sensor 46
Hình 4.31 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 47
Hình 4.32 Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM 48
Hình 4.33 Giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp ra khi dùng PWM 48
Hình 4.34 Bảng thông số cài đặt xung PWM 49
Hình 4.35 Bảng thông số analog output 50
Hình 4.36 Chương trình xuất xung PWM 51
Trang 8Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật card NI 6225 3
Bảng 4.1 Thông số cảm biến D - 2553 24
Bảng 4.2 Thông số Amplifier LCV – U10 25
Bảng 4.3 Thông số động cơ MITSUBISHI 25
Bảng 4.4 Thông số encoder 26
Bảng 4.5 Thông số biến tần MITSUBISHI FR – E720 1.5 Kw 27
Trang 9Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 5.1 Dòng điện ở các mức Duty Cycle 55
Biểu đồ 5.2 Đáp ứng step của mô – men phanh MRB 55
Biểu đồ 5.3 Mô – men xoắn ở các mức dòng điện 56
Biểu đồ 5.4 Đặc tính tốc độ của động cơ khi mô – men thay đổi 57
Trang 10Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc và mô men của dao động giao tiếp bằng máy tính
Trong nghiên cứu này, mục tiêu là xây dựng hệ thống thí nghiệm có thể đo được
mô men xoắn và tốc độ quay của những chuyển động quay và dao động xoắn dựa trênphương pháp đo gián tiếp Phương pháp đo gián tiếp là dung thiết bị hãm làm dao độngdừng lại và lực hãm đó chính bằng mô men sinh ra của chuyển động và cảm biến mômen có độ chính xác cao để xác định mô – men, tín hiệu được lấy mẫu dựa trên thờigian thực và giao tiếp với máy tính dùng phần mềm Labview
1.2 Mục tiêu
- Thiết kế và chế tạo phanh MRB
- Kiểm chứng đặc tính của phanh MRB
- Tìm hiểu Card thu thập dữ liệu, cảm biến mô men, phương pháp đo mô men vàứng dụng của Labview trong thu thập dữ liệu theo thời gian thực
- Xây dựng hệ thống đo lường mô – men và vận tốc góc
- Viết chương trình thu thập dữ liệu, chương trình điều khiển, và tính toán và hiểnthị kết quả đo giao tiếp với máy tính qua phần mền Labview
- Kiểm chứng kết quả điều khiển bằng thực nghiệm
Trang 111.3 Phạm vi thực hiện đề tài
Do giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài thực hiện đo mô men dung phươngpháp đo gián tiếp Trong đó, thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống đo thông qua phầnmềm Labview và kiểm chứng đặc tính của phanh lưu chất từ biến bằng thực nghiệm
1.4 Phương pháp thực hiện
1.4.1 Cơ sở phương pháp luận
- Dựa trên các tài liệu tham khảo, từ đó rút ra lý thuyết thực hiện, đồng thờixây dựng các phương án tiến hành
- Theo các yêu cầu đặt ra của từng phương án, kết hợp khảo sát thực tế chọn
ra phương án tối ưu nhất cho đề tài
- Từ phương án tốt nhất được chọn, tiến hành chế tạo và thử nghiệm lấy mẫutrên thiết bị
- Cuối cùng, đưa ra đánh giá chung cho thiết bị
1.4.2 Các phương pháp thực hiện cụ thể
1.4.2.1 Phương pháp lý thuyết
- Tham khảo tài liệu, các bài báo, tổng hợp kiến thức lý thuyết và nguyên lýhoạt động của hệ thống từ đó thiết kế sơ bộ sơ đồ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý tổngquát cho hệ thống đo
- Thông qua tính toán, khảo sát thực tế để chọn các thiết bị phù hợp và tối ưucho hệ thống, từ đó đưa ra bản thiết kế hoàn chỉnh
1.4.2.2 Phương pháp thực nghiệm
Dựa trên bản thiết kế hoàn chỉnh tiến hành chế tạo, lắp ráp hệ thống
Tiến hành thực nghiệm trên hệ thống, so sánh kết quả thí nghiệm và lýthuyết, từ đó đưa ra qui trình đo và sử dụng
Trang 12Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ CARD THU THẬP DỮ LIỆU NI PCI – 6225
2.1 Giới thiệu chung về card đo lường và điều khiển
Card đo lường và điều khiển là thiết bị giao tiếp với máy tính qua cổng ISAhoặc PCI có chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến và đưa vào máy tính và thôngqua card này máy tính có thể ra lệnh điều khiển các phần tử cơ cấu chấp hành
2.2 Card thu thập dữ liệu NI PCI – 6225
Card NI PCI – 6225 là thiết bị sử dụng thu thập dữ liệu tốc độ cao từ các phần
tử ngoại vi Card này là một thiết bị thu thập dữ liệu đa chức năng thuộc dòng sảnphẩm loại M ( M series) của công ty National Instrument (NI) Card được sử dụng rộngrãi trên nhiều lĩnh vực từ học tập, nghiên cứu khoa học, thí nghiệm, đến ứng dụngtrong công nghiệp
2.3 Thông số kỹ thuật
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật card NI 6225
Thông số chung
Dòng sản phẩm DAQ đa chức năng
Kiểu đơn vị đo Điện áp, dòng điện, xung
Chuẩn kết nối PCI
Hệ điều hành hỗ trợ Linux, Mac OS, Real-Time, Windows
Đọc tín hiệu Analog
Số kênh vi phân 40
Độ phân giải 16 bit
Tốc độ lấy mẫu 250 kS/s đơn kênh
250 kS/s đa kênh
Điện áp đọc tối đa
Trang 13Độ phân giải 16 bit
Điện áp tối đa
Trang 14Mức logic TTL
Bộ lọc đầu vào lập trình được Có
Có khả năng lập trình trạng thái
cung cấp năng lượng Có
Tín hiệu digital vào
Kiểu vào Sinking, SourcingĐiện áp tối đa 0V – 5V
Định giờ/Kích hoạt/Đồng bộ hóa
Kích hoạt Tín hiệu kĩ thuật sốĐồng bộ hóa Bus(RTSI) Có
Thông số kỹ thuật vật lý
Trang 15Rộng 9.7 cm
Cổng kết nối Vào/Ra 68-pin VHDCI female
2.4 Sơ đồ chân kết nối
Hình 2.1 Sơ đồ chân kết nối card NI 6225
Trang 162.5 Hình ảnh thực tế
Hình 2.2 Block terminal card NI 6225
Hình 2.3 Card NI PCI 6225
Trang 17Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW
3.1 Giới thiệu LabVIEW
LabVIEW (Laboratoty Virtual Instrument Engineering Workbench) là môitrường lập trình ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người,thuật toán và các thiết bị Khác với những ngôn ngữ lập trình sử dụng các từ vựng (từkhóa) cố định viết trên nền văn bản để tạo ra các dòng lệnh hoặc mã lệnh, LabVIEW sửdụng ngôn ngữ lập trình đồ họa Graphical Với việc sử dụng các khối hình ảnh sinhđộng cùng các dây nối để tạo ra các lệnh, các hàm một cách trực quan về dễ hiểu nhất.LabVIEW sử dụng lập trình lưu đồ, ở đó luồng dữ liệu xuyên qua cac nút trên sơ đồkhối xác định mệnh lệnh của các VI và các hàm chức năng Các VI, hay thiết bị ảo, làcác chương trình LabVIEW bắt chước các dụng cụ vật lý
Chính những sự khác biệt trên mà LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở nênđơn giản hơn bao giờ hết, đặc biệt LabVIEW rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học,hay giảng viên Chính sự đơn giản, dễ học, dễ nhỡ đã giúp cho LabVIEW trở thànhmột trong những công cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ cảm biến,phát triển thuật toán, và điều khiển thiết bị tại các phòng thí nghiệm trên thế giới
Đồng thời, LabVIEW hỗ trợ các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên, vv xây dựngcác thuật toán một cách nhanh, gọn, sáng tạo, và dễ hiểu Các thuật toán này sau đóđược áp dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành thông qua nhiều chuẩn giao tiếpnhư chẩn RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạngTCP/IP, UDP, chuẩn GPIB, vv Vì vậy LabVIEW là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh
LabVIEW hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành (Windows (2000, XP, Vista,Windows7,8), Linux, MacOS, Window Mobile, Window Embedded
3.2 Các ứng dụng của LabVIEW
LabVIEW được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử,robotics, vậy lý, toán học, sinh học, vật liệu, ô tô, vv Nhìn chung:
Trang 18- LabVIEW giúp kỹ sư kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nàovới máy tính.
- Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) các loại như tín hiệu tương tự (analog), tínhiệu số (digital), hình ảnh (vison), âm thanh (audio), vv
- Điều khiển trực tiếp các cơ cấu chấp hành
- LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau như RS232, RS485 ,USB,PCI, PXI, TCP/IP
3.3 Cấu trúc
3.3.1 Thiết bị ảo (VI – Vitual Instrument)
Lập trình LabVIEW trên cơ sở thiết bị ảo Các đối tượng trong thiết bị ảo được
sử dụng để mô phỏng các thiết bị thực, nhưng chúng được đưa vào bởi phần mềm Các
VI (thiết bị ảo) tương tự như các hàm trong các ngôn ngữ lập trình khác
3.3.2 Front Panel
Một chương trình chung trong LabVIEW gồm 3 phần chính: một là giao diệnvới người sử dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn(Block Diagram) và biểu tượng kết nối (Icon/Connector) Front Panel là một paneltương tự như panel của thiết bị thực tế ví dụ các nút bấm, nút bật, các đồ thị và các bộđiều khiển Từ Front Panel người dụng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột, bànphím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương trình chạy và quan sát
Front Panel thường gồm các bộ điều khiển (Control) và các bộ chỉ thị(Indicator):
Control là các đối tượng đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chươngtrình Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu
Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiển thị kết quả, nótương tự như bộ phận đầu vào của chương trình
Trang 19Cấu trúc của một Block Diagram gồm nhiều các thiết bị đầu cuối (Terminal),Nút (Node) và các dây nối (Wire).
Terminal: là các cổng mà dữ liệu truyền qua giữa Block Diagram và FrontPanel, và giữa các node trong Block Diagram Các terminal nằm dưới dạng các Iconcủa các Function
Node: là các phẩn tử thực thi chương trình, chúng tương tự như các mệnh đề,toán tư, hàm và các chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình thông thường
Wire: là các dây nối dữ liệu giữa các nút (node)
3.4 Giao diện người dùng và các công cụ hỗ trợ cơ bản của LabVIEW
3.4.1 Khởi động chương trình
Nhấp vào biểu tượng LabVIEW như hình ta có được giao diện khi khởiđộng LabVIEW
Trang 20Hình 3.1 Cửa sổ chờ của Labview
Vào File>>New VI để vào mối trường lập trình hình Front Panel và Block Diagram
Hình 3.2 Cửa sổ Front Panel